近年来，三下压煤资源开采导致的地表沉陷等环境问题日益严重，直接体现为地表沉陷、基础设施建设破坏、土地破坏、地面积水等。众多学者针对覆岩运移、离层空间发育和覆岩离层注浆问题展开了多角度的研究。崔希民等为覆岩离层注浆工程设计提供了简单、便捷的离层识别方法和离层量定量计算方法；郭文兵等分析了高强度开采覆岩与地表破坏预防和控制技术及其进展，提出了煤矿高强度开采采动损坏的防控思路；李全生等从覆岩裂隙、底板裂隙与地表裂缝三方面分类介绍了裂隙演化规律及分布特征，重点分析了高强度开采地表裂缝形成的力学机制；吕玉广等重点从覆岩内含水层水位受采动影响、光纤探测、顶板淋水现象等几个方面探讨了“新四带”模型的科学性；叶青等建立内部试验相似度模拟系统，测量覆土层应力和位移，为研究采煤工作面相关覆土地层的开采-裂缝-演化特征、位移变化和运动特征提供有用信息；马荷雯等通过相似材料模拟试验研究，得到在无较大采动覆岩离层情况下，采用多层位离层注浆方法可以有效减小覆岩破坏程度；许家林等通过对覆岩离层高压注浆充填，形成压实支撑区，与留设煤柱协同支撑覆岩控制沉降；李建等通过研究知道浆体扩散经历径向扩散和双向扩散两个阶段，得出两个阶段浆体形态的简化描述模型，阐明无压注浆阶段的浆液扩散规律；张亮等控制不同注浆充填深度条件进行试验，改进了注采比计算公式，为注浆充填参数设计提供了合理依据；Kuo等利用三维地震勘探技术识别研究区断层分布特征，然后利用COMSOLMultiphysics对浆液运移过程进行了数值模拟研究；Xun等实现了长壁采煤过程中采用注浆方法控制村庄地表沉陷的成功尝试。

为了解离层注浆后覆岩应力变化及地表沉降情况，本文以山西长治霍尔辛赫煤矿3501工作面为背景，通过数值模拟和相似材料模拟结合，研究了注浆后采空区压缩量和应力的变化、覆岩运移及应力变化情况来掌握离层注浆后地表沉陷规律。

1、工程背景

本文以山西霍尔辛赫煤矿3501工作面为研究背景，所采煤层为3#煤层，位于井下五盘区一水平首采面，工作面埋深500～570 m，平均埋深540～550 m，倾向长度约为246 m，走向长度约为588 m。矿区位于辛安泉岩溶水系统的西南部，区域地层自东而西由老到新为上元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新生界新近系及第四系，井田内地表全部为松散黄土层所覆盖。

煤层起伏为东厚西薄，含泥岩、炭质泥岩夹矸0～2层，距离底板0.78 m左右较为稳定(平均厚度0.30 m)。顶、底板主要由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩构成。

2、离层注浆四维应力场模拟

2.1 建模参数

根据3501工作面现场工程地质资料已知的岩石力学参数和实验室测定的岩石力学参数建立数值模型，模型各岩层参数如表1所示。

根据煤层实际埋深及顶、底板岩层分布情况建立如图1所示FLAC3D数值计算模型，模型空间尺寸为x×y×z=300 m×300 m×216 m，其中x为走向方向为，y方向为工作面推进方向，z为竖直方向。采用摩尔-库仑准则计算，在亚关键层下方增设厚度为1 m的“离层”用于注浆充填，以静载形式在模型顶部施加5.0 MPa的等效载荷。

表1 数值模拟计算模型的岩体力学参数 

图1 数值模型图  

2.2 模拟方案

(1）四维应力场设置

计算前对模型施加自重载荷，三维模型除顶部外均对边界进行位移约束，并赋予初始应力场。

为在模拟过程中实现注浆充填，将所选取“离层”采用null命令开挖，在开挖后的上下界面用施加面力，等效替代注浆充填后对其上方岩层的承载和对下方岩层的承载作用，从而在原来三维应力地质模型的基础上实现构建覆岩离层注浆四维应力场的目的。

(2）裂隙带分区弱化

FLAC3D属于有限元计算，模拟出的岩体无法产生裂隙，故而无法对裂隙带进行准确模拟。由于裂隙带整体力学性质相对于完整岩体明显减弱，且呈现越靠近工作面中部位置，岩体力学性质越弱的特点，故本文在数值模拟中将裂隙带沿工作面走向与倾向进行分区域弱化，通过反演求参确定的各弱化区域力学参数如表2所示。  

表2 裂隙带分区弱化参数

2.3 数值模拟结果分析

模型从左向右开挖，分别选取走向推进长度为50、100、150、200、250 m时采空区位移变化、覆岩应力变化和覆岩破坏塑性区变化进行分析。

(1）采空区压缩量变化

不同推进距离采空区压缩量模拟结果如图2所示，从图2分析可知，在工作面推进50～250 m过程中采空区压缩量变化规律基本一致，均为采空区中部压缩量大，采空区四周边缘压缩量小，从采空区四周煤柱向采空区中部，压缩量呈现逐渐增大到逐步稳定的变化过程。

图2 采空区压缩量结果   

当工作面推进50 m时，采空区压缩量较小，当工作面推进到100 m时，采空区压缩量快速增大，说明工作面推进到50 m时，顶板未达到初次垮落步距，此时采空区压缩量较小，而工作面推进到100 m，超过顶板的初次垮落步距，顶板发生破断，因而采空区压缩量变大。当工作面推进到150 m和200 m，采空区压缩量增加较小，而推进到250 m时增加较大，说明在上覆岩层离层注浆作用下，采空区碎岩基本被压实。

(2）采空区应力变化

不同推进距离下，采空区应力模拟结果如图3所示，从图3分析可知，煤层开挖后，由于采动影响采空区应力发生变化明显。工作面推进50～250 m过程中，采空区应力变化规律基本一致，均为采空区中部应力小，采空区四周边缘应力大，从采空区四周煤柱向采空区中部，应力呈现逐渐减小到逐步稳定的变化过程。

图3 采空区应力云图

当工作面推进50 m时，采空区应力较小，当工作面推进到100 m时，采空区应力有所增大，随后工作面继续推进到150 m和200 m，采空区应力增加较小，推进到250 m时，采空区应力基本不变，说明在上覆岩层离层注浆作用下，采空区应力基本无明显变化。

(3）覆岩应力变化

不同推进距离覆岩应力模拟结果如图4所示。工作面开挖后，覆岩开始受到煤层开采扰动影响，覆岩应力发生变化明显。采空区上方岩层出现卸压现象，导致采空区上方顶板应力较小，采空区前后的煤柱出现应力集中现象。

图4 覆岩应力云图  

在工作面推进150 m前，采空区覆岩应力和前后煤柱应力云图均出现明显变化，应力云图在采空区内出现下降，而在两侧煤柱出现升高，最大覆岩应力约为11 MPa。当工作面推进到200 m和250 m后，上覆关键层下方出现离层，在注浆压力作用下，采空区顶板压力有所增加，达17～20 MPa；离层下方、采空区上方两侧与煤柱交界地带的覆岩出现应力较小现象，造成这种现象的原因为采空区覆岩与煤柱覆岩交界地带为岩层距离变化区域，为岩层下沉断裂铰接区域，因而出现应力较小现象。离层上方关键层应力受到向上的注浆压力作用，内部应力在短距离范围内出现下降，随着向上远离离层，注浆压力作用影响下降，在巨大覆岩压力作用下，岩层向下的压力有所增加。离层空间前后出现应力集中现象，最大应力超过27 MPa。

(4）覆岩塑性区扩展

工作面回采之后，采空区上方形成卸压区，随着开采进尺不断增大，在自身重力及高位岩层自重下压作用下，卸压区内低位岩层出现出现张拉和压缩现象。当岩层受到的张拉、压缩作用超过其本身岩石力学强度时，岩层产生断裂、垮落现象。数值模型计算采用莫尔-库伦屈服准则判断覆岩岩体的破坏，其公式如式（1）所示。莫尔包络线

式中σ1———最大主应力；

σ3———最小正应力；

c———内聚力；

φ———内摩擦角。

当fs>0时，岩石发生剪切破坏，当σ3>σt(岩石的抗拉强度)，岩层产生拉伸破坏。塑性区的变化可以较为准确地反映开采过程中上覆岩层的垮落带和裂隙带的分布和演化。根据数值模拟结果，选取如图5所示的覆岩塑性变化云图，分析工作面顶板覆岩移动破坏特点。

当工作面推进距离为50 m和100 m时，上覆岩层因受到采掘扰动而出现明显的塑性破坏，塑性区发育至垮落带上方。当工作面推进到150 m后，塑性区发育范围进一步扩大，发育高度达到亚关键层3附近，且在工作面推进100～150 m时的采空区覆岩塑性区发育范围，比工作面推进0～100 m时的采空区覆岩塑性区发育高度要明显增大，说明开采距离增大，上覆岩层破坏高度增加，对岩层破坏影响程度增加，垮落带和导水裂隙带的发育范围也随之向上扩展。工作面推进150 m以后，随着推进距离增大，塑性区发育高度增加，覆岩受到张拉和剪切破坏的范围也不断扩大。推进距离为200 m时，塑性区发育高度增加趋势变缓，在注浆层位附近，关键层出现剪切和拉伸破坏，垮落带和裂隙带主要为剪切破坏。推进距离为250 m时，塑性区发育高度基本稳定，发育范围由纵向扩展逐渐转变为横向扩展，关键层上方由于注浆充填作用，未出现明显大面积破坏。由此可见，关键层下方离层空间注浆充填对于关键层上方的岩层起到了很好的保护作用。

图5 覆岩塑性区云图

3、注浆减沉相似材料模拟实验

3.1 相似模型试验

试验台平台尺寸为长×宽×高=2.5 m×0.1 m×1.5 m。根据三带高度计算结果和现场注浆层位高度，确定模型的几何相似比为1∶200(模型:原型)，确定容重相似比为1∶1.6(模型:原型)，强度相似比为1∶320，时间相似比为1∶14，其他相似常数依次进行计算。相似材料模拟实验铺设总高度为110 cm，其中煤层上方覆岩厚度约为100 cm，为保证相似模型与工程原型的相似性，本实验未模拟岩层部分通过在模型顶部施加等效重力代替。

为了监测工作面推进与离层注浆过程中矿压显现和覆岩运移规律，在煤层上方约20 cm处的砂岩层和目标注浆层位的关键层内分别铺设10个压力传感器，传感器间距为22 cm，与模型边界的距离为26 cm，模型示意图如图6所示。

图6 相似模型示意图   

3.2 注浆试验过程

模型注浆过程如图7所示，当工作面推进到140 cm时，目标关键层下方出现可注浆离层空间，离层空间下方岩层发生弯曲下沉，且未见贯通性纵向裂隙，为离层注浆创造良好封闭条件，目标注浆关键层未发生明显弯曲。当工作面推进到175 cm时，目标注浆关键层下方的离层空间由模型右侧转移至模型中部区域，此后开始关键层下方离层空间内注浆工作。

图7 模型注浆过程   

当工作面推进到190 cm时，离层空间内的浆液已经出现向下方岩层渗透现象，同时离层空间上方岩层仅出现细窄的裂隙，下沉位移程度明显减小，下沉速度明显降低。而离层空间右侧即采空区后方的上覆岩层下沉逐渐趋缓稳定，离层和横向裂隙由下向上呈现逐渐缩小、闭合和压实状态。

随着工作面继续推进，推进距离达到210 cm时，目标注浆关键层下方的离层空间继续向前扩展，由于离层空间内的浆液逐渐凝固和硬化并发挥支撑覆岩的作用，导致目标注浆关键层下沉量较小，且下沉速度缓慢。

当工作面推进距离达到230 cm，模型开挖完毕时，模型右侧的岩层进一步压实稳定，而注浆离层空间发育逐渐变得稳定，离层空间内的浆液向下方岩层渗透一定程度后停止渗透，并逐渐凝固和硬化，留存在离层空间内的浆液固化，对关键层起到支撑作用，关键层的下沉基本不再明显。可见离层注浆对关键层及地表沉陷发挥了良好的控制作用。

3.3 试验结果分析

模型静置24 h后，模型岩层的下沉基本停滞，模型右侧的岩层下沉并压实稳定，离层注浆空间内的浆液基本硬化，离层注浆关键层上方的岩层仅出现窄细的裂纹，位移量很小，关键层下沉基本稳定，总的下沉量与采空区未注浆区域的岩层下沉量相比明显较小，静置24 h注浆模型图如图8所示。

图8 模型静置24 h情况

通过提取目标注浆关键层及其下方岩层的位移标志点的位移量来分析关键层附近的下沉量变化，结果如图9所示。

由图9分析可知，开挖距离为110 cm时，注浆层位下方岩层的下沉量最大约为2 mm，而目标注浆关键层的下沉量小于1 mm，下沉量很小仅产生细窄的横向裂隙。当开挖距离达到140 cm后，注浆层位下方岩层的下沉量开始明显增大，最大下沉量达到约10 mm，目标注浆关键层的下沉量有少量增加，约为2 mm。说明目标注浆关键层弯曲下沉，产生了离层空间。

当开挖距离达到190 cm后，此时已对关键层下方的离层空间进行了注浆作业。注浆层位下方岩层在模型右侧的采空区下沉达到最大，下沉曲线形成盆地状，最大下沉量达到约28 mm。而目标注浆关键层在模型右侧采空区发生了断裂，导致其下沉量较大，与注浆层位下方岩层下沉曲线形态一致，形成类盆地状，而在模型中部向左的区域，关键层下沉量明显减小，此区域为离层注浆区域，说明离层注浆有效控制了关键层的下沉和断裂。

图9 开挖及注浆过程覆岩位移变化曲线图  

随着工作面继续向前推进，开挖距离达到230 m后，模型右侧的关键层和注浆层位下方岩层进一步下沉和压实，其最大下沉量达到27～29 mm，而在模型中部向左侧的注浆区域内，注浆层位下方岩层进一步下沉，产生离层空间，下沉量普遍达到25 mm左右，而目标注浆关键层下沉量增加较少，累计下沉量明显比右侧采空区未注浆区域的岩层下沉量要小，最大仅为10 mm左右。通过观测也发现，关键层未发生破断，而只是产生非贯穿性纵向裂隙，关键层上方岩层仅产生横向裂隙，说明离层注浆对关键层及其上覆岩层的变形运动发挥了良好的控制效果。

随着工作面持续推进，注浆区域的关键层及其上覆岩层下沉量较小，而注浆层位下方岩层和未注浆区域的岩层下沉量普遍明显较大，离层注浆对控制关键层及其上覆岩层的运移发挥了良好的作用。

4、离层注浆控制地表沉陷工程案例

为评价离层注浆工程现场效果，在该工作面进行地表移动变形监测。经过现场详细踏勘、选点，共埋设84个观测点，其中走向观测点28个，倾向观测点20个，其余观测点布置在待保护构筑物附近，累计共进行35次地表位移监测。筛选具有代表性的6期走向观测线及倾向观测线地表动态下沉曲线，如图10所示。

图1 0 地表下沉观测情况曲线图

由图10可知：走向观测线上地表最大下沉值(含非注浆区域)为550 mm，地表最大水平变形值(含非注浆区域)为2.1 mm/m；倾向观测线最大下沉值(含非注浆区域)为162 mm，地表最大水平变形值(含非注浆区域)为1.8 mm/m。

前期开采时由于尚未进行注浆，故焦化厂内部观测点有10 mm左右沉降，注浆进入常态化后，焦化厂内部点无下沉。走向观测线地表最大下沉值为550 mm，倾向观测线最大下沉值为162 mm。3501工作面焦化厂内重要建筑物，最大水平变形值e=0.003 mm/m<2 mm/m；最大倾斜值i=0.49 mm/m<3 mm/m；最大曲率k=0.003 mm/m2<0.2 mm/m2，均达到了《建筑物、水体、铁路及井巷煤柱留设与压煤开采规范》Ⅰ级损坏等级标准，结果表明，进行离层注浆对控制地表沉降有显著效果。

5、结语

(1）通过模拟注浆四维应力场可知，在离层注浆作用下，顶板压力增加采空区被压实，采空区应力无明显变化；离层上方关键层应力受到向上的注浆压力作用，内部应力在短距离范围内出现下降，随着向上远离离层，注浆压力作用影响下降，在巨大覆岩压力作用下，岩层向下的压力有所增加。

(2）随工作面持续推进，注浆区域的关键层及其上覆岩层下沉量较小，而注浆层位下方岩层和未注浆区域的岩层下沉量普遍明显较大。

(3）进行现场离层注浆试验，目标构筑物最大水平变形值、最大倾斜值、最大曲率均达到了“三下”压煤规范Ⅰ级损坏等级标准，表明离层注浆对控制关键层及其上覆岩层的运移发挥了良好的作用，对控制由煤层开采引起的地表沉降和地面建(构)筑物破坏现象效果显著。

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基金资助:国家重点研发计划项目(2019YFC1904304); 国家自然科学基金项目(52130402); 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)项目(21KZS217);

文章来源:韩磊,杨科,王天君,等.构筑物下覆岩离层注浆控制地表变形模拟试验研究[J].煤炭技术,2024,43(07):20-26.