五沟煤矿1010工作面含水层注浆改造数值模拟分析 ①

鲁唯超

(安徽建筑大学土木工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

在我国两淮地区，厚松散含水层往往覆盖在矿区的开采煤层上，在松散层下具有一定富水性的含水层，对煤矿的开采造成非常不利的影响。若进行注浆改造，可使含水层转变为隔水层，可以充分的解放煤炭资源并进行安全开采。注浆改造是利用钻孔的方式向地层裂隙压入堵水材料,通过浆液自身材料特性实现对空隙的填补,堵住涌水道避免水源同工作面之间发生接触[1]。牛秀清[2]等研究出浆液和下组煤底板岩溶地层的相互作用机理，通过采用地面定向钻孔对下组煤底板岩溶含水层进行注浆改造且优化了注浆工艺。姚宇[3]等在余吾矿2203回采工作面对地面顺层注浆，成功实现了煤层底板第四层灰岩的钻进及注浆、对导水断层的封堵，取得较好应用效果。刘洋[4]等通过以“引流注浆、帷幕封堵”为思路，实现了巴拉素煤矿动水条件下强富水、高水压煤层的注浆封堵,利用注浆改造设计解决了该矿在施工过程中出现的煤层水害问题。文中以五沟煤矿1010工作面的基本地质情况为基础，通过利用Flac3d模拟顺层注浆所采取的合适注浆孔间距以及注浆前后对含水层阻隔水性能的改变对煤层开采的影响，可供类似工程参考。

1 工程地质特征

在经过多次勘探试验后，发现五沟煤矿井田的新生界松散层厚度为262.36～287.05m,平均273.40m。五沟煤矿整个井田内的松散层，自上而下划分为4个含水层组和3个隔水层组[5]。五沟煤矿第四松散层的结构特征和含隔水性评价，如表1所示。

图1 1010-1,1010-2,1010-3工作面附近部分钻孔“四含”段柱状图

表1 五沟煤矿第四松散层结构特征

采前水文检查孔揭露表明“四含”岩性复杂，颗粒组成不均匀，级配中等～良好，1010-1,1010-2,1010-3工作面附近部分钻孔“四含”段柱状图见图1，由图可知“四含”由中砂、细砂、粉砂、砾石、粘土、钙质粘土、砂砾等组成，其中细砂和粉砂约占40%，表现出下粗上细的特点，从总体上看泥质含量较高，约为15%至18%，渗透补给性较差，富水性弱，但厚度比较大，是一、三采区剩余块段安全生产，特别是薄基岩浅埋煤层绿色安全开采的主要隐患之一。

对全矿抽水试验成果进行统计汇总，绘制出井田“四含”单位涌水量等值线图，见图2，从图中看出，从井田中心向四周单位涌水量q值逐渐减小，富水性逐渐减弱，越靠近风化带区域单位涌水量越小，富水性也就越弱。

图2 五沟矿区“四含”单位涌水量等值线图

2 含水层注浆有限元模拟

2.1 顺层注浆模拟

使用FLAC3D软件模拟注浆改造钻孔注浆，通过观察两个相邻钻孔之间注浆的饱和度情况，来确定注浆钻孔之间的合适间距，以达到将含水层改变为隔水层，保证实际工作中的安全生产。

2.2 岩体物理力学参数的选取

FLAC3D数值模拟采用的是摩尔-库仑塑性模型，模拟中的岩、土体物理力学的参数见表2。

表2 各种岩性的物理力学参数

2.2.1 模型建立及参数选取

通过勘察钻孔资料，1010-1,1010-3工作面“四含”底界标高-248.48～-240.11m，含水砂层厚度20.95～25.31m，平均23.13m，模拟时取“四含”厚度24m，“四含”渗透系数k=0.01129～0.3993m/d，其中渗透系数采用中位数0.1432m/d，根据《水文地质手册》孔隙率取经验值0.4，选择水灰比1：1的普通水泥浆液为研究对象，浆液密度为1500kg/m3。在10MPa的注浆终压下注浆48小时的工况条件下[6]，分别取注浆孔间距为45m,50m，由于“四含”的平均厚度为24m，则可分别建立45m×18m×24m的模型和50m×18m×24m的模型。

2.2.2 模拟云图分析

将注浆孔间距分别为45m和50m的模型运用Flac3d软件进行数值模拟分析后，对模型做切片，以注浆段的中心处即y=8，z=0时，分别输出注浆孔间距为45m和50m的饱和度的纵横剖面云图。从孔间距45m饱和度纵剖面图(图4)和孔间距50m饱和度纵剖面图(图5)可以很清楚的看到，孔间距为45m时，图中所展示的含水层从底部到顶部都可通过注浆改造后使其完全饱和，从而可以达到使含水层改造为隔水层，因此选择注浆孔间距为45m是较为合适的。而当孔间距为50m时，从饱和度纵剖面图中可以看到，从底部到顶部大部分区域都已经饱和，而在两个相邻的注浆孔之间还存在一些尚未饱和的区域，这些区域浆液未能完全注入，且上方的空隙更大，即会导致无法将含水层彻底的改造为隔水层，会对煤层开采产生较大安全隐患，因此注浆孔的间距不宜超过50m。

图3 顺层注浆模型图

图4 孔间距45m饱和度纵剖面图

图5 孔间距50m饱和度纵剖面图

再从孔间距45m饱和度横剖面图(图6)和孔间距50m饱和度横剖面图(图7)中也可以看出，孔间距在45m的钻孔注浆下的饱和度要比孔间距在50m的钻孔注浆下的饱和度要高的多，50m的孔间距存在空隙未能完全饱和，因此也可以看出注浆孔的间距宜为45m且不宜超过50m。

图6 孔间距45m饱和度横剖面图

图7 孔间距50m饱和度横剖面图

2.2.3 模拟结果分析

利用FLAC3D软件对含水层进行注浆过程的模拟，通过分析输出的模拟结果，可以知道对含水层进行注浆改造是具有可行性的，通过对比45m和50m不同注浆孔间距输出的横纵饱和度云图可知，在实际工程中注浆改造的注浆孔间距应为45m左右，且不能大于50m。

3 注浆改造前后数值模拟

3.1 模型范围的确定

模型范围：煤层顶板以上至顶板上部45m作为模型的上边界，煤层底板以下20m作为下边界，即z方向总计70m，工作面宽度150m，分别模拟开挖30m,60m,90m时的围岩状态和孔隙水压力，故x方向设300m，y方向设200m，建立300×200×70的模型，见图8所示。

3.2 边界条件的选择与网格离散化

模型采用类似的约束边界条件，在模型的底界和前、后、左、右边界，采用零位移边界条件，在煤层顶板以上20m处施加四含的孔隙水压力。

结合工作面的推进进度，将模型分解成一连串的3个模型(图9)，进行分步开采，为了方便对立体图形观察，在开采区中间做切片，即对点(0，100，0)法线(0，1，0)所确定的面做切片。

图8 计算模型

图9 工作面推进30m,60m,90m时的模型切片

3.3 注浆改造前后数值模拟计算结果

(1)水平位移云图分析

模型的工作面在不断推进的过程中，模型的各个单元节点都会产生连续的变形。利用Flac3d模拟出各节点单元的水平位移变化过程，分别输出注浆改造前后1010工作面推进至30m,60m,90m时模型的x方向水平位移云图(图10-11)。

在未进行注浆改造之前，随着工作面的推进，图中覆岩内水平方向的位移逐渐变大，在工作面至30m时最大水平位移为112cm,60m时出现的最大位移为126cm,最大位移出现在采空区中心。进行注浆改造后，工作面至30m时的最大水平位移为103.2cm,60m处出现的最大位移为113.8cm，位移的变化最大发生在采空区位置。可见，随着开采的深入采空区范围逐步扩大，围岩位移虽然也在逐渐增大，但经过注浆改造之后，位移发生量有明显减少。

图10 注浆改造前x方向水平位移

图11 注浆改造后x方向水平位移

图12 注浆改造前竖向位移

(2)竖向位移云图分析

注浆改造前后1010工作面推进至30m,60m,90m时模型的竖向位移云图如图所示(图12-13)，工作面回采从30m至90m过程中，可以看到图中下沉曲线的形状在各岩层内几乎没有改变，其中位于顶板覆岩的软弱岩层和较硬岩层的下沉变化也是基本稳定的。开采至30m处时覆岩的竖向位移较小，且超前影响范围不大，随着工作面推进至60m处，竖向位移和超前距离有变大现象，直至工作面推进至90m时，竖向位移和超前影响范围变得较大，注浆改造前后对比可以看出竖向位移变化不是很明显。

图13 注浆改造后竖向位移

图14 注浆改造前x方向水平应力云图

图15 注浆改造后x方向水平应力云图

图16 注浆改造前z方向垂直应力云图

(3)水平应力云图分析

从注浆改造前的水平位移云图(图14)中可以看到，水平应力存在分层现象，随着工作面的不断开采以及采空区面积的增加，煤层顶板上方覆岩内水平应力垂向分带有越来越明显的趋向。图中可以看出当工作面不断推进至30m处时，此时受到的水平压力位20.31MPa，推进至60m时为20.92MPa，推进至90m时为20.98MPa。在经过注浆改造后的水平位移云图中(图14)，当工作面掘进至30m处时前方煤柱受到的水平压力位19.41MPa，推进至60m时为11.06MPa，推进至90m时为10.79MPa。比较可以看出当经过注浆改造后受到的水平应力明显减小，所以注浆改造是有效的。

图17 注浆改造后z方向垂直应力云图

表4 工作面推进时水平应力变化

(4)岩体内部竖向应力分布规律

随着开采的进行，模型会受到扰动的影响，煤层顶岩层将会变形，随后会出现离层，最后会失稳的现象。超前压力的影响范围也发生改变，有着从变大到变小再到变大的过程现象。工作面掘进30m,60m,90m时，通过比较注浆改造前垂直应力分布云图(图17)与注浆改造后的垂直应力云图(图17)，最大竖向压力出现在采空区两侧，最大竖向应力为16MPa，注浆改造前后，各个掘进位置的竖向应力变化较小，在煤层开采的初期，由于采空区空面积较小，工作面前方的竖向压应力集中较小，但随着掘进的深入，采空区面积增大，前方的竖向压应力集中也会逐渐增大，但最终竖向应力的变化也趋于缓和直至稳定。

3.4 注浆改造前后数值模拟计算比较

与注浆改造前相比，注浆改造后垂直位移和垂直应力无明显变化，但是水平位移和水平应力都有明显减少，可见注浆改造工程改善了岩层的物理力学性质，使煤层的开采条件更好更加安全。

4 结 论

(1)在“四含”注浆改造的实际工程中，注浆终压选择10MPa的情况下每段注浆48小时，注浆孔间距应为45m左右，且不能大于50m。

(2)进行四含注浆改造前后，工作面推进过程中水平应力和水平位移降低，工作面推进至90m时水平应力已从20.98MP降低至10.79MP，注浆效果显著，应力、应变有效控制。

(3)分析比较在工作面不同回采时期的位移、应力分布规律，可见注浆改造工程可以通过改变四含富水特性，使煤层开采时，围岩变得更加稳定，对煤矿开采的安全性有积极意义。

(4)通过对“四含”的注浆改造，变含水层为相对隔水层，可以提高开采上限，提高了资源回收率。