采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用.pdf

采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用韩磊1，杨科2,3，王天君1，于祥2,3，裴春敏1，许起1，何祥2,3（1.山煤国际能源集团股份有限公司,山西太原030000；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点试验室,安徽淮南232001；3.合肥综合性国家科学中心能源研究院,安徽合肥230031）摘要：覆岩离层注浆技术已被证实是一种能够满足矿井无损开采与固废减排的新方法。为了有效控制采动引起的地面构筑物沉降，以关键层理论为基础对离层注浆开采全过程进行稳态分析。首次提出了采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型，分别为常规区、过渡区、注浆区和控制区，并推导出“四区”范围的计算公式。以 3501 工作面控制地面焦化厂沉降为工程背景，结合相似模拟与现场实测的沉陷观测数据对提出的“四区”模型进行验证，结果表明：相似模拟离层注浆地表沉陷曲线呈不规则的“V”字形，工作面地表下沉量先快速增大，到达最大下沉点后，地表下沉量先快速减小，随后减小速率逐渐变缓，沉陷曲线表现出明显的“四区”分布，最大下沉量为 1589mm，出现在常规区与过渡区的接触边界，过渡区与注浆区接触边界下沉量为 497.94mm，控制区内基本无下沉；基于概率积分法预测的注浆条件下采动引起的地表下沉量、水平变形、倾斜和曲率与现场实测结果相符，但明显小于未注浆条件下的预测值，确定了注浆条件下地表变形满足构筑物级损坏等级的要求；结合矿井的实际工程地质及实际观测数据，得到常规区范围为 261.19m，过渡区范围为 246.09m，注浆区范围为 655.25m，控制区范围为 199.53m。提出的“四区”控制模型为研究离层注浆开采沉陷问题提供了基础理论依据。关键词：离层注浆；“四区”控制模型；关键层；地表沉陷；损坏等级；概率积分法中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：02532336（2023）08002313“Four Zones”control model and application for surface subsidence of bedseparation grouting miningHANLei1,YANGKe2,3,WANGTianjun1,YUXiang2,3,PEIChunmin1,XUQi1,HEXiang2,3（1.Shanxi Coal International Energy Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030000,China;2.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention andControl in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;3.Institute of Energy,Hefei ComprehensiveNational Science Center,Hefei 230031,China）Abstract:Thegroutingtechnologyofbedseparationshasbeenprovedtobeanewmethodwhichcanmeettherequirementsofnon-de-structiveminingandsolidwastereduction.Toeffectivelycontrolthesubsidenceofgroundstructurescausedbymining,thewholeprocessofbedseparationgroutingminingisanalyzedinasteadystatebasedonthekeystratumtheory.Forthefirsttime,a“fourzones”controlmodelforsurfacesubsidenceundergroutingbedseparationwasproposed,whichincludesnaturalzone,transitionzone,warningzone,andprotectionzone,andthecalculationformulaforthe“fourzones”rangewasderived.Basedontheengineeringback-groundofcontrollingthesubsidenceofthegroundcokingplantatthe3501panel,theproposed“fourzones”modelwasvalidatedbycombiningphysicalmodel-lingandfieldmeasurementofsubsidence.Theresultsshowthatthesurfacesubsidencecurveofbedseparationgroutinginphysicalmodel-lingshowsanirregular“V”shape,andthesurfacesubsidenceofthepanelfirstincreasesrapidly.Afterreachingthemaximumsubsidence,收稿日期：20230304责任编辑：朱恩光DOI：10.13199/ki.cst.2023-0561基金项目：国家重点研发计划资助项目（2019YFC1904304）；国家自然科学基金重点资助项目（52130402）；安徽省高等学校科学研究项目（2022AH050839）作者简介：韩磊（1978），男，河北卢龙人，正高级工程师，博士。E-mail：lhan_通讯作者：杨科（1979），男，四川叙永人，教授，博士。E-mail：第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023韩磊，杨科，王天君，等.采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用J.煤炭科学技术，2023，51（8）：2335.HANLei，YANGKe，WANGTianjun，et al.“FourZones”controlmodelandapplicationforsurfacesubsidenceofbedseparationgroutingminingJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（8）：2335.23thesurfacesubsidencefirstdecreasesrapidly,andthenthereductionrategraduallyslowsdown.Thesubsidencecurveshowsaclear“fourzones”distribution,withamaximumsubsidenceof1589mm,appearingatthecontactboundarybetweenthenaturalzoneandthetrans-itionzone.Thesubsidenceofthecontactboundarybetweenthetransitionzoneandthewarningzoneis497.94mm,andthereisbasicallynosubsidencewithintheprotectionzone.Thepredictedsurfacesubsidence,horizontaldeformation,slope,andcurvaturecausedbymin-ingundergroutingconditionsbasedonprobabilityintegralmethodareconsistentwiththefieldmeasuredresults,butsignificantlysmallerthanthepredictedvaluesundernon-groutingconditions.ItisdeterminedthatthesurfacedeformationundergroutingconditionsmeetstherequirementsofGradeIdamagelevelforstructures.Basedonthepracticalengineeringgeologyandobserveddataofthemine,thenaturalareais261.19m,thetransitionareais246.09m,thewarningareais655.25m,andtheprotectionareais199.53m.Theproposed“fourzones”controlmodelprovidesafundamentaltheoreticalbasisforstudyingthesubsidenceofbedseparationgroutingmining.Key words:bedseparationgrouting；“FourZones”controlmodel；keystratum；surfacesubsidence；damagegrade；probabilityintegralmethod0引言煤炭作为我国的主体能源，是我国能源安全的战略保障，在未来相当长一段时间内，我国以煤炭为主体的能源结构不会发生变化1-4。然而，煤炭在促进经济增长的同时，也因高强度、大面积的开采引起地表沉陷、地面构筑物破坏等，对生态环境造成严重破坏5-7。传统的垮落式采煤方法，已经不能满足煤炭绿色精准开采的要求8。离层注浆是一种基于覆岩移动规律而提出的减损开采煤矿注浆充填新技术9，自 20 世纪 90 年代传入我国，并在抚顺老虎台煤矿成功应用10，众多开采沉陷学者对其相关理论的研究产生共鸣。乔伟等11通过理论分析、数值模拟和三维地震监测深入分析了覆岩离层形成的机理，给出了离层发育层位、分布及体积计算的理论方法。许家林等12-15基于关键层理论和离层的动态发育特征，提出了“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术，使“离层充填体+关键层+分区煤柱”形成共同承载体，支撑上覆岩层，减少地表沉降。马荷雯等16-17针对地质条件复杂，难以产生较大离层以及充填率低等问题，提出了覆岩离层多层位梯级注浆，并在淮北矿区进行应用。刘玉成和戴华阳18利用理论和数值模拟的方法，建立了预计近水平煤层开采地表沉陷双曲线剖面函数模型，并通过 FLAC3D验证了模型的可靠性。杨治林19利用弹性理论边值问题，将破断后岩层的结构形态及其运动过程中上覆表土层和岩体对地表沉陷的耦合行为视为一个完全接触性问题，提出了预测地表下沉的边值解法。崔希民等20为了实现覆岩与地表下沉计算的统一性，从覆岩与地表等效下沉的角度出发，建立了采动覆岩与地表下沉关系模型，并利用上覆岩层的结构形态，确定了离层层位和离层量的大小。郭文兵等21从二维和三维空间对覆岩破坏充分采动进行分析，建立了二维和三维覆岩破坏充分采动理论模型，基于此提出了高强度开采覆岩破坏的充分采动判据。朱庆伟等22对离层发展初期固支梁、中期悬臂梁、末期砌体梁结构模型的力学特征和结构变形演化进行了分析，建立了不同阶段的覆岩力学模型，基于此提出了下沉量填满和不填满离层 2 种情况下的地表下沉预计模型。袁长丰等23建立了考虑节理倾角、迹长和迹宽的地质数学模型，推导了基于随机介质理论的上覆节理岩体沉陷概率分布函数，采用扩展后的 Gamma 分布代替Poisson 分布，提出了考虑节理几何特征的上覆节理岩体沉陷预计方程。高超等24通过对浅埋深特厚煤层综放开采下地表移动进行分析，基于层状弹性梁板岩层沉陷控制理论和随机介质理论，建立了适用于浅埋深特厚煤层综放开采的地表沉陷预计模型。王军保等25通过假定 Knothe 时间函数中时间影响系数为时间有关的变量，提出了一种基于改性型Knothe 时间函数的地表下沉盆地模型，并将得到的模型与改进的 Knothe 模型结合，建立了一种新的开采沉陷动态预测模型。通过分析固体密实充填的覆岩变形特征，分别在 Winkler 和 Vlazov 两种弹性梁理论、连续离散介质耦合理论、单元层合板理论、等价采高理论基础上，建立了固体密实充填开采地表沉陷预计模型26-28。XU和XUAN等29通过观测覆岩离层注浆条件下地表下沉规律，基于理论分析，提出了离层区注浆厚度的梯形模型，并与未注浆下的地表最大下沉值进行对比，确定了离层注浆对地表沉陷的控制效果。综上所述，众多学者对开采沉陷的研究取得了较丰富的进展，但是以上研究多集中于地表的竖向沉降，而走向方向上，由于采用离层注浆技术，地表沉陷曲线不是简单的先增加后减少。通过对比分析注浆和未注浆条件下的地表沉降，提出了离层注浆2023年第8期煤炭科学技术第51卷24开采全过程的地表沉陷“四区”控制模型，即常规区、过渡区、注浆区和控制区，并结合理论分析给出了“四区”的控制范围。结合山西霍尔辛赫矿 3501 工作面的地质条件，以保护地表焦化厂为目的，基于相似模拟及实际地表观测数据，给出了 3501 工作面回采过程中的“四区”控制范围。提出的“四区”控制模型为研究离层注浆开采沉陷问题提供了基础理论依据。1覆岩离层注浆减沉机理煤层开采过程中，随着工作面的向前推进，覆岩体的原始应力状态遭到破坏，采空区上部岩层内部的应力在次生应力场作用下重新分布，使上覆岩层发生断裂、弯曲和下沉等现象，这种运动现象从采空区发展至地表形成地表沉陷。上覆岩层由于岩性、厚度和空间位置不同，导致岩层的运动并不完全一致，从而在覆岩垂直方向上形成位移差，这种位移差就是离层30。覆岩离层区注浆是一种控制地表沉降的充填方法（图 1），它的基本原理是在工作面开采过程中，通过确定关键层的位置、计算关键层的破断步距及其极限跨距时对应的极限采宽、以及导水裂隙带高度，进而选取合适的目标关键层。由地面向目标关键层钻取注浆钻孔，待目标关键层下部开始出现离层时，通过注入粉煤灰浆液等浆体材料使其充满目标关键层下部的离层空间，以支撑目标关键层使其不发生破断，同时注入浆液能够胶结离层下位岩层的空间和裂隙，在遇到膨胀性岩层时，还能够起到膨胀挤压围岩的作用。注浆充填体垮落带裂隙带弯曲下沉带离层注浆地表沉陷垮落法开采地表沉陷注浆钻孔图1覆岩离层注浆减沉原理Fig.1Schematicofoverburdenseparationlayergroutingforsettlementreduction图 2在综合前人研究的基础上，给出了离层注浆开采和传统垮落法开采 2 种条件下的地表沉降对比情况。传统垮落法开采条件下，随着工作面回采推进，采空区上方形成垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带，裂隙带上方由于上覆岩层的非同步破断而形成离层，当离层上位关键层达到极限跨距时，关键层破断使离层闭合，这种岩层的破断形式由下向上传递到地表，在地表形成下沉盆地。由图 1可知，这种传统垮落法开采下的地表沉降量往往较大，下沉盆地较深且陡，容易对地面建筑物、铁路、农田等造成较大的损害。而采用离层注浆开采，由地面向离层空间打注浆钻孔以支撑上位关键层，防止上位关键层的破断，有效减少了地表沉降量，传统垮落法开采引起的地表沉降量是离层注浆开采的数倍。最大减沉量注浆条件下地表下沉曲线未注浆条件下地表下沉曲线0Wmax 注浆Wmax 未注浆最大下沉点测线长度下沉量图2注浆与未注浆条件下地表沉降对比Fig.2Comparisonofgroundsettlementundergroutingandnon-groutingconditions2地表沉陷“四区”控制模型离层随着工作面的向前推进而自下往上发展，因此离层区注浆并不是从开切眼开始，而是回采一定距离后，待目标关键层下方形成离层时开始进行注浆作业。因此，注浆条件下，由于煤层开采引起的地表沉陷并不是一个简单的“V”字形曲线，而是一个不规则的浅“V”字形。为了进一步分析离层注浆条件下的地表沉陷规律，笔者以关键层理论为依据，对煤层开采过程中引起的地表沉陷进行稳态分析。2.1关键层判别根据离层注浆原理，首先应该对覆岩层中坚硬岩层的极限跨距进行分析，进而确定覆岩中主关键层与亚关键层的位置及其相关参数。假设煤层上方第 1 层岩层为坚硬岩层，则第 n层岩层对第 1 层岩层的载荷为q(n)1=E1h31ni=1hiVini=1Eih3i（1）q(n)1Eihi式中：为第 n 层岩层对第 1 层坚硬岩层的载荷，MPa；为第 i 层岩层弹性模量，GPa；为第 i 层岩韩磊等：采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用2023年第8期25Vi层层厚，m；为第 i 层岩层体积力，MN/m3。假设第 n+1 层岩层为另一层硬岩层，由于 n+1层岩层挠度小于第 n 层岩层，故第 n+1 层岩层不随下部岩层发生同步变形，则：q(n+1)1Vn+1ni=1Eih3i（3）由煤层上方第 1 层硬岩层开始计算，满足式（3）即为第 2 层硬岩层，按照这种方法，依次得到煤层上覆坚硬岩层的具体位置。以两端固支梁模型计算，判断各硬岩层的破断距：LTk=hk2RTkqk,(k=1,2,n)（4）LTkhkRTkqk式中：为第 k 层硬岩层的破断距，m；为第 k 层硬岩层层厚，m；为第 k 层硬岩层抗拉强度，MPa；为第 k 层硬岩层载荷，MPa。LTkLTk+1当时，确定第 k 层岩层为关键层，k+1层岩层为控制第 k 层关键层垮落的硬岩层。以此类推，最终确定煤层上覆岩层中各关键层的位置。2.2离层注浆开采地表沉陷稳态分析工作面沿走向推进过程中，离层自下而上依次发育，直至目标关键层出现离层时开始进行注浆充填。假设目标关键层为亚关键层 N，则当亚关键层N1 发生破断时，亚关键层 N 下方开始出现离层。图 3所示为工作面推进距离达到亚关键层 N1 的极Wmax(N1)限回采距离时对应的地表沉陷稳态情况，曲线 1 即为此阶段的地表下沉稳态曲线，最大下沉值为。此时亚关键层 N1 达到极限跨距，该亚关键层下方离层量达到最大，即：LT(N1)=hN12RT(N1)qN1（5）根据关键层破断步距与覆岩破断角确定关键层达到极限跨距时对应的注浆充填工作面采宽，在走向方向上，表示为极限回采距离。则亚关键层 N1达到极限跨距时注浆充填工作面极限回采距离为LN1=hN12RT(N1)qN1+2HN1tan（6）LN1HN1式中：为亚关键层 N1 达到极限跨距时注浆充填工作面极限回采距离，m；为亚关键层 N1 与煤层间距，m；为煤层上覆岩层破断角，()。通过计算可以得出，此阶段地表沉陷走向方向的影响范围为LS(N1)=2Hctan+LN1=2Hctan+hN12RT(N1)qN1+2HN1tan（7）LNSSmax工作面继续向前推进，亚关键层 N1 破断并在离层中部压实，同时注浆关键层 N 下方离层开始发育并进行注浆充填。当工作面推进距离为时（图 4），达到了注浆关键层的极限跨距，注浆关键层下方离层量达到最大为。HcHNLyLxM安全距离LS(N1)LT(N1)HN1LN1构筑物目标关键层 N亚关键层 N1煤层原设计终采线注浆设计终采线地表1回采方向注浆管Wmax(N1)图3注浆关键层未形成离层时的地表沉陷稳态分析Fig.3Steadystateanalysisofsurfacesubsidencewhenseparationlayerisnotformedinkeygroutinglayer2023年第8期煤炭科学技术第51卷26LN=hN2RTNqN+2HNtan（8）LNHN式中：为亚关键层 N 达到极限跨距时注浆充填工作面回采距离，m；为亚关键层 N 与煤层间距，m。WmaxNWmax(N1)由于注浆体对注浆关键层起到支撑作用，阻止其发生破断，此时理想状态下（注浆体完全支撑起上位关键层，使其不发生破断）的地表沉降可视为在图 3状态时曲线1的延续，即地表最大下沉值近似等于，地表下沉曲线如图 4中曲线2所示，此时地表沉陷的影响距离为LSN=2Hctan+LN=2Hctan+hN2RTNqN+2HNtan（9）相较于曲线1，曲线2有一段平底长度，平底长度为LNLN1=hN2RTNqNhN12RT(N1)qN1+2(HNHN1)tan（10）LN曲线3为工作面推进距离为不进行注浆时的地表沉陷，相较于曲线2下沉量明显较大。LyLxLy+Lx图 5所示，工作面继续向前推进，由于注浆体对注浆关键层的支撑作用，注浆关键层不再破断，离层不再向上发育，并开始沿走向方向发展。图中为原设计的走向回采长度，为采用离层注浆技术释放的压煤区长度，当工作面推进距离为时，整个工作面走向的地表稳态沉降如图中曲线5所示。根据地表沉降量的大小，将曲线5进行“四区”划分，即：常规区（a）、过渡区（b）、注浆区（c）和控制区（d）。2.3地表沉陷“四区”划分2.3.1常规区Wmax(N1)Hctan+L(N1)2LNLN-1由图 5所示，注浆条件下，将开切眼侧地表下沉盆地边缘至注浆关键层达到极限跨距时地表下沉盆地平底末端的水平范围称为常规区的范围（la）。理想状态下将常规区范围内的地表下沉曲线视为亚关键层 N1 破断时地表下沉曲线的延续，地表下沉曲线的形状为亚关键层 N1 破断时地表下沉曲线的一半与盆地平底的结合，地表下沉量最大值近似等于亚关键层 N1 破断时地表下沉量的最大值。由图 4可知，亚关键层 N1 破断时地表下沉曲线的一半长度为，平底的长度为。由图 5可知，常规区的长度为la=Hctan+LNLN12（11）将式（8）和式（10）代入式（11），则有：la=Hctan+2HN+HN1tan+hN2RTNqNhN122RT(N1)qN1（12）2.3.2注浆区如图 5所示，注浆条件下，将注浆关键层达到极HcHNM安全距离HN1LSN构筑物目标关键层 N亚关键层 N1煤层地表原设计终采线注浆设计终采线32注浆管Wmax(N1)WmaxNLPLN1LTNLNLyLx回采方向图4注浆关键层达到极限跨距时的地表沉陷稳态分析Fig.4Steadystateanalysisofsurfacesubsidencewhenkeygroutinglayerreachesthelimitspan韩磊等：采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用2023年第8期27Wymax限跨距时工作面侧地表下沉盆地边缘至构筑物安全距离间的水平范围称为注浆区的范围（lc）。注浆区范围内的地表沉降最大值远小于常规区地表沉降最大值，地表变形满足建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范31对构筑物的级损坏等级的要求。由图 5可知，注浆区的长度为lc=Ly+LxLNHctan（13）将式（8）代入式（13），则有：lc=Ly+Lx2HNtanHctanhN2RTNqN（14）2.3.3过渡区如图 5所示，注浆条件下，将工作面侧常规区边界至开切眼侧注浆区边界之间的水平范围称为过渡区的范围（lb）。过渡区范围内的地表沉陷原则上均小于图中曲线2上升段，即小于注浆关键层极限跨距时地表沉陷曲线上升段的沉降量。过渡区的最小沉降量为开切眼侧注浆区边界的沉降量，最大沉降量为工作面侧常规区边界的沉降量。由图 5可知，过渡区的长度为lb=LSNa（15）将式（9）和式（12）代入式（15），则有：lb=HctanHN1tan+hN122RT(N1)qN1（16）2.3.4控制区如图 5所示，注浆条件下，将工作面回采至注浆设计终采线时在工作面侧地表沉陷边缘与安全线之间的范围称为控制区的范围（ld）。该范围内地表有变形，但是地表变形必须满足建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范31对构筑物级损坏等级的要求。由图 5可知，控制区的长度为ld=La+Hctan=20+Hctan（17）综合以上分析可知，为保证建立的“四区”范围控制模型满足实际工程的需求，“四区”范围需要满足的必要条件为la+lb+lc+ld=LS=Ly+Lx+La+2Hctan（18）3工程应用3.1工程背景以山西霍尔辛赫煤矿 3501 工作面为研究背景，3501 工作面地面标高在+935+939m，工作面标高在+359+421m，工作面外切眼长度为 120m，可采长度为 332m，内开切眼长度 246m，可采长度 367.6m。3 号煤层平均厚度为 5.6m，煤层倾角在 112，可采储量 0.98Mt。由于工作面回采区域地表有构筑物（主要为地面焦化厂）、道路、农MLSLxHcLyHNLNLN1HN1lalblcld构筑物目标关键层 N亚关键层 N1煤层原设计终采线注浆设计终采线地表4注浆管5常规区过渡区注浆区控制区WmaxN回采方向图5工作面注浆开采全过程地表沉陷稳态分析及“四区”划分Fig.5Steadystateanalysisofsurfacesubsidenceanddivisionof“fourzones”inwholeprocessofgroutingminingofworkingface2023年第8期煤炭科学技术第51卷28作物等，3501 工作面井上下对照情况如图 6 所示，在开采过程中为了有效保护地面焦化厂，通过覆岩离层注浆技术，尽可能多的释放焦化厂下煤炭资源量，控制地表沉陷。3501 进风巷侧焦化厂3501 工作面Q01Q03Q05Q07Q09Q11Q15Q17Q19Q21Q23Z01Z02Z03Z04Z05Z06Z07Z08Z09Z10Z11Z12Z13Z14Z15Z16Z17Z18Z19Z20Z21Z22Z23Z24Z25Z26Z27陈家庄村N开切眼G 3G 3-1G 2-1G 2G 1G 1-1陶唐村保护煤柱图63501 工作面井上下对照情况Fig.6ComparisonofupanddownwellsinNo.3501workingface3.2注浆参数选择根据 3501 工作面覆岩层的岩性特征（表 1），利用关键层的判别准则，确定了其主关键层和亚关键层的位置，并计算得到主（亚）关键层的破断距及对应的极限采宽（表 2）。通过实测法计算导水裂隙带高度为 76.72m，为了防止注浆时离层区与导水裂隙带发生贯通，需要留设5倍煤层采高左右的围护带厚度（55.6m=28m），则离层注浆的层位应在煤层104.72m 以上。综上所述，确定注浆层位应在埋深为 382m 的中粒砂岩中（亚关键层 4）。为了控制上覆关键层的下沉，注浆压力必须大于覆岩自重力，由经验公式计算注浆压力应不小于表 1 3501 工作面覆岩层及关键层信息Table 1 Information of overlying layer and key layer in No.3501 working face地层单位序号岩性厚度/m埋深/m岩性描述关键层判断注浆层位上石盒子组1表土层174.65174.65黄土2粉砂岩2.85177.50粉砂质结构，含少量云母，半坚硬3中粒砂岩10.05188.00石英为主，长石次之，含少量云母，半坚硬主关键层4砂质泥岩8.00196.00砂质分布不均匀，与下覆岩层呈明显接触5细粒砂岩4.50200.50细粒粉砂质结构，以石英为主，半坚硬6粉砂岩6.50207.00粉砂质结构，含少量云母，半坚硬7中粒砂岩4.00211.00中粒砂质结构，石英为主，长石次之8泥岩2.00213.00松软，具滑面9中粒砂岩9.00222.00中粒砂质结构，石英为主，长石次之，巨厚层状亚关键层710泥岩4.00226.00松软，具滑面11中粒砂岩3.00229.00中粒砂质结构，与下覆岩层明显接触，半坚硬12砂质泥岩12.00241.00砂质分布不均匀，半坚硬13细粒砂岩3.00244.00细粒砂质结构，石英为主，长石次之，半坚硬14中粒砂岩4.00248.00中粒砂质结构，石英为主，与下覆岩层明显接触15砂质泥岩8.50256.50砂质分布不均匀，半坚硬16粉砂岩6.10262.60粉砂质结构，断口参差状，半坚硬17砂质泥岩9.40272.00砂质分布不均匀，半坚硬18中粒砂岩8.00280.00中粒砂质结构，石英为主，长石次之，半坚硬亚关键层619砂质泥岩6.00286.00砂质分布不均匀韩磊等：采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用2023年第8期29续表地层单位序号岩性厚度/m埋深/m岩性描述关键层判断注浆层位上石盒子组20粉砂岩5.00291.00粉砂质结构，断口参差状，半坚硬21中粒砂岩15.00306.00中粒砂质结构，分选差，半坚硬亚关键层522泥岩2.00308.00松软，具滑面，含矿物23中粒砂岩4.50312.50断口参差状，分选中等，与下覆岩层明显接触24粉砂岩4.50317.00粉砂质结构，小型交错层理，分选好，半坚硬25砂质泥岩8.50325.50砂质分布不均匀，断口参差状，半坚硬26粉砂岩4.50330.00粉砂质结构，巨厚层状，明显接触27中粒砂岩3.00333.00裂隙发育，分选差，明显接触，半坚硬28砂质泥岩7.00340.00砂质分布不均匀，半坚硬，明显接触，断口参差29粉砂岩4.00344.00粉砂质结构，泥质胶结，半坚硬30泥岩3.50347.50松软，具滑面，胶结，致密31砂质泥岩2.50350.00砂质分布不均匀，明显接触32细粒砂岩6.00356.00巨厚层状，断口参差状，半坚硬33砂质泥岩2.00358.00砂质分布不均匀，明显接触34细粒砂岩5.50363.50细粒砂质结构，分选好，半坚硬35砂质泥岩3.50367.00砂质分布不均匀，泥质胶结，分选中等，半坚硬36泥岩5.50372.50松软，具滑面37中粒砂岩9.50382.00中粒砂质结构，明显接触，半坚硬亚关键层4注浆下石盒子组38砂质泥岩3.00385.00砂质分布不均匀，分选差，断口参差，半坚硬39细粒砂岩2.50387.50小型交错层理，分选好，断口参差，半坚硬40粗粒砂岩9.95397.45裂隙发育，交错层理，半坚硬亚关键层341泥岩1.05398.50松软，具滑面，半坚硬42砂质泥岩5.00403.50小型交错层理，分选好，明显接触43粉砂岩3.50407.00粉砂质结构，半坚硬44泥岩6.00413.00松软，具滑面，明显接触45砂质泥岩11.00424.00砂质分布不均匀，断口参差，半坚硬46粗粒砂岩2.00426.00粗粒砂质结构，明显接触，半坚硬47泥岩6.00432.00松软，具滑面48粉砂岩2.50434.50粉砂质结构，明显接触，半坚硬49中粒砂岩10.50445.00中粒砂质结构，分选中等，明显接触亚关键层250泥岩2.00447.00松软，具滑面51细粒砂岩4.00451.00小型交错层理，夹岩屑，明显接触，半坚硬山西组52砂质泥岩4.60455.60砂质分布不均匀，半坚硬53泥岩1.90457.50松软，具滑面，半坚硬54中粒砂岩4.00461.50中粒砂质结构，钙质胶结，明显接触，半坚硬55细粒砂岩2.50464.50细粒砂质结构，半坚硬56泥岩3.60467.60松软，具滑面，夹岩屑，明显接触57砂质泥岩3.40471.00砂质分布不均匀，明显接触58泥岩1.50472.50松软，含植物化石59砂质泥岩2.50475.00砂质分布不均匀，明显接触，半坚硬，块状60细粒砂岩12.30487.30细粒砂质结构，小型交错层理，巨厚层状亚关键层161煤5.96493.26块状粉末状，暗淡光泽，半亮型62泥岩1.14494.40块状，富含植物化石，具滑面63中粒砂岩1.60496.00中粒砂质结构，小型交错层理，明显接触64砂质泥岩5.50501.50砂质分布不均匀，巨厚层状，致密，平行层理65细粒砂岩1.10502.60块状，中厚层状，钙质胶结，坚硬2023年第8期煤炭科学技术第51卷309.55MPa，浆液扩散半径应在 212.98227.18m。为了确保离层注浆效果，保护焦化厂，选择在 3501 工作面共布置 6 个注浆钻孔，注浆钻孔的布置位置如图 6所示，注浆层位见表 3。注浆过程中，对注浆量、注灰量和注浆压力进行定期监测。表 3 3501 工作面注浆钻孔信息Table 3 Grouting drilling information of No.3501working face序号钻孔类别数量/个孔深/m1注1孔（斜）13822注1-1孔（斜）14193注2孔（直）13974注2-1孔（直）13875注3孔（直）13906注3-1孔（直）1392霍尔辛赫矿 3501 工作面以山西潞光发电厂、漳泽电厂和杨暴热电公司粉煤灰综合利用股份有限公司等企业排放的粉煤灰为离层注浆材料。通过对粉煤灰浆液进行强度测试和流动性测试，选择水灰比（水:粉煤灰）0.7 作为离层注浆浆液的配比。截止工作面回采结束，在煤柱保护区范围内共推进 283m，释放压煤 47.5 万 t；累计注浆量 62.44 万 m，注灰量48.56 万 t。3.3地表沉陷观测及预测3.3.13501 工作面相似模拟观测以 3501 工作面地质力学参数及采掘工程设计为原型，采用安徽理工大学二维模拟试验台，试验台平台尺寸为 2.5m0.1m1.5m（长宽高）。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 1200（模型:原型），确定容重相似比为 11.6（模型:原型），强度相似比为 1320，时间相似比为 114，其他相似常数依次进行计算。相似材料模拟试验（图 7）铺设总高度为 110cm，其中煤层以上厚度约为 100cm，模拟的煤层实际埋深约为 493m，其余未模拟出的岩层实际厚度约为293m，为保证相似模型与工程原型的相似性，根据应力相似比，在模型顶部铺设配重块至对应的应力边界，等效模型上覆岩层的重力作用。通过注浆材料初终凝试验得知，注浆材料的初凝时间普遍在 4d 左右，按照现场工作面平均每天推进 2.4m 计算，则在一个初凝时间段内工作面共推表 2 关键层信息及破断距Table 2 Key layer information and breaking distance序号类型岩性厚度/m埋深/m距煤层距离/m破断距/m极限采宽/m注浆层位1主关键层中粒砂岩10.05188.00305.2694.66379.352亚关键层7中粒砂岩9.00222.00271.2682.32335.303亚关键层6中粒砂岩8.00280.00213.2678.84277.734亚关键层5中粒砂岩15.00306.00187.2651.13225.775亚关键层4中粒砂岩9.50382.00111.2644.46148.22注浆6亚关键层3粗粒砂岩9.95397.4595.8143.78133.137亚关键层2中粒砂岩10.50445.0048.2634.3279.618亚关键层1细粒砂岩12.30487.305.9614.2319.79目标关键层离层注浆模型开挖总长度 230 cm地表沉陷基本不再下沉浆液自由渗透模型高度 110 cm煤层以上高度 100 cm10 cm 煤柱10 cm 煤柱开挖方向注浆区非注浆区图7模型开挖 230cm（开挖完毕）Fig.7Modelexcavation230cm(excavationcompleted)韩磊等：采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用2023年第8期31进 9.6m，按照几何相似比计算，模型在一个初凝时间段内的开挖步距应为 4.8cm，为了计算和操作方便，确定开挖步距为 5cm。试验中采用的注浆材料的初凝时间为 24h，夏天温度较高时，其初凝时间为 2h 左右。因此，试验按照注浆材料的初凝时间来确定工作面开挖的步距，即模型的开挖步距为 5cm，每开挖一个步距所用时间为 2h。相似材料模型的开挖顺序为从右到左依次进行，每开挖 1 个步距5cm，即采用定点相机对模型表面进行拍照。模型长度为 2.5m，左右两侧各留宽 10cm 煤柱，中部 2.3m 区域为开挖区域。工作面采用垮落法开挖，开挖距离到约 0.665m（亚关键层 3 破断）后，在目标关键层下方的裂隙和离层空间采用预制的注浆材料进行注浆