采動(dòng)覆巖離層注漿減沉成套鉆孔施工技術(shù)研究

吳志臣，龐 凱，魏華銘

(1.唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

近年來(lái)，隨著煤炭資源的大量開(kāi)采，形成大量的采空區(qū)，必然引起煤層覆巖的運(yùn)動(dòng)和巖層的運(yùn)移，地層的變化進(jìn)一步發(fā)展成為突水潰沙、地表沉陷等負(fù)面問(wèn)題[1-3]，其中地表沉陷問(wèn)題尤為明顯，不僅造成良田、耕地破壞和建筑物損毀[4]，更易造成水土流失和土地沙漠化等環(huán)境問(wèn)題。目前針對(duì)地表沉陷問(wèn)題，離層注漿減沉技術(shù)由于不影響井下正常開(kāi)采而成為了較為關(guān)注的技術(shù)[5，6]。

目前針對(duì)離層注漿技術(shù)主要從理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)反演及工程應(yīng)用等方面進(jìn)行[7-9]。在理論方面，許家林等[10，11]通過(guò)試驗(yàn)與理論分析，研究了煤層開(kāi)采過(guò)程中覆巖的離層位置、離層量、離層動(dòng)態(tài)發(fā)育特征及其影響因素。在工程應(yīng)用方面，王凱[12]分析了我國(guó)的覆巖離層注漿技術(shù)，探討了覆巖離層注漿減沉技術(shù)的機(jī)理，分析了該技術(shù)的減沉效果。馬荷雯[13]針對(duì)覆巖中無(wú)明顯厚硬巖層、無(wú)較大離層空間及離層注漿充填率低等問(wèn)題，提出了采動(dòng)覆巖離層多層位注漿技術(shù)；鄭立軍[14]綜合考慮了覆巖結(jié)構(gòu)和地表沉降規(guī)律，提出了重復(fù)采動(dòng)覆巖離層井下鉆孔注漿充填減沉技術(shù)；王志強(qiáng)[15]等分析了減沉效率低的影響因素，并提出采用覆巖離層連續(xù)一體化注漿技術(shù)布置傾向注漿鉆孔；陳紹杰等[16]分析了我國(guó)現(xiàn)有的減沉技術(shù)，分析了其中存在的問(wèn)題，并提出了綜合減沉技術(shù)是我國(guó)未來(lái)的發(fā)展方向。通過(guò)上述相關(guān)研究可知，當(dāng)前對(duì)于覆巖離層注漿技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作，形成了完整的技術(shù)方法，但是對(duì)于具體的離層注漿技術(shù)中的注漿鉆孔的施工工藝并沒(méi)有較多的研究。而注漿鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝是整個(gè)注漿減沉的重要內(nèi)容，根據(jù)礦井的開(kāi)采范圍大小、開(kāi)采厚度、地層條件，合理確定注漿鉆孔的位置、個(gè)數(shù)、深度以及鉆孔結(jié)構(gòu)，是確保注漿工程順利實(shí)施的必要前提。為此，基于對(duì)開(kāi)灤建設(shè)集團(tuán)公司多個(gè)注漿減沉項(xiàng)目的“設(shè)計(jì)-施工-檢驗(yàn)”的綜合研究，并通過(guò)對(duì)其施工工藝原理的分析、操作流程的要點(diǎn)研究及質(zhì)量控制的重要措施等3方面研究，形成了一套成熟的減沉注漿鉆孔施工技術(shù)工藝，并在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，取得了很好的效果。

1 工藝原理

覆巖注漿技術(shù)作為一個(gè)有效控制地表沉降的新技術(shù)，其主要的工藝原理是利用采空區(qū)覆巖在地應(yīng)力作用下發(fā)生巖移進(jìn)而在其內(nèi)部形成一定的離層空間，通過(guò)地面施工注漿鉆孔向離層空間內(nèi)充填材料，最終在覆巖離層空間內(nèi)形成充填體支撐上覆巖層，進(jìn)而達(dá)到減少地表沉降的目的。其技術(shù)的關(guān)鍵是合理布置注漿鉆孔，并注入合適的漿液[17，18]。

鉆孔工藝原理的關(guān)鍵是鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則是根據(jù)地層情況，滿足終孔段注漿目的的要求。減沉注漿由于注漿時(shí)間較長(zhǎng)，通常采用花管注漿，這樣既可以保護(hù)孔壁，又能通過(guò)花管孔向離層空間進(jìn)行注漿。減沉注漿鉆孔工藝是內(nèi)、外管注漿工藝，注漿管的口徑應(yīng)滿足最大注漿量的要求。一般注漿內(nèi)管為?108mm，外注花管為?168mm，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其它孔級(jí)的鉆孔口徑和套管均為金屬套管。

2 施工工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 施工工藝流程

首先確定鉆孔深度和位置，根據(jù)地質(zhì)參數(shù)合理地對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后安裝設(shè)備施工。在地面預(yù)定位置施工鉆孔到預(yù)注漿位置后，下入套管到離層帶之上，安裝好孔口裝置，由孔口管連接到注漿站的注漿泵上，等待注漿。施工工藝如圖1所示。

圖1 減沉注漿施工工藝

2.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 注漿鉆孔終孔位置確定

注漿鉆孔終孔位置的確定應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：①為保證充填漿液不流入井下，鉆孔終孔位置需保持在采掘工作面導(dǎo)水裂隙帶上方；②鉆孔穿過(guò)各主要離層帶，以保證鉆孔具有吸漿能力，保證注漿減沉的效果。

為使注入漿液不下滲，進(jìn)而不影響井下開(kāi)采，在導(dǎo)水裂隙帶以上與注漿層位之間還應(yīng)留設(shè)適當(dāng)?shù)姆罎B水保護(hù)巖層。防滲水保護(hù)巖層為5倍采厚，其間最好存在厚度較大且分布穩(wěn)定的泥巖或頁(yè)巖巖層。結(jié)合平面內(nèi)地層結(jié)構(gòu)的變化，各個(gè)注漿鉆孔的終孔深度，即注漿段下限，設(shè)計(jì)為采空區(qū)上方最近離層下10m，保證多離層注漿方式和礦井安全。

根據(jù)覆巖破壞觀測(cè)資料，各個(gè)煤層采后防水煤柱垂高按式(1)計(jì)算：

H=KM(1+η)+Δh

(1)

式中，H為終孔位置距離下方煤層頂板的距離，m；K為裂高采厚比，取13；η為巖性變化等安全系數(shù)，取0.5；M為初采煤層采厚，取6.5m；Δh為地質(zhì)測(cè)量巖層界面誤差，取5.0m。

以此作為注漿孔深的基本值，根據(jù)相關(guān)的注漿參數(shù)和巖石的性質(zhì)進(jìn)行孔深的修改。

2.2.2 注漿孔間距和位置選擇

影響注漿孔間距的主要因素是漿液擴(kuò)散半徑。注漿孔位置的影響因素為離層發(fā)育的平面分布、漿液的流動(dòng)特性和煤層產(chǎn)狀等。

根據(jù)開(kāi)采工作面的起動(dòng)距和充分移動(dòng)角，離開(kāi)采切眼第一孔位置：

L1=HcotΦ

(2)

式中，Φ為充分移動(dòng)角，(°)；L1為第一孔到開(kāi)切眼的距離，m。

根據(jù)開(kāi)灤減沉注漿孔布置經(jīng)驗(yàn)，首孔距采面切眼為90～100m，其余孔間距為170～250m。鉆孔沿著傾斜剖面的位置，選擇沿工作面最大下沉角方向，為了使?jié){液流動(dòng)充分，減緩離層壓縮，其位置選擇一般為靠近工作面上山方向。

2.2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)選擇

1)為充分發(fā)揮鉆孔效能，保證多離層同時(shí)注漿，增加漿液注入量，注漿鉆孔由上至下可分為以下三段：松散層固井段、基巖鋼管護(hù)壁段、花管護(hù)壁注漿段，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)

2)注漿管的下入。使用?108mm普通無(wú)縫鋼管，焊接完成下入鉆孔，底端放在孔底，最下面為8～10m 鋼管連接10m左右的花管。

3)孔口注漿裝置。為保證粉煤灰漿液的大量注入，采用內(nèi)外雙管注漿的孔口注漿裝置，即?108mm內(nèi)管與?219mm外管在孔口進(jìn)行隔離，分別連接在不同的輸漿管路上，使深部的離層由內(nèi)管注入漿液，上部離層由外管注入漿液，從而保證了每個(gè)離層在形成的各個(gè)時(shí)期內(nèi)均能夠進(jìn)行有效的注入，增加減沉注漿效果。

2.3 施工操作

沖積層段采用?311mm牙輪開(kāi)孔，見(jiàn)基巖后開(kāi)始用?152mm牙輪鉆頭探鉆，穿過(guò)基巖風(fēng)化帶見(jiàn)完整堅(jiān)硬巖石(一般為基巖以下30～40m)，如沒(méi)有明顯的漏失現(xiàn)象，則使用?311mm牙輪擴(kuò)孔到底，下入?219mm套管，焊接下入，按照規(guī)程要求，用水泥漿進(jìn)行封閉止水，并檢查封閉止水質(zhì)量(松散層固井段)；松散層固井完成后，按?190mm孔徑和設(shè)計(jì)孔深鉆至孔底，物探測(cè)井后下入護(hù)壁鋼管，鋼管型號(hào)為普通?168mm無(wú)縫鋼管，焊接甩管下入，底頭直接放在鉆孔孔底，不進(jìn)行水泥固井。鋼管總長(zhǎng)度為孔深減去松散層固井長(zhǎng)度再加上20～30m，即?168mm鋼管上端高于?219mm鋼管底端20～30m，注漿孔最下部為注漿段，該段護(hù)壁鋼管做成花管，上部鋼管則不需要做成花管(基巖鋼管護(hù)壁段和花管護(hù)壁注漿段)中間段下入108mm注漿管，并連接井口注漿裝置，套管連接方式均為焊接下入。

該方法與全孔鋼管下入法相比，既節(jié)約了大量鋼材，又保證了鋼管與孔壁的整體性，即使巖層發(fā)生了一定的沉降位移，也不至于損壞套管，有效地保護(hù)了鉆孔孔壁，防止鉆孔提前報(bào)廢。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

范各莊礦外運(yùn)煤鐵路在古冶車(chē)站與京山鐵路相接，該鐵路位于范各莊井下的主要生產(chǎn)區(qū)二水平北翼一采區(qū)上方。為保證煤層開(kāi)采后地表變形對(duì)鐵路的破壞降到允許范圍內(nèi)，采用本文的離層注漿鉆孔施工工藝，進(jìn)行離層注漿減沉設(shè)計(jì)。范各莊礦各工作面均為7、8煤層合區(qū)，上部5煤層不可采，7煤層厚度4m左右，8煤層厚度2m左右，7、8煤層中間有0.5m的粉砂巖夾矸，煤層傾角為6°～10°，8煤層底板標(biāo)高為-460～-600m。

3.2 注漿鉆孔施工設(shè)計(jì)及注漿量

沙河鐵路橋?qū)?yīng)井下區(qū)域煤層綜放開(kāi)采的同時(shí)進(jìn)行減沉的措施，根據(jù)沙河鐵路橋保護(hù)煤柱覆巖離層注漿減沉開(kāi)采相關(guān)研究，以218011工作面注漿鉆孔設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)相關(guān)注漿鉆孔應(yīng)用進(jìn)行研究，結(jié)合地面施工設(shè)計(jì)布置注漿鉆孔，工作面注漿鉆孔布置與結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 218011工作面覆巖離層注漿鉆孔布置與結(jié)構(gòu)

對(duì)沙河鐵路橋保護(hù)煤柱218011工作面開(kāi)采并實(shí)施鉆孔注漿減沉，其工作面覆巖離層注漿情況見(jiàn)表2。采用該注漿鉆孔施工設(shè)計(jì)，其離層注漿量累計(jì)注漿513408m3，注灰量累計(jì)154996m3，平均濃度30.2%。

表2 218011工作面覆巖離層注漿統(tǒng)計(jì)

3.3 地表移動(dòng)變形觀測(cè)分析

對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程中的地面變形移動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，其最終結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 工作面全采后鐵路橋地面觀測(cè)結(jié)果

范各莊鐵路橋?qū)?yīng)井下區(qū)域的218011工作面正常開(kāi)采，預(yù)計(jì)鐵路最大下沉值將達(dá)到3561.14mm。通過(guò)離層注漿地表沉降控制技術(shù)，使鐵路橋最大下沉值減少到1398.0mm，鐵路橋減少沉降2172.14mm，減沉率達(dá)60.99%。

4 結(jié) 論

1)研究了覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律和離層形成特征，設(shè)計(jì)了用于離層注漿的成套鉆孔施工工藝技術(shù)。

2)從工藝原理、工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制措施等三方面對(duì)鉆孔工藝進(jìn)行研究，提出了鉆孔終孔位置、鉆孔位置及鉆孔間距的選擇原則，并闡述了施工操作過(guò)程。

3)范各莊礦鐵路橋減沉工程應(yīng)用表明，采用此鉆孔施工及注漿工藝較未使用之前，減沉率達(dá)到60.99%，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。