注漿充填技術(shù)在綠色建筑領(lǐng)域的研究進(jìn)展

安 彪

（河北省眾聯(lián)能源環(huán)保科技有限公司 河北石家莊 050031）

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

1 注漿充填的工程應(yīng)用

注漿充填在國(guó)外應(yīng)用較早，最初用來(lái)治理井下采煤過(guò)程中的滲水問(wèn)題，主要是通過(guò)注漿防止打鉆經(jīng)過(guò)含水層時(shí)有大量的地下水外流[1]。同時(shí)注漿充填也應(yīng)用于充填離層及采空區(qū)，控制由房柱式開(kāi)采引起的覆巖運(yùn)動(dòng)、加強(qiáng)礦柱的穩(wěn)定性，從而減小地表沉陷，達(dá)到保護(hù)地面建筑物及環(huán)境不受破壞的目的，波蘭曾在80年代初進(jìn)行過(guò)注漿減沉技術(shù)工程試驗(yàn)[2]，通過(guò)鉆孔將工業(yè)廢料充填覆巖采動(dòng)空隙，地表下沉比垮落法開(kāi)采減少了20%～30%。另外，注漿充填技術(shù)也應(yīng)用在水利工程方面，通過(guò)向壩體內(nèi)注入水泥等膠結(jié)料，防止大壩滲水，加強(qiáng)其穩(wěn)定性。

2 注漿充填的理論研究

我國(guó)的注漿充填技術(shù)最初由范學(xué)理教授、齊東洪高工共同提出，是從研究巖層內(nèi)部移動(dòng)規(guī)律出發(fā)，根據(jù)煤礦層狀巖體在煤層開(kāi)采后的運(yùn)動(dòng)速度不相同的特點(diǎn)，在產(chǎn)生的離層內(nèi)充填某種介質(zhì)，如粉煤灰、砂石等，使覆巖下沉減小，從而達(dá)到控制地表沉陷的目的。自注漿充填減緩地表下沉的試驗(yàn)首次在撫順礦務(wù)局取得成功之后，此項(xiàng)技術(shù)引起了我國(guó)從事開(kāi)采沉陷及“三下”采煤的專家和工程技術(shù)人員的重視，先后在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了注漿減緩地表沉降現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得了一定的成效。從工程實(shí)踐的結(jié)果來(lái)看，在非充分開(kāi)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(shí)現(xiàn)地下開(kāi)采與地面注漿充填同步進(jìn)行，互不干擾，具有簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的重視[3]。

與此同步，有關(guān)研究者和工程技術(shù)人員從各個(gè)層面分析了注漿充填開(kāi)采技術(shù)的機(jī)理及相關(guān)參數(shù)。1987年張延濤通過(guò)工程實(shí)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(jī)理；1995年郭惟嘉，劉立民等通過(guò)富氏積分變換得出了水平煤層離層的解析表達(dá)式，并通過(guò)相似材料模擬研究采動(dòng)覆巖的主要離層位置、離層范圍和離層的發(fā)育過(guò)程；張玉卓，陳立良通過(guò)相似材料模擬和數(shù)值模擬揭示了離層是一個(gè)動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，并分析了計(jì)算離層量大小的影響因素，提出了注漿充填的作用機(jī)理；姜巖從理論上分析了煤礦開(kāi)采上覆巖層內(nèi)部產(chǎn)生離層的基本條件、離層分布規(guī)律，建立了上覆巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用彈性薄板理論對(duì)煤礦開(kāi)采產(chǎn)生離層空間的高度和體積進(jìn)行定量分析，并給出了地表沉陷預(yù)計(jì)方法；趙德深，蘇仲杰等(1997)采用相似材料模擬，研究了覆巖內(nèi)部離層產(chǎn)生和發(fā)展的時(shí)間及空間規(guī)律、漿液在離層空間的流動(dòng)規(guī)律及存在狀態(tài)。楊倫，于廣明等（1997）以組合板變形的力學(xué)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)覆巖的層位、厚度及物理力學(xué)性質(zhì)給出了定理計(jì)算離層位置的實(shí)用公式。趙德深、范學(xué)理等（1998）介紹了注漿充填技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用前景，從是否有利于離層充填技術(shù)實(shí)施的角度分析了一些主要地質(zhì)采礦因素對(duì)離層分布時(shí)空規(guī)律的影響作用，并給出了離層充填技術(shù)的適用條件；許家林，錢鳴高（1998）基于關(guān)鍵層理論，揭示了離層分布的動(dòng)態(tài)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上給出了注漿充填鉆孔布置的原則。麻鳳海（1998）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，用定性因素和定量因素相結(jié)合的方法對(duì)地表沉陷及注漿效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)；徐乃忠，馬偉民等通過(guò)相似材料物理模擬、數(shù)值計(jì)算以及力學(xué)分析提出了注漿充填技術(shù)的地表沉陷計(jì)算方法，總結(jié)出采用注漿充填減沉方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則。麻鳳海等（1999）通過(guò)可變形離散單元模擬了注漿充填減緩地層下沉的過(guò)程。滕永海等通過(guò)實(shí)測(cè)資料對(duì)離層發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，指出離層的發(fā)育主要受采動(dòng)影響控制。王金莊、康建榮等（1999）進(jìn)一步探討了采動(dòng)覆巖發(fā)展的時(shí)空規(guī)律和離層帶注漿減沉效果評(píng)價(jià)方法。

郭惟嘉（2000）應(yīng)用彈性理論，把煤礦層狀復(fù)合巖體劃分成以堅(jiān)硬巖層為依托的巖組，給出了上覆巖層產(chǎn)生離層的層位、約束邊界及離層發(fā)育形態(tài)的特征方程；研究了離層內(nèi)注漿充填水壓裂縫的延展機(jī)理，對(duì)注漿壓力、注漿范圍、注漿量等參數(shù)進(jìn)行了分析，提出了注漿效果的評(píng)價(jià)方法與工程檢測(cè)方法。姜德義、蔣再文等（2000）把采空區(qū)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(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)離層位置的確定和對(duì)注漿充填開(kāi)采地表下沉預(yù)計(jì)。溫興林、成樞等討論了在注漿充填時(shí)不同巖層組合條件下地表下沉的預(yù)計(jì)問(wèn)題，介紹了采用地震波場(chǎng)對(duì)離層帶漿液充填情況的探測(cè)原理及地表沉陷的預(yù)計(jì)方法。蘇仲杰通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究了粉煤灰在離層空間存在的形態(tài)及范圍、注漿與工作面推進(jìn)的關(guān)系，驗(yàn)證了粉煤灰充填離層空間后對(duì)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(shù)對(duì)保護(hù)地面高壓線路進(jìn)行了試驗(yàn)研究并取得較好效果。

楊倫通過(guò)對(duì)離層發(fā)生、發(fā)展時(shí)空規(guī)律的物理模擬和分析，認(rèn)為注漿充填主要作用為減緩地表沉陷，同時(shí)減沉效果有限。張向東，范學(xué)理（2002）根據(jù)流變力學(xué)理論和控制板梁組合運(yùn)動(dòng)理論，推導(dǎo)出了控制巖層彎曲變形及離層裂縫寬度的計(jì)算公式。謝興華，高延法利用薄層接觸元模擬覆巖內(nèi)部巖層接觸面，用粘彈性三單元模型建立本構(gòu)關(guān)系，用有限單元方法模擬離層的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，得到了離層產(chǎn)生、發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程。郭增長(zhǎng)，王金莊（2002）提出了采用斷面減沉率法評(píng)價(jià)注漿充填的減沉效果，并對(duì)其可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)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(xué)良等（2004）根據(jù)注漿減沉實(shí)驗(yàn)成果，分析了注漿減沉過(guò)程中注漿壓力的變化規(guī)律及影響注漿壓力的主要因素。許家林、錢鳴高等（2004）通過(guò)試驗(yàn)與理論分析，對(duì)巖層移動(dòng)過(guò)程中的離層位置與離層空間大小、離層動(dòng)態(tài)發(fā)育特征及其影響因素進(jìn)行了深入研究，并基于關(guān)鍵層理論，綜合離層充填與條帶開(kāi)采技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提出了覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填技術(shù)，可以在相鄰工作面連續(xù)開(kāi)采的情況下，仍能有效減緩地面沉降，保護(hù)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(guān)鍵層理論，研究注漿充填減沉的力學(xué)機(jī)理，建立了采場(chǎng)覆巖力學(xué)模型和減沉效果的評(píng)價(jià)模型，給出了評(píng)價(jià)注漿充填減沉效果的計(jì)算公式。曾鵬，張東勝等（2009）根據(jù)注漿減沉工程注漿站的工況條件，開(kāi)發(fā)了注漿工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量與在線監(jiān)控壓力、流量及密度等注漿參數(shù)。軒大洋，許家林等（2012）通過(guò)注漿充填控制巨厚火成巖下動(dòng)力災(zāi)害的試驗(yàn)，試驗(yàn)研究表明注漿充填可以使火成巖受到有效支撐并降低實(shí)體煤柱上方的應(yīng)力集中，同時(shí)減緩火成巖運(yùn)動(dòng)并防止其突然破斷。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，還有其他學(xué)者及有關(guān)單位仍在對(duì)注漿充填技術(shù)進(jìn)行著孜孜不倦的研究和探索，為建筑物下開(kāi)采提供理論指導(dǎo)。

[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(shù)的應(yīng)用[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28（9）：1-3．

[4]倪建明,許家林,軒大洋.采動(dòng)覆巖分區(qū)隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)[A]．煤炭開(kāi)采新理論與新技術(shù)——中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專業(yè)委員會(huì)2012年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]．烏魯木齊:中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專業(yè)委員會(huì)，2012．