軒大洋，許家林，王秉龍

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

我國煤炭資源的開采強度大，地表塌陷等采動損傷影響面積廣，尤其是在東部地區(qū)，人口與建(構)筑物密集、農(nóng)田廣布，面臨的沉陷控制問題突出。同時，煤炭開采與利用過程中產(chǎn)生了煤矸石、粉煤灰、煤泥等固體廢物，已成為我國大宗固廢的重要組成部分，是固廢減排的重點對象。綠色開采是實現(xiàn)采動減損與固廢資源化利用的重要手段[1]，對礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

部分開采與充填開采是減損開采的重要手段。前者是通過留設煤柱支撐覆巖、控制地表沉陷的方法，如條帶開采與房柱式開采，但該方法將導致部分煤炭資源損失，后者是通過在采動空間(隙)充填物料支撐覆巖達到減損的目的。根據(jù)煤炭長壁垮落法開采后采動空間(隙)的產(chǎn)生與演化過程，充填的位置可以是采空區(qū)、垮落帶或彎曲帶[2-3]。利用地面鉆孔對裂隙帶以上覆巖進行注漿充填的方法，具有充填與采煤空間相分離、充填對采煤干擾小的優(yōu)勢，是充填技術的重要發(fā)展方向。

離層注漿是一種典型的覆巖注漿充填方法，該技術于20世紀80年代開始在我國試驗，是覆巖注漿充填減沉的有益嘗試，取得了一定的減沉效果，但尚不能應用于建筑物下開采保護。覆巖隔離注漿充填技術，是在深入揭示巖層采動裂隙演化的基礎上研發(fā)，創(chuàng)新了關鍵層下壓實注漿減沉新理論與新工藝，大幅提高了注采比與地表沉陷控制效果[2,4-7]。筆者回顧了離層注漿起源、實例，分析了其減沉效果。論述了覆巖隔離注漿充填技術原理、煤基固廢注漿材料及工藝，介紹了該項技術的典型應用領域及工程效果。

1 離層注漿技術回顧

1.1 離層注漿技術起源

離層注漿充填技術研究始于對覆巖離層現(xiàn)象的認識。國內(nèi)外學者對煤礦覆巖離層現(xiàn)象很早已達成共識，且圍繞這一主題開展了廣泛的研究。前蘇聯(lián)學者鮑里索夫[8]于1980年出版的著作中，將離層作為覆巖層狀巖層共同變形和破壞的最典型特點和重要規(guī)律；西德學者KRATZSCH[9]于1983年出版的《Mining Subsidence Engineering》一書中描述了離層現(xiàn)象并給出了相關實測結果。在我國，劉天泉院士等[10]早在1982年出版的著作中證實了層間離層的存在，張延濤等[11-12]均對離層現(xiàn)象進行了描述。之后，國內(nèi)外眾多學者均圍繞這一主題開展了廣泛研究。

對煤系層狀覆巖而言，長壁開采地表沉陷本質(zhì)上是采動空隙由開采空間逐漸向上傳播到地表所形成的。因此，阻止采動空隙的傳播即可控制開采沉陷，覆巖離層注漿正是利用了這種原理，通過地面鉆孔對采動覆巖中的離層區(qū)實施注漿充填，從而減小地表沉陷[13-14]。離層注漿思想最初可能由前蘇聯(lián)學者提出[15]。據(jù)PALARSKI[16]報道，波蘭曾于20世紀80年代開展了離層注漿試驗，使地表變形減小了20%～30%。范學理等[17]于1985年在我國開始離層注漿方法及設備研究，后在撫順老虎臺煤礦開展了國內(nèi)第1例現(xiàn)場試驗，并取得了較好的效果。這一技術隨即受到了我國采礦工業(yè)和學術界的極大重視，先后在近10個礦井的20余個工作面進行了試驗(表1)。

1.2 離層注漿技術效果

根據(jù)表 1中相關文獻給出的數(shù)據(jù)，采用離層注漿技術的工作面，地表下沉一般大于700 mm，個別達到2 000 mm(圖1(a))，地表減沉率平均為40%～50%(圖1(b))，與建筑物下采煤的沉陷控制要求尚有一定的差距。楊倫[31]對老虎臺等煤礦10個注漿充填工作面減沉率重新分析后認為，在考慮采動充分度并重新計算后，實際減沉率應為15%～20%。該結果與PALARSKI[16]所報道的波蘭注漿充填減沉率(20%～30%)接近。

圖1 離層注漿的減沉率Fig.1 Subsidence reduction of traditional bedding separation grouting

表1 我國早期開展的部分離層注漿現(xiàn)場試驗情況Table 1 Reported case histories of traditional grout injection into separation in China

綜上，離層注漿減沉率一般小于50%，在相鄰工作面開采后更低。因此，盡管離層注漿具有工藝簡單、成本低、對采煤干擾小等優(yōu)勢，但尚不能作為一種建筑物不搬遷開采技術，導致該技術在我國的試驗應用逐步減少。

1.3 原因分析

離層注漿的減沉率低與其注采比(注入至覆巖裂隙內(nèi)的壓實充填體體積與采出體積之比)小有密切關系。根據(jù)相關文獻(如文獻[14,17-18,31])中搜集的18個工作面離層注漿試驗數(shù)據(jù)來看，注采比平均僅為6.8%(圖2)。在早期的離層注漿實例中，多數(shù)工作面注入的灰體不足采出體積的10%；之后，在京山鐵路下開采時提高至30%左右[14]。文獻[32]分析指出，我國首例離層注漿工作面注入的灰體僅占采出煤量的3%，很難起到減沉作用。

圖2 離層注漿的注采比Fig.2 Injection ratio of bedding separation grouting

進一步研究表明，離層注漿的注采比與長壁開采條件下覆巖內(nèi)的離層量與采高比值接近。理論上，覆巖離層與巖層條件、煤層采厚等因素相關，其值存在從無到有、增加到閉合的過程。從文獻披露來看，以往關于離層注漿的研究中，有較多文獻集中于離層位置及離層量值，存在“充填量等于離層量”的認識，一定程度上決定了注采比大小。

由中國[33-35]、澳大利亞[36-38]、以色列[39]等國學者所開展的大量模擬與實測研究表明(表2)，長壁開采條件下的自然離層量是相對較小的，單個離層的量一般為0.002～0.4 m，平均值小于0.15 m，僅占采高的8%左右；模擬或觀測到的覆巖累計離層量與采高的比值上限為20%～30%(圖3)。文獻[40]分析了覆巖注漿鉆孔的注采比，得到無壓階段的總注采比一般在10%以下，也表明單個離層高度不足采高的10%。

表2 文獻中的離層量Table 2 Bedding separation apertures from the literatures

圖3 單個離層的量值及其與采高的比值Fig.3 Aperture of single bedding separation and ratio of it to mining height

究其原因，是采動后的覆巖卸荷膨脹累積效應抑制了離層的形成，即離層被垮落帶巖體碎脹及裂隙帶巖體膨脹量所取代[35,43]；僅當?shù)貙又写嬖谀軌蚩刂聘矌r的典型關鍵層時，隨著下部巖體的壓實，離層能夠存在一定時間。如不對離層實施有效干預，較難達到較高的注采比與減沉率。離層注漿的注采比小，與原生狀態(tài)下的離層量相接近，無法形成有效支撐覆巖的結構，說明充填層位下方采空區(qū)未受到充分作用力，導致殘存空隙多、可壓縮量大，在多工作面開采時采空區(qū)將進一步壓縮從而加劇地表下沉。這是離層注漿地表減沉率低的重要原因。

2 覆巖隔離注漿充填原理

覆巖隔離注漿充填(圖4)的原理與離層注漿不同，其基本原理是：基于關鍵層理論，從覆巖中找出對地表沉陷起控制作用的關鍵層，在關鍵層破斷前，通過地面鉆孔對選定關鍵層下方的采動裂隙實施高壓注漿充填，壓實下部碎脹巖體，從而擴大受注空間、增大注采比，在采空區(qū)形成壓實承載結構，有效支撐關鍵層，提高減沉率[2,4-6]。這是與離層注漿主要充填離層空隙的本質(zhì)區(qū)別所在。

圖4 覆巖隔離注漿充填示意Fig.4 Schematic of overburden isolated grouting

2.1 主層位注漿

通過在選定的關鍵層下實施注漿充填，形成主注漿層位，能夠大幅提高注采比。前期通過注漿結束后的鉆探取心結果表明，注漿充填呈現(xiàn)了主層位特征，即90%以上的充填體均集中在終孔上方第1層關鍵層以下[44]。進而，通過注漿過程中的現(xiàn)場探測進一步對覆巖隔離注漿充填的主層位進行驗證。

提出了注漿充填層位探測方法并進行了現(xiàn)場試驗(圖5)。根據(jù)流量連續(xù)性條件可知，在注漿層位以上的各點漿液流量相等(為注入總流量)，在注漿層位下方，流量大幅衰減。探測方法即是對鉆孔全孔段流量進行測量，繪制出流量與深度的關系曲線，根據(jù)流量衰減位置確定注漿層位深度。

圖5 鉆孔注漿層位探測方法原理Fig.5 Principle of borehole grouting horizon detection method

對淮北袁店二井煤礦7221工作面5號注漿孔進行了探測。分別在工作面距鉆孔28.9,16.7,10.0 m時對鉆孔裸孔段進行了測量，根據(jù)不同位置的流量，繪制出全斷面的流量趨勢線(圖6)。通過3次觀測結果得出，鉆孔流量發(fā)生突變的位置在344.0～346.4 m，上方流量雖有所變化，但整體在某個位置上下波動，這是由于鉆孔變形后過流斷面發(fā)生變化導致的。因此，可以得出該孔的主注漿層位為344.0～346.4 m。同時，采用鉆孔電視對孔壁變形情況進行探測，進一步對測量結果進行了驗證，證實了主注漿層位。

圖6 7221-5號孔注入流量及趨勢線Fig.6 Injection flow and trend curves for borehole 7221-5

2.2 壓實注漿

針對離層注漿存在的充填量小的問題，覆巖隔離注漿充填采用壓實注漿新方法，通過高注漿壓力對選定的關鍵層下方主層位實施注漿，利用注漿壓力壓實下部碎脹巖體，消除覆巖卸荷膨脹累積效應并轉(zhuǎn)化出可注漿空間，大幅提高注漿量，形成壓實區(qū)，從而支撐上覆關鍵層。

覆巖隔離注漿充填壓力包括零壓、增壓、穩(wěn)壓與超壓幾個過程(圖7)，其中，壓實作用在增壓段開始產(chǎn)生，穩(wěn)壓階段則是壓實的主要過程。通過壓實注漿，使注采比得到大幅提升，單一工作面可達50%以上。通過鉆孔探測及實驗表明，在壓實注漿下，覆巖內(nèi)充填體厚度可達到離層量值的數(shù)倍[4,44]。

Ⅰ—零壓；Ⅱ—增壓；Ⅲ—穩(wěn)壓； Ⅳ—超壓圖7 鉆孔注漿壓力曲線[40]Fig.7 Borehole injection pressure curves[40]

覆巖隔離注漿充填壓實區(qū)也在力學模型與實驗研究中得到了驗證[40]。文獻[40]建立了注漿充填壓實區(qū)力學模型，導出了注漿充填壓力傳遞到采空區(qū)后的附加應力、采空區(qū)壓實量與壓實區(qū)寬度。圖8為物理模擬實驗得到的不同開采寬度下的注漿充填附加應力與壓實區(qū)寬度。該模型共模擬了6種方案，原型中工作面采高3.0 m，基巖厚度170 m，松散層厚度250 m，注漿層位位于煤層上方60 m，方案1～6中的注漿壓力分別為7.86，7.86，7.86，7.86，8.66，9.46 MPa，工作面寬度分別為110，120，130，140，140，140 m[40]。

圖8 注漿充填附加應力及壓實區(qū)寬度驗證[40]Fig.8 Verification of injection induced stress and width of compaction area[40]

隨著注漿層位與煤層間距加大，采空區(qū)附加應力、壓縮量、壓實區(qū)寬度、壓實度、注采比均不斷減小，即注漿層位越高時，不利于壓實區(qū)的形成。當注漿壓力較低時，也難以有效形成對下部巖體的壓實作用，壓力選取應以平衡所選擇關鍵層載荷為準。選定的關鍵層位置即注漿層位，當關鍵層距離煤層較遠時，形成的壓實區(qū)寬度較窄，關鍵層距煤層較近時，所形成的壓實區(qū)寬度較大，此時多工作面回采時可以不留煤柱，即能夠有效控制地表沉陷。

2.3 承載結構

覆巖隔離注漿充填是通過壓實區(qū)或與隔離煤柱聯(lián)合支撐關鍵層，控制地表沉陷。文獻[45]基于彈性地基梁理論，建立了覆巖隔離注漿充填承載結構關鍵層的撓度力學模型，并利用模型實驗進行了驗證(圖9，其中，q為注漿充填體上方關鍵層承受的載荷，MPa；φ為充分采動角；L為工作面寬度，m；S為壓實區(qū)寬度，m；b為隔離煤柱寬度，m；H1為注漿層位與煤層間距，m；p1(x)，p2(x)，p3(x)，p4(x)，p5(x)分別為關鍵層在隔離煤柱區(qū)、隔離煤柱側非壓實區(qū)、壓實區(qū)、實體煤壁側非壓實區(qū)、實體煤壁區(qū)所受的地基反力，N/m2；k1，k2，k3，k4，k5分別為隔離煤柱區(qū)、隔離煤柱側非壓實區(qū)、壓實區(qū)、實體煤壁側非壓實區(qū)、實體煤壁區(qū)的彈性地基系數(shù)，MN/m3)。在所述的模擬實驗中，隔離煤柱寬度為40 m，工作面實施覆巖注漿充填開采后，煤柱仍保持了穩(wěn)定性，詳見文獻[46]。所建立的力學模型中，將注漿充填關鍵層下方的煤巖層分為隔離煤柱區(qū)、隔離煤柱側非壓實區(qū)、壓實區(qū)、實體煤壁側非壓實區(qū)和實體煤壁區(qū)，并確定了不同區(qū)域的彈性地基系數(shù)，利用該模型確定了影響地表沉陷的因素依次為：工作面寬度、采高、注采比、注漿層位高度、隔離煤柱寬度。

圖9 覆巖隔離注漿充填承載結構模型及驗證[45]Fig.9 Model and verification of bearing structure of isolated overburden grouting[45]

3 覆巖隔離注漿充填工藝

3.1 注漿材料及工藝

覆巖隔離注漿充填以粉煤灰、煤泥、煤矸石等煤基固廢物作為充填原材料，在控制地表沉陷的同時，實現(xiàn)固廢減排目的。粉煤灰以散體干料形態(tài)制漿，注漿系統(tǒng)相對簡單(圖10)，投資少、建設周期短(1～2月)。煤矸石原狀塊度大，無法直接用于注漿充填，需要進行粉化處理，可采用的方法有球磨等方法。煤矸石粉磨制漿系統(tǒng)相對復雜(圖10)，建設成本與周期較粉煤灰系統(tǒng)明顯增加。煤泥以漿狀直接混合制漿，通常作為其他注漿材料的補充。需要指出的是，為避免對地下水產(chǎn)生影響，注漿鉆孔僅在設計的關鍵層下留設注漿段，含水層段均下套管封固，防止?jié){液滲入。同時，煤基固廢注漿材料選擇時，主要采用滿足標準[47]的一般工業(yè)固體廢物中的I類工業(yè)固體廢棄物。在采用煤矸石或其他材料進行制漿時，可以采用沉析速率、黏度、當量壓實系數(shù)等參數(shù)來評估注漿材料的可用性。

圖10 煤基固廢注漿工藝Fig.10 Grouting system for coal based solid waste

3.2 漿液流動及泌水

采用的充填漿料由固料與水混合制成，流經(jīng)路徑為地表→管路→鉆孔→裂隙，經(jīng)歷了由固料、漿體、壓實體的相變過程。在這一過程中，漿液流動泌水特性關系到注漿效果及安全性。

實驗研究表明，充填漿液在裂隙內(nèi)呈兩階段流動特征，在無壓階段呈現(xiàn)“先徑向后雙向”流動特征，有壓階段呈現(xiàn)出優(yōu)勢通道流動。優(yōu)勢流動通道近似呈橢圓形，以注漿孔為中心，沿著走向不斷擴展，且通道的尺寸逐漸增大，隨著注漿時間的延長，通道逐漸發(fā)育成為較狹長的形態(tài)，主要原因是傾向邊界處的漿液逐漸出現(xiàn)固結沉積(圖11)[48-49]。

圖11 漿液的優(yōu)勢流動通道演化過程[48]Fig.11 Evolution of slurry flow channel [48]

煤基固廢漿液為典型的固液兩相流，漿液進入裂隙空間后，流動速度大幅衰減，導致固相顆粒沉積，出現(xiàn)水與顆粒分離，即出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。在裂隙腔體內(nèi)，漿液在傾向方向的析水速度要大于走向方向，尤其是越靠近邊界處速度越小，也即距離鉆孔越遠，漿液的固結程度越大。

高壓注漿作用下，注入地層中的漿液將發(fā)生泌水固結，并轉(zhuǎn)化為壓實體，起減沉作用的正是這一部分充填物。前期的鉆孔取芯探測已經(jīng)得到了證實[44]。根據(jù)漿液在覆巖裂隙所處的封閉環(huán)境，類比充填漿體在巖層中的受力情況對其固結特性進行了實驗研究[50-51]。實驗得出，充填漿液出現(xiàn)了泌水固結，最終形成了壓實體。12 MPa壓力條件下形成的典型粉煤灰壓實體如圖12所示。為了表征漿液的壓實特性，定義了當量壓實系數(shù)，并將其引入到注采比計算中，更加符合工程實際[50]。由于充填漿體最終轉(zhuǎn)換成壓實灰體，因此覆巖隔離注漿充填后地表能夠保持長期穩(wěn)定。

圖12 粉煤灰漿液壓實體Fig.12 Fly ash slurry compaction

漿液泌出水將向圍巖滲流，研究表明，隔離層飽和度對充填漿液泌出水向工作面的流動產(chǎn)生影響。在非飽和覆巖條件下，漿液泌出水被注漿層位圍巖孔隙儲存，由于圍巖水平方向的滲透率明顯大于垂直方向，導致泌出水以水平方向擴散為主，多數(shù)在透過隔離層之前已被圍巖充分吸收，無法在工作面涌出。在飽和覆巖條件下，圍巖孔隙無法繼續(xù)儲存漿液泌出水，使其具備向工作面滲流的條件，可能會造成工作面涌水穩(wěn)定增加。該研究結論在淮北礦區(qū)注漿充填工作面得到了驗證：非飽和覆巖條件下，工作面涌水無變化；飽和覆巖條件下，工作面涌水有少量增加(圖13)。

圖13 淮北礦區(qū)覆巖飽和度實測Fig.13 Measurement of strata saturation for Huaibei mining area

4 實踐及效果

覆巖隔離注漿充填技術主要應用于地表沉陷控制、建(構)筑物壓煤開采、固廢減排領域中，在減震防沖與保水采煤也具有潛在應用價值。目前已在安徽、山西、山東、河南、河北、內(nèi)蒙古等地多個礦區(qū)進行了推廣應用，采出壓覆煤炭資源3 000萬t以上。

覆巖隔離注漿充填技術最廣泛應用于建(構)筑物壓煤開采，以東部礦區(qū)為典型代表。在保護對象方面，包括村莊、窯體、垃圾處理站、鐵路隧道、工業(yè)場地。工作面的最大采寬達260 m，最大采高9.0 m，單工作面年產(chǎn)量可達300萬t/a，地表保護區(qū)域下沉系數(shù)控制在0.10以內(nèi)，噸煤充填成本40～60元。

地質(zhì)開采條件方面，在單一煤層與多煤層開采中均得到了成功應用，并針對各種復雜條件形成了針對性的設計與控制方法(圖14)。在單一煤層開采中，涉及到工作面間留設隔離煤柱、工作面之間無隔離煤柱、相鄰采空區(qū)側開采(包括一側采空區(qū)與兩側采空區(qū))等多種類型。在多煤層開采中，涉及到采空區(qū)下伏煤層覆巖隔離注漿充填、多煤層開采覆巖隔離注漿充填等類型，均得到了成功應用。

圖14 覆巖隔離注漿充填技術已應用范圍Fig.14 Application ranges of overburden isolated grouting

在單一煤層開采中，各工作面間留隔離煤柱、相鄰采空區(qū)側等條件下的實例見文獻[2,5]。

以淮北某煤礦82采區(qū)為例，介紹覆巖隔離注漿充填在建筑物下多煤層開采中的應用。82采區(qū)開采72與10煤層，其中72煤層包括5個工作面，10煤層包括2個工作面。采區(qū)內(nèi)5個工作面被2個地面村莊所壓覆，其中72煤層4個、10煤層1個(圖15)。

圖15 82采區(qū)井上下對照Fig.15 Plan of surface-underground contrast for the 82 mining area

72煤層厚度平均4.3～5.0 m，10煤層厚度4.1 m，煤層傾角平均9°。72煤層上覆巖松散層厚度260 m，基巖厚度113～234 m，10煤層上覆基巖厚度273～295 m，與72煤層間距平均約90 m。工作面寬度平均為161 m，最大204 m。項目自2013年開始，至2020年結束，共充填粉煤灰47.4萬t，采出村莊壓煤量163萬t。通過實施覆巖隔離注漿充填，村莊最大下沉控制在266 mm，建筑物沒有出現(xiàn)損壞。

以淮北某煤礦II3采區(qū)為例，介紹覆巖隔離注漿充填在建筑物下無煤柱開采中的應用(圖16)。II3采區(qū)3個工作面累計采寬502 m，平均采深625 m(表土層厚度240 m)，煤層厚度3.0～3.5 m，工作面采寬最大228 m。通過實施覆巖隔離注漿充填，安全采出壓煤130萬t，地表最大下沉335.1 mm，建筑物最大下沉156 mm，未出現(xiàn)任何損壞，無害化處理固廢38萬t，環(huán)境經(jīng)濟社會效益顯著。

圖16 II3采區(qū)井上下對照Fig.16 Plan of surface-underground contrast for the II3 mining area

覆巖隔離注漿充填能夠防止堅硬巖層破斷，減小其能量釋放，減緩實體煤應力集中，從而實現(xiàn)減少動力災害目的，已在淮北某煤礦II102采區(qū)巨厚巖層下動力災害控制中得到應用(圖17)[52]。通過實施覆巖隔離注漿充填，成功避免了井下動力災害，保護了地面建筑物，為巨厚巖層下采動災害防控提供了有效技術途徑。

圖17 II102采區(qū)井上下對照Fig.17 Plan of surface-underground contrast for the II102 mining area

5 結 論

(1)覆巖隔離注漿充填與離層注漿的減沉作用原理不同。覆巖隔離注漿充填技術的理論基礎是關鍵層理論與覆巖卸荷膨脹累積效應，采用壓實注漿新方法，通過在選定關鍵層下的主層位實施高壓注漿，將覆巖卸荷膨脹量重新轉(zhuǎn)化為可充填空間，大幅提高了注采比；通過在采空區(qū)形成壓實承載結構，有效支撐關鍵層，控制地表沉陷。

(2)覆巖隔離注漿充填采用煤基固廢作為充填材料，實現(xiàn)固廢減排目的。介紹了不同固廢的制漿工藝及特點，論述了充填漿液從固體-漿體-壓實體的轉(zhuǎn)變過程，以及漿液流動泌水固結特征，注漿充填后形成的壓實體保證了地表沉陷控制的長期效果。

(3)覆巖隔離注漿充填廣泛應用于沉陷控制、建(構)筑物壓煤開采、固廢減排，已在多種復雜地質(zhì)開采條件中得到了成功應用。其適用條件是工作面具有一定的基巖厚度，能夠找出可作為注漿層位的關鍵層。該技術在減震防沖、保水采煤中具有潛在應用價值，仍需開展進一步現(xiàn)場試驗研究。