覆岩离层注浆减沉工程有关技术问题研究

隋惠权,刘聪隆

（1.大连民族学院土木建筑工程学院,辽宁 大连 116605；2.迈进 （香港）有限公司,香港）

覆岩离层注浆减沉工程有关技术问题研究

隋惠权1,刘聪隆2

（1.大连民族学院土木建筑工程学院,辽宁 大连 116605；2.迈进 （香港）有限公司,香港）

采用流体力学的理论方法结合相似材料模拟实验研究成果,对覆岩离层形成的过程、注浆时机、注浆压力、浆液在离层空间内的流动规律进行了研究。注浆液在离层空间内的流动形式与离层空间的大小、围岩的渗流特性、工作面的推进速度位置等因素有关,根据实验结果可将浆液在离层空间内的流动分为三种形式:即以钻孔为中心的径向流动；以明渠“挟质”形式流动；以密实挤压形式流动。前两种形式一般发生在离层空间未充满浆液的前提下,而后一种则是在离层空间已被充满时的继续高压注入,即饱和密实挤压注浆充填。只有达到饱和密实充填才能取得理想的注浆效果。

地下采矿；离层带注浆；压力控制；浆液流动

地下采矿形成地下空洞并逐步发展至地表,致使地面塌陷,形成地表塌陷盆地。由此可造成环境破坏、农田绝产、道路交通受阻、地面建筑设施损坏,甚至危及人身安全。在地下采矿的同时如果采取适当措施,及时充填采空区可减少或避免这种危害的影响,例如目前经常采用的水砂充填法、干式充填法和胶结充填法等等。覆岩离层注浆充填则是一种正在研究和有待于进一步完善的技术手段[1]。该项技术的核心是在采空区上方地表适当位置打钻,通过钻孔高压将电厂粉煤灰与水按照一定的比例配成浆液注入到导水裂隙带以上的弯沉带地层中,达到控制与减缓地表沉降的目的。在实施该项技术中,掌握覆岩破坏及离层的形成位置、发展规律、注浆时机、压力控制和浆液在离层空间的流动形式是技术的关键。本文运用流体力学的理论与方法结合模拟实验结果,对上述有关问题进行了研究,并针对工程实践,提出了实施该项技术时的一般原则。

1 采空区上方离层形成与发展过程

实施覆岩离层注浆充填方法,必须有效控制注浆层位、注浆时机和注浆压力,这些因素与采空区上方离层形成与发展过程密切相关[2-8]。用相似材料模拟实验方法,对长壁式采煤全部垮落法管理顶板采动过程中覆岩塌陷与沉降规律进行模拟,实验结果表明,在工作面推进过程中,随着采空区面积的不断扩大,煤层上方的岩层按着一定的垮落步距顺序垮落。根据覆岩破坏形式,一般将破坏区划分为三带,即冒落带、断裂带和弯曲带。在离层注浆工程中,为防止浆液溃入井下,注浆层位应选择在导水裂隙带以上的弯曲沉降带内。采动过程中覆岩的沉降、变形与断裂过程如图 1,图中 hi为离层带的位置；Hm为冒落带高度；Hd为断裂带高度；Hw为整体弯沉带；hb为保护层厚度；W（x）为地表下沉曲线。

图1 覆岩破坏与离层发展示意图

由图 1覆岩沉降与离层发展过程可以看出,随着采场范围的扩大,离层带逐渐向上发展,如果在设计位置实施注浆,及时充填离层空间,可阻止其沉降和离层进一步向上发展,达到减缓上覆岩层及地表沉降,减少和消除其危害的目的。离层空间内的边界条件较为复杂,浆液的流动与注浆压力、离层空间的几何尺寸、位置、岩层的渗透性能有直接关系。离层空间内任意点的沉降量可用一连续函数来描述,设其沉量为W（x,y）,则

式中,m为开采矿层厚度；q为下沉系数；α为煤层倾角；r为主要影响半径。各参数由实测资料用综合分析方法求得。

2 注浆压力控制

在采动过程中,及时高压充填已形成的离层空间对减缓和阻止沉降和离层向上发展至关重要,关系到整个注浆减沉工程的成败。在开采超前影响线到达离层带位置前,应实施高压注水使其在预定位置及早形成离层。在形成离层前泵压相对较高,在钻孔的底部压力水头可按下式计算:

式中,P2为钻孔底部压强,P1为泵压,Hz为钻孔深度,γ为水的重度,ξi为管道局部阻力因数,li为各段管道长度,d为管道直径,λ为管道沿程阻力因数,g为重力加速度。

当泵压较大,流速很小,离层空间没有形成时,上式可以简化为

在已充填的粉煤灰中视其流动为恒定渗流,则

此时当泵压达到 100个大气压 （约 10M Pa）,钻孔深度约 400m时,孔底压强可达 14M Pa。在高压力作用下,于岩层内部可形成劈裂水楔,促使离层在设计位置及早地形成并保证不至于过早地闭合。一旦形成离层空间,泵压将急剧下降,此时应提高浆液浓度,加大注浆量并持续注入,以保证及时地充填离层空间。设离层空间内某点的流速为 ux,uy,uz,根据流体力学的理论可导出其连续方程为

式中,H是渗流场中任一点的总水头,k是渗流系数。方程 （4）和 （5）构成封闭方程组,可求解流场中任一点的流速和水头。

3 浆液在离层空间内的流动形态

由于离层空间形成的大小、时间、位置、围岩的渗流流量、地下采矿工作面的推进速度、停止位置等因素与注浆能力及流量有直接关系,根据模拟实验结果可将注浆液体在离层空间内的流动分为以下三种形式:

（1）以钻孔为中心的径向流动。如果离层空间足够大,未能及时被充填,且离层底板的渗流量Qs＞注浆流量 Q z,此时离层带内注浆孔附近流速场可近似表示为

由相似材料模拟实验可知,离层带内充填介质首先在以钻孔为中心的一定半径内沉积,其流速可用方程（6）来描述,在钻孔附近由于流速较大和间歇注水冲刷作用 （为防止堵井,在泵压增加时实施注水）,浆液中的固体介质沉淀相对较少,如图 2。

图2 以钻孔为中心的径向流动与沉淀

随着开采范围的增大,在一定的时间段内离层空间达到最大值,如果注浆量达不到设计要求,泵压可能接近零,甚至降为负压而产生虹吸现象,此时应加大注浆量和注浆浓度,以提高注浆效果。

（2）以明渠“挟质”形式流动。由相似材料模拟实验可知,在离层空间足够大的情况下 （离层空间未充满浆液）,充填浆液在离层空间内将以非恒定明渠流的方式从注浆孔位置开始向远处流动,水流挟带粉煤灰并将其输送到离层空间的边缘,如图 3。

图3 离层空间内未充满浆液时的流动状态

此时,根据临界流速的大小,可将水流对灰质的运移输送分为推移质流动、悬移质流动和垂直于流动方向的横向扩散运动三种形式。对于悬移质流动,临界流速和水流的挟质能力是两个重要的参数,与浆液的配置浓度、灰沙含量、比重、流道断面的形态、水深和水力坡度等因素有关[9]。对于所配置的不同浓度或重度的灰浆,使其达到悬移质输送状态,其临界流速是不同的,可用实验方法或经验公式求得。

（3）饱和密实挤压注浆充填。当地下工作面推进已停止,地面尚未达到充分采动,离层空间已被浆液充满且范围不再扩大,此时所进行的高压注浆称为密实挤压充填注浆,如图 4。

图4 饱和密实挤压注浆充填

由于注入在离层空间内的高压浆液作用于四周的围岩,挤压其下部岩层,使岩层移动过程中所形成的裂隙和碎裂空间被压实。此时的岩体可视为多孔介质,在渗透力的作用下,通过围岩水被渗流扩散,固体充填物脱水沉淀。在不断注入的浆液及水的作用下,充填质体积和密实程度不断增加,进而支撑了上覆岩层,阻止或减小其弯曲下沉。

4 结 语

覆岩离层注浆减沉技术是一项新的地层控制技术,对于控制和减缓由地下采矿引起的地表大面积塌陷和由此带来的危害是一种行之有效的方法。通过以上研究表明:注浆液在离层空间内的流动形式与离层空间的大小、围岩的渗流特性、工作面的推进速度和位置等因素有关。根据模拟实验结果可将浆液在离层空间内的流动形式分为:①以钻孔为中心的径向流动；②以明渠“挟质”形式的流动；③以密实挤压形式流动。前两种形式一般发生在离层空间未充满浆液的前提下,而后一种则是在离层空间已被充满时的持续高压注入,即饱和密实挤压注浆充填,只有达到饱和密实充填才能取得理想的注浆效果。为了保证注浆工程质量,提高减沉效果,研究采动岩体内部的移动和变形规律、注浆的控制因素、浆液在离层空间内的流动与存在状态,对于指导注浆工程设计,合理选择注浆设备及参数,正确确定注浆井的孔位,按时间与阶段控制注浆压力,取得最佳减沉效果是十分必要的。

[1]隋惠权,王忠林.覆岩离层注浆控制地表沉降技术的理论与实践 [J].岩土工程学报,2000,23（4）:500-512.

[2]王素华,高延法,付志亮.注浆覆岩离层力学机理及其离层发育分类研究[J].固体力学学报,2006,12:164-168.

[3]向龙,肖均,陈寿根.采空区上覆岩体离层发展规律研究 [J].公路隧道,2009（3）:13-16.

[4]刘金海,冯涛,万文.煤矿离层注浆减沉效果评价的弹性薄板法[J].工程力学,2009,11:252-256.

[5]孙卫华,朱伟,郑祥本.覆岩离层注浆减沉技术的应用与发展现状[J].煤炭技术,2008,27（2）:81-83.

[6]隋惠权,赵德深.覆岩采动的动态模拟与离层带充填技术研究[J].辽宁工程技术大学学报,2002（5）:557-559.

[7]隋惠权.范学理.矿区塌陷控制与灾害防治技术研究[J].中国地质灾害与防治学报,2002（3）:43-45.

[8]JAM ESCN,CHENG Wenchieh.Grout efficiency of lifting structure in soft clay[J].ASCE,2009.

[9]吴持恭.水力学 [M].北京:高等教育出版社,2003.

（责任编辑 邹永红）

Study on Technical Issues of Grouting in Overburden-separation Project

SUI Hui-quan1,L IU Cong-long2
（1.College of Architecture＆Civil Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian Liaoning,116605,China；2.Meinhardt Hong Kong Limited Company,Hong Kong,China）

According to the theory of fluid mechanics and the studies of simulation experiments,the process of overburden separation,grouting time,pressure and slurry flow regime are investigated.Due to slurry flow regime in the separation relate to the space size of separation,seepage velocity,mining rate,working face location and other factors,according to the experiments,the pattern of slurry flow can be divided into three patterns.One is radial flow around d rilling center.Another is open channel flow bring with granules.And the other is dense flow by the form of squeeze.Generally,the first two flow occurred under the situation of the separation space being not filled with slurry,and the latter is filled with under the situation of continued pressure grouting.The effect of reducing subsidence should be achieved only with compacted fill in separation.

underground mining；grouting in separation；pressure control；slurry flow

TD 325.2 < class="emphasis_bold">文献标志码:A

A

1009-315X（2011）01-0037-04

2010-08- 17；

2010-10-13

隋惠权 （1960-）,男,辽宁丹东人,教授,主要从事现代测绘技术、减防灾工程研究。