离层注浆防治地表塌陷的注浆量计算

离层注浆防治地塌陷的注浆量计算 () 文章编号 : 100328035 20010120078204 离层注浆防治地表塌陷的注浆量计算 杨 逾 , 范学理 , 杨 伦 , 赵德深 () 辽宁工程技术大学沉陷研究中心 , 辽宁阜新 123000 摘要 : 地下煤层的大量开采 , 引起采空空间向地面的转移从而导致地表塌陷 , 造成危害 。基于岩体中离层产生 、发 展的研究理论 , 提出利用 “离层注浆防治地表塌陷技术”以控制地表塌陷 。注浆量和与其相应的泵压是覆岩离层注 浆工程实施防治地表塌陷成功与否的关键参数之一 。通过对注浆机理及浆液流动模式的简论 , 给出了注浆量的两 种计算并引入几个重要参数 。文章指出了与计算所得注浆量相匹配的泵压 , 且给出一个在理论指导下的选型 实例 , 为现场施工提供了理论依据 。 关键词 : 注浆量 ; 匹配 ; 泵压 中图分类号 : P642126 文献标识码 : B 失以后的沉淀物受力时 , 把可注浆离层带变成一个 1 覆岩离层注浆机理 含有类岩体夹层的有效应力支承层 , 于是改变注浆 原岩应力场的失稳 、压力拱的形成以及上覆岩 层的应力状态 , 阻止或减缓了上位岩体的进一步弯 曲下沉 , 最终减缓地表下沉 。整个注浆系统由注浆 层下界面附加应力的产生 , 使覆岩在重力作用下发 生垂直弯曲 、移动 。当上下位岩层的岩性不同 、垂 井 、注浆站和注浆管路组成 。而在系统确定之前必 直移动不协调时 , 岩层会沿弱层面发生剪切拉裂作 须对注浆量和泵压两参数进行计算 。 用 , 使相邻的上下 位 岩 体 沿 软 弱 互 层 面 发 生 分 层 ,2 注浆量的计算方法 最终导致覆岩产生移动 、变形 、断裂 、破损及至垮 由于开采沉陷引起的岩层移动 , 在时空分布上 落 , 从而引起地表下沉 。为在覆岩离层注浆理论上 统一 , 从采空区顶板垮落到地表下沉 , 按岩层变形 极其复杂 , 因此在进行注浆工程设计时 , 要把注浆 量计算得比较准确是很困难的 。对于采动覆岩离层 后的不同状态 , 把整个上覆岩体从下至上分为 “四1 2() 注浆减缓地表沉降工程实施的 注 浆 量 的 计 算 而 言 , 带”。如图 1所 示 。而 离 层 注 浆 则 是 通 过 地 面钻孔向覆岩可注浆离层带的离层空间中注入高压除与采空区上覆岩体赋存条件有关以外 , 还与具体 工程实施要求的减沉率 、液体的滤失量 、液体的水 浆液充填物 。通过对下沉盆地及注浆以后地表实际 ( 下沉状态的研究 , 提出注浆液在孔底以 “点源式异 灰比以及开采因素 、地表沉降的预计准确程度 主 3 3 ) 向优势” 流动模式扩展 。当浆液充填物中水份滤要指某些参数的选定等因素有关 。在工程设计时 主重要用以下两种方法计算注浆量 。 [ 3] 211 地表沉陷影响函数法 理论上讲 , 地表沉陷的体积可用地表沉陷影响 函数法 , 在盆地内用积分求得 。但在工程实际实施 收稿日期 : 2000206219 ; 修回日期 : 2000207211 ( ) 作者简介 : 杨 逾 1973 —, 男 , 硕 士 , 主 要 从 事 采 矿 引 起 地表塌陷的治理研究 . 图 1 岩体 “四带”示意图 3 3 此项结论在《覆岩离层注浆中注浆液的研究》一文中有 Fig. 1 Sketch of the“f our belts”in the 详细研究 . overlying rock [ 4 ] ( ) J t 为塌陷速率, 是时间 t 的函数 。则日 时则用以下方法计算 。 地表沉陷的盆地体积 V = WL l需注浆量为 : d max 计 计 ηV w最大下沉量 ;W: max V = z (λ)β 1 - S : 走L = L - S , L : 计算盆 地 走 向 长 度 , 0 计 0 η其中: 工程要求的目标减沉率 ; 向拐点偏移距 。λ : 浆液的滤失系数 ;l : 计算盆地倾向长度 ,S : 倾向l= l - S , 1 计 1 β : 滤 失 以 后 的 浆 体 在 岩 层 中 的 压 缩 系 数 , 拐点偏移距 。 即压缩前后浆体体积之比 。S , S 的值一般为 011,012 H 。 0 1 值得注意的是 , 在开采煤层较薄且垮落岩石碎 充填体体积为 V= KV , K为减沉率 。 要达c 1 d 1 胀性大的岩层情况下 , 可注浆离层带形成初期 , 虽 到工程设计的减沉目标 , 需注入的总灰质 然地表的预计塌陷量是符合要求的 , 但也可注进一 体积为 V。按浆体组成的水灰比为 2?1 计算 , 需注c η 定量浆液 。因此在减沉率为 时 , 还有一常注量 K入浆液体积为 3 V。由于可注离层带中离层分布在 c 需考虑 ,则实际应用的日需注浆量为 : 垂直位臵上的不规则性 , 还需同时考虑充填离层的 ηV w( ) 分布形态系数 K一般为 013,017。共注入的灰 V= + K 2 z β(λ)1 - 浆量体积为 ζ( )η VJ tc K = +V= 3 KV z 2 cβ(λ)1 - = 3 V KK d 1 2根据模拟试验得出 , 在注浆过程中虽然预计注 = 3 WL lKK 浆量是恒定的 , 但泵流量却随时间而变化 。与此同 max 计 计 1 2 时泵压也随注浆工程的实施进度而变化 。它们与时 表 1 是在以上的研究指导下 , 抚顺老虎台矿 3 间的关系如图 2 所示 。 个采区实施离层注浆达到预期要求的部分参数 。 由此可得 , 在 t到 t的一段 时 间 内 注 入 离 层 表 1 离层充填前后下沉量与注浆量的比较表1 2 Ta b. 1 Contrast of the Wand V bef ore injecting max 的浆液体积为 t 2 with the Wand V af ter injecting max V = Vdtz t ? 13注浆量万 m 地表下沉最大量 t 地表下沉系数 2 ζηV 采区 c( ) mm 水灰比为 2?1 ( ) ( )J t dt + Kt - t = 2 1 β(λ)名称1 - ?t 1注浆前 注浆后 预计 实际 注浆前 注浆后 5142 3162 01871 01278 2046 712 ?512 5147 4105 01898 01276 3240 1118 ?510 ?5114197 319 01883 01296 2254 843 备注 : 实际注浆量的数值是由实际注入浆液量按 2?1 的水灰比 换算以后得出 。 此方法可以在预计地表下沉后 , 根据设计要求 图 2 注浆孔注浆的 V - t 、 p - t 曲线 和特定岩性算出需注入灰浆量 , 适用于采区工作面 Fig. 2 The Curve of V - t and p - t during injecting 开采后预计地表下沉盆地形状较规则的条件 。 212 开采影响函数法这说明在时间 t到 t之间的总注浆量 , 在图 1 2 设 m 为煤层厚度 , c 为煤层的煤炭回采率 ,L 中恰好为由 V - t 曲线与 t 轴所成曲边梯形的面积 。 则工作面为工作面斜长 , S 为开采日进尺 , 需要指出的是 , 以上研究所得两种计算方法的前提 日开采体积为 V= cLSmc 都是必须进行地表下沉的预测计算 。因此 , 对于注 ζ ( )日地表塌陷体积为 V= VJ tw c 浆量的计算确定 , 地表下沉预测计算非常重要 。另 ζ外许多参数在选取之前必须对具体情况加以研究 。 为塌陷率 , 即地表塌陷体积与煤层开采体积 中国地质灾害与防治 2001 年80 ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO 束时 , 选 用 高 压 泵 DSB —300 , 其 参 数 为 W = 135 3 注浆量匹配的泵压 U = 220Π380 v , n = 1480 rΠmin , P kW , = 300 大气 max 在许多工程开始实施之前的泵型选定 , 3 一般是 压 , Q = 30,50 mΠh 。而在正常注浆情况下则选用 按照最大最安全的思路进行的 , 从而出现了大马拉 了中低压泵 TBW —85Π50 , 其参数为 W = 75 kW , Q 3 小车的浪费现象 。要扭转这种局面 , 就需系统研究 = 51 mΠh , P = 50 大气压 。实践表明 , 选定的泵 max 与注浆量相匹配 的 泵 压 。从 流 体 力 学 的 角 度 来 看 , 型经济合理 , 实现了预定减沉缓沉目标 。 压力与流量应是相互匹配的 , 即确定的流量与相应 4 结论 泵压之间是相互确定的关系 。而注浆工程的实施则 经过对离层注浆机理的深入研究 , 提出注浆量 要求在预计的注浆量基础上确定泵压 。注浆试验研 究表明 , 在最大水灰比不超过 2?1 时注浆管中浆体 的两种计算方法 , 即地表沉陷影响函数法和开采影 流速一般为 311 m/ s 左右 , 流体的这种流动状态可 响函数法 。在此过程中引入了两个重要参数 : 充填[ 5 ] 以用 实 际 流 体 的 伯 努 力 方 程来 描 述 。取 端 压 为 ( ) 离层的分布形态系数 K 和塌陷速率 J t 。与此同 2 P、 P的一段流体做为研究对象 , 建立能量方程为 1 2 时 , 经过论证并合理的利用实际流体的伯努力方程 , 2 2 pvpv 1 12 2解决了与注浆量相匹配的泵压的确定问题 。根据同 + + +Z= + +Zh 1 2w ρ ρ 2 g 2 g 一坐标系中的 P - t 曲线和 V - t 曲线 , 可进行注浆 P, P: 流体压力 ,Pa ; 1 2 ( 量的计算以及估计在整个注浆过程中的耗能量 由 3ρ : 流体密度 , kgΠm) P - t 曲线和 t 轴所成的曲边梯形可得。泵压选型 2g : 重力加速度 , mΠs ( Φ是在注浆管路已选定 本注浆试验区选用 127 mm υυ , : 流速 , mΠs1 2 Φ无缝钢管 做 注 浆 井 套 管 , 73 mm 无 缝 钢 管 为 注 浆 Z, Z: 流体水头 , m1 2 ) 管 , 井站距离 600 m的基础上进行计算的 , 具 体 h: 水头损失总和 , mw 情况应具体分析计算 。 在注浆工程中 , 流体的能量损失包括沿程阻力 参考文献 : 损失 h、局部损失 h和动能损失 h。流体在某一 f j a 1 范学理 . 我国煤矿覆岩离层注浆控制地表沉陷技术的 υ2 L λυ点的流速为 。设 C = 。则有 : h = C , d 为f 进展及 研 究 方 向 M .地 表 沉 陷 控 制 新 技 术 C . 2 g d 北京 : 中国矿大出版社 , 1998 : 15 - 17. 12 0 λ λ 注浆管直径 , 为沿程阻力系数 , = , L 为管013 2 赵德深 , 麻凤海 . 覆岩离层注浆控制地表沉陷技术d M . 东方出版社 , 1998. 115 - 117. ζζζζ长 ; h= C, 为局部损失系数 ; h= C, 为 动j j j a a a 3 范学理 , 刘文生 , 赵德深 , 等 . 中国东北煤矿区开采 ζ能修正系数 , 对于不可压缩管流取 = 1 。对于 a 损害防护理论与实践 M .北京 : 煤碳工为出版社 , 具体的情况 , 取注浆泵和孔底之间的一段流体进行 1998. 219 - 220. 研究 , 代入既定参数值可以计算出泵压 。当离层已 4 张玉卓 , 徐乃忠 . 地表沉陷控制新技术 M .北京 : 形成孔底无压力 P时 , 浆液可自由流入离层空间 , 2 中国矿大出版社 , 1998. 81 - 82. 这时会出现 “倒吸”现象 。注浆过程中一般泵压在5 张 也 影 . 流 体 力 学 M .北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 412MPa 左右 , 在浆注开始和结束时 , 泵压很高 , 一 1989. 166 - 168. 般为平常的 4 倍以上 , 约为 20 , 30MPa 。基于此研 6 采矿损害控制工程研究中心 . 抚顺老虎台覆岩离层注 究结果 , 我们确定了抚顺矿务局老虎台矿南翼 - 530 浆工程实施报告 R .6 水平 ?512 采 区 的 注 浆 泵 型 号。在 注 浆 开 始 和 结 Research on the calculation of grout a mount of harnessing the surface subsidence by injecting clay grouts into separated strata YANG Yu , ZHAO De2shen , L IU Wen2sheng , FAN Xue2li ()Liaoning Technical University , Fuxin 123000 , Liaoning , China Abstract : With the large amount exploitation of coal underground , the shifting of the space in coal bed caused land subsid2 ence . We put forward using the technology of injecting clay grouts into separated strata to control the surface subsidence on the basis of the theory about the occurance and development . According to the experience of injecting project , the volume and the pump pressure corresponding with it are some of the most important factors. After studying the mechanism of inject2 ing and the flowing model , the paper advances two methods to calculate the clay grouts volume、introduces some important parameters 、brings out the matching relation with the pump pressure by using the Berniulli Equation and gives an example of selecting type on the basis of the theory above . The experience may provide theoretical foundation for the injecting design on spot . Key words : injecting the clay grouts into separated strata ; injecting volume ; matching pump pressure ()上接第 59 页 Geogra phical inf ormation system ( GIS) of karst colla pses in Yulin , Guangxi 1 2 3J IANG Xiao2zhen, GAO J in2chuan, XUE Liu (1. Institute of Karst Geology , CAGS. Guilin 541004 , China ; 2. China University of Geosciences , Wuhan 430074 , China ; )3. Guilin Library , Guilin 541004 , China Abstract : The Sinkhole Information System of Yulin is introduced in the paper . The system is developed on the platform of Map Info professional by use of Visual Basic application. The aim of the information system is to assist governments and com2 munities in managing information , making decision and urban planing. The system covers about 70 collap se accidents con2 taining 414 sinkhole pits , and about 30 theme map s of sinkholes. The database includes five group s : the condition of sink2 hole formation , the urban information , the geotechnical data , the hydrological and weather data , the information of Yulin Diesel Engine Factory. The main advantages of the system are as following : 1 . Give a simple way to manage the information of geophysical survey , such as the results of Ground Penetrating Radar and sonic method. 2 . Through the management of information of engineering geological exploration with different scale , it is very easy to get any logging data and map . 3 . Within a small region , the large2scale map will replace the small ones. 4 . The manipulation of the system is very convenient , because all of the names of databases are listed in the menu. When users select a database , the map will display in the window immediately. Otherwise , for using GIS technique , the system has a powerful function for sorting and querying , it is therefore convenient to get the concerning messages in the way of map or table . ( ) Key words : geological hazard ; karst land collap se ; geographical information system GIS.