煤矿覆岩离层多层位高效注浆减沉技术应用

何晓升，杨得源，武佳瑞

（山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037009）

控制“三下”压煤开采沉陷是煤炭开采领域重大技术课题，控制开采沉陷的主要技术就是以各种形式进行充填开采[1-5]。国内在注浆减沉理论及覆岩离层规律等方面开展了较为深入的研究，覆岩离层注浆技术可广泛用于铁路下、水体下或农田保护区的开采沉陷控制[6-10]。

唐山煤矿铁二采区是迄今为止国内最大规模的铁路下煤矿覆岩离层注浆减沉工程，历时7年5个月，注灰比为25.3%，减沉率达到51.5%，取得了显著的注浆减沉效果。通过分析铁二采区T2192工作面1#钻孔注浆情况，可以认为在离层内注浆过程中形成的承压浆液是提高注浆量的主要原因，进而提高了注浆减沉效果。如果能够不断发展覆岩离层注浆减沉技术，提高减沉效果，那么在控制“三下”压煤开采沉陷中，覆岩离层注浆减沉技术是有一定的应用空间的。

1 注浆减沉工程概况

T2192面走向长960 m，倾斜宽154 m，煤层倾角12°，煤层埋深为577.6～649.4 m，平均埋深613.5 m。工作面内煤层赋存稳定，无构造变化。煤层平均开采厚度10.14 m。

根据注浆钻孔设计，从上至下共分为三段：松散层固井段、基岩钢管护壁段和花管护壁注浆段。注浆钻孔结构如图1。注浆钻孔孔底至9#煤顶的距离大于180 m。注浆段长度设计为120～300 m。

图1 注浆钻孔结构示意图

T2192工作面采用“全段高多离层、大流量高浓度、连续注浆技术”进行覆岩离层注浆，该技术主要特点为：①一个注浆钻孔贯穿多了离层，可同时对基岩内所有离层进行注浆；②在无压注浆阶段最大限度的提升注浆量，使浆液尽快充满离层空间，浆液比重可达到1.19～1.24；③无需定期停泵冲洗管路，可保证注浆系统长期连续运转。运用该技术进行覆岩离层注浆，可使浆液更快地充满离层空间，形成“承压浆液”。T2192工作面及注浆钻孔布置如图2。注浆钻孔的注浆压力和注浆量曲线如图3。

图2 铁二采区工作面位置与注浆减沉钻孔布置平面图

2 注浆减沉工程中承压浆液的力学作用

覆岩离层注浆减沉的机理是：注浆减沉工作完成后，岩层内最终形成的“压实湿灰体”对上覆岩层的填充和支撑作用减小了地表下沉量。

注浆工作最终产生的“压实湿灰体”的体积决定了地表最终减沉效果。提高“压实湿灰体”最终生成量的途径主要有：①满足注浆工艺的条件下提高注浆浆液浓度；②增加注浆量。

唐山矿铁二采区应用了覆岩离层全段高多离层、大流量高浓度、连续注浆减沉技术。通过分析注浆过程中注浆压力和注浆量曲线，可以发现在注浆过程中，相当长的一段时间内，离层内存在承压浆液，从而提高了注浆量。承压浆液压力的作用方向主要是向上和向下。注浆过程中离层内承压浆液有两种力学作用：对上部岩层起到支托作用；对下部岩层起到压实作用。

水对岩石有软化作用，对上部岩层还起到支托作用。根据注浆后物探测井结果可知，粉煤灰充填裂隙分布在430 m深的岩层中，这是由于埋深340.24～430.50 m的巨厚粗砂岩起到了关键层作用，且关键层在注浆过程中没有发生破断。因此，在关键层承压浆液对上部岩层的支托作用和对下部岩层的压实作用是存在的。

2.1 离层内承压浆液产生条件

关键层理论认为采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩层活动全部和局部起决定作用的岩层称为关键层[11]，离层空间一般出现在关键层的下方。

浆液注入离层内，部分水分渗流流失，其余浆液和灰体留在了离层空间内。随着大流量、持续注浆工作的进行，浆液充满离层空间后，离层空间内的压力逐步升高，形成离层内承压浆液。形成承压浆液的条件为：离层空间被注满，且单位时间内注入浆液体积大于单位时间内新生成的离层空间体积与单位时间内由离层空间渗流出去的水量之和。

T2192工作面1#钻孔注浆工作明显分为两个阶段：无压注浆阶段和有压注浆阶段。有压注浆阶段的存在可以证明在注浆过程中采空区上覆岩层内部存在着承压浆液。

由图3(a)可以看出，注浆过程中，初始注浆阶段泵压平稳，此阶段可称为孔口无压注浆阶段，离层未填满，注浆孔孔口压力P孔口＝0，浆液依赖自重即可注入离层，泵压用于提供浆液渗流压力和平衡输浆管路阻力，注浆状态的维持依赖于浆液自重。8月开始，泵压值逐步上升，此阶段可称为有压注浆阶段，即浆液到达注浆孔孔口处，孔口压力P孔口＞0，注浆状态的维持依赖于浆液自重和注浆孔孔口压力。

结合图3(a)和图3(c)分析可知，无压注浆阶段，T2192-1#钻孔浆液注入量为214 700 m3；有压注浆阶段，浆液注入量为185 764 m3，有压注浆阶段的浆液注入量占该钻孔浆液总注入量的46.4%。T2192-1#钻孔无压注浆阶段注灰量为56 911 m3；有压注浆阶段注灰量为48 942 m3；有压注浆阶段的注灰量占该钻孔总注灰量的46.2%。

图3 T2192-1#钻孔注浆压力与注浆量曲线图

在有压注浆阶段，离层内的压力P离，注浆钻孔孔口压力P孔口和注浆泵的出口压力P泵关系：

式中：P管路为输浆管路阻力，MPa；γ浆为浆液容重，kN/m3；H1为离层埋深，m。

以T2192-1为例，由图3(a)可知注浆压力最终增量约为1 MPa。浆液容重取1.225 kN/m3，实测铁二采区覆岩中产生的离层缝埋深大于430 m，则最终离层内承压浆液压力为：

由图3(a)可知，泵压升高以后，除个别突变点压力值低于初始阶段泵压值，泵压值保持高于初始值的状态，且有逐步攀升的趋势。承压浆液产生之后，可维持承压状态直至注浆结束。

离层内承压浆液向上的液压对离层岩层上部起到支托作用。当离层内的压力达到6.26 MPa时，液压能够平衡一定的上覆岩层的重力。

离层内承压浆液的支托作用可减缓其上部岩层的弯曲下沉，延缓离层空间的闭合，为当前注浆层位争取注浆时间，注入更多的浆液，提高地表减沉效果。离层空间内的承压浆液改变了上覆岩层和下部倾伏岩层的边界条件，这是离层内承压浆液产生两种力学作用的实质。

2.2 离层内承压浆液对上覆岩层的支托作用

取离层上方关键层作应力分析，将其运动及破坏简化为梁，如图4。

图4 含承压浆液的离层上部关键层应力

固支梁的最大挠度在梁跨度的中点（x＝L/2），计算式为：

式中：q为梁上的均布荷载；L为梁长度；E为梁的弹性模量；IZ为梁的截面惯性矩。

关键层岩梁在其上部岩层的自重应力作用下发生弯曲下沉，其下部的离层空间会因关键层的弯曲下沉而趋于闭合。

若此离层埋深430 m，上覆岩层容重取25 kN/m3，则q为10.75 MPa，则有：q0/q＝6.26/10.75 ＝0.58。根据式（3），假定其他参数不变，与无承压浆液时相比，在离层内含有承压浆液时岩梁的最大挠度可减小58%。关键层挠度减小，离层上下边界的位移差增大，有助于延缓该层位离层空间的闭合。

文献[12]认为：一旦关键层初次破断后，关键层下离层量明显变小，仅为关键层初次破断前的25%～33%。

承压浆液的存在，可延缓或控制关键层垮落，为注浆工作争取时间，也可以增大关键层初次垮落的极限跨距，增大离层空间上边界宽度，增大离层空间，提高注浆量。

2.3 离层内承压浆液对下部岩层的压实作用

就离层下部岩层而言，认为离层下部岩层已发生破断，抗弯刚度较小，离层内承压浆液造成了其顶部边界应力条件的改变。离层内无承压浆液时，上部岩层的重力作用无法传递给下部岩层，承压浆液的存在使一部分上部岩层的重力作用传递给了下部岩层，对下部岩层具有压实作用。离层内承压浆液对下部裂缝带和垮落带岩体提供了一个压力增量，加快了离层下部岩体的压实。

垮落带岩体垮落后填满采空区，岩体内存在着较大的可被压缩消除的残余应变，随着上覆岩层的下沉，垮落带岩体不断被压实，上覆岩层的下沉量和垮落带的压实程度有直接关系。有压注浆阶段所注入的浆液充填了压实作用所转化出的那部分空间。

假设离层下部岩层均发生断裂破坏，抗弯刚度较小，则可认为垮落带和裂缝带岩层受到6.26 MPa的垂向应力增量的压实作用。

Salamon提出的破碎岩体压实理论，给出了垮落带岩体的应力-应变关系[13]，即

式中：σv为采空区垂直地应力，MPa；E0为垮落带岩体的初始弹性模量，E0＝为当前垂直应变；εm最大垂直应变（此处是指碎胀煤岩相对于原始煤岩的应变。）；σc为垮落带煤岩单轴抗压强度，根据相关实测地质资料此处取40 MPa。

最大垂直应变为：

式中：b为垮落带岩体的综合碎胀系数。

9#煤直接顶为硬岩取1.43，计算得最大垂直应变为0.43。

铁二采区煤层埋深564～784 m，平均厚度为11.3 m。上覆岩层以硬岩为主，估算垮落带高度的统计回归公式[14]为：

式中：h为采高，m；C1和C2为与顶板岩性有关的参数。

已知h＝11.3 m，坚硬顶板取C1＝2.1和C2＝16，计算得垮落带高度H=26.3 m。

假设：覆岩离层注浆位置在采空区上方180 m处时，离层空间注满，并完成对采空区的压实；180 m厚上覆岩层自重对采空区的垂向压力为4.5 MPa。根据式（4），求得当前垂向应变ε1＝0.267。

当离层空间被浆液注满，注浆压力的压实作用相当于作用在采空区垮落带岩层垂向应力增加6.26 MPa。垂向压力为10.76 MPa，根据式（4），求得当前垂向应变ε2＝0.342。由于ε2/ε1＝1.208，有压注浆阶段采空区垮落带岩层压缩量是无压注浆阶段的1.208倍。

由上述可得，因注浆压力对采空区垮落岩层的压实作用，垮落带岩层的垂向应变增量为0.075。注浆过程中垮落带岩层压缩增量△h＝0.075×26.3＝1.97 m，则可认为因承压浆液对垮落带的压实作用。

此外，注浆压力对注浆层位下方的裂缝带岩体也有压实作用，但具体的压缩量，现阶段还不能给出准确的估算方法。

在注浆减沉过程中，离层空间内的承压浆液使下部岩层内的残余应变提前被压实消除，离层空间下边界挠度增加，增加了离层上下边界的位移差。此外，承压浆液的压实作用，使离层下部岩层挠度增加，岩层弯曲变形宽度扩大，则离层空间下边界的宽度也扩大，增大了离层空间体积，增加了注浆量。

承压浆液的压实作用提高注浆减沉效果的本质是：在进行注浆工作时，承压浆液的形成加快了下部岩层残余应变的消除，增加了离层厚度和离层宽度，扩展了离层空间的体积，使最终注浆量增加，最终产生的“压实湿灰体”体积增加，减沉效果改善。

3 结论

（1）全段高多离层、大流量高浓度、连续注浆技术可快速充满离层空间，使注浆工作及早进入有压注浆阶段，有利于提高注浆量。该技术注浆浓度较大，最终产生的“压实湿灰体”体积较大，是提高注浆减沉效果的关键。

（2）在进行大流量注浆时，离层内产生的承压浆液对下部岩层的压实作用和对上部岩层的支托作用，增加了注浆量，改善了减沉效果。