采空區(qū)高摻量粉煤灰水泥注漿流場分布規(guī)律研究

鄒友平

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京100013)

青年論壇

采空區(qū)高摻量粉煤灰水泥注漿流場分布規(guī)律研究

鄒友平1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京100013)

以實驗室相似模擬試驗和理論分析為主要研究手段，對采空區(qū)的二次失穩(wěn)致因與注漿流場分布規(guī)律進行了系統(tǒng)的分析與研究。研究結(jié)果表明：采用確定的配比制得的注漿漿液基本符合賓漢姆流體標準；垮落帶破裂巖體的“二次失穩(wěn)”特征是在外部荷載作用下的壓密和位移；斷裂帶巖體的“二次失穩(wěn)”特征主要是巖塊結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和離層空間的閉合；彎曲帶巖體的“二次失穩(wěn)”特征表現(xiàn)為在上覆壓應(yīng)力和外部荷載作用下的離層裂縫壓密；垮落帶和斷裂帶是導(dǎo)致覆巖二次移動、采空區(qū)結(jié)構(gòu)二次失穩(wěn)的主要根源；采空區(qū)垮落區(qū)范圍內(nèi)的注漿滲流跡線分布呈現(xiàn)“脊椎式”；堆積區(qū)范圍內(nèi)的注漿滲流跡線分布呈現(xiàn)“絮網(wǎng)式”；根據(jù)對漿液流動跡線的分析，提出了2種注漿引起的固相顆粒擴散的理論模型。

采空區(qū)；高摻量粉煤灰水泥漿；流場分布

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國采煤沉陷區(qū)面積已超過8×105hm2，且仍以200km2/a的速度不斷擴大。礦區(qū)的工程建設(shè)難以回避采空區(qū)的影響，為了保證采空區(qū)上部建(構(gòu))筑物安全必須對采空區(qū)進行處理。因此，有關(guān)開采沉陷區(qū)域的治理問題引起了各方的高度關(guān)注，并成為業(yè)界研究的難點和熱點[1-3]。

目前，對于采空區(qū)的治理主要采取壓力注漿法、井下回填法和開挖回填法。壓力注漿法是通過人工制造壓力方法，將具有膠結(jié)性能的漿液材料注入地基土顆粒的空隙、土層界面或巖層空隙；井下回填法是利用矸石、灰?guī)r或砂巖等片石材料，通過人工回填砌筑于采礦后形成的空洞并利用其支撐作用確保采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定；開挖回填法是對建筑場地下的采空區(qū)先開挖至采空區(qū)(空洞)部位，然后采用灰土回填方法。與之相關(guān)的研究工作也開展較多且成果豐碩，但這些研究多以牛頓流體漿液為主，沒有考慮時間變化對漿液性質(zhì)的影響和采空區(qū)形態(tài)分布特點等。因此，以高摻量粉煤灰水泥為注漿材料，研究注漿時的流場分布規(guī)律與加固效應(yīng)，具有較強的理論意義和實用價值。

1 模擬研究方案

1.1 物理模型的建立

以安泰煤業(yè)坑口選煤廠下采空區(qū)注漿工程為工程背景進行模擬研究，該采空區(qū)為原劉家山煤業(yè)公司于2003—2005年開采形成，主采8號煤層，煤層傾角平均為4.8°，平均采深為52m，平均可采厚度為3.0m，直接頂為泥巖、砂巖互層。選擇沙子、CaCO3、石膏和水作為相似材料，按配比模擬構(gòu)建煤巖層。模型主要是沿水平方向分層鋪設(shè)搗實，每個分層之間通過均勻播撒云母粉來模擬巖層的層面和節(jié)理裂隙弱面。模型尺寸(長×寬×高)為1600mm×150mm×630mm，各主要巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1[4-5]。

表1 模型參數(shù)及材料配比

1.2 注漿方案

實驗時采用的注漿材料為水泥粉煤灰漿液，由水、水泥、粉煤灰組成。其中，水泥∶粉煤灰為3∶7，水灰比為1∶1.2。依據(jù)實踐中注漿孔的間距設(shè)置，根據(jù)相似比設(shè)置注漿鉆孔間距為280～420mm，即約20～30m，初始注漿壓力為0.2MPa，終止有效孔壓1MPa。注漿鉆孔設(shè)置如圖1所示。

圖1 實驗?zāi)Ｐ团c注漿孔設(shè)計

2 采空區(qū)注漿流場分布規(guī)律

2.1 采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征

本次實驗?zāi)M地下長壁開采，采用全部垮落法管理頂板。由于主要針對采空區(qū)注漿加固的相關(guān)內(nèi)容進行研究，在本次相似模擬實驗過程中有關(guān)長壁工作面采空區(qū)覆巖垮冒過程不作研究，直接給出長壁工作面開采結(jié)束30d之后采空區(qū)覆巖垮冒結(jié)果，煤層開采結(jié)束之后長壁工作面采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 煤層開采結(jié)束之后長壁工作面采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)特征

分析圖2可知：

(1)巖層形成機理 采空區(qū)上覆巖層由于失去支撐基礎(chǔ)而產(chǎn)生破斷、垮冒，根據(jù)上覆巖層的斷裂破碎特點，在采空區(qū)的豎直方向上，形成3種不同的采動影響帶，自下而上依次為垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶。其中，采空區(qū)垮落帶由于受垮冒直接頂碎脹空間大小的影響，開始碎脹空間較大時形成的破裂巖體，即下部破裂巖體呈散體分布、上部塊體分布。下部呈散體分布的矸石破碎、堆積雜亂無章，完全失去了原有層位；上部呈塊體分布的矸石，塊度大、塊體之間空隙大、連通性好，由于受活動空間限制的影響，塊度較大的巖塊基本上保持原有層次。采空區(qū)斷裂帶巖層，由于斷裂塊度更大且強度較大，塊體不僅保持了原有的層次，而且塊體之間相互咬合形成外觀上呈梁狀實質(zhì)為拱狀的穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)，形成砌體梁結(jié)構(gòu)巖層之間由于運動的不協(xié)調(diào)性產(chǎn)生離層裂隙。

(2)頂板二次失穩(wěn)方面 在采空區(qū)的橫向方向上，尤其在采空區(qū)邊緣由于受邊緣區(qū)上覆堅硬巖層砌體梁結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)的承載作用，采空區(qū)邊緣區(qū)垮落帶的巖體為碎裂、散體結(jié)構(gòu)，自采空區(qū)邊緣至采空區(qū)中部，因受上覆巖層活動壓實程度不同表現(xiàn)出較為明顯的分區(qū)性：自由堆積區(qū)(孔隙發(fā)育區(qū))、支承壓力影響區(qū)(孔隙欠發(fā)育區(qū))、完全壓實區(qū)(孔隙不發(fā)育區(qū))；斷裂帶的巖體，由于塊度較大且相互咬合呈塊裂層狀結(jié)構(gòu)，因受砌體梁結(jié)構(gòu)的承載作用和各巖層位運動不協(xié)調(diào)性的影響，斷裂帶巖體自老采空區(qū)邊緣至中部整體上也表現(xiàn)出分區(qū)性：邊緣離層區(qū)、次邊緣欠壓密區(qū)、中部的壓密區(qū)；彎曲下沉帶的巖體由于是整體彎曲變形，基本上仍呈較完整的層狀結(jié)構(gòu)，裂隙基本不發(fā)育。由此可見，垮落帶和斷裂帶是孔洞和孔隙的主要發(fā)育區(qū)，這些孔洞孔隙是導(dǎo)致覆巖二次移動、采空區(qū)結(jié)構(gòu)二次失穩(wěn)的潛在因素。

垮落帶破裂巖體下部呈散體結(jié)構(gòu)、上部呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖塊間空隙發(fā)育、連通性好，其“二次失穩(wěn)”特征為在外部荷載作用下的壓密和位移。斷裂帶巖體呈塊裂層狀結(jié)構(gòu)，巖體塊度較大、剛度和強度較高；在采空區(qū)邊界附近上方，巖塊間相互咬合形成外形像梁實質(zhì)為半拱的結(jié)構(gòu)，并由于各巖層斷裂塊自身屬性不同，運動的不協(xié)調(diào)型，層間存在大量離層空間，其“二次失穩(wěn)”特征主要表現(xiàn)為巖塊結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和離層空間的閉合。彎曲下沉帶巖體為較完整的層狀結(jié)構(gòu)，其“二次失穩(wěn)”特征表現(xiàn)為在上覆壓應(yīng)力和外部荷載作用下的離層裂縫壓密。

(3)采空區(qū)的碎脹系數(shù)方面 表現(xiàn)為采空區(qū)覆巖中碎脹巖體范圍呈近梯形分布。橫向方向采空區(qū)中部破裂巖塊殘余碎脹系數(shù)小；愈接近采空區(qū)邊界，受巖梁結(jié)構(gòu)掩護的影響，破裂巖塊殘余碎脹系數(shù)越大；在采空區(qū)邊緣附近，破碎巖塊仍呈現(xiàn)自然堆積狀態(tài)，殘余碎脹系數(shù)和空隙度最大。豎直方向隨著遠離采空區(qū)底板向上，由于破裂巖塊的塊度迅速增大，其殘余碎脹系數(shù)逐漸減小。

2.2 采空區(qū)注漿液滲流跡線分布規(guī)律

采空區(qū)注漿技術(shù)是指利用液壓原理，通過壓力將具有膠結(jié)性能的漿液材料借助注漿管注入采空區(qū)矸石堆積體的殘余空隙，形成一個高強度的新“結(jié)構(gòu)體”。在采空區(qū)碎石堆積體中，多數(shù)孔隙是相互連通的，這些連通的孔隙稱為有效孔隙，采空區(qū)矸石堆積體的有效孔隙率與采空區(qū)“三帶”分布密切相關(guān)，自下而上有效孔隙率逐漸減小。同時，由于采空區(qū)已經(jīng)經(jīng)歷相當長時間的自然壓實，矸石體形態(tài)經(jīng)歷過調(diào)整，導(dǎo)致采空區(qū)中存在大量互不連通或雖連通但流體很難通過的孔隙則稱為閉合孔隙。針對采空區(qū)注漿工程而言，貫通的孔隙才具有實際工程意義。

2.2.1 垮落區(qū)注漿液滲流跡線分布規(guī)律

采用前述建立的物理模型及配置的漿液，首先選擇垮落區(qū)作為主要注漿區(qū)域，對漿液在其內(nèi)的擴散規(guī)律進行研究分析，得到了如圖3所示典型漿液滲流跡線。分析可知，注入漿液在采空區(qū)中的滲流擴散主要受老采空區(qū)堆積矸石的孔隙形態(tài)、矸石堆積結(jié)構(gòu)形態(tài)和注漿壓力所影響。在采空區(qū)中矸石堆積相對規(guī)則的垮落區(qū)，其有效孔隙相對不發(fā)育，而閉合孔隙相對發(fā)育，漿液在該類區(qū)域滲流路徑單調(diào)，漿液在這類區(qū)域漿液滲流跡線分布呈現(xiàn)“脊椎式”。

圖3 垮落區(qū)漿液滲流跡線分布

2.2.2 堆積區(qū)注漿液滲流跡線分布規(guī)律

采用前述建立的物理模型及配置的漿液，首先選擇堆積區(qū)作為主要注漿區(qū)域，對漿液在其內(nèi)的擴散規(guī)律進行研究分析，得到了如圖4所示典型漿液滲流跡線。分析可知，堆積區(qū)有效孔隙相對很發(fā)育，死端孔隙較少，漿液流動路徑豐富，其在這類區(qū)域的滲流跡線分布呈現(xiàn)“絮網(wǎng)式”。

圖4 堆積區(qū)漿液滲流跡線分布

2.2.3 注漿引起的固相顆粒擴散的理論模型

在注漿漿液性能和注漿壓力一定的情況下，在采空區(qū)矸石堆積體中有效孔隙率高、有效孔隙尺寸較大和滲透通道連通效果好的區(qū)域，漿液固相顆粒擴散范圍較大即滲流跡線分布較長，反之，滲流跡線分布則較短[9-10]。其實質(zhì)是矸石堆積特征和漿液性能的相互協(xié)調(diào)的結(jié)果，在漿液流變性和凝膠時間(或固相析出時間)一定的條件下，矸石堆積體的特征越有利于漿液快速流動，在漿液固相析出阻塞有效孔隙之前，流動范圍越大即固相滲流跡線越長。采空區(qū)不同區(qū)域注漿跡線表現(xiàn)出不同規(guī)律的主要原因有兩個，一是由于采空區(qū)矸石堆積體中孔隙大小不一，造成流體在孔隙間沿軸心的流速有差異，如圖5(a)所示；二是由于矸石的自由堆積體形成的孔隙本身彎彎曲曲，流體運動方向隨機不斷改變，造成固相溶質(zhì)質(zhì)點群在流動過程中并非以平均流速運動，而是沿著有效孔隙不斷向外擴散滲透，如圖5(b)，(c)所示。

圖5 注漿引起的固相顆粒擴散模型

3 結(jié) 論

根據(jù)本文進行的研究，可得以下主要結(jié)論：

(1)垮落帶破裂巖體的“二次失穩(wěn)”特征為在外部荷載作用下的壓密和位移；斷裂帶巖體的“二次失穩(wěn)”特征主要表現(xiàn)為巖塊結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和離層空間的閉合；彎曲下沉帶巖體的“二次失穩(wěn)”特征表現(xiàn)為在上覆壓應(yīng)力和外部荷載作用下的離層裂縫壓密；垮落帶和斷裂帶是導(dǎo)致覆巖二次移動、采空區(qū)結(jié)構(gòu)二次失穩(wěn)的主要根源。

(2)在采空區(qū)中矸石堆積相對規(guī)則的垮落區(qū)的有效孔隙相對不發(fā)育，漿液的滲流路徑單調(diào)，其滲流跡線分布呈現(xiàn)“脊椎式”；堆積區(qū)有效孔隙相對發(fā)育、死端孔隙較少，漿液流動路徑豐富，其滲流跡線分布呈現(xiàn)“絮網(wǎng)式”。

(3)根據(jù)對漿液流動跡線的分析，提出了2種注漿引起的固相顆粒擴散的理論模型。

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StudyofHighContentFly-ashCementGroutingFluidFieldDistributionLawofGob

ZOU You-ping1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

It taking laboratory similar simulation test and theoretical analysis as the main research methods，grouting fluid distribution law and secondary instability of gob were studied systematic.The results showed that the cement slurry that prepared by certainly ratio was Bingham fluid，the characters of ‘secondary instability’ of broken strata of collapse zone was compaction and deformation under externally loading，the characters of broken zone strata was strata blocks instability and layer separation closed，and the characters of curve subsidence zone was bed separation compaction under overlying strata pressure and externally loading，collapse zone and broken zone were the main reasons that induced secondary movement of overlying strata and secondary instability of gob area，the grouting seepage line within gob collapse scope appeared as ‘herringbone’ type，seepage line appeared as ‘flocculation net’ type，according different seepage line type，then 2 kinds of solid particle dispersion model that induced by grouting were put forward.

gob；high content fly-ash cement slurry；fluid field distribution

2017-08-04

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.026

國家科技重大專項：大型油氣田及煤層開發(fā)課題(2016ZX05045-007)

鄒友平(1979-)，男，湖北天門人，博士，副研究員，主要從事“三下”采煤、采空區(qū)治理等方面的研究工作。

鄒友平.采空區(qū)高摻量粉煤灰水泥注漿流場分布規(guī)律研究[J].煤礦開采，2017，22(6)：104-107.

TD265.4

A

1006-6225(2017)06-0104-04

李青]