注漿充填技術在綠色建筑領域的研究進展

安 彪

（河北省眾聯能源環保科技有限公司 河北石家莊 050031）

目前，礦山主要充填開采方法有膠結充填開采、高水材料充填開采、矸石充填開采、膠結充填與注漿充填開采等，其中注漿充填開采技術能以較低成本有效的解決建筑物下壓煤開采問題，使地面沉陷得到控制。

1 注漿充填的工程應用

注漿充填在國外應用較早，最初用來治理井下采煤過程中的滲水問題，主要是通過注漿防止打鉆經過含水層時有大量的地下水外流[1]。同時注漿充填也應用于充填離層及采空區，控制由房柱式開采引起的覆巖運動、加強礦柱的穩定性，從而減小地表沉陷，達到保護地面建筑物及環境不受破壞的目的，波蘭曾在80年代初進行過注漿減沉技術工程試驗[2]，通過鉆孔將工業廢料充填覆巖采動空隙，地表下沉比垮落法開采減少了20%～30%。另外，注漿充填技術也應用在水利工程方面，通過向壩體內注入水泥等膠結料，防止大壩滲水，加強其穩定性。

2 注漿充填的理論研究

我國的注漿充填技術最初由范學理教授、齊東洪高工共同提出，是從研究巖層內部移動規律出發，根據煤礦層狀巖體在煤層開采后的運動速度不相同的特點，在產生的離層內充填某種介質，如粉煤灰、砂石等，使覆巖下沉減小，從而達到控制地表沉陷的目的。自注漿充填減緩地表下沉的試驗首次在撫順礦務局取得成功之后，此項技術引起了我國從事開采沉陷及“三下”采煤的專家和工程技術人員的重視，先后在多個礦區進行了注漿減緩地表沉降現場試驗，并取得了一定的成效。從工程實踐的結果來看，在非充分開采條件下，注漿充填法可明顯延緩地表下沉速度，有效減少地表下沉，而且注漿充填可以實現地下開采與地面注漿充填同步進行，互不干擾，具有簡單易行、經濟高效等優點，受到人們的重視[3]。

與此同步，有關研究者和工程技術人員從各個層面分析了注漿充填開采技術的機理及相關參數。1987年張延濤通過工程實踐分析了鉆孔注漿充填法減小地表變形破壞的可行性及機理；1995年郭惟嘉，劉立民等通過富氏積分變換得出了水平煤層離層的解析表達式，并通過相似材料模擬研究采動覆巖的主要離層位置、離層范圍和離層的發育過程；張玉卓，陳立良通過相似材料模擬和數值模擬揭示了離層是一個動態力學行為，并分析了計算離層量大小的影響因素，提出了注漿充填的作用機理；姜巖從理論上分析了煤礦開采上覆巖層內部產生離層的基本條件、離層分布規律，建立了上覆巖層內部結構模型，應用彈性薄板理論對煤礦開采產生離層空間的高度和體積進行定量分析，并給出了地表沉陷預計方法；趙德深，蘇仲杰等(1997)采用相似材料模擬，研究了覆巖內部離層產生和發展的時間及空間規律、漿液在離層空間的流動規律及存在狀態。楊倫，于廣明等（1997）以組合板變形的力學模型為基礎，根據覆巖的層位、厚度及物理力學性質給出了定理計算離層位置的實用公式。趙德深、范學理等（1998）介紹了注漿充填技術的原理、特點及應用前景，從是否有利于離層充填技術實施的角度分析了一些主要地質采礦因素對離層分布時空規律的影響作用，并給出了離層充填技術的適用條件；許家林，錢鳴高（1998）基于關鍵層理論，揭示了離層分布的動態規律，在此基礎上給出了注漿充填鉆孔布置的原則。麻鳳海（1998）采用神經網絡理論，用定性因素和定量因素相結合的方法對地表沉陷及注漿效果進行了預測和評價；徐乃忠，馬偉民等通過相似材料物理模擬、數值計算以及力學分析提出了注漿充填技術的地表沉陷計算方法，總結出采用注漿充填減沉方法的優化設計原則。麻鳳海等（1999）通過可變形離散單元模擬了注漿充填減緩地層下沉的過程。滕永海等通過實測資料對離層發育規律進行研究，指出離層的發育主要受采動影響控制。王金莊、康建榮等（1999）進一步探討了采動覆巖發展的時空規律和離層帶注漿減沉效果評價方法。

郭惟嘉（2000）應用彈性理論，把煤礦層狀復合巖體劃分成以堅硬巖層為依托的巖組，給出了上覆巖層產生離層的層位、約束邊界及離層發育形態的特征方程；研究了離層內注漿充填水壓裂縫的延展機理，對注漿壓力、注漿范圍、注漿量等參數進行了分析，提出了注漿效果的評價方法與工程檢測方法。姜德義、蔣再文等（2000）把采空區視為層狀疊合板巖，利用彈性薄板理論小撓度基本方程及空源作用原理，提出了注漿充填控制沉降的計算模型，實現離層位置的確定和對注漿充填開采地表下沉預計。溫興林、成樞等討論了在注漿充填時不同巖層組合條件下地表下沉的預計問題，介紹了采用地震波場對離層帶漿液充填情況的探測原理及地表沉陷的預計方法。蘇仲杰通過相似模擬實驗，研究了粉煤灰在離層空間存在的形態及范圍、注漿與工作面推進的關系，驗證了粉煤灰充填離層空間后對上覆巖層的支撐作用。劉文生采用注漿充填控制地表沉陷技術對保護地面高壓線路進行了試驗研究并取得較好效果。

楊倫通過對離層發生、發展時空規律的物理模擬和分析，認為注漿充填主要作用為減緩地表沉陷，同時減沉效果有限。張向東，范學理（2002）根據流變力學理論和控制板梁組合運動理論，推導出了控制巖層彎曲變形及離層裂縫寬度的計算公式。謝興華，高延法利用薄層接觸元模擬覆巖內部巖層接觸面，用粘彈性三單元模型建立本構關系，用有限單元方法模擬離層的動態發育規律，得到了離層產生、發展的動態過程。郭增長，王金莊（2002）提出了采用斷面減沉率法評價注漿充填的減沉效果，并對其可能產生的誤差進行了分析，比較客觀地反映注漿充填的減沉效果；高延法，牛學良等（2004）根據注漿減沉實驗成果，分析了注漿減沉過程中注漿壓力的變化規律及影響注漿壓力的主要因素。許家林、錢鳴高等（2004）通過試驗與理論分析，對巖層移動過程中的離層位置與離層空間大小、離層動態發育特征及其影響因素進行了深入研究，并基于關鍵層理論，綜合離層充填與條帶開采技術的優點，提出了覆巖離層分區隔離注漿充填技術，可以在相鄰工作面連續開采的情況下，仍能有效減緩地面沉降，保護地面村莊不受破壞[4]。

劉金海，馮濤（2009）基于彈性薄板彎曲理論、彈性地基理論和巖層控制的關鍵層理論，研究注漿充填減沉的力學機理，建立了采場覆巖力學模型和減沉效果的評價模型，給出了評價注漿充填減沉效果的計算公式。曾鵬，張東勝等（2009）根據注漿減沉工程注漿站的工況條件，開發了注漿工程監測系統，實時測量與在線監控壓力、流量及密度等注漿參數。軒大洋，許家林等（2012）通過注漿充填控制巨厚火成巖下動力災害的試驗，試驗研究表明注漿充填可以使火成巖受到有效支撐并降低實體煤柱上方的應力集中，同時減緩火成巖運動并防止其突然破斷。

3 結語

目前，還有其他學者及有關單位仍在對注漿充填技術進行著孜孜不倦的研究和探索，為建筑物下開采提供理論指導。

[1]Jones，M．C．The use of drilling and pre－grouting prior to excavation of mine shafts [J]．Proc．Rapid Excavation and Tunnelling ConferenceAtlanta，Ga，U．S．A．1979．

[2] Jan Palarski.The Experimental and Practical Results of Appling backfill[A]．Innovations in Mining Back fill Technology，Proceedings of the 4th International Symposiumon Mining with Back fill[C]．Montreal，1989：33-37．

[3]徐乃忠，張玉卓．覆巖離層注漿控制地表沉陷技術的應用[J]．煤炭科學技術，2000，28（9）：1-3．

[4]倪建明,許家林,軒大洋.采動覆巖分區隔離注漿充填不遷村采煤技術[A]．煤炭開采新理論與新技術——中國煤炭學會開采專業委員會2012年學術年會論文集[C]．烏魯木齊:中國煤炭學會開采專業委員會，2012．