煤礦覆巖離層多層位高效注漿減沉技術(shù)應用

何曉升，楊得源，武佳瑞

（山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同 037009）

控制“三下”壓煤開采沉陷是煤炭開采領域重大技術(shù)課題，控制開采沉陷的主要技術(shù)就是以各種形式進行充填開采[1-5]。國內(nèi)在注漿減沉理論及覆巖離層規(guī)律等方面開展了較為深入的研究，覆巖離層注漿技術(shù)可廣泛用于鐵路下、水體下或農(nóng)田保護區(qū)的開采沉陷控制[6-10]。

唐山煤礦鐵二采區(qū)是迄今為止國內(nèi)最大規(guī)模的鐵路下煤礦覆巖離層注漿減沉工程，歷時7年5個月，注灰比為25.3%，減沉率達到51.5%，取得了顯著的注漿減沉效果。通過分析鐵二采區(qū)T2192工作面1#鉆孔注漿情況，可以認為在離層內(nèi)注漿過程中形成的承壓漿液是提高注漿量的主要原因，進而提高了注漿減沉效果。如果能夠不斷發(fā)展覆巖離層注漿減沉技術(shù)，提高減沉效果，那么在控制“三下”壓煤開采沉陷中，覆巖離層注漿減沉技術(shù)是有一定的應用空間的。

1 注漿減沉工程概況

T2192面走向長960 m，傾斜寬154 m，煤層傾角12°，煤層埋深為577.6～649.4 m，平均埋深613.5 m。工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，無構(gòu)造變化。煤層平均開采厚度10.14 m。

根據(jù)注漿鉆孔設計，從上至下共分為三段：松散層固井段、基巖鋼管護壁段和花管護壁注漿段。注漿鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1。注漿鉆孔孔底至9#煤頂?shù)木嚯x大于180 m。注漿段長度設計為120～300 m。

圖1 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

T2192工作面采用“全段高多離層、大流量高濃度、連續(xù)注漿技術(shù)”進行覆巖離層注漿，該技術(shù)主要特點為：①一個注漿鉆孔貫穿多了離層，可同時對基巖內(nèi)所有離層進行注漿；②在無壓注漿階段最大限度的提升注漿量，使?jié){液盡快充滿離層空間，漿液比重可達到1.19～1.24；③無需定期停泵沖洗管路，可保證注漿系統(tǒng)長期連續(xù)運轉(zhuǎn)。運用該技術(shù)進行覆巖離層注漿，可使?jié){液更快地充滿離層空間，形成“承壓漿液”。T2192工作面及注漿鉆孔布置如圖2。注漿鉆孔的注漿壓力和注漿量曲線如圖3。

圖2 鐵二采區(qū)工作面位置與注漿減沉鉆孔布置平面圖

2 注漿減沉工程中承壓漿液的力學作用

覆巖離層注漿減沉的機理是：注漿減沉工作完成后，巖層內(nèi)最終形成的“壓實濕灰體”對上覆巖層的填充和支撐作用減小了地表下沉量。

注漿工作最終產(chǎn)生的“壓實濕灰體”的體積決定了地表最終減沉效果。提高“壓實濕灰體”最終生成量的途徑主要有：①滿足注漿工藝的條件下提高注漿漿液濃度；②增加注漿量。

唐山礦鐵二采區(qū)應用了覆巖離層全段高多離層、大流量高濃度、連續(xù)注漿減沉技術(shù)。通過分析注漿過程中注漿壓力和注漿量曲線，可以發(fā)現(xiàn)在注漿過程中，相當長的一段時間內(nèi)，離層內(nèi)存在承壓漿液，從而提高了注漿量。承壓漿液壓力的作用方向主要是向上和向下。注漿過程中離層內(nèi)承壓漿液有兩種力學作用：對上部巖層起到支托作用；對下部巖層起到壓實作用。

水對巖石有軟化作用，對上部巖層還起到支托作用。根據(jù)注漿后物探測井結(jié)果可知，粉煤灰充填裂隙分布在430 m深的巖層中，這是由于埋深340.24～430.50 m的巨厚粗砂巖起到了關鍵層作用，且關鍵層在注漿過程中沒有發(fā)生破斷。因此，在關鍵層承壓漿液對上部巖層的支托作用和對下部巖層的壓實作用是存在的。

2.1 離層內(nèi)承壓漿液產(chǎn)生條件

關鍵層理論認為采場上覆巖層中存在著多層堅硬巖層時，對巖層活動全部和局部起決定作用的巖層稱為關鍵層[11]，離層空間一般出現(xiàn)在關鍵層的下方。

漿液注入離層內(nèi)，部分水分滲流流失，其余漿液和灰體留在了離層空間內(nèi)。隨著大流量、持續(xù)注漿工作的進行，漿液充滿離層空間后，離層空間內(nèi)的壓力逐步升高，形成離層內(nèi)承壓漿液。形成承壓漿液的條件為：離層空間被注滿，且單位時間內(nèi)注入漿液體積大于單位時間內(nèi)新生成的離層空間體積與單位時間內(nèi)由離層空間滲流出去的水量之和。

T2192工作面1#鉆孔注漿工作明顯分為兩個階段：無壓注漿階段和有壓注漿階段。有壓注漿階段的存在可以證明在注漿過程中采空區(qū)上覆巖層內(nèi)部存在著承壓漿液。

由圖3(a)可以看出，注漿過程中，初始注漿階段泵壓平穩(wěn)，此階段可稱為孔口無壓注漿階段，離層未填滿，注漿孔孔口壓力P孔口＝0，漿液依賴自重即可注入離層，泵壓用于提供漿液滲流壓力和平衡輸漿管路阻力，注漿狀態(tài)的維持依賴于漿液自重。8月開始，泵壓值逐步上升，此階段可稱為有壓注漿階段，即漿液到達注漿孔孔口處，孔口壓力P孔口＞0，注漿狀態(tài)的維持依賴于漿液自重和注漿孔孔口壓力。

結(jié)合圖3(a)和圖3(c)分析可知，無壓注漿階段，T2192-1#鉆孔漿液注入量為214 700 m3；有壓注漿階段，漿液注入量為185 764 m3，有壓注漿階段的漿液注入量占該鉆孔漿液總注入量的46.4%。T2192-1#鉆孔無壓注漿階段注灰量為56 911 m3；有壓注漿階段注灰量為48 942 m3；有壓注漿階段的注灰量占該鉆孔總注灰量的46.2%。

圖3 T2192-1#鉆孔注漿壓力與注漿量曲線圖

在有壓注漿階段，離層內(nèi)的壓力P離，注漿鉆孔孔口壓力P孔口和注漿泵的出口壓力P泵關系：

式中：P管路為輸漿管路阻力，MPa；γ漿為漿液容重，kN/m3；H1為離層埋深，m。

以T2192-1為例，由圖3(a)可知注漿壓力最終增量約為1 MPa。漿液容重取1.225 kN/m3，實測鐵二采區(qū)覆巖中產(chǎn)生的離層縫埋深大于430 m，則最終離層內(nèi)承壓漿液壓力為：

由圖3(a)可知，泵壓升高以后，除個別突變點壓力值低于初始階段泵壓值，泵壓值保持高于初始值的狀態(tài)，且有逐步攀升的趨勢。承壓漿液產(chǎn)生之后，可維持承壓狀態(tài)直至注漿結(jié)束。

離層內(nèi)承壓漿液向上的液壓對離層巖層上部起到支托作用。當離層內(nèi)的壓力達到6.26 MPa時，液壓能夠平衡一定的上覆巖層的重力。

離層內(nèi)承壓漿液的支托作用可減緩其上部巖層的彎曲下沉，延緩離層空間的閉合，為當前注漿層位爭取注漿時間，注入更多的漿液，提高地表減沉效果。離層空間內(nèi)的承壓漿液改變了上覆巖層和下部傾伏巖層的邊界條件，這是離層內(nèi)承壓漿液產(chǎn)生兩種力學作用的實質(zhì)。

2.2 離層內(nèi)承壓漿液對上覆巖層的支托作用

取離層上方關鍵層作應力分析，將其運動及破壞簡化為梁，如圖4。

圖4 含承壓漿液的離層上部關鍵層應力

固支梁的最大撓度在梁跨度的中點（x＝L/2），計算式為：

式中：q為梁上的均布荷載；L為梁長度；E為梁的彈性模量；IZ為梁的截面慣性矩。

關鍵層巖梁在其上部巖層的自重應力作用下發(fā)生彎曲下沉，其下部的離層空間會因關鍵層的彎曲下沉而趨于閉合。

若此離層埋深430 m，上覆巖層容重取25 kN/m3，則q為10.75 MPa，則有：q0/q＝6.26/10.75 ＝0.58。根據(jù)式（3），假定其他參數(shù)不變，與無承壓漿液時相比，在離層內(nèi)含有承壓漿液時巖梁的最大撓度可減小58%。關鍵層撓度減小，離層上下邊界的位移差增大，有助于延緩該層位離層空間的閉合。

文獻[12]認為：一旦關鍵層初次破斷后，關鍵層下離層量明顯變小，僅為關鍵層初次破斷前的25%～33%。

承壓漿液的存在，可延緩或控制關鍵層垮落，為注漿工作爭取時間，也可以增大關鍵層初次垮落的極限跨距，增大離層空間上邊界寬度，增大離層空間，提高注漿量。

2.3 離層內(nèi)承壓漿液對下部巖層的壓實作用

就離層下部巖層而言，認為離層下部巖層已發(fā)生破斷，抗彎剛度較小，離層內(nèi)承壓漿液造成了其頂部邊界應力條件的改變。離層內(nèi)無承壓漿液時，上部巖層的重力作用無法傳遞給下部巖層，承壓漿液的存在使一部分上部巖層的重力作用傳遞給了下部巖層，對下部巖層具有壓實作用。離層內(nèi)承壓漿液對下部裂縫帶和垮落帶巖體提供了一個壓力增量，加快了離層下部巖體的壓實。

垮落帶巖體垮落后填滿采空區(qū)，巖體內(nèi)存在著較大的可被壓縮消除的殘余應變，隨著上覆巖層的下沉，垮落帶巖體不斷被壓實，上覆巖層的下沉量和垮落帶的壓實程度有直接關系。有壓注漿階段所注入的漿液充填了壓實作用所轉(zhuǎn)化出的那部分空間。

假設離層下部巖層均發(fā)生斷裂破壞，抗彎剛度較小，則可認為垮落帶和裂縫帶巖層受到6.26 MPa的垂向應力增量的壓實作用。

Salamon提出的破碎巖體壓實理論，給出了垮落帶巖體的應力-應變關系[13]，即

式中：σv為采空區(qū)垂直地應力，MPa；E0為垮落帶巖體的初始彈性模量，E0＝為當前垂直應變；εm最大垂直應變（此處是指碎脹煤巖相對于原始煤巖的應變。）；σc為垮落帶煤巖單軸抗壓強度，根據(jù)相關實測地質(zhì)資料此處取40 MPa。

最大垂直應變?yōu)椋?/p>

式中：b為垮落帶巖體的綜合碎脹系數(shù)。

9#煤直接頂為硬巖取1.43，計算得最大垂直應變?yōu)?.43。

鐵二采區(qū)煤層埋深564～784 m，平均厚度為11.3 m。上覆巖層以硬巖為主，估算垮落帶高度的統(tǒng)計回歸公式[14]為：

式中：h為采高，m；C1和C2為與頂板巖性有關的參數(shù)。

已知h＝11.3 m，堅硬頂板取C1＝2.1和C2＝16，計算得垮落帶高度H=26.3 m。

假設：覆巖離層注漿位置在采空區(qū)上方180 m處時，離層空間注滿，并完成對采空區(qū)的壓實；180 m厚上覆巖層自重對采空區(qū)的垂向壓力為4.5 MPa。根據(jù)式（4），求得當前垂向應變ε1＝0.267。

當離層空間被漿液注滿，注漿壓力的壓實作用相當于作用在采空區(qū)垮落帶巖層垂向應力增加6.26 MPa。垂向壓力為10.76 MPa，根據(jù)式（4），求得當前垂向應變ε2＝0.342。由于ε2/ε1＝1.208，有壓注漿階段采空區(qū)垮落帶巖層壓縮量是無壓注漿階段的1.208倍。

由上述可得，因注漿壓力對采空區(qū)垮落巖層的壓實作用，垮落帶巖層的垂向應變增量為0.075。注漿過程中垮落帶巖層壓縮增量△h＝0.075×26.3＝1.97 m，則可認為因承壓漿液對垮落帶的壓實作用。

此外，注漿壓力對注漿層位下方的裂縫帶巖體也有壓實作用，但具體的壓縮量，現(xiàn)階段還不能給出準確的估算方法。

在注漿減沉過程中，離層空間內(nèi)的承壓漿液使下部巖層內(nèi)的殘余應變提前被壓實消除，離層空間下邊界撓度增加，增加了離層上下邊界的位移差。此外，承壓漿液的壓實作用，使離層下部巖層撓度增加，巖層彎曲變形寬度擴大，則離層空間下邊界的寬度也擴大，增大了離層空間體積，增加了注漿量。

承壓漿液的壓實作用提高注漿減沉效果的本質(zhì)是：在進行注漿工作時，承壓漿液的形成加快了下部巖層殘余應變的消除，增加了離層厚度和離層寬度，擴展了離層空間的體積，使最終注漿量增加，最終產(chǎn)生的“壓實濕灰體”體積增加，減沉效果改善。

3 結(jié)論

（1）全段高多離層、大流量高濃度、連續(xù)注漿技術(shù)可快速充滿離層空間，使注漿工作及早進入有壓注漿階段，有利于提高注漿量。該技術(shù)注漿濃度較大，最終產(chǎn)生的“壓實濕灰體”體積較大，是提高注漿減沉效果的關鍵。

（2）在進行大流量注漿時，離層內(nèi)產(chǎn)生的承壓漿液對下部巖層的壓實作用和對上部巖層的支托作用，增加了注漿量，改善了減沉效果。