覆岩离层注浆工程有关技术问题探讨——以夏店煤矿为例

牟兆刚

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

覆岩离层注浆充填技术是近年发展成熟的煤矿绿色开采、采空塌陷治理及生态环境保护的有效技术方法，广泛应用于“三下”采煤[1-3]。其基本原理是通过地面钻孔向釆动覆岩离层空间高压注浆，在覆岩内部形成注浆充填压实区，构成“充填压实区-隔离煤柱-关键层”联合承载结构对上覆岩层进行支撑，限制采动覆岩结构的弯曲下沉量，从而控制地表沉陷，保护地面建筑物。

鉴于覆岩离层注浆充填技术具有不干扰井下生产、设备易于操作、充填成本低等优点，已在安徽、内蒙古、山东、山西等省区得到推广应用[4-5]，特别是得到潞安集团大力支持，中国煤炭地质总局承担了多个离层注浆项目。本文以夏店煤矿为例，分析离层注浆影响因素，研究可行性研究、设计、施工阶段有关技术问题，给出适当建议，为今后开展类似项目提供参考。

1 研究概况

1.1 研究背景

夏店煤矿位于山西省襄垣县夏店镇，产能180万t/a。目前主采3#煤，煤层平均厚度约6m、埋深400～500m，采用走向长壁后退式低位放顶煤全部垮落的综合机械化采煤方法。受建/构筑物压煤的影响，仅31采区压煤量350万t，造成矿井开采接续困难，产能得不到保证，于是，矿方决定在3117工作面开展覆岩离层注浆试验性工程，释放压覆煤炭资源，控制地表沉降。

1.2 离层注浆影响因素分析

一般来说，影响离层注浆充填效果的有采深、岩层条件、工作面采高、工作面采宽、隔离煤柱宽度、注采比、注浆层位等，而它们之间又相互联系，比如采深决定了注浆层位的下限，采高、采宽决定了隔离煤柱的宽度。

1)采深。由煤层赋存条件决定。采深过浅，注浆层位较浅，存在浆液与地表贯通的风险，地表会发生冒浆现象，影响注浆工程实施。采深较大时，可供选择的注浆层位较多，离层注浆易于实施。

2)岩层条件。上覆岩层产生离层的主要因素是岩层的岩性与互层条件。适合产生离层的互层条件为“上硬下软”，只要岩层强度、厚度有对比性就会产生离层，依据关键层理论进行关键层相关计算即可。

3)工作面采高。即煤层厚度，影响离层发育高度、范围和大小。薄煤层开采时，覆岩中不易形成可注浆充填的离层空间，不利于注浆实施。多煤层开采、中厚及厚煤层开采时，覆岩中易形成可注浆充填的离层空间，随着采高的加大，离层发育量也会增大，利于注浆实施。

4)工作面采宽。工作面宽度过窄，不利于离层发育，可注离层空间较小，离层注浆难以实施。随着工作面采宽加大，离层发育越好，可注空间越大，利于注浆实施。但是，工作面宽度过大会导致离层发育较快，可注离层空间快速增大，控制地表沉陷的难度随之加大。所以，工作面宽度过大或过小都不利于注浆充填，需要设计一个合理的可注浆充填的工作面宽度。

5)隔离煤柱宽度。隔离煤柱宽度越大，利于控制地表下沉，但也降低了采出率。隔离煤柱宽度和工作面的采宽有关，通常采宽越大，需要留设的煤柱宽度越大。既要保证煤柱不发生失稳破坏，又要提高煤炭采出率，需要设计一个合理的隔离煤柱宽度。

6)注采比。它是离层中充填体体积与煤层采出空间体积之比，是评价注浆减沉效果的重要指标。一般而言，注采比越大，注浆减沉效果越好，但是注采比又与注浆成本正相关。在工程应用中，既要确保地表建筑物的安全使用而提高注采比，又要考虑企业的投资成本适当降低注采比，需要设计一个合理的注采比。

7)注浆层位。指工作面上覆岩层的离层空间。离层主要出现在各关键层下，离层最大发育高度止于主关键层。为防止注浆层位与导水裂隙带导通造成井下溃浆的风险，注浆充填层位一般布置在导水裂隙带高度上方一定距离的关键层下方。

结合上述分析，煤层采深、岩层条件、工作面采高(煤层厚度)受地质因素控制外，工作面采宽、隔离煤柱宽度、注采比、注浆层位可综合考虑，科学取值，以获得较好注浆效果。

经分析研究，根据JJ-1钻孔柱状图(图1)，夏店3117工作面的注浆设计：采用关键层判别方法[6]判别关键层5层，采用关键层计算公式得到关键层及亚关键层破断距。设计工作面采宽187m,隔离煤柱宽度60m,注采比0.4；计算注浆层位应在距煤层167.4m以上，故注浆层位选在主关键层下的离层。

图1 覆岩关键层柱状图Figure 1 Overburden key strata column

1.3 注浆施工

注浆试验区北起3117工作面原停采线，南至西风井保护煤柱，西为实体煤，东临3117E采空区。走向长234m，倾向宽187m，煤厚平均5.93m，倾角12°，埋深约440m。

为避免地形、征地等问题，在西风井所属工业广场内采用丛式井先后施工了7个注浆钻孔(图2)。自2018年10月开始进行离层注浆，至2019年12月结束，项目累计注浆35.56万m3，注入粉煤灰26.11万t。

图2 注浆钻孔平面布置Figure 2 Grouting boreholes layout

1.4 注浆效果

2018年8月至2020年3月，共进行地面变形观测126次。19个月内观测点累计最大沉降值86mm，核心控制区瓦斯泵站最大沉降为10.90mm。注浆减沉区域未出现突然沉降、不均匀沉降现象，其中瓦斯泵站区域构筑物沉降均匀，沉降速率非常小，没有发现异常现象，满足《建筑变形测量规范》(JGJ 8—2016)规定的建筑物稳定状态的指标以及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017)中建筑物Ⅰ级保护标准等级的规定，即水平变形ε≤2mm/m，倾斜i≤3mm/m，曲率K≤0.2×10-3/m(表1)。

表1 注浆减沉区地表变形指标值对比

从项目实施的最终效果看，达到了设计目的，核心控制区瓦斯泵站运行正常。

2 主要技术问题探讨

2.1 可行性研究阶段

2.1.1 施工勘察孔的必要性

可行性研究主要解决能不能实施离层注浆的问题，主要考虑技术、经济方面可行性。关键层理论研究认为：确定覆岩关键层位置，掌握离层详细参数是离层注浆技术实际应用的基础。因此，技术上是否可行取决于注浆设计依据的科学性，在没有施工勘察孔的前提下，仅以煤勘孔单孔资料以点代面作为注浆设计依据有失严谨，因为煤勘孔几乎没有煤层上覆岩层力学性质的测试，设计参数弹性模量、抗拉强度、内聚力、内摩擦角等只能参考经验取值。

为离层注浆设计及数值模拟更准确，更能体现设计理念，应在拟注浆区域布置勘察孔，数量以控制整个区域为原则。目的是查明煤层上覆岩层的工程地质条件，测定岩层物理力学性质参数，确定覆岩类型以及进行离层注浆设计。

夏店3117工作面离层注浆为潞安集团第一个此类项目，因各种原因未能如期进行勘察孔施工。之后的潞安集团离层注浆项目在吸取夏店项目经验后均进行了勘察孔施工，完成测井、取样试验等工作。比如李村煤矿2302工作面离层注浆设计更加完善，项目实施后达到了减沉效果及建/构筑物保护目的。

2.1.2 按最不利地层条件设计的必要性

注浆设计的第一步是关键层判别，而关键层承受荷载计算涉及到岩层厚度，一般而言，硬岩层厚度越大成为关键层的可能性越大。因勘察孔、煤勘孔仅是点状地层资料，不能代表整个工作面的地层结构。

建议收集拟注浆区域煤勘孔和勘察孔资料，编制地层剖面图，寻找硬岩层较薄的点位，按其地层参数进行关键层判断、破断距计算、工作面采宽设计等工作。这样，就能保证整个注浆区域满足设计要求。若注浆区域较大，地层厚度不均一、变化很大，则可将注浆区域分成若干注浆小区，分别找出硬岩层较薄的点位进行设计。

图3是夏店3117工作面注浆钻孔揭露的主关键层厚度对比，可以看出设计时参考的JJ-1煤勘孔主关键层较薄，也就是说按最不利条件进行了注浆设计。注浆过程中未出现异常情况，达到了设计要求。

2.2 注浆设计阶段

2.2.1 注浆层位确定

注浆充填层位一般布置在导水裂隙带高度上方一定距离的关键层下方。通过计算，夏店3117工作面注浆层位选在主关键层下方离层。以某工作面离层注浆为例，工作面走向长1 480m，倾向宽288m，煤厚5.5m，采深619.95m，计算关键层信息如表2所示。

首先，考虑注浆层位的上限与下限。上限即主关键层下方离层；下限即导水裂隙带高度加上5倍煤层采高的围护带厚度，计算得注浆层位应在距煤层154m以上。若只考虑单层注浆，注浆层位可选择亚关键层4下方离层，因工作面采宽288m，该关键层下部岩层均达到了充分釆动，在其初次破断前离层量达最大值。鉴于多层位离层注浆理论与实践已取得了不少成果[7-8]，若考虑多层注浆，从表3可看出，满足条件的层位由低到高为亚关键层2至主关键层的下方离层。按照覆岩离层演化规律及采场覆岩空间守恒理论，随着离层向上发展，高位离层空间会越来越小。实际上，低位离层注浆效果较好的前提下，高位离层注浆仅作为低位离层注浆的补充。

其次，考虑注浆钻孔成孔难度，注浆设备能力，投入成本等问题。一般而言，孔深越深，成孔难度、投入成本越高；注浆层位越低，孔底压力越大，注浆设备能力、投入成本相应越高，注浆难度成倍增加。

注浆充填钻孔孔口压力Pk计算见公式(1)。

Pk=Pz-H1γ1≥Pd-H1γ1

=H1(γ-γ1)

(1)

式中：Pz—注浆充填压力，MPa；

Pd—注浆充填层以上地层自然压力，MPa；

图3 注浆钻孔关键层厚度对比Figure 3 Comparison between grouting borehole key strata thicknesses

表2 某工作面关键层极限跨距对应工作面采宽计算

H1—地表到注浆充填层位的孔深，m；

γ—注浆充填层以上地层的综合容重，kN/m3；

γ1—充填浆液的容重，kN/m3。

根据式(1)计算正常注浆期间孔口压力，加上注浆管道压力损失，再适当考虑安全系数，就可以选取具备相应能力的注浆设备。

结合上述两点，单层注浆层位选在亚关键层4下方离层；多层注浆层位选在亚关键层4、亚关键层5下方离层。

因此，建议单层注浆时，注浆层位选在与设计工作面采宽对应的关键层下方；多层注浆时，综合考虑注浆层位下限、注浆设备能力后进行注浆层位选择。

2.2.2 注浆时机确定

在注浆层位确定后，要把握好注浆时机，必须考虑该层位离层的持续时间。只有在离层持续时间内充分注浆才能取得较好减沉效果。单一离层持续时间T可由公式[9](2)计算得到。

T=(Lmax+S)/V

(2)

式中：Lmax—关键层极限跨距，m；

S—关键层周期垮落步距，m；

V—工作面推进速度，m/d。

初次注浆充填时机应在选定的关键层下方开始产生离层时进行注浆。提前施工好注浆孔，注入高压水，随时观察水压变化情况，根据钻孔水体漏失量判断初次注浆时机，当钻孔水体漏失量突然增大，即进行初次注浆。随后在离层持续时间内连续注浆。若未把握住初次注浆时机，必须在离层持续时间内达到注浆条件并实施注浆，否则离层闭合，注浆失败。

比如夏店煤矿3117工作面推进速度为1.6m/d，关键层周期垮落步距按破断距1/2.45计算为23.8m，主关键层极限跨距为95.6m(3117工作面为一侧釆动条件，按悬臂梁计算极限跨距)，代入式(2)可得注浆层位离层持续时间为75d。

工作面推进速度越快，离层形成越快，所需单位时间注浆量越大。因此，适当控制工作面推进速度，利于把握注浆时机，正确选择注浆设备及设计系统注浆能力。

2.2.3 裸孔段长度确定

夏店项目注浆孔均为三开结构，三开裸孔长度为主关键层底部以下垂深4m。注浆施工过程中，常出现孔底堵塞不能注浆的情况，一般采取通井并增加裸孔段长度的补救措施，经处理后再注浆的效果较好。

因此，建议设计注浆钻孔时，裸孔段长度适当加长，不超过目标关键层下“软岩”层厚即可。裸孔段长度增加，既增大注浆前注水试验的预压裂作用，又增加注浆时浆液扩散面积，避免粉煤灰沉淀堆积于孔底周边堵塞通道。当然，若是定向钻孔，裸孔段采取水平钻进，注浆效果将会更好。

2.3 注浆施工阶段

2.3.1 注浆压力及其变化规律

所谓有注浆压力就是孔口压力Pk>0。形成注浆压力的条件：在单位时间内，离层充填注浆量大于新生成的离层空间体积与离层空间渗流出的水量之和。

有关文献将注浆压力划分为压力速降、负压、压力递增3个阶段[10]。根据3117工作面注4孔注浆孔口压力、日注灰量曲线图得出注浆压力的变化规律，可划分为预压裂、压力速降、压力较小、压力增大、压力持续5个阶段(图4)。

由图4知，压力较小阶段是实现大流量、高密度连续注浆的最佳时段。

根据公式(1)理论计算3117工作面注浆孔孔口压力为2.85～3.22MPa，从实际注浆持续时间较长的注4、注5、注5-1孔的孔口压力曲线分析，注浆密度维持在1.30g/cm3左右时，在注浆压力增大至压力持续阶段， 注浆压力一般维持在3.5～4.0MPa，

图4 注浆压力变化规律Figure 4 Grouting pressure variation pattern

是理论计算注浆压力的1.2倍。

因此，建议选择注浆设备时，按照理论计算的注浆压力乘以1.2的安全系数，以此压力值确定设备的有效注浆能力。

2.3.2 注采关系

注浆施工严密结合工作面推进情况和观测结果进行，推行匹配注浆施工理念。根据覆岩离层分布规律，3117工作面自初采面至离层发育初始位置，初采速度按推进计划控制在1.6m/d；在离层持续发育时段，回采推进速度控制在1.6m/d以下，以免推进速度过快，离层发育迅速而得不到充分充填。

3117工作面注浆工程实践得出工作面推进速度0.8～1.6m/d时，注灰量为650～1 200t/d。即回采面推进1m的注灰量达到800t为宜。

因工作面推进速度易于控制，而注浆工作影响因素众多，建议根据注浆情况随时调整工作面推进速度，使注浆与采煤工作协调一致，确保工程质量。

3 结论

1)研究了影响离层注浆充填效果的因素，提出了夏店煤矿3117工作面注浆设计参数。

2)分析了可行性研究阶段施工勘察孔及按最不利地层条件进行注浆设计的必要性并建议在类似项目实施。

3)提出了注浆设计阶段确定注浆层位、注浆时机、钻孔裸孔段长度的方法。建议单层注浆时，注浆层位选在与设计工作面采宽对应的关键层下方；多层注浆时，综合考虑注浆层位下限、注浆设备能力后进行注浆层位选择。

4)分析了注浆施工阶段注浆压力的变化规律：预压裂、压力速降、压力较小、压力增大、压力持续；探讨了注采关系及控制工作面推进速度的原则。建议选择注浆设备时，注浆压力考虑1.2的安全系数。