魯唯超

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

在我國兩淮地區(qū)，厚松散含水層往往覆蓋在礦區(qū)的開采煤層上，在松散層下具有一定富水性的含水層，對煤礦的開采造成非常不利的影響。若進(jìn)行注漿改造，可使含水層轉(zhuǎn)變?yōu)楦羲畬?，可以充分的解放煤炭資源并進(jìn)行安全開采。注漿改造是利用鉆孔的方式向地層裂隙壓入堵水材料,通過漿液自身材料特性實(shí)現(xiàn)對空隙的填補(bǔ),堵住涌水道避免水源同工作面之間發(fā)生接觸[1]。牛秀清[2]等研究出漿液和下組煤底板巖溶地層的相互作用機(jī)理，通過采用地面定向鉆孔對下組煤底板巖溶含水層進(jìn)行注漿改造且優(yōu)化了注漿工藝。姚宇[3]等在余吾礦2203回采工作面對地面順層注漿，成功實(shí)現(xiàn)了煤層底板第四層灰?guī)r的鉆進(jìn)及注漿、對導(dǎo)水?dāng)鄬拥姆舛?，取得較好應(yīng)用效果。劉洋[4]等通過以“引流注漿、帷幕封堵”為思路，實(shí)現(xiàn)了巴拉素煤礦動(dòng)水條件下強(qiáng)富水、高水壓煤層的注漿封堵,利用注漿改造設(shè)計(jì)解決了該礦在施工過程中出現(xiàn)的煤層水害問題。文中以五溝煤礦1010工作面的基本地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，通過利用Flac3d模擬順層注漿所采取的合適注漿孔間距以及注漿前后對含水層阻隔水性能的改變對煤層開采的影響，可供類似工程參考。

1 工程地質(zhì)特征

在經(jīng)過多次勘探試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)五溝煤礦井田的新生界松散層厚度為262.36～287.05m,平均273.40m。五溝煤礦整個(gè)井田內(nèi)的松散層，自上而下劃分為4個(gè)含水層組和3個(gè)隔水層組[5]。五溝煤礦第四松散層的結(jié)構(gòu)特征和含隔水性評價(jià)，如表1所示。

圖1 1010-1,1010-2,1010-3工作面附近部分鉆孔“四含”段柱狀圖

表1 五溝煤礦第四松散層結(jié)構(gòu)特征

采前水文檢查孔揭露表明“四含”巖性復(fù)雜，顆粒組成不均勻，級配中等～良好，1010-1,1010-2,1010-3工作面附近部分鉆孔“四含”段柱狀圖見圖1，由圖可知“四含”由中砂、細(xì)砂、粉砂、礫石、粘土、鈣質(zhì)粘土、砂礫等組成，其中細(xì)砂和粉砂約占40%，表現(xiàn)出下粗上細(xì)的特點(diǎn)，從總體上看泥質(zhì)含量較高，約為15%至18%，滲透補(bǔ)給性較差，富水性弱，但厚度比較大，是一、三采區(qū)剩余塊段安全生產(chǎn)，特別是薄基巖淺埋煤層綠色安全開采的主要隱患之一。

對全礦抽水試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，繪制出井田“四含”單位涌水量等值線圖，見圖2，從圖中看出，從井田中心向四周單位涌水量q值逐漸減小，富水性逐漸減弱，越靠近風(fēng)化帶區(qū)域單位涌水量越小，富水性也就越弱。

圖2 五溝礦區(qū)“四含”單位涌水量等值線圖

2 含水層注漿有限元模擬

2.1 順層注漿模擬

使用FLAC3D軟件模擬注漿改造鉆孔注漿，通過觀察兩個(gè)相鄰鉆孔之間注漿的飽和度情況，來確定注漿鉆孔之間的合適間距，以達(dá)到將含水層改變?yōu)楦羲畬?，保證實(shí)際工作中的安全生產(chǎn)。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)的選取

FLAC3D數(shù)值模擬采用的是摩爾-庫侖塑性模型，模擬中的巖、土體物理力學(xué)的參數(shù)見表2。

表2 各種巖性的物理力學(xué)參數(shù)

2.2.1 模型建立及參數(shù)選取

通過勘察鉆孔資料，1010-1,1010-3工作面“四含”底界標(biāo)高-248.48～-240.11m，含水砂層厚度20.95～25.31m，平均23.13m，模擬時(shí)取“四含”厚度24m，“四含”滲透系數(shù)k=0.01129～0.3993m/d，其中滲透系數(shù)采用中位數(shù)0.1432m/d，根據(jù)《水文地質(zhì)手冊》孔隙率取經(jīng)驗(yàn)值0.4，選擇水灰比1：1的普通水泥漿液為研究對象，漿液密度為1500kg/m3。在10MPa的注漿終壓下注漿48小時(shí)的工況條件下[6]，分別取注漿孔間距為45m,50m，由于“四含”的平均厚度為24m，則可分別建立45m×18m×24m的模型和50m×18m×24m的模型。

2.2.2 模擬云圖分析

將注漿孔間距分別為45m和50m的模型運(yùn)用Flac3d軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析后，對模型做切片，以注漿段的中心處即y=8，z=0時(shí)，分別輸出注漿孔間距為45m和50m的飽和度的縱橫剖面云圖。從孔間距45m飽和度縱剖面圖(圖4)和孔間距50m飽和度縱剖面圖(圖5)可以很清楚的看到，孔間距為45m時(shí)，圖中所展示的含水層從底部到頂部都可通過注漿改造后使其完全飽和，從而可以達(dá)到使含水層改造為隔水層，因此選擇注漿孔間距為45m是較為合適的。而當(dāng)孔間距為50m時(shí)，從飽和度縱剖面圖中可以看到，從底部到頂部大部分區(qū)域都已經(jīng)飽和，而在兩個(gè)相鄰的注漿孔之間還存在一些尚未飽和的區(qū)域，這些區(qū)域漿液未能完全注入，且上方的空隙更大，即會(huì)導(dǎo)致無法將含水層徹底的改造為隔水層，會(huì)對煤層開采產(chǎn)生較大安全隱患，因此注漿孔的間距不宜超過50m。

圖3 順層注漿模型圖

圖4 孔間距45m飽和度縱剖面圖

圖5 孔間距50m飽和度縱剖面圖

再從孔間距45m飽和度橫剖面圖(圖6)和孔間距50m飽和度橫剖面圖(圖7)中也可以看出，孔間距在45m的鉆孔注漿下的飽和度要比孔間距在50m的鉆孔注漿下的飽和度要高的多，50m的孔間距存在空隙未能完全飽和，因此也可以看出注漿孔的間距宜為45m且不宜超過50m。

圖6 孔間距45m飽和度橫剖面圖

圖7 孔間距50m飽和度橫剖面圖

2.2.3 模擬結(jié)果分析

利用FLAC3D軟件對含水層進(jìn)行注漿過程的模擬，通過分析輸出的模擬結(jié)果，可以知道對含水層進(jìn)行注漿改造是具有可行性的，通過對比45m和50m不同注漿孔間距輸出的橫縱飽和度云圖可知，在實(shí)際工程中注漿改造的注漿孔間距應(yīng)為45m左右，且不能大于50m。

3 注漿改造前后數(shù)值模擬

3.1 模型范圍的確定

模型范圍：煤層頂板以上至頂板上部45m作為模型的上邊界，煤層底板以下20m作為下邊界，即z方向總計(jì)70m，工作面寬度150m，分別模擬開挖30m,60m,90m時(shí)的圍巖狀態(tài)和孔隙水壓力，故x方向設(shè)300m，y方向設(shè)200m，建立300×200×70的模型，見圖8所示。

3.2 邊界條件的選擇與網(wǎng)格離散化

模型采用類似的約束邊界條件，在模型的底界和前、后、左、右邊界，采用零位移邊界條件，在煤層頂板以上20m處施加四含的孔隙水壓力。

結(jié)合工作面的推進(jìn)進(jìn)度，將模型分解成一連串的3個(gè)模型(圖9)，進(jìn)行分步開采，為了方便對立體圖形觀察，在開采區(qū)中間做切片，即對點(diǎn)(0，100，0)法線(0，1，0)所確定的面做切片。

圖8 計(jì)算模型

圖9 工作面推進(jìn)30m,60m,90m時(shí)的模型切片

3.3 注漿改造前后數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

(1)水平位移云圖分析

模型的工作面在不斷推進(jìn)的過程中，模型的各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的變形。利用Flac3d模擬出各節(jié)點(diǎn)單元的水平位移變化過程，分別輸出注漿改造前后1010工作面推進(jìn)至30m,60m,90m時(shí)模型的x方向水平位移云圖(圖10-11)。

在未進(jìn)行注漿改造之前，隨著工作面的推進(jìn)，圖中覆巖內(nèi)水平方向的位移逐漸變大，在工作面至30m時(shí)最大水平位移為112cm,60m時(shí)出現(xiàn)的最大位移為126cm,最大位移出現(xiàn)在采空區(qū)中心。進(jìn)行注漿改造后，工作面至30m時(shí)的最大水平位移為103.2cm,60m處出現(xiàn)的最大位移為113.8cm，位移的變化最大發(fā)生在采空區(qū)位置。可見，隨著開采的深入采空區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，圍巖位移雖然也在逐漸增大，但經(jīng)過注漿改造之后，位移發(fā)生量有明顯減少。

圖10 注漿改造前x方向水平位移

圖11 注漿改造后x方向水平位移

圖12 注漿改造前豎向位移

(2)豎向位移云圖分析

注漿改造前后1010工作面推進(jìn)至30m,60m,90m時(shí)模型的豎向位移云圖如圖所示(圖12-13)，工作面回采從30m至90m過程中，可以看到圖中下沉曲線的形狀在各巖層內(nèi)幾乎沒有改變，其中位于頂板覆巖的軟弱巖層和較硬巖層的下沉變化也是基本穩(wěn)定的。開采至30m處時(shí)覆巖的豎向位移較小，且超前影響范圍不大，隨著工作面推進(jìn)至60m處，豎向位移和超前距離有變大現(xiàn)象，直至工作面推進(jìn)至90m時(shí)，豎向位移和超前影響范圍變得較大，注漿改造前后對比可以看出豎向位移變化不是很明顯。

圖13 注漿改造后豎向位移

圖14 注漿改造前x方向水平應(yīng)力云圖

圖15 注漿改造后x方向水平應(yīng)力云圖

圖16 注漿改造前z方向垂直應(yīng)力云圖

(3)水平應(yīng)力云圖分析

從注漿改造前的水平位移云圖(圖14)中可以看到，水平應(yīng)力存在分層現(xiàn)象，隨著工作面的不斷開采以及采空區(qū)面積的增加，煤層頂板上方覆巖內(nèi)水平應(yīng)力垂向分帶有越來越明顯的趨向。圖中可以看出當(dāng)工作面不斷推進(jìn)至30m處時(shí)，此時(shí)受到的水平壓力位20.31MPa，推進(jìn)至60m時(shí)為20.92MPa，推進(jìn)至90m時(shí)為20.98MPa。在經(jīng)過注漿改造后的水平位移云圖中(圖14)，當(dāng)工作面掘進(jìn)至30m處時(shí)前方煤柱受到的水平壓力位19.41MPa，推進(jìn)至60m時(shí)為11.06MPa，推進(jìn)至90m時(shí)為10.79MPa。比較可以看出當(dāng)經(jīng)過注漿改造后受到的水平應(yīng)力明顯減小，所以注漿改造是有效的。

圖17 注漿改造后z方向垂直應(yīng)力云圖

表4 工作面推進(jìn)時(shí)水平應(yīng)力變化

(4)巖體內(nèi)部豎向應(yīng)力分布規(guī)律

隨著開采的進(jìn)行，模型會(huì)受到擾動(dòng)的影響，煤層頂巖層將會(huì)變形，隨后會(huì)出現(xiàn)離層，最后會(huì)失穩(wěn)的現(xiàn)象。超前壓力的影響范圍也發(fā)生改變，有著從變大到變小再到變大的過程現(xiàn)象。工作面掘進(jìn)30m,60m,90m時(shí)，通過比較注漿改造前垂直應(yīng)力分布云圖(圖17)與注漿改造后的垂直應(yīng)力云圖(圖17)，最大豎向壓力出現(xiàn)在采空區(qū)兩側(cè)，最大豎向應(yīng)力為16MPa，注漿改造前后，各個(gè)掘進(jìn)位置的豎向應(yīng)力變化較小，在煤層開采的初期，由于采空區(qū)空面積較小，工作面前方的豎向壓應(yīng)力集中較小，但隨著掘進(jìn)的深入，采空區(qū)面積增大，前方的豎向壓應(yīng)力集中也會(huì)逐漸增大，但最終豎向應(yīng)力的變化也趨于緩和直至穩(wěn)定。

3.4 注漿改造前后數(shù)值模擬計(jì)算比較

與注漿改造前相比，注漿改造后垂直位移和垂直應(yīng)力無明顯變化，但是水平位移和水平應(yīng)力都有明顯減少，可見注漿改造工程改善了巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，使煤層的開采條件更好更加安全。

4 結(jié) 論

(1)在“四含”注漿改造的實(shí)際工程中，注漿終壓選擇10MPa的情況下每段注漿48小時(shí)，注漿孔間距應(yīng)為45m左右，且不能大于50m。

(2)進(jìn)行四含注漿改造前后，工作面推進(jìn)過程中水平應(yīng)力和水平位移降低，工作面推進(jìn)至90m時(shí)水平應(yīng)力已從20.98MP降低至10.79MP，注漿效果顯著，應(yīng)力、應(yīng)變有效控制。

(3)分析比較在工作面不同回采時(shí)期的位移、應(yīng)力分布規(guī)律，可見注漿改造工程可以通過改變四含富水特性，使煤層開采時(shí)，圍巖變得更加穩(wěn)定，對煤礦開采的安全性有積極意義。

(4)通過對“四含”的注漿改造，變含水層為相對隔水層，可以提高開采上限，提高了資源回收率。