何曉升，楊得源，武佳瑞

（山西大同大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，山西大同 037009）

控制“三下”壓煤開采沉陷是煤炭開采領(lǐng)域重大技術(shù)課題，控制開采沉陷的主要技術(shù)就是以各種形式進(jìn)行充填開采[1-5]。國(guó)內(nèi)在注漿減沉理論及覆巖離層規(guī)律等方面開展了較為深入的研究，覆巖離層注漿技術(shù)可廣泛用于鐵路下、水體下或農(nóng)田保護(hù)區(qū)的開采沉陷控制[6-10]。

唐山煤礦鐵二采區(qū)是迄今為止國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的鐵路下煤礦覆巖離層注漿減沉工程，歷時(shí)7年5個(gè)月，注灰比為25.3%，減沉率達(dá)到51.5%，取得了顯著的注漿減沉效果。通過分析鐵二采區(qū)T2192工作面1#鉆孔注漿情況，可以認(rèn)為在離層內(nèi)注漿過程中形成的承壓漿液是提高注漿量的主要原因，進(jìn)而提高了注漿減沉效果。如果能夠不斷發(fā)展覆巖離層注漿減沉技術(shù)，提高減沉效果，那么在控制“三下”壓煤開采沉陷中，覆巖離層注漿減沉技術(shù)是有一定的應(yīng)用空間的。

1 注漿減沉工程概況

T2192面走向長(zhǎng)960 m，傾斜寬154 m，煤層傾角12°，煤層埋深為577.6～649.4 m，平均埋深613.5 m。工作面內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，無構(gòu)造變化。煤層平均開采厚度10.14 m。

根據(jù)注漿鉆孔設(shè)計(jì)，從上至下共分為三段：松散層固井段、基巖鋼管護(hù)壁段和花管護(hù)壁注漿段。注漿鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1。注漿鉆孔孔底至9#煤頂?shù)木嚯x大于180 m。注漿段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為120～300 m。

圖1 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

T2192工作面采用“全段高多離層、大流量高濃度、連續(xù)注漿技術(shù)”進(jìn)行覆巖離層注漿，該技術(shù)主要特點(diǎn)為：①一個(gè)注漿鉆孔貫穿多了離層，可同時(shí)對(duì)基巖內(nèi)所有離層進(jìn)行注漿；②在無壓注漿階段最大限度的提升注漿量，使?jié){液盡快充滿離層空間，漿液比重可達(dá)到1.19～1.24；③無需定期停泵沖洗管路，可保證注漿系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行覆巖離層注漿，可使?jié){液更快地充滿離層空間，形成“承壓漿液”。T2192工作面及注漿鉆孔布置如圖2。注漿鉆孔的注漿壓力和注漿量曲線如圖3。

圖2 鐵二采區(qū)工作面位置與注漿減沉鉆孔布置平面圖

2 注漿減沉工程中承壓漿液的力學(xué)作用

覆巖離層注漿減沉的機(jī)理是：注漿減沉工作完成后，巖層內(nèi)最終形成的“壓實(shí)濕灰體”對(duì)上覆巖層的填充和支撐作用減小了地表下沉量。

注漿工作最終產(chǎn)生的“壓實(shí)濕灰體”的體積決定了地表最終減沉效果。提高“壓實(shí)濕灰體”最終生成量的途徑主要有：①滿足注漿工藝的條件下提高注漿漿液濃度；②增加注漿量。

唐山礦鐵二采區(qū)應(yīng)用了覆巖離層全段高多離層、大流量高濃度、連續(xù)注漿減沉技術(shù)。通過分析注漿過程中注漿壓力和注漿量曲線，可以發(fā)現(xiàn)在注漿過程中，相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，離層內(nèi)存在承壓漿液，從而提高了注漿量。承壓漿液壓力的作用方向主要是向上和向下。注漿過程中離層內(nèi)承壓漿液有兩種力學(xué)作用：對(duì)上部巖層起到支托作用；對(duì)下部巖層起到壓實(shí)作用。

水對(duì)巖石有軟化作用，對(duì)上部巖層還起到支托作用。根據(jù)注漿后物探測(cè)井結(jié)果可知，粉煤灰充填裂隙分布在430 m深的巖層中，這是由于埋深340.24～430.50 m的巨厚粗砂巖起到了關(guān)鍵層作用，且關(guān)鍵層在注漿過程中沒有發(fā)生破斷。因此，在關(guān)鍵層承壓漿液對(duì)上部巖層的支托作用和對(duì)下部巖層的壓實(shí)作用是存在的。

2.1 離層內(nèi)承壓漿液產(chǎn)生條件

關(guān)鍵層理論認(rèn)為采場(chǎng)上覆巖層中存在著多層堅(jiān)硬巖層時(shí)，對(duì)巖層活動(dòng)全部和局部起決定作用的巖層稱為關(guān)鍵層[11]，離層空間一般出現(xiàn)在關(guān)鍵層的下方。

漿液注入離層內(nèi)，部分水分滲流流失，其余漿液和灰體留在了離層空間內(nèi)。隨著大流量、持續(xù)注漿工作的進(jìn)行，漿液充滿離層空間后，離層空間內(nèi)的壓力逐步升高，形成離層內(nèi)承壓漿液。形成承壓漿液的條件為：離層空間被注滿，且單位時(shí)間內(nèi)注入漿液體積大于單位時(shí)間內(nèi)新生成的離層空間體積與單位時(shí)間內(nèi)由離層空間滲流出去的水量之和。

T2192工作面1#鉆孔注漿工作明顯分為兩個(gè)階段：無壓注漿階段和有壓注漿階段。有壓注漿階段的存在可以證明在注漿過程中采空區(qū)上覆巖層內(nèi)部存在著承壓漿液。

由圖3(a)可以看出，注漿過程中，初始注漿階段泵壓平穩(wěn)，此階段可稱為孔口無壓注漿階段，離層未填滿，注漿孔孔口壓力P孔口＝0，漿液依賴自重即可注入離層，泵壓用于提供漿液滲流壓力和平衡輸漿管路阻力，注漿狀態(tài)的維持依賴于漿液自重。8月開始，泵壓值逐步上升，此階段可稱為有壓注漿階段，即漿液到達(dá)注漿孔孔口處，孔口壓力P孔口＞0，注漿狀態(tài)的維持依賴于漿液自重和注漿孔孔口壓力。

結(jié)合圖3(a)和圖3(c)分析可知，無壓注漿階段，T2192-1#鉆孔漿液注入量為214 700 m3；有壓注漿階段，漿液注入量為185 764 m3，有壓注漿階段的漿液注入量占該鉆孔漿液總注入量的46.4%。T2192-1#鉆孔無壓注漿階段注灰量為56 911 m3；有壓注漿階段注灰量為48 942 m3；有壓注漿階段的注灰量占該鉆孔總注灰量的46.2%。

圖3 T2192-1#鉆孔注漿壓力與注漿量曲線圖

在有壓注漿階段，離層內(nèi)的壓力P離，注漿鉆孔孔口壓力P孔口和注漿泵的出口壓力P泵關(guān)系：

式中：P管路為輸漿管路阻力，MPa；γ漿為漿液容重，kN/m3；H1為離層埋深，m。

以T2192-1為例，由圖3(a)可知注漿壓力最終增量約為1 MPa。漿液容重取1.225 kN/m3，實(shí)測(cè)鐵二采區(qū)覆巖中產(chǎn)生的離層縫埋深大于430 m，則最終離層內(nèi)承壓漿液壓力為：

由圖3(a)可知，泵壓升高以后，除個(gè)別突變點(diǎn)壓力值低于初始階段泵壓值，泵壓值保持高于初始值的狀態(tài)，且有逐步攀升的趨勢(shì)。承壓漿液產(chǎn)生之后，可維持承壓狀態(tài)直至注漿結(jié)束。

離層內(nèi)承壓漿液向上的液壓對(duì)離層巖層上部起到支托作用。當(dāng)離層內(nèi)的壓力達(dá)到6.26 MPa時(shí)，液壓能夠平衡一定的上覆巖層的重力。

離層內(nèi)承壓漿液的支托作用可減緩其上部巖層的彎曲下沉，延緩離層空間的閉合，為當(dāng)前注漿層位爭(zhēng)取注漿時(shí)間，注入更多的漿液，提高地表減沉效果。離層空間內(nèi)的承壓漿液改變了上覆巖層和下部?jī)A伏巖層的邊界條件，這是離層內(nèi)承壓漿液產(chǎn)生兩種力學(xué)作用的實(shí)質(zhì)。

2.2 離層內(nèi)承壓漿液對(duì)上覆巖層的支托作用

取離層上方關(guān)鍵層作應(yīng)力分析，將其運(yùn)動(dòng)及破壞簡(jiǎn)化為梁，如圖4。

圖4 含承壓漿液的離層上部關(guān)鍵層應(yīng)力

固支梁的最大撓度在梁跨度的中點(diǎn)（x＝L/2），計(jì)算式為：

式中：q為梁上的均布荷載；L為梁長(zhǎng)度；E為梁的彈性模量；IZ為梁的截面慣性矩。

關(guān)鍵層巖梁在其上部巖層的自重應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲下沉，其下部的離層空間會(huì)因關(guān)鍵層的彎曲下沉而趨于閉合。

若此離層埋深430 m，上覆巖層容重取25 kN/m3，則q為10.75 MPa，則有：q0/q＝6.26/10.75 ＝0.58。根據(jù)式（3），假定其他參數(shù)不變，與無承壓漿液時(shí)相比，在離層內(nèi)含有承壓漿液時(shí)巖梁的最大撓度可減小58%。關(guān)鍵層撓度減小，離層上下邊界的位移差增大，有助于延緩該層位離層空間的閉合。

文獻(xiàn)[12]認(rèn)為：一旦關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層下離層量明顯變小，僅為關(guān)鍵層初次破斷前的25%～33%。

承壓漿液的存在，可延緩或控制關(guān)鍵層垮落，為注漿工作爭(zhēng)取時(shí)間，也可以增大關(guān)鍵層初次垮落的極限跨距，增大離層空間上邊界寬度，增大離層空間，提高注漿量。

2.3 離層內(nèi)承壓漿液對(duì)下部巖層的壓實(shí)作用

就離層下部巖層而言，認(rèn)為離層下部巖層已發(fā)生破斷，抗彎剛度較小，離層內(nèi)承壓漿液造成了其頂部邊界應(yīng)力條件的改變。離層內(nèi)無承壓漿液時(shí)，上部巖層的重力作用無法傳遞給下部巖層，承壓漿液的存在使一部分上部巖層的重力作用傳遞給了下部巖層，對(duì)下部巖層具有壓實(shí)作用。離層內(nèi)承壓漿液對(duì)下部裂縫帶和垮落帶巖體提供了一個(gè)壓力增量，加快了離層下部巖體的壓實(shí)。

垮落帶巖體垮落后填滿采空區(qū)，巖體內(nèi)存在著較大的可被壓縮消除的殘余應(yīng)變，隨著上覆巖層的下沉，垮落帶巖體不斷被壓實(shí)，上覆巖層的下沉量和垮落帶的壓實(shí)程度有直接關(guān)系。有壓注漿階段所注入的漿液充填了壓實(shí)作用所轉(zhuǎn)化出的那部分空間。

假設(shè)離層下部巖層均發(fā)生斷裂破壞，抗彎剛度較小，則可認(rèn)為垮落帶和裂縫帶巖層受到6.26 MPa的垂向應(yīng)力增量的壓實(shí)作用。

Salamon提出的破碎巖體壓實(shí)理論，給出了垮落帶巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[13]，即

式中：σv為采空區(qū)垂直地應(yīng)力，MPa；E0為垮落帶巖體的初始彈性模量，E0＝為當(dāng)前垂直應(yīng)變；εm最大垂直應(yīng)變（此處是指碎脹煤巖相對(duì)于原始煤巖的應(yīng)變。）；σc為垮落帶煤巖單軸抗壓強(qiáng)度，根據(jù)相關(guān)實(shí)測(cè)地質(zhì)資料此處取40 MPa。

最大垂直應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：b為垮落帶巖體的綜合碎脹系數(shù)。

9#煤直接頂為硬巖取1.43，計(jì)算得最大垂直應(yīng)變?yōu)?.43。

鐵二采區(qū)煤層埋深564～784 m，平均厚度為11.3 m。上覆巖層以硬巖為主，估算垮落帶高度的統(tǒng)計(jì)回歸公式[14]為：

式中：h為采高，m；C1和C2為與頂板巖性有關(guān)的參數(shù)。

已知h＝11.3 m，堅(jiān)硬頂板取C1＝2.1和C2＝16，計(jì)算得垮落帶高度H=26.3 m。

假設(shè)：覆巖離層注漿位置在采空區(qū)上方180 m處時(shí)，離層空間注滿，并完成對(duì)采空區(qū)的壓實(shí)；180 m厚上覆巖層自重對(duì)采空區(qū)的垂向壓力為4.5 MPa。根據(jù)式（4），求得當(dāng)前垂向應(yīng)變?chǔ)?＝0.267。

當(dāng)離層空間被漿液注滿，注漿壓力的壓實(shí)作用相當(dāng)于作用在采空區(qū)垮落帶巖層垂向應(yīng)力增加6.26 MPa。垂向壓力為10.76 MPa，根據(jù)式（4），求得當(dāng)前垂向應(yīng)變?chǔ)?＝0.342。由于ε2/ε1＝1.208，有壓注漿階段采空區(qū)垮落帶巖層壓縮量是無壓注漿階段的1.208倍。

由上述可得，因注漿壓力對(duì)采空區(qū)垮落巖層的壓實(shí)作用，垮落帶巖層的垂向應(yīng)變?cè)隽繛?.075。注漿過程中垮落帶巖層壓縮增量△h＝0.075×26.3＝1.97 m，則可認(rèn)為因承壓漿液對(duì)垮落帶的壓實(shí)作用。

此外，注漿壓力對(duì)注漿層位下方的裂縫帶巖體也有壓實(shí)作用，但具體的壓縮量，現(xiàn)階段還不能給出準(zhǔn)確的估算方法。

在注漿減沉過程中，離層空間內(nèi)的承壓漿液使下部巖層內(nèi)的殘余應(yīng)變提前被壓實(shí)消除，離層空間下邊界撓度增加，增加了離層上下邊界的位移差。此外，承壓漿液的壓實(shí)作用，使離層下部巖層撓度增加，巖層彎曲變形寬度擴(kuò)大，則離層空間下邊界的寬度也擴(kuò)大，增大了離層空間體積，增加了注漿量。

承壓漿液的壓實(shí)作用提高注漿減沉效果的本質(zhì)是：在進(jìn)行注漿工作時(shí)，承壓漿液的形成加快了下部巖層殘余應(yīng)變的消除，增加了離層厚度和離層寬度，擴(kuò)展了離層空間的體積，使最終注漿量增加，最終產(chǎn)生的“壓實(shí)濕灰體”體積增加，減沉效果改善。

3 結(jié)論

（1）全段高多離層、大流量高濃度、連續(xù)注漿技術(shù)可快速充滿離層空間，使注漿工作及早進(jìn)入有壓注漿階段，有利于提高注漿量。該技術(shù)注漿濃度較大，最終產(chǎn)生的“壓實(shí)濕灰體”體積較大，是提高注漿減沉效果的關(guān)鍵。

（2）在進(jìn)行大流量注漿時(shí)，離層內(nèi)產(chǎn)生的承壓漿液對(duì)下部巖層的壓實(shí)作用和對(duì)上部巖層的支托作用，增加了注漿量，改善了減沉效果。