覆巖離層注漿對地表減沉技術(shù)的應(yīng)用

宋偉，王康，張絲諾

(中煤地生態(tài)環(huán)境科技有限公司， 北京 100071)

0 引言

煤炭資源的開采和利用在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要作用，但是煤炭資源開采的同時對生態(tài)環(huán)境造成的破壞非常嚴(yán)重，特別是采空區(qū)塌陷問題，直接關(guān)系到了礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題。礦區(qū)采空塌陷治理、保護(hù)生態(tài)文明建 設(shè)，同時保障煤炭資源的開采，綠色礦山的發(fā)展至關(guān)重要。

為了解決煤礦開采中的上述問題，最有效的途徑就是利用充填開采技術(shù)進(jìn)行資源開采，利用充填開采技術(shù)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：可以大量地提高礦井煤炭資源的采出率，達(dá)到資源利用的最大化，最大限度地解放“三下”壓煤問題，從而延長礦井的服務(wù)年限，使經(jīng)濟(jì)利益最大化；可以最大限度地控制上覆巖層的垮塌和形變位移，從而減小地表的形變量，有效保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物。因此，開展煤礦充填開采對發(fā)展綠色開采具有十分重要的意義。

覆巖離層注漿減沉技術(shù)是一種控制礦山開采后減少地表沉降量的方式，在國內(nèi)該技術(shù)最早是由遼寧工程技術(shù)大學(xué)范學(xué)理教授和撫順礦務(wù)局齊東洪高級工程師等提出并試驗(yàn)成功的[1-2]。在20世紀(jì)末，該技術(shù)在我國多個礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，其中在開灤唐山煤礦進(jìn)行覆巖離層帶多層位復(fù)合注漿的試驗(yàn)，減沉效果顯著，進(jìn)而驗(yàn)證了覆巖離層區(qū)層位注漿減沉技術(shù)的理論研究，推動了覆巖離層區(qū)注漿在理論與技術(shù)方法上的進(jìn)展。

1 離層注漿對地表減沉的原理

依據(jù)關(guān)鍵層理論，采用采動覆巖離層注漿技術(shù)保護(hù)上覆巖層的主關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層不發(fā)生破斷。其原理是根據(jù)煤層埋深、煤層采高、上覆巖層力學(xué)性質(zhì)來確定主關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層。根據(jù)主關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層的厚度及上覆巖層的自身承載能力，來設(shè)計合理的工作面采寬和工作面間留設(shè)一定寬度的區(qū)段隔離煤，使主關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層初采期穩(wěn)定，控制相鄰兩工作面覆巖的聯(lián)通移動并均處于非充分采動狀態(tài)，運(yùn)用“空間守恒”原理，通過地面鉆孔對采動覆巖離層區(qū)選擇合適的漿液[3]，利用高壓注漿充填使工作面中部形成一定寬度的注漿充填壓實(shí)區(qū)，進(jìn)行注漿充填，在采空區(qū)中部范圍形成一定寬度的注漿充填，漿液沉淀壓實(shí)后，起到支撐上覆巖層的作用，形成壓實(shí)承載區(qū)，即等效煤柱，支撐主關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層的采后穩(wěn)定，形成覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)—充填區(qū)壓實(shí)承載層—區(qū)段隔離煤柱復(fù)合支撐承載結(jié)構(gòu)，從而減小采動后上覆巖層的彎曲變形量，實(shí)現(xiàn)采空地表沉降的有效控制，來保護(hù)地表構(gòu)筑物。離層注漿原理見圖1。

相比其他充填開采技術(shù)，離層注漿技術(shù)與煤礦井下作業(yè)無交叉，不受井下排水、通風(fēng)等條件的限制，不用改變煤礦原有開采方式，控制好注采比，不影響井下采掘速度；工藝較簡單，成本較低，充分利用巖層碎漲系數(shù)等物理特性，起到較好的充填效果[4]。

圖1 離層注漿原理

2 關(guān)鍵層的確定方法

離層注漿的首要條件是煤層開采后上部覆 巖形成離層空間，離層空間上部巖層即關(guān)鍵層。關(guān)鍵層是通過以梁的形式對關(guān)鍵層厚度、力學(xué)性質(zhì)（主要是彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度）和賦存深度等方面因素，進(jìn)行計算機(jī)模擬計算來確定的。

當(dāng)關(guān)鍵層垮落前，離層空間內(nèi)已注入足夠量的漿液形成的沉淀壓實(shí)體，根據(jù)“空間守恒”理論即可大幅度地減少關(guān)鍵層的垮落幅度，從而達(dá)到地表減沉的效果。因此在覆巖離層注漿施工中，確定關(guān)鍵層至關(guān)重要。

判別關(guān)鍵層主要根據(jù)以下幾種條件：巖層的厚度，作為關(guān)鍵層，其厚度應(yīng)大于其他巖性相同的砂巖或砂巖組；巖層的物理特征，關(guān)鍵層的彈性模量應(yīng)較大，強(qiáng)度較高；具有較大的地層承載力，下覆巖層破斷后，可以在一定時間內(nèi)以整體梁的形式支撐上覆巖層，破斷后可以以塊結(jié)構(gòu)對上覆局部巖層支撐，形成砌體梁的形式。

根據(jù)關(guān)鍵層破斷變形特征，假設(shè)共有n層巖層滿足同步協(xié)調(diào)的特征，自下而上對巖層進(jìn)行編號（即最下面一層為第1層），第n層上面還有若干層，若q1|n＞q1|n+1，即可認(rèn)為第n+1層對上部巖層以整體梁的形式起到了支撐的作用，則第1層和第n+1即可被認(rèn)定為關(guān)鍵層[5]，其理論計算方式如下：

式中，E為巖層的彈性模量；h為巖層的厚度；γ為巖層的容重。

除此之外還應(yīng)滿足破斷距的要求，若Ln+1＞L1，即第1層破斷后第n+1層沒有破斷，并與下覆軟弱層形成離層空間，且第n+1層支撐的上覆巖層可延深至地表，即可認(rèn)定第n+1層為主關(guān)鍵層，其理論計算方式如下：

式中，q為荷載力；h為巖層厚度；σ為巖層的抗拉強(qiáng)度。

還應(yīng)充分考慮到巖層破斷角的影響，則巖層破斷距理論計算公為：

式中，l為巖層破斷距；H為巖層距煤層頂板距離；α為巖層的破斷角。

3 實(shí)際施工中離層注漿的基本過程

覆巖離層注漿一般工藝流程可分為：前期注水預(yù)壓裂階段、壓力速降階段、負(fù)壓或低壓注漿階段、壓力上升階段、壓力保持階段。

3.1 前期注水預(yù)壓裂階段

鉆孔注漿前應(yīng)時刻與礦方溝通，準(zhǔn)確掌握工作面的位置，測算注漿孔的距離，當(dāng)工作面距離鉆孔水平距離到理論安全距離及采動影響前，利用高壓泵將水通過地面鉆孔壓入設(shè)計的注漿層位中，水力克服流動阻力、地層壓力、層面抗張強(qiáng)度等，使得巖層層面產(chǎn)生裂縫并向四周延伸，壓力水向壓裂層面的上下巖層滲透，為后續(xù)注漿創(chuàng)造條件，此階段的特點(diǎn)是注漿壓力大，泵的流量小。

3.2 壓力速降階段

當(dāng)井下開采工作面向前推進(jìn)過程中，注漿孔下的預(yù)壓裂關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層開始彎曲移動產(chǎn)生形變，覆巖離層開始緩慢形成，使注漿鉆孔下正在形成的離層空間與工作面切眼方向的離層空間相聯(lián)通，前期注水鉆孔上升的壓力快速下降，此階段時間較短，在高壓的作用下，此階段一般是瞬間完成，此時鉆孔已達(dá)到注漿階段。施工過程中，可以利用密度較低的漿液進(jìn)行連續(xù)預(yù)注漿，若壓力持續(xù)不變，沒有升高的跡象，即可進(jìn)入下一階段的注漿施工。在施工過程中，偶爾會出現(xiàn)壓力“假下降”，離層空間未真正形成，匆忙注漿，此時會造成鉆孔堵塞的情況。此階段的特點(diǎn)是時間短、易堵孔。

3.3 負(fù)壓或低壓注漿階段

隨著采煤工作面的繼續(xù)推進(jìn)，覆巖離層區(qū)不斷擴(kuò)展，該階段需要大量的粉煤灰漿液的注入。該階段壓力的波動比較大，有時會在區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生跳動現(xiàn)象，或者壓力為0甚至出現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，這是由于覆巖離層進(jìn)入發(fā)育的高峰期，注入的漿液量遠(yuǎn)小于覆巖離層空間發(fā)育擴(kuò)大的速度與覆巖離層內(nèi)漿液的滲流速度之和，會出現(xiàn)一種“喂不飽”的現(xiàn)象，這就是單個鉆孔注漿量的高峰期，也是注漿工程的主要關(guān)鍵期，該階段必須保證充足的漿液注入量，同時要增大漿液密度，用高密度漿進(jìn)行充填，并且要保持注漿的連續(xù)性。此階段異常時會出現(xiàn)壓力突然增高，甚至超過設(shè)計終止壓力值，此時要根據(jù)注漿持續(xù)時長和累計注漿量是否達(dá)到設(shè)計理論計算值來考慮是否終止注漿。若實(shí)際注漿量與理論計算值相差較多，注漿時長較短，且壓力仍然較大，則可能是由于注漿部分通道堵塞，使得漿液無法正常擴(kuò)散，導(dǎo)致漿液在孔底大量沉淀，造成鉆孔堵塞，則考慮下鉆掃孔至孔底，然后大泵量沖洗鉆孔，重新建立新的通道。此階段的特點(diǎn)是注漿壓力小，泵的流量大，漿液密度高。

3.4 壓力上升階段

注漿控制區(qū)域內(nèi)的離層空間發(fā)育到最大程度后，關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層受地層承載力的作用，會發(fā)生小范圍的彎曲變形，離層空間開始慢慢閉合。在經(jīng)過負(fù)壓或低壓注漿階段大泵量、高密度的注漿后，覆巖離層內(nèi)注漿鉆孔周圍沉淀的漿液壓實(shí)體越來越多，在漿液擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)形成一定的沉淀堆積，注漿量接近理論計算量后，根據(jù)“空間守恒”原理，覆巖離層空間逐步減小，覆巖離層漿液擴(kuò)散所需要的擴(kuò)張力也就越大，從而注漿壓力會逐漸增大，相應(yīng)注漿泵的排量減少，注漿量也比較小[6]。

理論上，此階段注漿壓力會逐漸增大，但在實(shí)際施工生產(chǎn)過程中，往往會出現(xiàn)壓力突然減小的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況有以下兩種可能。

（1）注漿過程中，由于沒有達(dá)到理論計算量時，所注漿液壓實(shí)體不能支撐柱關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層，導(dǎo)致其出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，使?jié){液滲流出離層空間，甚至?xí)M(jìn)入基巖風(fēng)氧化帶中，造成無法注滿。此時，可以考慮注入水泥漿加部分速凝劑，從而控制漿液在離層空間內(nèi)的流動范圍，確保對上覆巖層起到支撐作用。

（2）隨著工作面的開采，前方鉆孔控制區(qū)域未完成單孔注漿，后方離層鉆孔控制區(qū)域離層空間已開始發(fā)育，造成離層空間相聯(lián)通的現(xiàn)象，此時可考慮多孔同時注漿，從而促進(jìn)前方鉆孔起壓，完成注漿工藝。

此階段的特點(diǎn)是壓力升高，漿液需求減小。

3.5 壓力保持階段

壓力保持階段出現(xiàn)在壓力上升階段之后。隨著覆巖離層注漿充填工作的繼續(xù)，注漿壓力達(dá)到設(shè)計注漿最大終止壓力后，并持續(xù)一定的時間，并且泵量達(dá)到最小壓入漿液量，同時實(shí)際注漿量達(dá)到設(shè)計要求，可以考慮注漿結(jié)束。此階段的特點(diǎn)是注漿壓力較大，而注漿量比較小。

4 影響覆巖離層注漿減沉效果的因素

4.1 掘進(jìn)速度因素

為了確保較好的減沉效果，每日注入的漿液壓實(shí)體需占據(jù)離層空間的一定比例，若井下采掘速度過快，導(dǎo)致離層空間發(fā)育閉合周期較短，注漿量達(dá)不到設(shè)計注采比，則會大大影響到減沉效果。根據(jù)沉降率的要求，一般壓實(shí)體注采比不應(yīng)小于40%，方可有效控制地表沉降量。從這方面來看，地面注漿與井下掘進(jìn)速度應(yīng)相互配合。

4.2 工作面采寬因素

在設(shè)計需注漿減沉工作面開采時，應(yīng)預(yù)留出合適的保護(hù)煤柱尺寸，確保注漿過程中上部巖層存在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和離層空間形成到閉合的周期時效。

若工作面寬度過窄，預(yù)留煤柱過多，不利于離層發(fā)育，形成的離層空間過小，甚至無法形成離層空間，這與充填開采最大程度釋放資源量的目的是相悖的。隨著工作面的增寬，上部巖層不再具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，離層空間發(fā)育較快，每日所需注漿量大幅增加，增加了控制地表沉降的難度。若工作面過寬，關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層跨度較大，從而導(dǎo)致劇烈的巖體位移，造成關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層的破斷，無法控制漿液在離層空間中形成壓實(shí)體狀態(tài)，同時沒有足夠的注漿時間，注漿量達(dá)不到理論設(shè)計計算量，導(dǎo)致注采比過低，影響到減沉效果。因此，合適的工作面寬度是影響離層注漿減沉效果的主要因素之一。

4.3 煤層埋深因素

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)來看，煤層的埋深也是影響注漿效果的重要因素之一。

煤層埋深過淺，注漿關(guān)鍵層位或亞關(guān)鍵層單一，關(guān)鍵層位或亞關(guān)鍵層與地表或第四系存在裂隙通道的風(fēng)險。若存在天然通道，則無法堵死該通道，在高壓注漿過程中，漿液將順著該通道向地表或第四系滲透，存在地表冒漿的風(fēng)險，最終會導(dǎo)致整個項(xiàng)目的失敗。

煤層有一定的埋深，覆巖離層注漿會有多個關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層，注漿的層位選擇越多，成功的幾率越大。可以通過鉆孔的合理布置，選擇部分鉆孔單層注漿，部分鉆孔進(jìn)行混合注漿，從而使?jié){液及時充滿注漿離層空間，形成沉淀壓實(shí)體，對上部關(guān)鍵層或亞關(guān)鍵層起到支撐作用，阻止其變形過大導(dǎo)致破斷，對下覆巖層形成壓實(shí)，在采空區(qū)內(nèi)形成充填壓實(shí)區(qū)，從而達(dá)到理想地表減沉效果。

5 總結(jié)

通過查閱以往施工案例，覆巖離層注漿技術(shù)對 煤礦開采過程中減少地表沉降是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)手段，在礦山開采條件允許的前提下，可作為綠色礦山開采的一種選擇，從而有效解決“三下”壓煤問題，使資源得到合理的開發(fā)利用。