任有奎

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局一一九勘探隊(duì)， 河北 邯鄲 056107)

1 前言

煤矸石離層注漿充填技術(shù)是通過(guò)將煤矸石破碎球磨制漿，利用地面注漿管路和鉆孔向地下采空造成的離層空間進(jìn)行注漿。該技術(shù)為煤矸石等大宗固體廢棄物治理提供了一個(gè)綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的治理方案，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。但在實(shí)施過(guò)程中，由于鉆孔破壞和離層空間閉合等原因，在注漿過(guò)程中容易發(fā)生漿液跑漿和冒漿事故，造成地表二次污染。

本文以龍泉煤礦矸石注漿充填科研工程4203工作面離層注漿方案為依托，采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，分析工作面采動(dòng)過(guò)程中離層的演化規(guī)律和不同位置鉆孔的水平位移變化情況，合理確定鉆孔成孔與注漿時(shí)機(jī)，為離層注漿方案的實(shí)施提供了保障。

4203工作面所采煤層為4號(hào)煤，煤層厚度變化范圍為6.2～7.4 m，平均厚度為6.8 m，煤層平均傾角7°。工作面走向長(zhǎng)度2 568 m，傾向長(zhǎng)度為255 m，工作面開(kāi)采方法為放頂煤一次采全高，機(jī)采采高3.5 m，放頂煤厚度為3.3 m，采放比為1∶0.94。日進(jìn)6循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度為0.865 m。

2 開(kāi)采離層發(fā)育分析

當(dāng)采深較深，覆巖中存在多層或多組堅(jiān)硬巖層時(shí)，根據(jù)關(guān)鍵層理論分析，主關(guān)鍵層下部將產(chǎn)生較為顯著的離層變形，并且主關(guān)鍵層的破斷將引起地表較大幅度的沉降移動(dòng)[1]。因此，沿主關(guān)鍵層下部，將是控制離層的主要目標(biāo)層位[2]。

相比于其他巖層，關(guān)鍵層的抗彎曲變形能力大，其變形與下部巖層不協(xié)調(diào)[3]，依據(jù)龍泉煤礦4203工作面地質(zhì)條件及巖層柱狀圖通過(guò)確定覆巖中的堅(jiān)硬巖層位置，計(jì)算各硬巖層的破斷距，得到4203工作面關(guān)鍵層分布如圖1所示。

圖1 4203工作面覆巖關(guān)鍵層判別結(jié)果

3 模擬研究方案

本研究主要通過(guò)建立FLAC3D數(shù)值模型確定地面注漿鉆孔的最佳鉆孔時(shí)機(jī)和鉆孔位置，并分析工作面推進(jìn)對(duì)鉆孔的影響。為保證在離層擴(kuò)展期間及時(shí)充分地完成注漿作業(yè)，鉆孔的終孔時(shí)間應(yīng)略提前于主要離層空間的擴(kuò)展期，以免因注漿過(guò)晚而來(lái)不及注滿全部離層空間或因成孔過(guò)早，孔壁坍塌而影響注漿。所以，可按工作面推進(jìn)速度和終孔時(shí)間確定合適的開(kāi)鉆時(shí)間?；诖四康模敬螖?shù)值模擬設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)模擬方案。

(1)研究工作面不同推進(jìn)距離(50 m、100 m、150 m、200 m)主關(guān)鍵層正下方離層發(fā)育情況。

(2)研究不同鉆孔位置下(距離開(kāi)切眼50 m、100 m、150 m)，工作面推進(jìn)過(guò)程中鉆孔水平變形情況。

4 FLAC3D數(shù)值模擬

4.1 模型建立

本研究依據(jù)龍泉煤礦4203工作面地質(zhì)條件及巖層柱狀圖為基礎(chǔ)，運(yùn)用FLAC3D有限元軟件，建立長(zhǎng)寬高為700 m×10 m×611 m數(shù)值計(jì)算模型(如圖2所示)。模型四周固定水平位移，底面固定水平位移及垂直位移，整體施加重力加速度9.8 m/s2。模型共建立26層。數(shù)值模型巖層力學(xué)參數(shù)以實(shí)驗(yàn)室測(cè)定為依據(jù)，煤巖層數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 數(shù)值模型計(jì)算圖

表1 數(shù)值模型巖層力學(xué)參數(shù)

4.2 開(kāi)采離層發(fā)育分析

工作面分別推進(jìn)50 m、100 m、150 m和200 m時(shí)，覆巖的豎直位移云圖如圖3所示，根據(jù)模型豎直位移云圖判斷上覆巖層間的分層面附近在水平方向和豎直方向上豎直位移是否連續(xù)、是否存在較大的位移梯度來(lái)確定覆巖是否發(fā)生離層以及離層的發(fā)育過(guò)程，同時(shí)根據(jù)豎直應(yīng)力云圖中覆巖分層處是否存在應(yīng)力不連續(xù)(即層間是否能夠相互傳遞應(yīng)力)來(lái)輔助判斷離層的發(fā)育情況。

圖3 開(kāi)采過(guò)程離層發(fā)育云圖

如圖3所示，當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，亞關(guān)鍵層1下方離層開(kāi)育，離層發(fā)育位于采空區(qū)中間位置，主關(guān)鍵層下無(wú)離層發(fā)育；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到150 m時(shí)，亞關(guān)鍵層1、2開(kāi)始破斷，亞關(guān)鍵層1下方離層由中間位置轉(zhuǎn)向兩端，主關(guān)鍵層下方離層開(kāi)始發(fā)育；工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，離層逐漸閉合。由于鉆孔的終孔時(shí)間應(yīng)略提前于主要離層空間的擴(kuò)展期，因此，合理的鉆孔終孔時(shí)間為工作面推進(jìn)150 m時(shí)，初步確定鉆孔位置在開(kāi)切眼前方50～150 m，終孔位置應(yīng)位于主關(guān)鍵層下方的粉砂巖中。

4.3 采動(dòng)對(duì)注漿鉆孔穩(wěn)定性的影響

注漿鉆孔穩(wěn)定性的主要指標(biāo)是巖層的水平位移對(duì)鉆孔垂直度和孔徑大小的影響，即垂直度是針對(duì)管材能否順利下放而言的，孔徑大小是針對(duì)不影響料漿輸送而言的，同時(shí)要保證巖層移動(dòng)不壓垮、剪斷和拉斷管材。因此，需要研究開(kāi)采過(guò)程中巖層移動(dòng)對(duì)鉆孔造成的水平變形影響。本模擬分別在開(kāi)切眼前方50 m、100 m、150 m處設(shè)置鉆孔，研究不同推進(jìn)距離鉆孔水平變形情況，不同位置鉆孔開(kāi)采過(guò)程中水平位移云圖如圖4至圖6所示，并繪制工作面推進(jìn)400 m時(shí)不同布置鉆孔水平位移曲線圖如圖7所示。

如圖4至圖7所示，隨著工作面的推進(jìn)，鉆孔水平變形量逐漸增大，且隨著埋深的增大，水平變形量逐漸減小。當(dāng)工作面推進(jìn)400 m時(shí)，鉆孔布置在工作面開(kāi)切眼前方50 m、100 m、150 m處的最大水平位移分別為78.1 mm、59.7 mm、52.4 mm，隨著鉆孔距離開(kāi)切眼位置增加水平變形逐漸變小，在150 m處變形最小。根據(jù)理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)[4-6]，注漿孔的擴(kuò)散半徑一般在300 m左右，但考慮到實(shí)際充填效果，并經(jīng)查閱資料得知：一般注漿半徑多為沿煤層走向160～250 m、沿煤層傾向130～200 m[7]，鉆孔設(shè)置在距離開(kāi)切眼150 m處可以滿足離層注漿需求。

圖5 鉆孔位于開(kāi)切眼前方100 m水平方向位移云圖

圖6 鉆孔位于開(kāi)切眼前方150 m水平方向位移云圖

圖7 工作面推進(jìn)400 m時(shí)不同布置鉆孔水平位移曲線圖

5 結(jié)論

綜合考慮覆巖離層發(fā)育位置及鉆孔水平變形情況及注漿擴(kuò)散半徑，確定終孔成孔時(shí)間為工作面推進(jìn)150 m時(shí)，開(kāi)切眼前方150 m處為最優(yōu)打鉆位置，考慮到工作面日進(jìn)尺5.19 m，推進(jìn)150 m大約需要29 d，而打鉆時(shí)間為1個(gè)月。因此，工作面推進(jìn)的同時(shí)，在開(kāi)切眼前方150 m、工作面傾向中間位置開(kāi)始打鉆較為合理，此時(shí)成孔和注漿為最優(yōu)時(shí)機(jī)。