人工強化關鍵層注漿充填減沉技術理論研究

楊幸濤

摘 要：文章分析了關鍵層下離層動態發育對離層有效充填的影響，針對目前離層充填采煤法中，工作面長度受制于關鍵層初次垮落距和關鍵層初次垮落前其下巖層未能達到充分采動狀態造成充填效果不佳的問題，提出了“人工強化關鍵層注漿充填”技術。它通過澆筑鋼筋混凝土柱樁將關鍵層及其上數層巖層固結成一組合巖梁結構，使之成為整體，共同承載各巖層的變形壓力，在提高采出率的同時，有效減緩了地表變形，從而促進了覆巖離層充填減沉技術的實踐和發展，文章分析了其適用條件，并在鶴壁礦區得到了應用，取得了預期的效果。

關鍵詞：覆巖離層；人工強化關鍵層；注漿充填；組合巖梁；地表沉降

中圖分類號：TD823.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）26-0176-03

1 背景概述

1.1 目前我國處理開采地表沉陷問題的方法

目前我國處理開采地表沉陷問題的方法主要有：條帶開采、采空區充填采煤法和覆巖離層注漿減沉。其中條帶開采治理開采沉陷效果顯著，但是煤炭采出率低、煤炭資源浪費嚴重；采空區充填在許多煤礦也有實踐，但由于其成本高、工序多，并且嚴重影響工作面的生產，因此很難有效推廣。

1.2 覆巖離層充填技術在我國的發展以及相關理論研究

覆巖離層充填技術最早由范學理教授從國外引進，于20世紀80年代首次在撫順礦務局老虎臺礦進行離層充填減沉試驗并取得了成功。

隨后我國采礦工程界許多專家學者又在大屯徐莊礦、開灤唐山礦、新汶華豐礦、兗州東灘礦等數十個礦井進行了離層充填減沉的現場試驗，取得了一定的成效。

在理論研究方面，許多專家學者結合“壓力拱”理論、復合巖梁理論、關鍵層理論等，通過數值模擬、相似模擬和現場試驗系統分析了覆巖離層發展的時空規律、離層產生的機理、覆巖離層注漿層位選擇、注漿孔的布置原則、離層充填減沉效果評價方法等內容。然而根據現場試驗的調查結果表明，大部分礦井實際離層注漿減沉效果并不理想。

此后又有學者提出了“覆巖離層分區隔離注漿充填”技術，此項技術相較于傳統的靠留設煤柱來減緩地表下沉的方法，一方面提高了煤炭的采出率，另一方面更有效地控制了地表的下沉。但“覆巖離層分區隔離注漿充填”技術的應用有一定的約束性，首先工作面的長度要受到關鍵層初次垮距的制約，其次當關鍵層初次垮落前，其下巖層未達到充分采動狀態時，也將不得不留設一定寬度的永久保護煤柱，造成煤炭資源的浪費。

針對目前“覆巖離層分區隔離注漿充填”技術中存在的問題，基于關鍵層理論及復合巖梁理論，作者提出了“人工強化關鍵層”注漿充填技術，本文對其基本原理及適用條件進行了深入研究。

2 “人工強化關鍵層”技術的提出

2.1 覆巖離層動態發育特征對離層充填的影響

目前，國內專家學者已對覆巖離層動態發育特征做了大量研究。結果表明，關鍵層運動對離層的產生、發展與時空分布起主要控制作用。關鍵層下離層的動態分布呈現的兩階段發展規律，如圖1所示。

關鍵層初次破斷前，關鍵層下的離層量隨著工作面的不斷推進而不斷增大，最大離層處于采空區中部，離層發育較為明顯。關鍵層初次破斷后，關鍵層在采空區中部的離層又會逐漸閉合，但在采空區兩側仍各自保持一個離層區，其最大寬度及高度僅為關鍵層初次破斷前的1/4～1/3。

由此可知，關鍵層初次破斷前的離層量大，離層比較發育，離層區域也比較穩定，此時對離層區進行充填效果較好；而關鍵層初次破斷后采空區兩側的離層區域變小，采空區中部逐步被壓實，即使能夠注入一部分注漿材料，也不能有效地減緩地表下沉。

2.2 “人工強化關鍵層”技術的提出

傳統的覆巖離層區充填料漿都是以粉煤灰為主要固體材料，由于粉煤灰為非固結充填材料，因此可壓縮性較大，且其滲水性能與其堆積厚度成反比。粉煤灰與矸石粉的壓縮實驗結果表明：矸石粉的抗壓縮性能明顯優于傳統的粉煤灰，但仍會有1/4左右的壓縮率。因此，在現場離層區充填過程中，關鍵層初次破斷前其下離層空間是很難被充實的，離層區內的充填體不能馬上對初次破斷前的關鍵層起到有效的支撐作用，不能阻止關鍵層的初次破斷，從而對后續離層注漿及注漿減沉效果產生影響。

同時，對于一些初次垮距比較短的關鍵層，用覆巖分區隔離注漿充填技術也無法達到很好效果的情況下將不得不留設大量的保護煤柱，造成煤炭資源的大量浪費。

“人工強化關鍵層”注漿充填技術可以較好地解決上述問題，其基本原理如圖2所示。

通過地面向覆巖中打鉆孔，人為的在巖層間澆筑鋼筋混凝土柱樁并將其上多余的孔段用廢泥土填實，鋼筋混凝土柱樁的作用，一方面體現在澆筑柱樁的固結力增加了關鍵層及其以上數層巖層的接觸壓力，避免各巖層間出現離層現象；另一方面增加了各巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將作用范圍內的幾個巖層固結成一個較厚的組合巖梁共同承擔上覆載荷。

這種組合巖梁在上覆巖層載荷的作用下，其最大彎曲應變和應力大大減小，撓度也顯著減小，能夠達到同步協調變形，并且組合巖梁厚度越大，梁內的最大應力、應變和梁的撓度也就越小。新的“組合巖梁”相比單層關鍵層，其極限跨距將顯著增大，為其下部離層裂隙的充分發育提供了時間，確保在該地質條件下離層盆地達到充分采動，使離層量達到最大，從而保證充填材料注滿離層區，充填體對強化后關鍵層起到有效的支撐作用。

3 “人工強化關鍵層”注漿充填技術的適用性分析

3.1 “人工強化關鍵層”注漿充填技術的理想條件

關鍵層的破斷距取決于其巖性、厚度及載荷大小，一定條件下關鍵層的破斷距是一定的，關鍵層初次破斷距大小決定了分區隔離的工作面長。根據“人工強化關鍵層”注漿充填技術的基本原理，利用該項技術的理想條件為：