长壁采矿覆岩分层注浆控制地表沉陷的综合方法研究

《Processes》：Investigation of a Comprehensive Methodology for Overburden Delamination Grouting to Mitigate Longwall Mining Surface Subsidence

本文提出了一套覆岩分层注浆（Overburden Delamination Grouting）的综合设计方法，通过分析垮落带（caved zone）、裂隙带（fractured zone）和弯曲带（bending zone）高度，优化注浆层位和隔离层（isolation layer）选择，并系统测试粉煤灰-煤矸石-矿渣粉（4:3:3）三元注浆材料的力学性能（抗压强度、应力-应变曲线）。经三个典型工程案例验证，该方法能有效降低地表最大沉陷量（最高减少86.1%），为矿区地表构筑物和生态环境安全提供了重要技术支撑。

　　

引言

地下长壁采矿引发的地表沉陷对地表构筑物、基础设施和生态环境构成严重威胁。随着煤炭资源持续开采，采矿引起的地表移动范围和规模显著扩大，有效控制地表沉陷已成为保障矿区地表安全与生态稳定的关键挑战。同时，煤炭生产过程中产生的大量煤基固体废弃物也制约着煤炭工业的绿色转型。覆岩分层注浆技术通过向覆岩离层空间注入粉煤灰、煤矸石等浆液材料，有效填充岩层分离产生的空隙，限制上覆岩层移动，从而减缓地表沉陷。然而，该技术的成功应用依赖于对裂隙带发育、注浆层位布置、隔离层稳定性以及注浆材料性能的综合理解。

方法论

裂隙带高度确定

长壁采矿后，上覆岩层经历动态的渐进破坏过程，最终形成垮落带、裂隙带和连续变形带（弯曲带）。采用“π形”模型描述三带的空间分布，其高度关系满足H_f+ H_b+ H_s= H_m。裂隙带高度可通过理论分离距模型或基于中国数百个矿井观测数据建立的经验公式估算。例如，对于厚煤层综放开采，根据覆岩硬度系数（P）和采厚（m），可计算最大裂隙带高度，为注浆层位选择提供基础。

注浆层与隔离层选择

注浆隔离层位于裂隙带上方，需具备高完整性和低渗透性，以防止浆液溃失。其稳定性通过分析关键层变形和可用下沉空间进行评估。当岩层最大挠度超过其自由下沉高度时，该层整体进入弯曲沉降状态，适合作为注浆隔离层。注浆层则位于隔离层上方，利用采矿引起的离层空间进行注浆填充。案例中，如11090工作面选择埋深419.33 m的泥岩亚关键层作为注浆层，其下方隔离层厚度满足不小于5倍采高（约24 m）的要求。

注浆材料力学性能测试

选用粉煤灰、细磨煤矸石和矿渣粉三种工业固废作为基料，通过L9正交试验优化配比。采用侧限压缩装置（内径150 mm，高300 mm）进行抗压测试，加载速率1 mm/min，最大压力15 MPa。结果表明，所有试件均呈现非线性压缩行为，分为快速压缩（0–5 MPa）、过渡（5–10 MPa）和稳定（10–15 MPa）三阶段。三元混合料（粉煤灰:煤矸石:矿渣粉=4:3:3）表现最佳，在15 MPa围压下总应变仅8.2%，显著低于单组分材料。该配比兼具低压缩性和长期稳定性，适用于深部覆岩压力环境。

注浆效果评估与地表沉陷监测

注浆效果主要通过地表沉陷监测量化，常用方法包括实时动态定位（RTK）、无人机摄影测量和合成孔径雷达干涉测量（InSAR）。在工作面上方布置走向和倾向观测线，连续监测沉降值。通过对比注浆前后沉降曲线，评估最大沉降量减少幅度。例如，11090工作面注浆后最大沉降仅230 mm，较理论值（1112.7 mm）降低79.3%，地表建筑变形均控制在I级损害以内。

综合工作流程

覆岩分层注浆设计流程包括：基于采矿地质条件确定裂隙带高度；分析弯曲带关键层变形选择注浆层和隔离层；通过实验室测试优化注浆材料配比；按工程规范实施注浆；最后通过地表监测验证效果。该流程在三个案例中均成功应用，形成从理论到实践的完整技术链条。

案例研究

案例1：11090工作面

工作面位于河南洛阳，采深约674 m，采厚4.7 m。根据相邻工作面观测数据，裂隙带高度约75 m。选择埋深419.33 m的泥岩亚关键层作为注浆层，布置8个注浆孔，间距60–130 m。注浆压力5.0–5.3 MPa，采用4:3:3三元浆液。监测显示最大沉降230 mm，地表变形稳定，村庄建筑无显著损坏。

案例2：12030工作面

该工作面为孤岛工作面，采厚4.81 m。裂隙带高度经验估算为55–104 m。注浆层位于埋深485.2 m的中砂岩亚关键层下方，辅助层位于449.3 m粉砂岩层。采用6个交错布置注浆孔，压力5.3 MPa。注浆后最大沉降821 mm，较理论值（3393.9 mm）降低75.8%，地表建筑基本无损坏。

案例3：22151工作面

工作面平均采深302 m，采厚7.1 m。裂隙带高度103–152 m，取中值127.5 m。注浆层位于埋深126.51 m的细砂岩关键层（第三硬岩层）下方。走向观测线最大沉降448.9 mm，较理论值（3276.3 mm）降低86.1%，地表变形控制在I–II级损害内。

讨论

三个案例表明，覆岩分层注浆在厚煤层、中硬-坚硬覆岩条件下能有效降低地表沉陷（降幅75.8%–86.1%）。注浆层位选择、隔离层稳定性及材料优化是成功关键。注浆压力（5.0–5.3 MPa）和启动时机（工作面距钻孔底约20 m）基于经验设定，未来可通过数值模拟进一步优化。该技术不仅控制沉陷，还实现了煤矸石等固废资源化利用，具有显著经济社会效益。

结论

1. 1.
   系统分析了长壁采矿覆岩裂隙带与弯曲带发育特征，为注浆层位确定提供了理论依据。
2. 2.
   建立了融合裂隙带分析、注浆层设计、隔离层稳定性评价及现场约束的综合注浆方法，经多案例验证适用性强。
3. 3.
   实验室测试确定粉煤灰-煤矸石-矿渣粉（4:3:3）为最优注浆材料，抗压稳定性好（15 MPa下应变8.2%），现场应用有效控制了覆岩移动与地表沉陷。