離層注漿鉆孔成孔及注漿時機數值模擬研究

任有奎

(中國煤炭地質總局一一九勘探隊， 河北 邯鄲 056107)

1 前言

煤矸石離層注漿充填技術是通過將煤矸石破碎球磨制漿，利用地面注漿管路和鉆孔向地下采空造成的離層空間進行注漿。該技術為煤矸石等大宗固體廢棄物治理提供了一個綠色、經濟、環保的治理方案，具有廣闊的推廣應用前景。但在實施過程中，由于鉆孔破壞和離層空間閉合等原因，在注漿過程中容易發生漿液跑漿和冒漿事故，造成地表二次污染。

本文以龍泉煤礦矸石注漿充填科研工程4203工作面離層注漿方案為依托，采用FLAC3D數值模擬技術，分析工作面采動過程中離層的演化規律和不同位置鉆孔的水平位移變化情況，合理確定鉆孔成孔與注漿時機，為離層注漿方案的實施提供了保障。

4203工作面所采煤層為4號煤，煤層厚度變化范圍為6.2～7.4 m，平均厚度為6.8 m，煤層平均傾角7°。工作面走向長度2 568 m，傾向長度為255 m，工作面開采方法為放頂煤一次采全高，機采采高3.5 m，放頂煤厚度為3.3 m，采放比為1∶0.94。日進6循環，循環進度為0.865 m。

2 開采離層發育分析

當采深較深，覆巖中存在多層或多組堅硬巖層時，根據關鍵層理論分析，主關鍵層下部將產生較為顯著的離層變形，并且主關鍵層的破斷將引起地表較大幅度的沉降移動[1]。因此，沿主關鍵層下部，將是控制離層的主要目標層位[2]。

相比于其他巖層，關鍵層的抗彎曲變形能力大，其變形與下部巖層不協調[3]，依據龍泉煤礦4203工作面地質條件及巖層柱狀圖通過確定覆巖中的堅硬巖層位置，計算各硬巖層的破斷距，得到4203工作面關鍵層分布如圖1所示。

圖1 4203工作面覆巖關鍵層判別結果

3 模擬研究方案

本研究主要通過建立FLAC3D數值模型確定地面注漿鉆孔的最佳鉆孔時機和鉆孔位置，并分析工作面推進對鉆孔的影響。為保證在離層擴展期間及時充分地完成注漿作業，鉆孔的終孔時間應略提前于主要離層空間的擴展期，以免因注漿過晚而來不及注滿全部離層空間或因成孔過早，孔壁坍塌而影響注漿。所以，可按工作面推進速度和終孔時間確定合適的開鉆時間。基于此目的，本次數值模擬設計了以下兩個模擬方案。

(1)研究工作面不同推進距離(50 m、100 m、150 m、200 m)主關鍵層正下方離層發育情況。

(2)研究不同鉆孔位置下(距離開切眼50 m、100 m、150 m)，工作面推進過程中鉆孔水平變形情況。

4 FLAC3D數值模擬

4.1 模型建立

本研究依據龍泉煤礦4203工作面地質條件及巖層柱狀圖為基礎，運用FLAC3D有限元軟件，建立長寬高為700 m×10 m×611 m數值計算模型(如圖2所示)。模型四周固定水平位移，底面固定水平位移及垂直位移，整體施加重力加速度9.8 m/s2。模型共建立26層。數值模型巖層力學參數以實驗室測定為依據，煤巖層數值模型力學參數見表1。

圖2 數值模型計算圖

表1 數值模型巖層力學參數

4.2 開采離層發育分析

工作面分別推進50 m、100 m、150 m和200 m時，覆巖的豎直位移云圖如圖3所示，根據模型豎直位移云圖判斷上覆巖層間的分層面附近在水平方向和豎直方向上豎直位移是否連續、是否存在較大的位移梯度來確定覆巖是否發生離層以及離層的發育過程，同時根據豎直應力云圖中覆巖分層處是否存在應力不連續(即層間是否能夠相互傳遞應力)來輔助判斷離層的發育情況。

圖3 開采過程離層發育云圖

如圖3所示，當工作面推進100 m時，亞關鍵層1下方離層開育，離層發育位于采空區中間位置，主關鍵層下無離層發育；當工作面繼續推進到150 m時，亞關鍵層1、2開始破斷，亞關鍵層1下方離層由中間位置轉向兩端，主關鍵層下方離層開始發育；工作面推進到200 m時，主關鍵層發生破斷，離層逐漸閉合。由于鉆孔的終孔時間應略提前于主要離層空間的擴展期，因此，合理的鉆孔終孔時間為工作面推進150 m時，初步確定鉆孔位置在開切眼前方50～150 m，終孔位置應位于主關鍵層下方的粉砂巖中。

4.3 采動對注漿鉆孔穩定性的影響

注漿鉆孔穩定性的主要指標是巖層的水平位移對鉆孔垂直度和孔徑大小的影響，即垂直度是針對管材能否順利下放而言的，孔徑大小是針對不影響料漿輸送而言的，同時要保證巖層移動不壓垮、剪斷和拉斷管材。因此，需要研究開采過程中巖層移動對鉆孔造成的水平變形影響。本模擬分別在開切眼前方50 m、100 m、150 m處設置鉆孔，研究不同推進距離鉆孔水平變形情況，不同位置鉆孔開采過程中水平位移云圖如圖4至圖6所示，并繪制工作面推進400 m時不同布置鉆孔水平位移曲線圖如圖7所示。

如圖4至圖7所示，隨著工作面的推進，鉆孔水平變形量逐漸增大，且隨著埋深的增大，水平變形量逐漸減小。當工作面推進400 m時，鉆孔布置在工作面開切眼前方50 m、100 m、150 m處的最大水平位移分別為78.1 mm、59.7 mm、52.4 mm，隨著鉆孔距離開切眼位置增加水平變形逐漸變小，在150 m處變形最小。根據理論研究、室內試驗及現場經驗[4-6]，注漿孔的擴散半徑一般在300 m左右，但考慮到實際充填效果，并經查閱資料得知：一般注漿半徑多為沿煤層走向160～250 m、沿煤層傾向130～200 m[7]，鉆孔設置在距離開切眼150 m處可以滿足離層注漿需求。

圖5 鉆孔位于開切眼前方100 m水平方向位移云圖

圖6 鉆孔位于開切眼前方150 m水平方向位移云圖

圖7 工作面推進400 m時不同布置鉆孔水平位移曲線圖

5 結論

綜合考慮覆巖離層發育位置及鉆孔水平變形情況及注漿擴散半徑，確定終孔成孔時間為工作面推進150 m時，開切眼前方150 m處為最優打鉆位置，考慮到工作面日進尺5.19 m，推進150 m大約需要29 d，而打鉆時間為1個月。因此，工作面推進的同時，在開切眼前方150 m、工作面傾向中間位置開始打鉆較為合理，此時成孔和注漿為最優時機。