極復(fù)雜地質(zhì)條件下覆巖離層注漿可注性評(píng)價(jià)技術(shù)

田瑞云

（山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500）

新義礦業(yè)面臨的建（構(gòu)） 筑物壓煤?jiǎn)栴}十分嚴(yán)峻，礦井一水平上山地表存在多個(gè)村莊，通過無人機(jī)航測(cè)和實(shí)地調(diào)查等手段，共統(tǒng)計(jì)村莊9 個(gè)、居民2 093 戶；另外一水平下山部分也有零星村莊分布，居民約160 戶；一水平村莊合計(jì)2 253 戶，壓煤合計(jì)約2 245 萬(wàn)t。一水平西翼大巷下山部分310 國(guó)道改線壓煤2 496 萬(wàn)t。該問題已成為制約礦井發(fā)展的關(guān)鍵因素。為確保正常生產(chǎn)布置和采掘接替，實(shí)現(xiàn)礦井中長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，自2019 年開始研究覆巖離層注漿充填減沉開采技術(shù)，受其適用條件限制，在孤島煤柱工作面復(fù)雜地質(zhì)條件下實(shí)施該技術(shù)較為困難?；诖耍诠聧u工作面回采時(shí)如何保證相鄰兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性成為能否實(shí)施覆巖離層注漿充填減沉的關(guān)鍵。

1 概 況

新義礦業(yè)12030 工作面位于西翼12 采區(qū)，北部為新義礦業(yè)井田邊界保護(hù)煤柱，南部為西翼回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱；12030 工作面為孤島工作面，西部為12040 工作面采空區(qū)（該工作面于2014 年6 月回采結(jié)束），東部為12020 工作面采空區(qū)（該工作面于2015 年12 月回采結(jié)束）。12030 工作面傾向長(zhǎng)為810.0～870.3 m（停采線起），走向長(zhǎng)158 m，回采面積132 959.1 m2，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量140 萬(wàn)t。根據(jù)前期開采方案，該工作面作為孤島煤柱被保留，隨著西翼12 采區(qū)工作面的回采，若繼續(xù)沿用前期開采方案，礦井嚴(yán)重脫節(jié)，面臨無煤可采的局面。在此背景下，提出孤島工作面復(fù)雜地質(zhì)條件下覆巖離層可注性評(píng)價(jià)方法，通過對(duì)該方法的研究，確定孤島工作面相鄰采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，為孤島工作面實(shí)施覆巖離層注漿充填減沉開采提供技術(shù)保障。

2 覆巖離層注漿充填減沉開采技術(shù)原理及覆巖離層發(fā)育特征

根據(jù)覆巖破壞形式，一般將破壞區(qū)劃分為三帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在彎曲下沉帶內(nèi)部軟硬巖層之間、上位巖層抗彎剛度大于下位巖層位置，常常會(huì)出現(xiàn)離層。

通過地面鉆孔對(duì)采動(dòng)覆巖離層區(qū)進(jìn)行高壓注漿充填，離層區(qū)內(nèi)因注漿充填產(chǎn)生的液壓作用，向上托舉離層的上部巖層，向下進(jìn)一步壓彎下部巖層、壓實(shí)冒落帶，使其在工作面中部形成一定寬度的壓實(shí)支撐區(qū)，形成“離層區(qū)充填體（壓實(shí)區(qū)） +關(guān)鍵層”的承載體，達(dá)到控制與減緩地表沉降目的[1-4]。

根據(jù)覆巖離層注漿充填減沉開采的技術(shù)原理，離層發(fā)育主要有以下特征：①存在具有一定承載結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵層，及存在巖層剛度互不相同的巖性組合，且剛度較大的巖層具有一定的承載能力；②隨著采煤工作面的推進(jìn)，離層隨著工作面推進(jìn)方向水平發(fā)育，水平連通性較好；③采空區(qū)離層隨著注漿量的提升，在注漿壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生劈裂作用，高壓注漿的劈裂作用在注漿壓力的反映上主要表現(xiàn)為注漿壓力呈“高—低—高”的循環(huán)變化趨勢(shì)。

3 工程設(shè)計(jì)方案

12030 工作面為孤島工作面，該工作面西側(cè)為12 040～12 050 工作面采空區(qū)，東側(cè)為12 010～12 020 工作面采空區(qū)，兩側(cè)采空區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，為減少工程投入，節(jié)省時(shí)間，現(xiàn)對(duì)西12040～12050工作面采空區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)。在該區(qū)域施工2 個(gè)檢查鉆孔，鉆孔位置見表1。

表1 檢測(cè)孔位置Table 1 Position of detection hole

3.1 鉆孔施工過程鉆井液漏失情況分析

檢注1 號(hào)孔施工。鉆孔表土段采用φ325 mm鉆頭開孔，表土層42 m 跟管鉆進(jìn)，下φ273 mm×6 mm 表土護(hù)壁管，二開采用φ230 mm 沖擊鉆頭鉆進(jìn)至200 m，后采用φ190 mm 鉆頭鉆進(jìn)至503 m，鉆孔過程中孔內(nèi)無水。采用下止?jié){塞的方式下φ139.7 mm×9.17 mm 套管380 m，固管后透孔。透孔時(shí)393.2 m 開始漏水，漏失量3 m3/h，至397.5 m 正常返水；434.7 m 全漏，漏失量大于12 m3/h。

檢2 號(hào)孔施工。采用汽車鉆水源鉆進(jìn)，一開采用φ216 mm 鉆頭開孔至200 m，下φ177.8 mm×8.05 mm 套管；二開采用φ152 mm 鉆頭開孔至382.2 m。在365.09 m 開始漏失，漏失量0.8 m3/h，至382.1 m 處全漏，提鉆。下φ139.7 mm 套管380 m；三開118 鉆頭鉆進(jìn)，累計(jì)孔深413.92 m。在382.35 m 處，泥漿漏失量7 m3/h，在384.5 m 處，泥漿漏失量14 m3/h。往下清水鉆進(jìn)，384 ～388 m漏失量6 m3/h，388 ～413.92 m，漏失量8 m3/h。

3.2 鉆孔電視成像

為準(zhǔn)確掌握離層發(fā)育位置，對(duì)檢注1 號(hào)孔進(jìn)行孔內(nèi)電視成像，通過電視測(cè)井錄像觀察得知水位為412.5 m，在395、389、384 ～385、380、378、375～376、369、359、348、341～342、328～329、325、321、296、262 m 處存在明顯裂隙或破碎帶，其中在359、365、384～385、378、375～376 m 處的地層水平裂隙發(fā)育比較明顯。裂隙位置主要集中在孔深320 m 以下位置，顯著裂隙主要集中在360～400 m，孔1 裂隙位置如圖1 所示。

圖1 12030 工作面檢注1 孔鉆孔電視成像結(jié)果Fig.1 TV imaging results of No.1 Borehole in No.12030 Face

3.3 電法測(cè)井

為準(zhǔn)確掌握鉆孔巖性，對(duì)檢注1 號(hào)鉆孔進(jìn)行測(cè)井，通過對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析，在380 m 深度以下，存在砂巖、泥巖巖性組合，且砂巖厚度在9.1～25.6 m，平均厚度為15.8 m，具備產(chǎn)生離層的巖層組合特征。

3.4 注漿量與注漿壓力

3.4.1 檢1 號(hào)孔注漿

注漿實(shí)施初始階段，隨著粉煤灰漿液不斷注入到裂隙或離層，孔口壓力也在不斷上升。將粉煤灰漿液濃度提高到40%時(shí)，孔口壓力逐漸升高，達(dá)4 MPa 以上后，調(diào)整為1 臺(tái)泵4 檔壓水，孔口壓力一直維持在3.6 MPa。在透孔至460 m 左右，并試壓水注漿，但可能由于可注空間較小，壓力逐漸增大導(dǎo)致暫停注漿。

隨后繼續(xù)透孔至孔底503 m，2 臺(tái)390 泵濃度30%～40%開始試注漿，孔口壓力逐漸上升，最后維持在3 ～4 MPa 注漿?？卓趬毫Φ汀摺汀癕型”循環(huán)變化規(guī)律，說明通過高壓注漿對(duì)巖層的劈裂貫通作用，漿液充實(shí)離層并使離層腔體不斷擴(kuò)大，下部巖層得到壓實(shí)。

在隨后檢注1 孔注漿壓力不斷下降，暫停注漿。經(jīng)過分析認(rèn)為：檢注1 號(hào)孔與檢2 號(hào)孔之間距離為120 m 左右，檢注1 號(hào)孔的注漿擴(kuò)散半徑覆蓋到了這一地區(qū)，并且檢注2 號(hào)孔孔內(nèi)返粉煤灰漿液，說明檢注1 號(hào)孔與檢注2 號(hào)孔兩鉆孔串漿連通，同時(shí)檢注1 號(hào)孔注漿壓力下降與檢注2 號(hào)孔壓力等值。也側(cè)面說明地層有水平裂隙發(fā)育，存在離層空間?？卓趬毫ν瑯拥汀摺汀癕型”循環(huán)變化規(guī)律，壓力維持在3.6 ～4.5 MPa。注漿過程中，可保持相對(duì)較高壓力（3 ～4 MPa） 進(jìn)行注漿，壓力控制到5 MPa 以下，注漿濃度45%～60%，通過高壓注漿對(duì)巖層的劈裂貫通作用，增加可注空間。

檢1 號(hào)孔注漿壓力變化如圖2 所示。

圖2 檢1 號(hào)孔注漿壓力變化Fig.2 Variation of grouting pressureof No.1 Borehole

3.4.2 檢2 號(hào)孔注漿

該孔開始采用2 臺(tái)390 泵注漿，濃度30% ～40%，隨著粉煤灰漿液不斷注入，孔口壓力上升。在注漿10 d 后孔口壓力突然上升到8 MPa 以上，安全閥爆開，處理好后壓水已壓不動(dòng)，暫停注漿。

后進(jìn)行透孔，透孔完畢，采用3 臺(tái)390 泵進(jìn)行第二次注漿，孔口壓力0.5 MPa。在孔內(nèi)下φ73.02 mm×5.51 mm 注漿鉆桿460 m，同樣3 臺(tái)390 泵4/4/4 檔注漿，此時(shí)孔口壓力變化范圍在2.8 ～4.2 MPa。孔口力呈低—高—低“M型”循環(huán)變化規(guī)律，此時(shí)注漿效果較好，通過高壓注漿不斷破碎巖石，增加可注空間，漿液擴(kuò)散范圍變大，充實(shí)離層并使離層腔體不斷擴(kuò)大，進(jìn)而壓實(shí)下部巖層，提高其承載力。后采用2 臺(tái)泵注漿，孔口壓力3.8 ～4.5 MPa。

檢2 號(hào)孔注漿壓力變化如圖3 所示。

圖3 檢2 號(hào)孔注漿壓力變化Fig.3 Variation of grouting pressureof No.2 Borehole

4 地層可注性分析

4.1 地質(zhì)開采條件

從地質(zhì)開采條件分析，12030 工作面采深大（608 ～616 m）、基巖厚度大于工作面面寬（158 m），滿足注漿充填的基本條件。進(jìn)而對(duì)工作面施工的鉆孔進(jìn)行了關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)判別，得出二1 煤層上方有典型的關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層為460 ～480 m，巖性為砂巖，充填層位上方的關(guān)鍵層得到有效支撐，這對(duì)于注漿充填而言是十分有利的。但與一般工作面不同，12030 工作面相鄰的工作面均已回采，部分關(guān)鍵層出現(xiàn)了破壞，對(duì)于12030 工作面注漿充填控制而言，存在一定難度，應(yīng)科學(xué)選擇充填層位。

4.2 注漿量

此次注漿采用灌裝粉煤灰，根據(jù)充填率30%預(yù)計(jì)試驗(yàn)段注灰量47 688 t，與實(shí)際注漿量產(chǎn)生偏差。前期注漿需要較高壓力對(duì)巖層劈裂貫通，漿液擴(kuò)散使離層空間不斷擴(kuò)大，從而壓實(shí)下部巖層。但壓力高之后不易控制，一旦注漿量過大容易堵孔，所以控制注漿壓力直接影響到鉆孔注漿量多少。

從檢注1 孔和檢注2 孔注漿量來看，試驗(yàn)區(qū)域地層有可注空間，可注性良好。其中檢注1 孔，從5 月25 日開始試注漿，截至2022 年7 月25 日，累計(jì)注灰量3 961 t；檢注2 孔從5 月28 日開始試注漿，截至2022 年7 月25 日，累計(jì)注灰量7 653 t，兩鉆孔累計(jì)總注灰量11 614 t。截至目前檢注1孔和檢注2 孔正常注漿，注灰量在180 ～300 t/d。

4.3 注漿過程壓力變化

在弱透水性地層中，漿液在高壓力作用下先后克服地層的切應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，即當(dāng)注漿壓力超過劈裂壓力時(shí)，巖層產(chǎn)生水力劈裂，在地層強(qiáng)度薄弱的平面上出現(xiàn)裂縫，地層吸漿量增加，漿液滲透范圍變大。

檢注1 孔和檢注2 孔注漿壓力呈低—高—低“M型”循環(huán)變化規(guī)律，說明通過高壓注漿對(duì)巖層的劈裂貫通作用，漿液充實(shí)離層并使離層腔體不斷擴(kuò)大，下部巖層得到壓實(shí)，離層可注性良好；并通過最終注漿量得以驗(yàn)證，檢注1 號(hào)孔最終注漿量1.8 萬(wàn)余噸，檢注2 號(hào)孔最終注漿量1.6 萬(wàn)余噸，均達(dá)到預(yù)期注漿效果。

5 注漿效果檢驗(yàn)

在12040 工作面設(shè)計(jì)施工檢注3 孔來檢驗(yàn)水平裂隙及離層發(fā)育情況，最終檢注3 號(hào)孔注漿量1.98萬(wàn)t，通過檢注3 號(hào)孔注漿與檢注1 孔和檢注2 孔注漿形成注漿充填平面。后在檢注1 號(hào)、2 號(hào)、3號(hào)注漿鉆孔中央位置布置施工檢查鉆孔，檢查鉆孔無法大量注漿，且在鉆探過程中取出粉煤灰充填物，說明在高壓力注漿充填作用下，受前期采動(dòng)影響形成的離層和冒落帶已經(jīng)被完全充填壓實(shí)，形成沿已采工作面的條狀支撐帶，保證后期孤島工作面回采時(shí)圍巖的穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過該工程驗(yàn)證采空區(qū)上覆巖層中，存在大量的離層空間，能夠通過注漿充填的方法對(duì)采空區(qū)覆巖進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，保證在孤島工作面回采時(shí)兩側(cè)相鄰采空區(qū)的圍巖處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，為孤島工作面實(shí)施覆巖離層注漿充填不遷村開采奠定基礎(chǔ)。