采動(dòng)裂隙“O形圈”時(shí)空演化規(guī)律及注漿應(yīng)用

趙 明，呂 毅，康 健，苗 健，林倚天

（1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；2.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西長(zhǎng)治 046299）

0 引言

近年來(lái)，采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿充填技術(shù)在潞安化工集團(tuán)下屬多個(gè)礦井進(jìn)行了成功應(yīng)用，該技術(shù)既解決了長(zhǎng)壁開采控制地表變形的問(wèn)題［1-3］，又提高了采出率（相對(duì)條帶開采），但這種技術(shù)對(duì)工作面隔離煤柱的尺寸有嚴(yán)格要求，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中往往難以滿足，尤其是工作面已經(jīng)布置完成后，再改變工作面長(zhǎng)度與區(qū)段煤柱寬度較為困難［4-6］。

夏店煤礦3119 工作面與3117 工作面瓦斯泵站壓覆資源區(qū)域開采時(shí)均采用覆巖離層注漿技術(shù)，3117 工作面注漿減沉達(dá)到了預(yù)期效果，在實(shí)施相鄰的3119 工作面注漿前，該工作面已完成布置，隔離煤柱留設(shè)寬度為30m，小于60m 的安全隔離煤柱寬度要求。因此，提出了采動(dòng)裂隙“O 形圈”注漿充填技術(shù)，對(duì)隔離煤柱進(jìn)行注漿加固，可進(jìn)一步增強(qiáng)隔離煤柱的承載能力，避免已注漿工作面地表發(fā)生二次沉降，從而控制地表建筑物的長(zhǎng)期穩(wěn)定［7-8］。

1 研究背景

在成功實(shí)施3117 工作面采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿保護(hù)地表瓦斯泵站基礎(chǔ)上，為最大限度提高煤炭資源回收率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，保護(hù)西風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)區(qū)內(nèi)建筑物安全，在3119工作面實(shí)施了離層注漿減沉。3119工作面寬211m，注漿區(qū)推進(jìn)長(zhǎng)度248m，3119 工作面與3117 工作面之間的隔離煤柱寬度為30m（圖1）。前期實(shí)施的3117 工作面注漿結(jié)束后，地表沉陷得到了有效控制，最終觀測(cè)結(jié)果顯示，地表累計(jì)最大沉降值為76.14mm，瓦斯泵站核心控制區(qū)最大沉降為10.90mm，傾斜值最大為-0.07mm/m，曲率變形值最大為-0.017mm/m2，水平變形值最大為-1.13mm/m。

圖1 3119及3117工作面位置Figure 1 Position of working faces 3119 and 3117

2 “O形圈”時(shí)空演化及關(guān)鍵參數(shù)

2.1 “O形圈”時(shí)空演化規(guī)律分析

采動(dòng)裂隙“O 形圈”實(shí)質(zhì)是采空區(qū)四周上方覆巖內(nèi)沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū)。沿頂板高度方向，離層隨工作面推進(jìn)呈跳躍式由下向上發(fā)展［2，9-10］（圖2）。

圖2 采動(dòng)裂隙“O形圈”Figure 2 Mining fissure O type ring

工作面回采后，上覆巖層將隨著工作面推進(jìn)逐漸向上發(fā)生運(yùn)移破斷。圖3所示為工作面采場(chǎng)不同推進(jìn)距離條件下的覆巖離層及“O形圈”分布的相似模擬情況，隨著工作面的開采，首先，第1 層亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后其下離層呈“O 形圈”分布；此時(shí)，上部第2 層亞關(guān)鍵層下出現(xiàn)離層，當(dāng)其破斷后其下離層呈“O 形圈”分布，如此發(fā)展直至主關(guān)鍵層。

圖3 采動(dòng)覆巖離層及“O形圈”發(fā)育Figure 3 Abscission layer in overlying disrupted strata by extraction and development “O type ring”

2.2 “O形圈”寬度計(jì)算分析

沿頂板高度方向，低位“O 形圈”裂隙主要以橫向和縱向裂隙為主，隨著高度增加，“O形圈”裂隙逐漸以橫向離層為主。根據(jù)錢鳴高院士的砌體梁模型理論，砌體梁結(jié)構(gòu)中彎曲段寬度即近似等于“O形圈”寬度。如圖4所示，煤層開采以后地表移動(dòng)曲線是由巖層內(nèi)部移動(dòng)曲線演變而成的，砌體梁結(jié)構(gòu)的位移函數(shù)：

圖4 “O形圈”寬度與砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)系示意Figure 4 Schematic diagram of the relationship between the width of “O type ring” and the structure of voussoir beam

式中：Wx為砌體梁結(jié)構(gòu)的位移曲線；W0為砌體梁結(jié)構(gòu)的最終下沉值，mm；W0可表示為

式中：∑h'為砌體梁結(jié)構(gòu)到煤層頂板的距離，m；K'p為∑h'內(nèi)巖層的殘余碎脹系數(shù)；l為斷裂巖塊長(zhǎng)度，m；σt為巖塊抗拉強(qiáng)度，kPa；q為巖塊承受的載荷，kPa。

2.3 “O形圈”注漿加固煤柱機(jī)理分析

開展離層注漿時(shí)，需留設(shè)一定寬度的隔離煤柱，隔離煤柱的作用主要是支撐煤柱上覆巖層重量及兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量，并防止煤柱上方關(guān)鍵層上下區(qū)段離層區(qū)貫通，同時(shí)，考慮到煤柱的長(zhǎng)期承載能力變化，若煤柱發(fā)生變形甚至破壞，將進(jìn)一步導(dǎo)致地表發(fā)生下沉變形，影響建筑物安全穩(wěn)定［11-12］。

3119 工作面實(shí)施注漿前，工作面已完成布置，隔離煤柱留設(shè)寬度為30m，小于60m 的安全隔離煤柱寬度要求。因此需再造隔離支撐巖柱，使兩工作面間有足夠的承載結(jié)構(gòu)。夏店煤礦3117 工作面“O形圈”注漿位置為低位裂隙區(qū)，基于工作面開采技術(shù)參數(shù)，利用公式（1）～（3）計(jì)算得到的“O形圈”寬度為58m。3117 工作面與3119 工作面之間的隔離煤柱的安全寬度為60m，因此可注漿再造30m 隔離巖柱，如圖5 所示?！癘 形圈”注漿后，將使煤柱二向受力狀態(tài)變?yōu)槿蚴芰?，有效增?qiáng)其承載能力［13］。

圖5 采動(dòng)覆巖離層+“O形圈”注漿充填技術(shù)原理示意Figure 5 Schematic diagram of the principle of grout injection into abscission layer and “O type ring” in overlying disrupted strata by extraction

3 實(shí)例分析

3.1 注漿鉆孔布置

夏店煤礦注漿工程共計(jì)布置注漿鉆孔10個(gè)，其中3119 工作面布置離層注漿鉆孔7 個(gè)，3117 工作面布置“O形圈”注漿鉆孔3個(gè)，其中注19-7孔為直孔，其余為定向孔（圖6）。

3.2 注漿充填材料及注漿量

水泥-粉煤灰漿液較單液水泥漿成本低、流動(dòng)性及穩(wěn)定性較好、結(jié)石率高，適合于井下老空區(qū)充填注漿［14-15］。為確保所用的粉煤灰-水泥漿液具有良好的可泵性、流動(dòng)性及可控的擴(kuò)散范圍，進(jìn)行了粉煤灰-水泥漿液配比及性能實(shí)驗(yàn)，包括析水率及結(jié)石率、流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等［16］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿測(cè)試，最終選擇漿液的水固比1∶1.3，固相比3∶7～5∶5，此配比下漿液的流動(dòng)時(shí)間為31.9～32.33s，析水率為26.46%～30.50%、結(jié)石率為69.5%～83.54%，密度為1.432～1.494g/cm3，漿液的初凝時(shí)間為15～23h，28d后固結(jié)強(qiáng)度為6.4～7.2MPa。

2022 年3 月12 日開始正式進(jìn)行離層注漿工作，2022 年5 月17 日開始正式進(jìn)行“O 形圈”注漿工作。截至2023年2月18日，3119工作面離層注漿累計(jì)注灰量約26 萬(wàn)t，3117 工作面“O 形圈”注漿累計(jì)注灰量約1.6萬(wàn)t，注水泥量約9 000t。

4 地表巖移觀測(cè)研究

4.1 3119工作面走向下沉特征

選取有代表性的7次地表下沉數(shù)據(jù)得到地表走向方向下沉曲線，2022 年3 月26 日地表開始發(fā)生下沉，隨著工作面推進(jìn)，地表下沉范圍和下沉值不斷增大。2023 年4 月份注漿結(jié)束后，最終巖移觀測(cè)結(jié)果表明，在X21測(cè)站附近出現(xiàn)下沉極大值點(diǎn)M，最大下沉值為418mm，此點(diǎn)距離工作面停采線221m，符合非充分采動(dòng)一般下沉曲線的特征（圖7a）。

4.2 3119工作面傾向下沉特征

2022 年5 月30 日觀測(cè)線Y 線觀察到了地表有下沉現(xiàn)象，隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，傾向觀測(cè)線的下沉范圍和下沉值不斷增大。最終巖移觀測(cè)結(jié)果表明，在Y11 測(cè)站附近出現(xiàn)下沉極大值點(diǎn)M，最大下沉值為124mm，此點(diǎn)距離工作面運(yùn)輸巷邊界50m（圖7b）。

4.3 瓦斯泵站巖移分析

巖移觀測(cè)期間，共計(jì)開展了55次瓦斯泵站外墻觀測(cè)，取其中10 次觀測(cè)值繪制沉降曲線（圖8）。各觀測(cè)點(diǎn)沉降值總體上呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，各次變化值逐漸減小，在2022 年10 月16 日開始至2023 年1 月16日工作面回采結(jié)束前和結(jié)束后，泵站總體上呈下沉趨勢(shì)，之后總體基本上穩(wěn)定，未發(fā)生異常變形。

圖8 瓦斯泵站外墻觀測(cè)點(diǎn)下沉曲線Figure 8 Subsidence curve of observation points on the exterior wall of gas pumping station

5 結(jié)論

1）采動(dòng)裂隙“O 形圈”實(shí)質(zhì)是采空區(qū)四周上方覆巖內(nèi)沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū)，其最大發(fā)育高度止于主關(guān)鍵層下方。沿頂板高度方向，低位“O形圈”裂隙主要以橫向和縱向裂隙為主，隨著高度增加，“O形圈”裂隙逐漸以橫向離層為主，基于砌體梁模型理論，給出了低位“O形圈”裂隙寬度。

2）通過(guò)開展低位“O 形圈”裂隙區(qū)注漿，可再造隔離支撐巖柱對(duì)煤柱進(jìn)行加固，改善其受力狀態(tài)，增強(qiáng)其承載能力，防止煤柱上方關(guān)鍵層上下區(qū)段離層區(qū)貫通，確保注漿充填效果。

3）地表巖移觀測(cè)結(jié)果表明，3119 工作面走向和傾向下沉符合非充分采動(dòng)一般下沉曲線特征，走向方向最大沉降點(diǎn)位于工作面注漿邊界位置，最大下沉值為418mm，傾向方向最大沉降點(diǎn)距離工作面運(yùn)輸巷邊界50m，最大下沉值為124mm。整個(gè)注漿生產(chǎn)期間的瓦斯泵站外墻觀測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯變化，未發(fā)生異常變形。