鄭立軍

（河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454350）

長壁工作面開采后，在垂直和水平方向上分別形成“豎三帶”（垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶）和“橫三區(qū)”（煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)）[1]；通過跟隨工作面開采進度和覆巖離層時空演化向采動覆巖裂隙和離層及時注漿充填，可有效減輕地表沉降速率和沉降量，對于解放“三下”呆滯煤量、保護礦區(qū)地下水資源環(huán)境、減輕地表采動損害等具有重要科學意義和應用價值。20世紀80年代以來，我國針對覆巖離層注漿充填工程中的注漿材料黏結時變效應和承壓性、采動離層演化規(guī)律、鉆孔和注漿管路設計、注漿過程在線監(jiān)測與反饋等關鍵技術環(huán)節(jié)[2-5]，在撫順、兗州、淮南、晉城等多個礦區(qū)開展了廣泛試驗研究與工程應用，逐步形成了較成熟的覆巖離層注漿充填成套技術體系，并成為煤礦綠色開采體系中的重要組成部分[6]。

采動覆巖離層的時空演化規(guī)律是科學實現覆巖離層充填、保證覆巖和地表減沉效果的首要關鍵科學問題。錢鳴高等認為主要采動離層區(qū)位置、空間特征參數與主關鍵層層位密切相關[7]，離層一般由巖層不協(xié)調變形破壞引起，主要萌生于未破斷的關鍵層下方。許家林等發(fā)現關鍵層初次破斷后，其下方離層量僅為破斷前的25%~33%[8]，離層注漿必須在主關鍵層臨初次破斷前進行；此外，隨著工作面推進，離層水平范圍不斷擴展，漿液不斷向前滲流，如果注漿量不能及時充滿離層空間，將難以有效阻止關鍵層破斷，進而影響地表減沉效果，這也是非充分采動條件下減沉效果較好、充分采動條件下減沉效果明顯降低的原因[9]；針對此問題，許家林等組合離層充填和條帶開采技術，提出了覆巖離層分區(qū)隔離充填法，旨在控制主關鍵層不破斷。郭惟嘉基于富氏積分法推導了采動覆巖離層高度的計算方法[10]，此后又采用板殼理論給出了離層撓度公式，并對離層的萌生發(fā)育機理進行了探討[11]。姜巖[12]基于Griffith強度理論和Mohr-Coulomb準則提出了離層空洞的預計公式。滕永海等[13]通過對頂板巖層下沉速度進行現場實測，對離層發(fā)育規(guī)律進行了分析研究。高延法等[14]對離層意外閉合和多層位離層聯合充填注漿機理開展研究，提出低層位離層閉合后應逐步轉向高層位充填。王金莊等[15]認為，對于首采工作面離層注漿，對其控制地表沉降效果進行評價時應考慮充分采動狀況。當前，通過地面鉆孔向覆巖離層注漿是主流工藝[16-20]，優(yōu)點為可實現多層位離層聯合注漿、鉆孔施工方便、可利用漿液自重增強注漿壓力、泵站施工易于在地面開展。

由上可知，當前針對覆巖離層充填技術開展了大量研究工作，地面鉆孔充填技術已較為成熟，但對以下問題有待進一步研究：一是（緩）傾斜煤層開采覆巖離層在水平方向上的發(fā)育范圍和擴展過程，受煤層傾角影響，覆巖沉降規(guī)律勢必與近水平條件下的不同，離層空間形態(tài)位置的科學確定方法尚不明確；二是重復采動下的覆巖離層“開-閉”機理，重復采動后，覆巖活動較第1次開采時的更為劇烈，開采沉陷規(guī)律及參數發(fā)生實質性變化，覆巖離層的“開-閉”機理不清晰，注漿時機不易把握；三是井下鉆場的鉆孔和注漿充填工藝。目前諸多礦井敷設有用于充填沿空留巷、采空區(qū)隔離防滅火注漿、瓦斯鉆孔漏風封堵注漿或底板防突水注漿的井下注漿管路，因此，借用已有注漿管路實施離層注漿，并研究井下鉆孔和注漿工藝，對于降低離層注漿成本有重要意義。

為此，以焦作礦區(qū)古漢山礦16032工作面覆巖離層注漿充填為工程背景，充分考慮覆巖結構和地表沉降特征，研究緩斜煤層重復采動條件下的覆巖離層空間分布規(guī)律，分析井下鉆孔注漿充填的可行性，并確定此條件下的覆巖離層注漿關鍵技術和參數，為后續(xù)類似工程地質條件下的離層注漿提供參考借鑒。

1 工程地質概況

1.1 采區(qū)及工作面概況

古漢山礦位于焦作市東北，核定生產能力1.40 Mt/a，采用立井多水平上下山開拓布置方式。16采區(qū)位于古漢山礦西部，采用4條下山巷道開拓，東鄰F62-2斷層保護煤柱線，西至井田邊界（界碑斷層），淺部與14采區(qū)相鄰，深部至-640 m水平。16032下分層工作面為16采區(qū)東翼第2個回采工作面，其上分層16031工作面于2017年11月回采完畢。16032工作面西北方向與西翼運輸大巷相鄰，其間存在寬度50~150 m的大巷保護煤柱。西翼運輸大巷較16032工作面回風平巷高91 m；東南方向為未開采的1605工作面，西為16采區(qū)回風下山保護煤柱；東為斷層F62-2防水煤柱。16032工作面走向長511 m（至停采線），傾向長134 m，可采儲量20.52萬t，標高-578~-528 m，對應地面標高+103~+105 m；主采煤層為二1煤層，厚0.5~3.1 m，平均采厚2.3 m，平均傾角16°，采用走向長壁傾斜分層綜合機械化全部垮落法進行開采。煤層直接頂為人工假頂，厚3.0 m；基本頂為細粒砂巖，厚7.6 m；絕對瓦斯涌出量2.4 m3/min，為煤與瓦斯突出煤層。古漢山礦16采區(qū)與16032工作面位置示意圖如圖1。

圖1 古漢山礦16采區(qū)與16032工作面位置示意圖Fig.1 The location of mining area No.16 and longwall panel No.16032 of Guhanshan Coal Mine

1.2 地表下沉情況

16032工作面采動影響范圍與下沉情況如圖2。

圖2 16032工作面采動影響范圍與下沉情況Fig.2 The mining-affected area and ground surface subsidence of longwall panel No.16032

結合圖1與圖2（a）可知，古漢山礦專用鐵路線、趙固礦鐵路線、馬墳養(yǎng)殖場、官莊養(yǎng)殖場、馬墳村、官莊村都在16032工作面回采影響范圍內。圖2（a）中，下沉等值線為16031工作面回采后的預計值，藍色線框標注的130.8 m是工作面中線到所預計的最大下沉點的水平距離。實際上，地表移動盆地（即預計影響范圍邊界）是近似橢圓形狀的，圖中的回采影響范圍線是所預計的地表移動盆地的外切四邊形，相比于橢圓狀的地表移動盆地更加保守、簡潔；為便于對地表影響范圍的測量和評估工作，本研究采用此四邊形工作面影響范圍線。

因歷史原因，16031上分層工作面在回采期間未能進行覆巖離層注漿充填。根據古漢山礦專用鐵路線下沉實測結果（圖2（b）），16031上分層工作面回采結束后，地表最大下沉量超過600 mm。16032下分層工作面回采至2020年1月份時（距離停采線140 m），地表累計最大下沉量已超過1 200 mm，且在馬墳村北部耕地出現裂縫；2020年1—3月平均下沉速度2.45 mm/d，顯著高于1.67 mm/d的臨界值[21]，處于危險變形階段。為減輕地表建筑物損害，亟需對16032工作面采動覆巖沉降進行控制。

1.3 關鍵層位置及覆巖斷裂帶高度

由16032工作面中部鉆孔得到巖層柱狀圖（略），以此巖層柱狀及物理力學性質為基準進行關鍵層判別。經軟件判別后，覆巖中存在3層關鍵層，分別為：①距煤層頂板7.68 m的細粒砂巖層（即下位基本頂），厚7.6 m，為亞關鍵層1；②距煤層頂板125.99 m的細粒砂巖層，厚9.35 m，為亞關鍵層2；③距煤層頂板300.07 m的粉砂巖層，厚18 m，為主關鍵層。

受重復采動影響，采用等效采厚，即上下分層累計采厚估算斷裂帶高度。覆巖巖性根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》[22]，16032工作面覆巖斷裂帶高度可采用下式進行估算：

式中：Hf為斷裂帶高度，m；M為累計采厚，取5.1 m。

據式（1）所估算的斷裂帶高度為53.9~71.7 m。

2 緩斜煤層重復采動影響

2.1 充分采動狀況

地表移動盆地是在工作面推進過程中逐漸形成的，一般當回采工作面自開切眼推進的距離相當于采深的1/4~1/2時，開采影響波及地表，引起地表下沉[21]。16031上分層工作面平均采深約646.1 m，因此當推進至162~323 m時，地表開始下沉。經驗表明，當采空區(qū)的長度和寬度均達到和超過1.2~1.4倍的平均開采深度時，地表方可達到充分采動。根據16032工作面開采參數，顯然走向和傾向長度均不能滿足充分采動條件，因此16032工作面沿走向和傾向都為非充分采動，地表沉降實測同樣證實此結果。諸多離層注漿充填工程經驗表明，非充分采動條件下的覆巖離層注漿充填對地表減沉是有效的。

2.2 最大下沉角與離層水平位置關系

最大下沉角對確定覆巖離層的水平位置有重要參考意義。最大下沉角θ為傾斜主斷面上由采空區(qū)的中點和移動盆地最大下沉點的連線與水平線之間沿煤層下山方向一側的夾角。在緩斜或傾斜煤層條件下，θ隨煤層傾角的增大而減小。16032下分層工作面地表下沉盆地最大下沉點與工作面中心點沿傾斜方向的平距L為178.7 m，據此反推最大下沉角約為：

式中：H為工作面中心埋深，取648.9 m。

計算得16032下分層工作面最大下沉角θ=74.6°，緩斜煤層最大下沉角與離層水平位置關系如圖3。

圖3 緩斜煤層最大下沉角與離層水平位置關系Fig.3 Relationship between maximum subsidence angle of gently inclined coal seam and horizontal position of separation layer

根據最大下沉角，可推測各巖層下沉最明顯的中心區(qū)。理論上，這些中心區(qū)的連線應與最大下沉角相符，即圖3中的紅線。根據最大下沉角可確定離層水平位置。

2.3 重復采動影響

巖層和地表在經受過1次采動影響并產生移動破壞后再一次經歷采動影響。重復采動的覆巖及地表的移動破壞規(guī)律可較上分層首次采動發(fā)生顯著變化。

1）地表下沉量增大。首次采動后，破裂巖體經歷了碎脹至壓實的過程；在重復采動時，這部分碎脹難以再次碎脹。此外，首次采動裂隙可在重復采動時閉合，使地表下沉量增大。16032下分層重復開采后的地表下沉速率達2.45 mm/d，下沉劇烈。前期預計最終下沉量為1 200 mm，但截至2020年3月，工作面距離停采線還有80 m時已累計下沉超過1 500 mm，說明了重復采動可誘發(fā)地表下沉量增大，覆巖活動劇烈，將影響離層注漿目標層位與注漿時空順序。

2）地表非連續(xù)破壞概率增加。重復采動易誘導地表產生非連續(xù)破壞，甚至突然出現大斷裂現象，對地表建筑物損害較大。目前在距離16032工作面170 m的馬墳村北部耕地出現明顯裂縫。

3 覆巖離層注漿充填井下鉆孔方案

3.1 覆巖離層可注性分析

16032工作面中部上覆基巖厚度496.7 m，基巖厚度較大，且存在明顯的硬巖層和多層關鍵層，有利于較大離層空間的形成。亞關鍵層2和主關鍵層均處于彎曲下沉帶內，在這2層關鍵層之間的砂巖層和泥巖層交替出現，呈現軟硬巖互層，為離層萌生創(chuàng)造了良好的地層條件，因此這2層關鍵層各自下方的離層以及其間的軟硬巖交互出現區(qū)域可作為充填注漿目標區(qū)域。

根據古漢山以往埋深和采厚類似的采煤工作面的實測結果，充分采動下沉系數qa達0.87；16031上分層工作面開采完畢后，地表最大沉降量約685 mm，下沉系數qf約為0.255，說明遠遠未達到充分采動。保守估計地層中的累計垂向空隙hk為：

式中：Mup為16031上分層工作面采厚，取2.8 m。

經計算，hk=1.722 m。

受16032下分層工作面重復采動影響，充分采動下沉系數將增大，可采用下式計算[22]：

式中：qr為重復充分采動下沉系數；a為下沉活化系數，取0.2。

計算得qr=1.04。同理于式（3），在16032工作面回采期間地表下沉量達1 200 mm時的覆巖累計垂向空隙hk=（1.04-1.2/5.1/cos16°）×5.1=4.08 m，覆巖橫向離層裂隙發(fā)育仍較充分，應抓住此時機開展注漿工作。

16032工作面北側的西翼運輸大巷（圖1）內已布置有注漿管路，因此可充分利用此已有的注漿系統(tǒng)實施井下鉆孔覆巖離層充填注漿工程，可顯著降低離層充填注漿成本。

3.2 井下鉆孔方案

采用在西翼運輸大巷做鉆場方式向16032工作面覆巖打鉆進行離層充填注漿。借鑒其他礦井的覆巖離層注漿鉆孔終孔間距，結合16032工作面走向長度，在西翼運輸大巷內布置5個鉆場，每個鉆場各打設3個注漿鉆孔。工作面回采后，覆巖沉降和離層是1個由下至上逐步發(fā)展的過程，因此各鉆場的3個鉆孔設置不同終孔高度，由下至上分別指向亞關鍵層2下方離層區(qū)、亞關鍵層2與主關鍵層間的軟硬巖交互區(qū)、主關鍵層下方離層區(qū)，且終孔位置大致位于最大下沉線附近。4#鉆場井下分階段多靶區(qū)覆巖離層注漿鉆孔方案如圖4。圖4顯示了4#鉆場中3個鉆孔（4-1、4-2、4-3）的傾斜角度；這3個鉆孔位于同一垂直剖面上。4#和5#鉆場在西翼運輸大巷繞道內施工，以期對地表官莊養(yǎng)殖場進行針對性保護；3#鉆場的終孔位置大致位于16032工作面走向中部，有利于對下沉最大點附近的覆巖離層進行注漿。相鄰鉆場鉆孔終孔位置在走向上間距分別為100、100、100、80 m，5號鉆場鉆孔終孔在走向上距停采線50 m。

圖4 4#鉆場井下分階段多靶區(qū)覆巖離層注漿鉆孔方案Fig.4 Underground multi-target strata separation grouting drilling scheme by stages in 4#drilling site

4 工業(yè)性試驗

因4#鉆場緊隨16032工作面回采，覆巖離層將經歷完整的由下至上垮落和離層過程。從試驗角度，應優(yōu)先對4#鉆場進行鉆孔施工和注漿工作。2020年2月至3月共施工注漿鉆孔3個，由下至上編號分別為4-1、4-2和4-3，且應按照由下至上的順序，實施分階段、分靶區(qū)注漿。

所采用的注漿液是由粉煤灰、黃土、水基本按照3∶0.5∶1.2的質量比混合而成，漿液質量分數約65%~75%，密度約1 200~1 400 kg/m3。黃土對于改善注漿液固結效果及承載強度有重要作用。若粉煤灰供應量不足，可采用石粉或煤泥代替。石粉的主要成分為二氧化硅和碳酸鈣，其細度和漿液比例與粉煤灰應一致。經實驗室配比試驗表明，煤泥與水的比例為1∶1時，漿液黏度與上述粉煤灰漿液較為接近，同樣應添加適量黃土以提高固結效果。

4-1孔設計孔深300 m，方位角101°，鉆孔傾角2.3°；鉆進至212 m時鉆孔出水，涌水量5 m3/h，說明鉆孔有可能穿過離層含水區(qū)或含水層。3月11日，孔深達到250 m時進行首次粉煤灰注漿試驗，漿液密度為1 200 kg/m3，當注入34.22 t后壓力便達到10 MPa，后續(xù)難以注進，此現象說明孔深250 m處不是理想離層區(qū)。透孔后，于3月30日鉆進延伸至300 m孔深位置，此位置正好是圖4中穿過最大下沉線的亞關鍵2下方離層區(qū)，然后進行第2次注漿試驗，此時鉆孔終孔滯后工作面約100 m。4月6日共注入粉煤灰干料51.9 t，地面注漿泵表顯示注漿壓力為4~4.5 MPa。此后，粉煤灰漿液可連續(xù)不斷注入，注漿壓力大致維持在4~4.5 MPa，但注漿第7 d由于堵孔使得注入壓力急劇增至13 MPa，經透孔后恢復正常。第12 d后，隨著粉煤灰注入量增加至82.65 t/d，注入應力并無明顯增大，說明亞關鍵層2下的離層空間快速發(fā)育，注漿量稍顯不足，后期仍需增大注漿量，保證減沉效果。4-1孔注漿試驗曲線如圖5。

圖5 4-1孔注漿試驗曲線Fig.5 Grouting quality curves with time of borehole No.4-1

4-2孔鉆孔方位角120°，傾角10.9°，于4月14日開始注漿試驗，注漿第2日注入44.5 t粉煤灰干料，但注漿壓力增至10 MPa，第3日注漿壓力為13 MPa，注漿壓力過大。這說明亞關鍵層2上方的軟硬巖交互區(qū)的離層尚不發(fā)育，現階段應仍以4-1孔注漿為主，待4-1孔注漿壓力顯著增大且確定4-1孔所在離層靶區(qū)基本充填密實后可逐步對4-2孔和4-3孔進行注漿。

值得注意的是，塌孔、堵孔、離層閉合或離層充填密實都可使注漿壓力突然增大。實踐中，若發(fā)生注漿壓力突然增大現象，可將粉煤灰漿液置換為清水加壓脈沖式注入，嘗試透孔。若注入壓力逐步恢復正常，則說明是由于塌孔或堵孔造成注漿壓力增大。

截至2020年12月，所有鉆孔注漿工作已全部完成，地表累計最大下沉值為1.525 m，較注漿前下沉了0.3 m左右；且10月~12月內最大下沉值僅增加了2 mm，采動影響范圍內的馬墳村民房未出現任何開裂情況，說明地表下沉得到了有效控制。

5 討論

5.1 關鍵層判別準確性的影響

關鍵層判別的準確性對井下鉆孔覆巖離層注漿效果有直接影響。地面鉆孔離層注漿一般采用垂直孔，可實現1孔穿多個離層區(qū)，容錯性好。但對于井下直孔注漿方式，1個鉆孔只能服務于1個離層靶區(qū)，一旦終孔位置不合理，注漿效果將嚴重受影響。為提高井下注漿效果，可采用造斜鉆孔技術實現一孔穿多層離層。

實際上，受地層產狀穩(wěn)定性、巖體結構以及巖石物理力學性質測試準確性等的影響，關鍵層位置及離層靶區(qū)的準確識別是較為困難的。通過對比16032工作面范圍內多個地質鉆孔巖層柱狀，發(fā)現巖層厚度差異較大，直接影響關鍵層的穩(wěn)定性。此外，同一區(qū)域巖層所經歷的歷史地質構造運動頻次不盡相同，巖體結構及工程巖體質量參數不易準確獲得，某些節(jié)理間距大于巖樣尺度的節(jié)理巖層可能表現出“巖樣強度高但宏觀巖體強度低”的特點，巖體裂隙的分形維數不變性在小于某一尺度后不再適用，干擾硬巖層及關鍵層判別。鉆孔柱狀圖關于厚巖層層理及結構面特征的描述精度也直接影響關鍵層分析計算。因此，在實施井下鉆孔覆巖離層注漿時，不僅應參考覆巖關鍵層位判別結果，還應根據覆巖柱狀分階段多次探索最合理的離層注漿層位。

5.2 關鍵層破裂與地表下沉的關系

關鍵層理論認為，主關鍵層破斷前地表沉降量較小，破斷后地表開始急劇下沉，但覆巖沉降的時效規(guī)律及機理至今仍不清晰。關鍵層和離層分布特征是由底層序列及其物理力學參數決定的，與工作面采高無關，因此在上、下分層開采期間都進行離層注漿充填是最為理想的。但由于歷史原因未能及時在16031上分層開采過程中進行離層注漿充填，導致在16032下分層工作面開采時，地表最大下沉量已超1 200 mm（含16031上分層工作面采動沉降量），因此主關鍵層最大下沉量也大于1 200 mm，必然發(fā)生損傷或破裂。受開采尺寸影響，16032工作面在相當長時間內將處于非充分采動階段，覆巖將逐步沉降然后趨于穩(wěn)定，大量離層殘留于地層中。因此，非充分采動條件下，雖然地表已發(fā)生明顯沉降、關鍵層也已損傷破裂，但歸因于巖體破裂膨脹擴容效應和地層水平應力擠壓作用，損傷的關鍵層仍具有一定承載能力維持離層。此時對16032工作面覆巖離層進行充填，對于減緩后續(xù)開采相鄰1605工作面采動影響，積累井下注漿工程經驗仍有意義。許多工程實踐表明，覆巖離層充填對非充分采動條件下地表減沉仍然是有效的。非充分采動下待沉降量將以采空區(qū)碎脹和離層形式體現，但離層垂向分布特征和隨時間變化規(guī)律有待進一步深入研究。

5.3 離層水平位置確定方法

無論對于地面鉆孔還是井下鉆孔覆巖離層充填方法，科學確定離層的水平位置至關重要。4-1孔分階段多次注漿試驗結果表明，根據最大下沉角確定緩斜煤層覆巖離層水平位置是可行的。最大下沉角是覆巖沉降運動在地表最大下沉點的綜合體現，研究覆巖運動問題應盡可能利用、分析地表沉降數據，本研究提供了1種根據地表最大下沉點反推離層水平位置的方法與思路。此外，根據圖3可知，對于多關鍵層覆巖結構，緩斜煤層或傾斜煤層的覆巖離層水平位置不相同，在設計鉆孔位置時應充分考慮。

6 結 語

1）從綜合考慮覆巖結構和地表沉降的研究思路出發(fā)，提出了根據最大下沉角確定緩斜煤層重復采動覆巖離層水平位置的方法，通過分階段多次注漿試驗驗證了此方法的合理性。根據地表沉降數據可反算出最大下沉角，覆巖離層起始擴展以及離層量最大位置處于最大下沉線上。

2）提出了利用井下已有注漿管路系統(tǒng)、在井下布置鉆場和鉆孔對覆巖離層進行注漿的方法。每個鉆場布置3個仰斜鉆孔，由下至上分別指向亞關鍵層2下方離層區(qū)、亞關鍵層2與主關鍵層間的軟硬巖交互區(qū)、主關鍵層下方離層區(qū)，終孔位置位于最大下沉線上。根據工作面開采進程和覆巖垮落程度，按照由下至上的順序實施分階段、分靶區(qū)注漿。

3）分析了關鍵層判別準確性對井下鉆孔覆巖離層注漿效果的影響。對于井下直孔注漿方式，1個鉆孔只能服務于1個離層靶區(qū)，為提高井下注漿效果，將來可采用造斜鉆孔技術實現一孔穿多層離層。受地層產狀穩(wěn)定性、巖體結構以及巖石物理力學性質測試準確性等的影響，關鍵層位置及離層靶區(qū)的準確識別較為困難。在實施井下覆巖離層注漿時，不僅應參考覆巖關鍵層位判別結果，還應根據覆巖柱狀分階段多次探索最合理的離層注漿層位。