注浆充填技术在绿色建筑领域的研究进展

安 彪

（河北省众联能源环保科技有限公司 河北石家庄 050031）

目前，矿山主要充填开采方法有胶结充填开采、高水材料充填开采、矸石充填开采、胶结充填与注浆充填开采等，其中注浆充填开采技术能以较低成本有效的解决建筑物下压煤开采问题，使地面沉陷得到控制。

1 注浆充填的工程应用

注浆充填在国外应用较早，最初用来治理井下采煤过程中的渗水问题，主要是通过注浆防止打钻经过含水层时有大量的地下水外流[1]。同时注浆充填也应用于充填离层及采空区，控制由房柱式开采引起的覆岩运动、加强矿柱的稳定性，从而减小地表沉陷，达到保护地面建筑物及环境不受破坏的目的，波兰曾在80年代初进行过注浆减沉技术工程试验[2]，通过钻孔将工业废料充填覆岩采动空隙，地表下沉比垮落法开采减少了20%～30%。另外，注浆充填技术也应用在水利工程方面，通过向坝体内注入水泥等胶结料，防止大坝渗水，加强其稳定性。

2 注浆充填的理论研究

我国的注浆充填技术最初由范学理教授、齐东洪高工共同提出，是从研究岩层内部移动规律出发，根据煤矿层状岩体在煤层开采后的运动速度不相同的特点，在产生的离层内充填某种介质，如粉煤灰、砂石等，使覆岩下沉减小，从而达到控制地表沉陷的目的。自注浆充填减缓地表下沉的试验首次在抚顺矿务局取得成功之后，此项技术引起了我国从事开采沉陷及“三下”采煤的专家和工程技术人员的重视，先后在多个矿区进行了注浆减缓地表沉降现场试验，并取得了一定的成效。从工程实践的结果来看，在非充分开采条件下，注浆充填法可明显延缓地表下沉速度，有效减少地表下沉，而且注浆充填可以实现地下开采与地面注浆充填同步进行，互不干扰，具有简单易行、经济高效等优点，受到人们的重视[3]。

与此同步，有关研究者和工程技术人员从各个层面分析了注浆充填开采技术的机理及相关参数。1987年张延涛通过工程实践分析了钻孔注浆充填法减小地表变形破坏的可行性及机理；1995年郭惟嘉，刘立民等通过富氏积分变换得出了水平煤层离层的解析表达式，并通过相似材料模拟研究采动覆岩的主要离层位置、离层范围和离层的发育过程；张玉卓，陈立良通过相似材料模拟和数值模拟揭示了离层是一个动态力学行为，并分析了计算离层量大小的影响因素，提出了注浆充填的作用机理；姜岩从理论上分析了煤矿开采上覆岩层内部产生离层的基本条件、离层分布规律，建立了上覆岩层内部结构模型，应用弹性薄板理论对煤矿开采产生离层空间的高度和体积进行定量分析，并给出了地表沉陷预计方法；赵德深，苏仲杰等(1997)采用相似材料模拟，研究了覆岩内部离层产生和发展的时间及空间规律、浆液在离层空间的流动规律及存在状态。杨伦，于广明等（1997）以组合板变形的力学模型为基础，根据覆岩的层位、厚度及物理力学性质给出了定理计算离层位置的实用公式。赵德深、范学理等（1998）介绍了注浆充填技术的原理、特点及应用前景，从是否有利于离层充填技术实施的角度分析了一些主要地质采矿因素对离层分布时空规律的影响作用，并给出了离层充填技术的适用条件；许家林，钱鸣高（1998）基于关键层理论，揭示了离层分布的动态规律，在此基础上给出了注浆充填钻孔布置的原则。麻凤海（1998）采用神经网络理论，用定性因素和定量因素相结合的方法对地表沉陷及注浆效果进行了预测和评价；徐乃忠，马伟民等通过相似材料物理模拟、数值计算以及力学分析提出了注浆充填技术的地表沉陷计算方法，总结出采用注浆充填减沉方法的优化设计原则。麻凤海等（1999）通过可变形离散单元模拟了注浆充填减缓地层下沉的过程。滕永海等通过实测资料对离层发育规律进行研究，指出离层的发育主要受采动影响控制。王金庄、康建荣等（1999）进一步探讨了采动覆岩发展的时空规律和离层带注浆减沉效果评价方法。

郭惟嘉（2000）应用弹性理论，把煤矿层状复合岩体划分成以坚硬岩层为依托的岩组，给出了上覆岩层产生离层的层位、约束边界及离层发育形态的特征方程；研究了离层内注浆充填水压裂缝的延展机理，对注浆压力、注浆范围、注浆量等参数进行了分析，提出了注浆效果的评价方法与工程检测方法。姜德义、蒋再文等（2000）把采空区视为层状叠合板岩，利用弹性薄板理论小挠度基本方程及空源作用原理，提出了注浆充填控制沉降的计算模型，实现离层位置的确定和对注浆充填开采地表下沉预计。温兴林、成枢等讨论了在注浆充填时不同岩层组合条件下地表下沉的预计问题，介绍了采用地震波场对离层带浆液充填情况的探测原理及地表沉陷的预计方法。苏仲杰通过相似模拟实验，研究了粉煤灰在离层空间存在的形态及范围、注浆与工作面推进的关系，验证了粉煤灰充填离层空间后对上覆岩层的支撑作用。刘文生采用注浆充填控制地表沉陷技术对保护地面高压线路进行了试验研究并取得较好效果。

杨伦通过对离层发生、发展时空规律的物理模拟和分析，认为注浆充填主要作用为减缓地表沉陷，同时减沉效果有限。张向东，范学理（2002）根据流变力学理论和控制板梁组合运动理论，推导出了控制岩层弯曲变形及离层裂缝宽度的计算公式。谢兴华，高延法利用薄层接触元模拟覆岩内部岩层接触面，用粘弹性三单元模型建立本构关系，用有限单元方法模拟离层的动态发育规律，得到了离层产生、发展的动态过程。郭增长，王金庄（2002）提出了采用断面减沉率法评价注浆充填的减沉效果，并对其可能产生的误差进行了分析，比较客观地反映注浆充填的减沉效果；高延法，牛学良等（2004）根据注浆减沉实验成果，分析了注浆减沉过程中注浆压力的变化规律及影响注浆压力的主要因素。许家林、钱鸣高等（2004）通过试验与理论分析，对岩层移动过程中的离层位置与离层空间大小、离层动态发育特征及其影响因素进行了深入研究，并基于关键层理论，综合离层充填与条带开采技术的优点，提出了覆岩离层分区隔离注浆充填技术，可以在相邻工作面连续开采的情况下，仍能有效减缓地面沉降，保护地面村庄不受破坏[4]。

刘金海，冯涛（2009）基于弹性薄板弯曲理论、弹性地基理论和岩层控制的关键层理论，研究注浆充填减沉的力学机理，建立了采场覆岩力学模型和减沉效果的评价模型，给出了评价注浆充填减沉效果的计算公式。曾鹏，张东胜等（2009）根据注浆减沉工程注浆站的工况条件，开发了注浆工程监测系统，实时测量与在线监控压力、流量及密度等注浆参数。轩大洋，许家林等（2012）通过注浆充填控制巨厚火成岩下动力灾害的试验，试验研究表明注浆充填可以使火成岩受到有效支撑并降低实体煤柱上方的应力集中，同时减缓火成岩运动并防止其突然破断。

3 结语

目前，还有其他学者及有关单位仍在对注浆充填技术进行着孜孜不倦的研究和探索，为建筑物下开采提供理论指导。

[1]Jones，M．C．The use of drilling and pre－grouting prior to excavation of mine shafts [J]．Proc．Rapid Excavation and Tunnelling ConferenceAtlanta，Ga，U．S．A．1979．

[2] Jan Palarski.The Experimental and Practical Results of Appling backfill[A]．Innovations in Mining Back fill Technology，Proceedings of the 4th International Symposiumon Mining with Back fill[C]．Montreal，1989：33-37．

[3]徐乃忠，张玉卓．覆岩离层注浆控制地表沉陷技术的应用[J]．煤炭科学技术，2000，28（9）：1-3．

[4]倪建明,许家林,轩大洋.采动覆岩分区隔离注浆充填不迁村采煤技术[A]．煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会2012年学术年会论文集[C]．乌鲁木齐:中国煤炭学会开采专业委员会，2012．