采動覆巖離層多層位注漿地表沉陷控制技術

馬荷雯

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

近年來，建(構)筑物、鐵路和水體下煤炭資源開采導致的地表沉陷等環境問題日益嚴重，直接表現為千畝良田破壞和地表建(構)筑物的損毀[1]。在目前的煤炭綠色開采技術中，條帶開采和充填開采技術已被證實是控制地表沉陷的有效方法，地表下沉系數可以控制在0.10～0.30，煤炭采出率可達80%～90%[2-3]，且一直在國內外煤礦中廣泛使用[4-5]。在充填開采技術中，根據充填的不同位置可分為采空區充填和覆巖注漿[6-7]。其中，覆巖注漿技術作為較新的地表沉陷控制技術，是通過地面垂直鉆孔對采動覆巖離層進行注漿，并在覆巖內部形成充填壓實體支撐上覆巖層、控制地表沉陷[8-9]。覆巖離層注漿由于不影響井下正常開采而得到快速發展，已經在新汶、開灤、淮北等礦區進行了現場試驗，結果表明地表沉陷可以減小36%～65%[10-12]。然而，覆巖離層注漿充填技術具有一定的適用條件[13-14]，當實際煤層上覆巖層中不存在厚、硬巖層的情況時，采動覆巖內部難以發育較大尺寸離層空間來滿足覆巖注漿量[6,14-15]。為此，筆者提出采動覆巖離層多層位注漿技術，建立多層位注漿離層時空演化模型，并通過現場試驗對無厚、硬巖層采動覆巖離層注漿的減沉效果進行驗證，以期為離層注漿減沉提供新的技術方法。

1 覆巖離層多層位注漿相似材料模擬實驗

1.1 實驗模型構建

為對采動覆巖離層多層位注漿地表沉陷控制技術進行研究，采用自主開發研制的離層注漿系統(圖1a)，通過鋪設0.2 mm 厚的透明聚乙烯氣囊袋(圖1b)和微型氣泵，對采動覆巖離層發育過程和不同層位離層注漿進行模擬。實驗選取安徽省宿州市祁南煤礦首采工作面為工程背景，該工作面開采32煤層，煤層采高4 m，平均開采深度467 m，月回采距離100～150 m。32煤層頂板以泥巖、粉砂巖為主，松散層平均厚度280 m。根據相似理論，實驗選取1︰500 的幾何相似比，建立140 cm×20 cm×53 cm 的相似材料實驗模型(圖2)，模型地層和巖石物理力學參數見表1。模型頂部鋪設3 層鐵磚，施加9.45 kPa 的松散地層補償荷載。巖層間平均2 cm鋪設薄層碎云母片，防止工作面推進過程中，上覆巖體出現整體垮落。模型在開采煤層上覆巖層中布設3 條觀測線，對煤層開采過程上覆巖層變形情況進行監測(圖2)。

表1 實驗采用巖石的物理力學指標Table 1 Physic-mechanical properties of overburden

圖1 多層位離層注漿實驗模擬裝置Fig.1 Device of scale model test for multi-bed separation grouting

1.2 多層位離層注漿過程

模擬工作面走向開采過程，根據模型相似比，設計采高0.8 cm，開采距離98 cm，間隔15 min 進行一次開挖，單位開采距離為7 cm，模型兩邊各預留21 cm 煤柱以消除邊界效應影響。煤層開采過程中，覆巖離層沿工作面推進和頂板方向逐漸向前向上發育。當注漿層位巖層出現分離時，開始離層注漿模擬實驗。

2 采動覆巖離層注漿時空演化規律

2.1 單離層注漿時空演化規律

為得出單離層注漿過程中覆巖裂隙的動態演化規律，基于分形理論對相似材料物理實驗結果進行分析[16-17]。單層離層注漿覆巖變形動態演化如圖3所示，當煤層開采至49 cm(實際245 m)時，上覆巖層出現一次性垮落且垮落尺寸較大，頂板出現巖梁鉸接結構，上覆巖層受自身重力而變形下沉，采空區上部出現一定的采出空間。泥巖、粉砂巖直接頂首先垮落，并伴有覆巖裂隙，如圖3a 所示。隨著工作面推進至63 cm(實際315 m)，第6層巖層完全垮落，且其上部巖層產生細微裂隙(圖3b)。當工作面推進至70 cm(實際350 m)，在煤層頂板上方14 cm(實際70 m)處，下覆泥巖地層出現破斷，泥巖與中粒砂巖之間出現較大尺寸可充填離層空間。此時，離層空間正處于離層發展周期的擴展階段，離層空間尺寸持續增大，開始進行單離層注漿實驗(圖3c)。

在注漿過程中，可以清楚地看到離層下覆巖層明顯受到注漿體的擠壓，下覆巖體裂隙發育，與此同時，離層上覆地層的裂縫逐漸減小，結果表明，此時離層充填體對上方巖層起到有效的支撐作用(圖3d)。

圖3 單離層注漿覆巖裂隙動態演化Fig.3 Spatio-temporal evolution diagram of single-bed separation grouting

2.2 多離層注漿時空演化規律

隨著工作面推進，采動覆巖離層由低層位逐漸向高層位發育，相對于工作面推進速度，離層空間發育出現明顯的滯后性特征。為進一步分析多離層注漿對采動覆巖內部變形的控制作用，繪制多離層注漿過程中覆巖內部裂隙動態演化過程，如圖4所示。當工作面推進至91 cm(實際455 m)時，煤層上方基本頂斷裂，采動覆巖內部垂直裂縫突破下部中砂巖層并繼續向上擴展，離層隨著工作面的推進逐步向上發育至距離煤層頂板16.8 cm(實際84 m)處，采空區上覆巖體內部出現多處裂隙和離層空間，且高層位較大尺寸離層空間開始發育(圖4a)。當工作面繼續推進至98 cm(實際490 m)時，開始進行高層位離層注漿實驗(圖4b)。

圖4 多離層注漿覆巖裂隙動態演化Fig.4 Spatio-temporal evolution diagram of multi-bed separation grouting

根據圖4b 和圖4c 多離層注漿前后覆巖內部裂隙演化對比，隨著高層位離層注漿實驗的進行，離層上部巖石的裂縫減小甚至消失，相反，注漿離層下覆擾動巖體進一步壓實，且注漿離層空間尺寸逐漸減小。

2.3 實驗結果分析

根據單離層注漿和多離層注漿實驗結果顯示，煤層繼續開采，覆巖變形區域面積和變形程度都逐漸增大。離層注漿可通過注漿離層下覆巖體將離層空間內充填體載荷向下傳遞至煤層頂板，實施多層位離層注漿，注漿離層下覆巖體變形程度明顯大于單離層注漿，且煤層頂板上覆裂隙巖體的壓實程度提高。注漿開始時，注漿離層下覆巖體逐漸被壓實，相應地，注漿離層上覆巖體裂隙逐漸減小。受發育離層盤狀形態(空間)影響，離層充填呈現中間厚邊緣薄，注漿離層中心位置的下覆巖體受到的壓應力最大，壓實程度更高。

根據低層位注漿離層下覆巖體觀測線Ⅰ觀測數據，繪制出覆巖內部變形三維曲線，如圖5 所示。實施單離層注漿后，注漿離層中心位置下覆巖體變形量最大，為0.489 9 m；實施多離層注漿后，注漿離層中心位置下覆巖體最大下沉量為1.237 2 m，壓實程度提高60%。對比單離層注漿效果，多離層注漿充填體提高了離層下覆破碎巖體的壓實程度，進而擴大了注漿離層空間尺寸，增加了離層注漿注采比(注入量與采出煤巖體量之比)，從而提高了注漿減沉率，達到控制地表沉陷的效果。

圖5 單離層注漿與多離層注漿效果對比Fig.5 Comparison surface subsidence of single-bed separation grouting and multi-bed separation grouting

3 多層位離層注漿充填機理

建立多層位覆巖離層注漿充填開采的等效模型，根據注漿離層下覆巖體最大壓實區域位于離層中心位置，多層位離層注漿充填效果(注采比)明顯高于單層位注漿充填離層的特性，將高層位注漿離層內部的注漿充填體向下投影至低層位注漿離層，作為低層位離層空間內部的虛擬擴展充填體，如圖6所示。將實際低(單)層位離層注漿充填體和(高層位注漿充填離層)虛擬擴展充填體結合，共同得出多層位離層注漿充填有效充填體積(圖6)。

圖6 多離層注漿充填等效開采模型Fig.6 Equivalent extraction model for multi-bed separation grouting

根據建立的多層位覆巖離層注漿充填開采模型可知，當壓實區擴展部分高度為0 時，表明此時上方高層位離層注漿充填率為0，注漿充填效果為單層位離層注漿充填；當壓實區擴展部分高度大于0時，離層空間的實際充填體為壓實區、非壓實區和擴展區體積之和。高層位離層注漿充填體、低層位離層注漿充填體及其間隔巖體共同形成聯合承載體，共同支撐上覆巖層。由于高層位離層與低層位離層間的覆巖巖體受采動影響，具有一定碎脹性，多層位離層注漿充填率應高于單層位離層注漿充填率，多層位離層注漿充填體協同壓實煤層頂板上覆破碎巖體，因此，地表減沉量增加。然而，受不同注漿離層之間采動巖體厚度、巖性等因素影響，實施多層位離層注漿充填對地表減沉量的增加有限。

4 采動覆巖離層多層位注漿工程案例

4.1 離層注漿方案設計

為實際探究采動覆巖多層位離層注漿對地面沉降的控制效果，選取淮北礦區祁南煤礦36 采區首采工作面進行現場試驗。工作面上方共設置1 條走向觀測線(觀測點編號J1—J15)和2 條傾向觀測線(觀測點編號分別為J16—J34、T1—T19)，對注漿前后地表移動變形進行監測(圖7)。

圖7 淮北礦區祁南煤礦36 采區鉆孔位置Fig.7 Layout of injection boreholes in mining district 36 of Qinan Coal Mine in Huaibei Mining Area

為保證注漿充填安全，同時兼顧工作面的生產條件，應保證注漿初期注漿漿液不進入工作面，防止井下工作面發生突水事故，離層注漿鉆孔深度應與導水裂隙帶頂部之間保留10～20 m 或以上安全距離。不同層位注漿離層內形成不同擴散半徑的離層注漿充填體，疊加共同形成復合充填體，實現多層位采動覆巖離層注漿(圖8)。根據注漿離層發育尺寸，綜合考慮鉆探難度和施工成本，保證采動覆巖離層注漿充填量，在村莊保護煤柱范圍的工作面增加注漿鉆孔數量。共布置注漿鉆孔6 個，其中注1、注3、注6 為主注漿孔，注2、注4、注5 為增加的輔注漿孔(圖7)，分別距離煤層頂板60、90 m，離層注漿鉆孔設計參數詳見表2。

表2 注漿鉆孔設計參數Table 2 Designed parameters of grouting boreholes

圖8 多層位離層注漿Fig.8 Schematic of grout injection into multi-bed-separation

4.2 離層注漿量預計

離層注漿漿液由骨料和溶劑配制而成，選用粉煤灰做注漿原材料，將粉煤灰摻入一定量的水制成充填用粉煤灰漿體，該灰漿體具有擴散特性強、流動半徑大的特點，可以通過較少的鉆孔數目對采動覆巖離層空間進行有效充填，在離層空間內部固結成高強度充填體，并與離層空間上下部巖層膠結成新的飽和灰(巖)體。根據現場試驗結果，注漿漿液水灰(水泥–粉煤灰)質量比值和體積比值分別為1.4～2.5 和1.0～1.4。

注漿區域采出空間體積為：

式中：C為煤層采出率；L為工作面斜長，m；D為工作面走向長度，m；M為采高，取4.0 m。

則預計所需要的干粉煤灰體積為：

式中：α為所要求的注采比。

為控制工作面切眼上方地表沉降，保證保護村莊處于Ⅰ級破壞以內[18]，減沉率需達到75%。根據覆巖注漿注采比一般為0.3 進行預計[14,19]。由式(2)，工作面開采方式為綜采一次采全高，C取1。取傾向寬度為127 m 的工作面切眼區域長度350 m，傾向寬度為187 m 的工作面區域長度150 m(圖7)，工作面保護煤柱區域采空區面積和體積約為75 058 m2和300 230 m3(按傾角15°計算)。注漿粉煤灰取自附近電廠，粉煤灰干密度為0.95～1.15 g/cm3，一般按1 g/cm3進行估算，則預計注灰(粉煤灰干灰)量為90 069 t。圖9 為實際每月注入干灰的總量，隨著回采進行，注灰量呈現先遞增后遞減的趨勢，與采動覆巖離層空間發育尺寸(增加—維持—衰減)的變化趨勢一致，說明增加單位區域內離層注漿鉆孔數目的2 倍和注漿層位，可以充分充填離層發育空間。現場試驗工作面實際推進540 m，注入粉煤灰干灰總量為98 912 t，注采比約為0.33，與式(2)預計結果吻合程度超過91%。

圖9 各月份注灰量統計Fig.9 Quantity of fly ash injected per month

5 多層位離層注漿地表沉降控制效果

為驗證實驗結論，評價注漿工程地表沉陷控制效果，在該工作面建立地表移動觀測站，累計共進行22 次地表位移觀測。根據最后一次的實際觀測結果，基于Matlab 軟件和最小二乘法分別對走向和傾向觀測線實測數據進行曲線擬合，得出地表下沉系數q為0.199 8。由圖10 中可以看出，實測數據與擬合曲線的擬合程度較高，所求參數較精確。

圖10 離層注漿地表觀測實測值與擬合曲線對比Fig.10 Comparison of measured values and fitted curves of multi-bed separation grouting

基于隨機介質理論[9,20-22]對正常采動條件下地表移動變形情況進行預計，與注漿現場地表觀測結果(表3)進行對比。正常開采條件下，地表最大變形達2 082 mm，實施多層位離層注漿充填后，地表最大下沉量為418 mm。根據地表保護村莊邊界最近采掘工作面地表巖移觀測站實際監測結果，工作面切眼上方保護村莊地表最大下沉值為92 mm，村莊范圍地表變形均處于Ⅰ級變形以內。結果表明，多層位離層注漿可以明顯提高注漿充填率(注采比)，地表減沉率可以達到79.92%，對控制采動引起的地面沉降具有明顯效果。

表3 不同開采方式地表移動變形參數Table 3 Surface deformation parameters with different mining methods

6 結論

a.在采動覆巖無厚、硬巖層發育較大尺寸離層空間條件下，提出多離層覆巖注漿充填技術，即由不同擴散半徑的多離層注漿充填體疊加，可以將載荷向下傳遞至煤層頂板，增加覆巖注漿總量和注采比，對地表沉陷進行有效控制。

b.闡明了多離層注漿充填機理，建立多離層注漿充填開采等效模型。多層位離層注漿的實際有效充填體應為壓實區、非壓實區和擴展區體積之和，不同層位的離層充填體及其間隔巖體共同形成聯合承載體支撐上覆巖體，達到減小覆巖變形和控制地表沉陷的目的。

c.多層位離層注漿下覆巖體的壓實程度較單離層注漿更高，不同層位離層充填體疊加形成的聯合承載體可以增加開采煤層上覆巖體的壓實程度，可以有效提高離層空間充填率，達到地表沉陷控制。

d.建立離層注漿量預計公式，現場試驗注漿漿液水灰質量比值和體積比值分別為1.4～2.5 和1.0～1.4。推導的離層注漿量預計公式計算結果與現場實際注灰總量的吻合程度高于91%，可以對離層注漿現場工程進行設計與指導。

e.現場試驗多層位離層注漿注采比可達0.33，地表減沉率可達79.92%，地面保護村莊處于Ⅰ級破壞范圍以內，對控制采動引起的地面沉降和保護地面建(構)筑物具有明顯效果，研究結果為今后覆巖注漿提供有益參考。