急倾斜厚煤层采空区稳定性分析及注浆治理效果评价

2021-03-07张志沛张海春

科学技术与工程 2021年4期

张志沛, 李锋, 张海春

(1.西安科技大学地质与环境学院, 西安 710054; 2.江西省勘察设计研究院, 南昌 330012)

新疆是中国急倾斜厚煤层丰富的省份之一,但是由于前些年大规模开采,留下了大量的急倾斜厚煤层采空区。随着国家推进新疆基础设施建设,越来越多的新改扩工程必然会建设在这类采空区之上,因此进行急倾斜厚煤层采空区稳定性与注浆治理研究对于提高建筑物的安全性意义重大。

前人在煤层采空区稳定性与注浆治理研究方面进行了大量的工作。张沛[1]采用数值模拟和物理模拟的方法揭示了浅埋煤层下采场顶板结构的矿压显现动态特性及其规律；侯杰[2]得到了煤层开采下倾向主断面地表残余移动变形预测软件；谷拴成等[3]基于实际的工程背景结合推导的地表沉降预测公式,反向求取研究区浅埋煤层采空区更符合实际的地表移动参数；王正帅[4]得出了采动程度对最大残余变形值有很大影响,基岩的采厚比可以控制残余变形的发生时间的结论；黄永强[5]用FLAC3D软件对煤层采空区复杂路基的沉降进行了正确预测；姜立春等[6]提出基于刚架结构模型法的煤层采空区群失稳判据及分析方法；吴启红等[7]建立了煤层采空区重叠顶板稳定性强度折减法,为采空区稳定性分析提供了新途径；张访问等[8]用FlAC3D软件分析了四维煤层采空区群稳定性；彭志雄等[9]通过移动角理论与数值模拟确定了某采空区对铁路的影响,确定了合理安全距离；赵子锋[10]通过理论研究、现场勘察、模型试验和数值模拟, 分析高速公路下伏急倾斜煤层采空区路基稳定性；贺小庆等[11]用FLAC3D软件分析煤层采空区工作面的应力和位移对于矿山治理有重要意义；王晓蕾等[12]系统地论述与分析了分析评价法、钻孔检查法、开挖取样法和物探测试法四种注浆加固效果评价方法；刘富有等[13]研究表明，拱形结构注浆与其他注浆形式的不同；岳鹏举[14]以山西省晋城市某公路煤层采空区治理项目为背景,依据理论预测与数值模拟结果对采空区进行成功的注浆充填治理。

近年来,大量学者致力于单一煤层采空区的研究工作,研究成果较为丰硕,但针对近距离急倾斜煤层采空区的研究较少，且缺乏采空区稳定性分析及治理效果评价等综合系统性研究。为此，以某近距离急倾斜厚煤层采空区为研究背景,考虑煤柱长期失稳破坏对采空区围岩的影响,采用FLAC3D模拟软件进行采空区形成模拟,分析应力与位移特征,结合实测数据评价模拟的符合性；其次,进行采空区煤柱失稳模拟,为采空区围岩稳定性分析提供基础；最后,模拟采空区注浆充填治理,分析位移变化,并且结合实测数据评价注浆治理效果。研究成果为当地类似急倾斜厚煤层采空区稳定性分析与注浆治理提供借鉴,并且进一步完善急倾斜厚煤层采空区研究领域。

1 研究区概况

研究区场地平缓,中温带半干旱大陆性气候,夏季炎热,冬季严寒,春秋气温升降迅速,日变化剧烈,气温年差较大,降水是水资源主要补给来源。

地层岩性由新到老分别为:①第四系上更新统风成黄土:地表广泛分布,为土黄色粉土,原状土垂直节理发育,湿陷性较强,具大孔隙结构,厚约4～17 m；②中更新统砂卵砾石:砂卵石,青灰色,稍湿～湿,稍密；砾石,灰黄色,湿～饱和状态,中密～密实,骨架颗粒多呈圆形和亚圆状；厚约1～3 m；③含煤地层:侏罗系中统西山窑组,由灰色、深灰色粉砂岩、细砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤组成,厚度约为200 m。地质构造简单,断层、褶皱不发育。

图1为研究区煤层、采空影响区及注浆孔分布。煤层埋藏浅,产状为倾向北西,倾角为67°～78°,属于急倾斜厚煤层,采用阶段开采法。

该研究区20～22、28、34～36、37～39和43煤层厚度平均值分别为27.3、8.76、12.99、19.68、37.95 m,采深约60～170 m,沿煤层走向方向开采,沿煤层倾向开采投影宽度50～100 m。

图1 煤层、采空影响区及注浆孔分布Fig.1 Distribution of coal seam, affected area and grouting hole

2 数值模型与材料参数

根据研究区的实际情况,模型表面设置为自由地面,没有约束；四周与底部充分考虑了煤层采空区的影响范围,进行了固定。首先,通过ANSYS软件建立煤层开采前的复杂数值模型；其次,利用模型转化程序将ANSYS软件建立的模型转化为FLAC3D软件能识别的模型文件；最后,利用有限差分FLAC3D模拟软件读取该模型文件,结合实际情况进行数值模拟。图2为数值分析模型,该模型尺寸:长度×宽度×高度=650 m×640 m×180 m；为了提高模拟分析结果的准确性,根据距离采空区越远网格单元越稀疏的原则,确定了模型网格的加密区和稀疏区,共3 006 581个节点、2 945 670个单元。

图2 数值分析模型Fig.2 Numerical analysis model

表1 岩土体物理力学参数

表1为岩土体物理力学参数。岩土体采用摩尔库伦本构关系及弹塑性模型,根据室内试验得到岩土体的泊松比为0.23～0.33,容重为13.4～23.5 kN/m3。

3 采空区形成过程的数值模拟分析

3.1 应力场分析

煤层的开采使地下岩土体应力重新分布,改变了该区域岩土体的力学性质。图3为煤层采空区形成后围岩最大主应力,围岩形成应力集中区与应力卸荷区,采空区角隅处围岩应力大于原始应力属于应力集中区,其他围岩区域属于应力卸荷区。

20～22煤层采空区形成后,上山煤柱与上覆岩层受到指向采空区的压力。上覆岩层偏向下山煤柱处岩石最大主应力为-12.8 MPa,上山煤柱偏向下伏岩层处为-2.1 MPa,上覆岩层与上山煤柱交汇处为-1.7 MPa,因此初期破坏现象依次减弱,形成冒落带,冒落带周边岩石应力减小,形成裂隙带；下山煤柱与下伏岩层受到指向采空区的压力,下伏岩层偏向上山煤柱处岩石为-3.5 MPa,下山煤柱与下伏岩层交汇处为-12.8 MPa,下山煤柱偏向上覆岩层处最大主应力为-22.6 MPa,初期破坏现象依次增强。28煤层采空区形成后,顶面埋深比20～22煤层采空区大且最大主应力大,破坏显著；28煤层采空区距离20～22煤层采空区远、规模很小,因此28煤层采空区的形成对20～22煤层采空区无影响,28煤层采空区围岩应力变化与20～22 JC监测点煤层采空区围岩类似。

图3 采空区围岩最大主应力Fig.3 Maximum principal stress of surrounding rock in goaf

34～39煤层采空区形成后,其采厚比小、采高大且距离28煤层采空区近,使28煤层采空区上山煤柱和下伏岩层应力显著增大。34～36、37～39煤层采空区之间上部岩石偏向34～36煤层采空区角隅处应力集中现象更显著；采空区之间下部偏向37～39煤层采空区角隅处应力集中现象更显著；由于煤岩力学性质低且采空区高度大,34～36、37～39煤层采空区上山煤柱偏向上覆岩层处破坏明显,下山煤柱偏向下伏岩层处隆起破坏严重。43煤层采空区形成后,围岩应力变化与34～39煤层采空区变化类似。

3.2 位移场分析

随着煤层的开采改变了地下应力,岩石寻求平衡的过程中产生偏向采空区的位移。图4为采空区形成后围岩竖向位移图,20～22煤层采空区形成后,顶面埋深浅、开采厚度及开采高度大,地表最大沉降量达到1.7 m；上山煤柱偏向上覆岩层区域的沉降量最大,下山煤柱偏向下伏岩层区域的隆起现象最强烈。28煤层采空区形成后,采厚比大且埋深大,对地表影响小；28煤层采空区距离20～22煤层采空区远,对20～22煤层采空区围岩影响小。

图4 采空区围岩竖向位移Fig.4 Vertical displacement of surrounding rock in goaf

34～36煤层采空区位于37～39煤层采空区倾向影响范围内,地表最大沉降量可达2.3 m,37～39煤层采空区地表最大沉降量为0.8 m；两采空区之间上部偏向37～39煤层采空区沉降较明显,下部偏向34～36煤层采空区隆起较显著。34～39煤层采空区距离28煤层采空区近,致使28煤层采空区围岩沉降量增大,地表最大沉降量达到0.8 m。43煤层采空区采厚比最小且高度大,围岩沉降量最显著,地表最大沉降量为2.6 m且加剧了34～39煤层采空区围岩的位移,使34～36煤层采空区地表最大沉降量为2.5 m,37～39煤层采空区地表最大沉降量为1.1 m。

根据现场调查资料得到煤层采空区地表塌陷坑为两个连续的近椭圆形塌陷坑,20～22、28、34～36、37～39和43煤层采空区地表最大深度分别为1.712、0.805、2.513、1.107、2.619 m。比较采空区模拟位移发现,煤层采空区模拟的地表位移与现场采空区基本一致,数值模拟符合实际情况,可用于现场采空区稳定性分析与注浆治理效果评价。

3.3 采空区稳定性分析与评价

煤层采空区形成后,影响稳定的主要因素是煤柱。煤柱在长期荷载作用下会发生蠕变现象,自身力学强度降低,产生失稳破坏,影响采空区围岩稳定性。通过FlAC3D模拟软件进行采空区煤柱失稳模拟,分析地表的竖向位移,评价采空区的稳定性。

图5为采空区煤柱失稳后围岩竖向位移图,采空区地表最大竖向位移量位于采空区的顶部；20～22、28、34～36、37～39和43煤层采空区地表最大竖向位移量分别为0.5、0.3、0.7、0.6、0.9 m。

通过分析结果看出采空区地表存在0.3～0.9 m的最大剩余沉降量,地表的剩余变形不能满足建设工程对地基变形的要求,采空区围岩处于失稳状态,必须进行治理。

图5 采空区煤柱失稳围岩竖向位移Fig.5 Vertical displacement of surrounding rock after coal pillar instability in goaf

4 采空区治理效果评价

根据该急倾斜厚煤层采空区的状况,考虑社会影响、工程造价、施工工期以及施工工艺等方面因素,并且结合以往的采空区治理工程经验,比较桩基础方案、注浆治理方案以及强夯方案的优、缺点后,对该采空区采用注浆充填法的治理方案。

4.1 注浆治理设计简述

如图1所示，研究区划分为5个注浆治理区,场地内布设67个注浆孔,排间距取15 m,孔间距取30 m；采用水泥粉煤灰浆液,浆液中水、水泥、粉煤灰等成分应符合相应的标准、规范,水固质量比宜采用1∶1.3,水泥占固相的30%,并可在浆液中掺加速凝剂,速凝剂的掺量宜为水泥重量的3%～5%；注浆孔开孔孔径≥φ130 mm,终孔孔径≥φ91 mm,孔深为60～150 m。

4.2 注浆充填模拟分析

图6为采空区注浆充填后岩土体竖向位移图。在采空区注浆充填治理后,下山煤柱与下伏岩层交汇处沉降最显著,形成近似椭圆形位移线变化,充填区采厚比越大,椭圆越扁。

煤层采空区顶部岩土体沉降过程中伴有挤压周边岩土体现象,致使周边地表隆起,周边地表越靠近顶部地表时隆起越明显。地表竖向位移在-72～7.8 mm,考虑采空区的埋深、采厚比和未治理前地表最终沉降量等因素,属于合理范围。

图6 采空区注浆后岩土体竖向位移Fig.6 Vertical displacement of rock-soil body after grouting treatment in goaf

4.3 现场监测资料分析

综合考虑地下岩性、地下水、采空区特征等因素确定采空区地表影响范围,布置了如图2所示的11 个地表监测点,图7为采空区治理前、治理中和治理后地表实际监测点竖向位移。

图7 采空区地表实际监测点竖向位移Fig.7 Vertical displacement of actual ground monitoring site in goaf

(1)2012年10月采空区注浆治理前,监测点沉降显著；位于采空区顶部监测点JC03、JC07和JC10沉降下降速率大于两侧监测点,这与上山煤柱沉降大于上覆与下伏岩层吻合；10—12月治理过程中,采空区顶部受到浆液沿裂隙的挤压固结作用,地表沉降速率明显降低,监测点JC03、JC07和JC10沉降速率快速减小。

(2)注浆浆液挤压进入采空区两侧岩土体裂隙后,两侧岩土体向上隆起。图7(a)、图7(b)中采空区两侧监测点在10月8日具有明显的转折点,治理期间表现为上升现象；由监测点JC01和JC02、JC04和JC05看出,监测点距离注浆核心区越近,隆起速率也越大；监测点JC08至34～39煤层采空区和JC09至43煤层采空区距离相等且34～39煤层采空区下伏岩层及43煤层采空区上覆岩层浅部区域裂隙发育相近,因此34～39、43煤层采空区在注浆作用下,监测点JC08和JC09隆起速率相近。

(3)采空区注浆治理后,采空区顶部地表表现为速率较小的沉降,如图7(c)中监测点JC03、JC07和JC10,在2013年1—3月速率降低为0 m/s趋于稳定；采空区两侧岩土体较破碎,受水泥浆液的侧向挤压作用使两侧岩土体产生向上微弱隆起,监测点JC01和JC02、JC04和JC05、JC08和JC09、JC06和JC11隆起速率比治理期间降低很多,截至2013年1—3月趋于稳定。

(4)监测点JC05主要受34～39煤层采空区影响,虽然与JC06都受34～39煤层采空区影响,但是比JC06距离采空区远且底部岩土体破碎程度低,因此竖向位移变化没有JC06显著。