楊幸濤

摘 要：文章分析了關(guān)鍵層下離層動態(tài)發(fā)育對離層有效充填的影響，針對目前離層充填采煤法中，工作面長度受制于關(guān)鍵層初次垮落距和關(guān)鍵層初次垮落前其下巖層未能達(dá)到充分采動狀態(tài)造成充填效果不佳的問題，提出了“人工強(qiáng)化關(guān)鍵層注漿充填”技術(shù)。它通過澆筑鋼筋混凝土柱樁將關(guān)鍵層及其上數(shù)層巖層固結(jié)成一組合巖梁結(jié)構(gòu)，使之成為整體，共同承載各巖層的變形壓力，在提高采出率的同時(shí)，有效減緩了地表變形，從而促進(jìn)了覆巖離層充填減沉技術(shù)的實(shí)踐和發(fā)展，文章分析了其適用條件，并在鶴壁礦區(qū)得到了應(yīng)用，取得了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：覆巖離層；人工強(qiáng)化關(guān)鍵層；注漿充填；組合巖梁；地表沉降

中圖分類號：TD823.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）26-0176-03

1 背景概述

1.1 目前我國處理開采地表沉陷問題的方法

目前我國處理開采地表沉陷問題的方法主要有：條帶開采、采空區(qū)充填采煤法和覆巖離層注漿減沉。其中條帶開采治理開采沉陷效果顯著，但是煤炭采出率低、煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重；采空區(qū)充填在許多煤礦也有實(shí)踐，但由于其成本高、工序多，并且嚴(yán)重影響工作面的生產(chǎn)，因此很難有效推廣。

1.2 覆巖離層充填技術(shù)在我國的發(fā)展以及相關(guān)理論研究

覆巖離層充填技術(shù)最早由范學(xué)理教授從國外引進(jìn)，于20世紀(jì)80年代首次在撫順礦務(wù)局老虎臺礦進(jìn)行離層充填減沉試驗(yàn)并取得了成功。

隨后我國采礦工程界許多專家學(xué)者又在大屯徐莊礦、開灤唐山礦、新汶華豐礦、兗州東灘礦等數(shù)十個(gè)礦井進(jìn)行了離層充填減沉的現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了一定的成效。

在理論研究方面，許多專家學(xué)者結(jié)合“壓力拱”理論、復(fù)合巖梁理論、關(guān)鍵層理論等，通過數(shù)值模擬、相似模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng)分析了覆巖離層發(fā)展的時(shí)空規(guī)律、離層產(chǎn)生的機(jī)理、覆巖離層注漿層位選擇、注漿孔的布置原則、離層充填減沉效果評價(jià)方法等內(nèi)容。然而根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的調(diào)查結(jié)果表明，大部分礦井實(shí)際離層注漿減沉效果并不理想。

此后又有學(xué)者提出了“覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填”技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)相較于傳統(tǒng)的靠留設(shè)煤柱來減緩地表下沉的方法，一方面提高了煤炭的采出率，另一方面更有效地控制了地表的下沉。但“覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填”技術(shù)的應(yīng)用有一定的約束性，首先工作面的長度要受到關(guān)鍵層初次垮距的制約，其次當(dāng)關(guān)鍵層初次垮落前，其下巖層未達(dá)到充分采動狀態(tài)時(shí)，也將不得不留設(shè)一定寬度的永久保護(hù)煤柱，造成煤炭資源的浪費(fèi)。

針對目前“覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填”技術(shù)中存在的問題，基于關(guān)鍵層理論及復(fù)合巖梁理論，作者提出了“人工強(qiáng)化關(guān)鍵層”注漿充填技術(shù)，本文對其基本原理及適用條件進(jìn)行了深入研究。

2 “人工強(qiáng)化關(guān)鍵層”技術(shù)的提出

2.1 覆巖離層動態(tài)發(fā)育特征對離層充填的影響

目前，國內(nèi)專家學(xué)者已對覆巖離層動態(tài)發(fā)育特征做了大量研究。結(jié)果表明，關(guān)鍵層運(yùn)動對離層的產(chǎn)生、發(fā)展與時(shí)空分布起主要控制作用。關(guān)鍵層下離層的動態(tài)分布呈現(xiàn)的兩階段發(fā)展規(guī)律，如圖1所示。

關(guān)鍵層初次破斷前，關(guān)鍵層下的離層量隨著工作面的不斷推進(jìn)而不斷增大，最大離層處于采空區(qū)中部，離層發(fā)育較為明顯。關(guān)鍵層初次破斷后，關(guān)鍵層在采空區(qū)中部的離層又會逐漸閉合，但在采空區(qū)兩側(cè)仍各自保持一個(gè)離層區(qū)，其最大寬度及高度僅為關(guān)鍵層初次破斷前的1/4～1/3。

由此可知，關(guān)鍵層初次破斷前的離層量大，離層比較發(fā)育，離層區(qū)域也比較穩(wěn)定，此時(shí)對離層區(qū)進(jìn)行充填效果較好；而關(guān)鍵層初次破斷后采空區(qū)兩側(cè)的離層區(qū)域變小，采空區(qū)中部逐步被壓實(shí)，即使能夠注入一部分注漿材料，也不能有效地減緩地表下沉。

2.2 “人工強(qiáng)化關(guān)鍵層”技術(shù)的提出

傳統(tǒng)的覆巖離層區(qū)充填料漿都是以粉煤灰為主要固體材料，由于粉煤灰為非固結(jié)充填材料，因此可壓縮性較大，且其滲水性能與其堆積厚度成反比。粉煤灰與矸石粉的壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：矸石粉的抗壓縮性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的粉煤灰，但仍會有1/4左右的壓縮率。因此，在現(xiàn)場離層區(qū)充填過程中，關(guān)鍵層初次破斷前其下離層空間是很難被充實(shí)的，離層區(qū)內(nèi)的充填體不能馬上對初次破斷前的關(guān)鍵層起到有效的支撐作用，不能阻止關(guān)鍵層的初次破斷，從而對后續(xù)離層注漿及注漿減沉效果產(chǎn)生影響。

同時(shí)，對于一些初次垮距比較短的關(guān)鍵層，用覆巖分區(qū)隔離注漿充填技術(shù)也無法達(dá)到很好效果的情況下將不得不留設(shè)大量的保護(hù)煤柱，造成煤炭資源的大量浪費(fèi)。

“人工強(qiáng)化關(guān)鍵層”注漿充填技術(shù)可以較好地解決上述問題，其基本原理如圖2所示。

通過地面向覆巖中打鉆孔，人為的在巖層間澆筑鋼筋混凝土柱樁并將其上多余的孔段用廢泥土填實(shí)，鋼筋混凝土柱樁的作用，一方面體現(xiàn)在澆筑柱樁的固結(jié)力增加了關(guān)鍵層及其以上數(shù)層巖層的接觸壓力，避免各巖層間出現(xiàn)離層現(xiàn)象；另一方面增加了各巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯(cuò)動，從而將作用范圍內(nèi)的幾個(gè)巖層固結(jié)成一個(gè)較厚的組合巖梁共同承擔(dān)上覆載荷。

這種組合巖梁在上覆巖層載荷的作用下，其最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力大大減小，撓度也顯著減小，能夠達(dá)到同步協(xié)調(diào)變形，并且組合巖梁厚度越大，梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和梁的撓度也就越小。新的“組合巖梁”相比單層關(guān)鍵層，其極限跨距將顯著增大，為其下部離層裂隙的充分發(fā)育提供了時(shí)間，確保在該地質(zhì)條件下離層盆地達(dá)到充分采動，使離層量達(dá)到最大，從而保證充填材料注滿離層區(qū)，充填體對強(qiáng)化后關(guān)鍵層起到有效的支撐作用。

3 “人工強(qiáng)化關(guān)鍵層”注漿充填技術(shù)的適用性分析

3.1 “人工強(qiáng)化關(guān)鍵層”注漿充填技術(shù)的理想條件

關(guān)鍵層的破斷距取決于其巖性、厚度及載荷大小，一定條件下關(guān)鍵層的破斷距是一定的，關(guān)鍵層初次破斷距大小決定了分區(qū)隔離的工作面長。根據(jù)“人工強(qiáng)化關(guān)鍵層”注漿充填技術(shù)的基本原理，利用該項(xiàng)技術(shù)的理想條件為：