重復(fù)采動覆巖離層井下鉆孔注漿充填減沉技術(shù)

鄭立軍

（河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454350）

長壁工作面開采后，在垂直和水平方向上分別形成“豎三帶”（垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶）和“橫三區(qū)”（煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)）[1]；通過跟隨工作面開采進(jìn)度和覆巖離層時空演化向采動覆巖裂隙和離層及時注漿充填，可有效減輕地表沉降速率和沉降量，對于解放“三下”呆滯煤量、保護(hù)礦區(qū)地下水資源環(huán)境、減輕地表采動損害等具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。20世紀(jì)80年代以來，我國針對覆巖離層注漿充填工程中的注漿材料黏結(jié)時變效應(yīng)和承壓性、采動離層演化規(guī)律、鉆孔和注漿管路設(shè)計、注漿過程在線監(jiān)測與反饋等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)[2-5]，在撫順、兗州、淮南、晉城等多個礦區(qū)開展了廣泛試驗研究與工程應(yīng)用，逐步形成了較成熟的覆巖離層注漿充填成套技術(shù)體系，并成為煤礦綠色開采體系中的重要組成部分[6]。

采動覆巖離層的時空演化規(guī)律是科學(xué)實(shí)現(xiàn)覆巖離層充填、保證覆巖和地表減沉效果的首要關(guān)鍵科學(xué)問題。錢鳴高等認(rèn)為主要采動離層區(qū)位置、空間特征參數(shù)與主關(guān)鍵層層位密切相關(guān)[7]，離層一般由巖層不協(xié)調(diào)變形破壞引起，主要萌生于未破斷的關(guān)鍵層下方。許家林等發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵層初次破斷后，其下方離層量僅為破斷前的25%~33%[8]，離層注漿必須在主關(guān)鍵層臨初次破斷前進(jìn)行；此外，隨著工作面推進(jìn)，離層水平范圍不斷擴(kuò)展，漿液不斷向前滲流，如果注漿量不能及時充滿離層空間，將難以有效阻止關(guān)鍵層破斷，進(jìn)而影響地表減沉效果，這也是非充分采動條件下減沉效果較好、充分采動條件下減沉效果明顯降低的原因[9]；針對此問題，許家林等組合離層充填和條帶開采技術(shù)，提出了覆巖離層分區(qū)隔離充填法，旨在控制主關(guān)鍵層不破斷。郭惟嘉基于富氏積分法推導(dǎo)了采動覆巖離層高度的計算方法[10]，此后又采用板殼理論給出了離層撓度公式，并對離層的萌生發(fā)育機(jī)理進(jìn)行了探討[11]。姜巖[12]基于Griffith強(qiáng)度理論和Mohr-Coulomb準(zhǔn)則提出了離層空洞的預(yù)計公式。滕永海等[13]通過對頂板巖層下沉速度進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，對離層發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了分析研究。高延法等[14]對離層意外閉合和多層位離層聯(lián)合充填注漿機(jī)理開展研究，提出低層位離層閉合后應(yīng)逐步轉(zhuǎn)向高層位充填。王金莊等[15]認(rèn)為，對于首采工作面離層注漿，對其控制地表沉降效果進(jìn)行評價時應(yīng)考慮充分采動狀況。當(dāng)前，通過地面鉆孔向覆巖離層注漿是主流工藝[16-20]，優(yōu)點(diǎn)為可實(shí)現(xiàn)多層位離層聯(lián)合注漿、鉆孔施工方便、可利用漿液自重增強(qiáng)注漿壓力、泵站施工易于在地面開展。

由上可知，當(dāng)前針對覆巖離層充填技術(shù)開展了大量研究工作，地面鉆孔充填技術(shù)已較為成熟，但對以下問題有待進(jìn)一步研究：一是（緩）傾斜煤層開采覆巖離層在水平方向上的發(fā)育范圍和擴(kuò)展過程，受煤層傾角影響，覆巖沉降規(guī)律勢必與近水平條件下的不同，離層空間形態(tài)位置的科學(xué)確定方法尚不明確；二是重復(fù)采動下的覆巖離層“開-閉”機(jī)理，重復(fù)采動后，覆巖活動較第1次開采時的更為劇烈，開采沉陷規(guī)律及參數(shù)發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，覆巖離層的“開-閉”機(jī)理不清晰，注漿時機(jī)不易把握；三是井下鉆場的鉆孔和注漿充填工藝。目前諸多礦井敷設(shè)有用于充填沿空留巷、采空區(qū)隔離防滅火注漿、瓦斯鉆孔漏風(fēng)封堵注漿或底板防突水注漿的井下注漿管路，因此，借用已有注漿管路實(shí)施離層注漿，并研究井下鉆孔和注漿工藝，對于降低離層注漿成本有重要意義。

為此，以焦作礦區(qū)古漢山礦16032工作面覆巖離層注漿充填為工程背景，充分考慮覆巖結(jié)構(gòu)和地表沉降特征，研究緩斜煤層重復(fù)采動條件下的覆巖離層空間分布規(guī)律，分析井下鉆孔注漿充填的可行性，并確定此條件下的覆巖離層注漿關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)，為后續(xù)類似工程地質(zhì)條件下的離層注漿提供參考借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 采區(qū)及工作面概況

古漢山礦位于焦作市東北，核定生產(chǎn)能力1.40 Mt/a，采用立井多水平上下山開拓布置方式。16采區(qū)位于古漢山礦西部，采用4條下山巷道開拓，東鄰F62-2斷層保護(hù)煤柱線，西至井田邊界（界碑?dāng)鄬樱?，淺部與14采區(qū)相鄰，深部至-640 m水平。16032下分層工作面為16采區(qū)東翼第2個回采工作面，其上分層16031工作面于2017年11月回采完畢。16032工作面西北方向與西翼運(yùn)輸大巷相鄰，其間存在寬度50~150 m的大巷保護(hù)煤柱。西翼運(yùn)輸大巷較16032工作面回風(fēng)平巷高91 m；東南方向為未開采的1605工作面，西為16采區(qū)回風(fēng)下山保護(hù)煤柱；東為斷層F62-2防水煤柱。16032工作面走向長511 m（至停采線），傾向長134 m，可采儲量20.52萬t，標(biāo)高-578~-528 m，對應(yīng)地面標(biāo)高+103~+105 m；主采煤層為二1煤層，厚0.5~3.1 m，平均采厚2.3 m，平均傾角16°，采用走向長壁傾斜分層綜合機(jī)械化全部垮落法進(jìn)行開采。煤層直接頂為人工假頂，厚3.0 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，厚7.6 m；絕對瓦斯涌出量2.4 m3/min，為煤與瓦斯突出煤層。古漢山礦16采區(qū)與16032工作面位置示意圖如圖1。

圖1 古漢山礦16采區(qū)與16032工作面位置示意圖Fig.1 The location of mining area No.16 and longwall panel No.16032 of Guhanshan Coal Mine

1.2 地表下沉情況

16032工作面采動影響范圍與下沉情況如圖2。

圖2 16032工作面采動影響范圍與下沉情況Fig.2 The mining-affected area and ground surface subsidence of longwall panel No.16032

結(jié)合圖1與圖2（a）可知，古漢山礦專用鐵路線、趙固礦鐵路線、馬墳養(yǎng)殖場、官莊養(yǎng)殖場、馬墳村、官莊村都在16032工作面回采影響范圍內(nèi)。圖2（a）中，下沉等值線為16031工作面回采后的預(yù)計值，藍(lán)色線框標(biāo)注的130.8 m是工作面中線到所預(yù)計的最大下沉點(diǎn)的水平距離。實(shí)際上，地表移動盆地（即預(yù)計影響范圍邊界）是近似橢圓形狀的，圖中的回采影響范圍線是所預(yù)計的地表移動盆地的外切四邊形，相比于橢圓狀的地表移動盆地更加保守、簡潔；為便于對地表影響范圍的測量和評估工作，本研究采用此四邊形工作面影響范圍線。

因歷史原因，16031上分層工作面在回采期間未能進(jìn)行覆巖離層注漿充填。根據(jù)古漢山礦專用鐵路線下沉實(shí)測結(jié)果（圖2（b）），16031上分層工作面回采結(jié)束后，地表最大下沉量超過600 mm。16032下分層工作面回采至2020年1月份時（距離停采線140 m），地表累計最大下沉量已超過1 200 mm，且在馬墳村北部耕地出現(xiàn)裂縫；2020年1—3月平均下沉速度2.45 mm/d，顯著高于1.67 mm/d的臨界值[21]，處于危險變形階段。為減輕地表建筑物損害，亟需對16032工作面采動覆巖沉降進(jìn)行控制。

1.3 關(guān)鍵層位置及覆巖斷裂帶高度

由16032工作面中部鉆孔得到巖層柱狀圖（略），以此巖層柱狀及物理力學(xué)性質(zhì)為基準(zhǔn)進(jìn)行關(guān)鍵層判別。經(jīng)軟件判別后，覆巖中存在3層關(guān)鍵層，分別為：①距煤層頂板7.68 m的細(xì)粒砂巖層（即下位基本頂），厚7.6 m，為亞關(guān)鍵層1；②距煤層頂板125.99 m的細(xì)粒砂巖層，厚9.35 m，為亞關(guān)鍵層2；③距煤層頂板300.07 m的粉砂巖層，厚18 m，為主關(guān)鍵層。

受重復(fù)采動影響，采用等效采厚，即上下分層累計采厚估算斷裂帶高度。覆巖巖性根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[22]，16032工作面覆巖斷裂帶高度可采用下式進(jìn)行估算：

式中：Hf為斷裂帶高度，m；M為累計采厚，取5.1 m。

據(jù)式（1）所估算的斷裂帶高度為53.9~71.7 m。

2 緩斜煤層重復(fù)采動影響

2.1 充分采動狀況

地表移動盆地是在工作面推進(jìn)過程中逐漸形成的，一般當(dāng)回采工作面自開切眼推進(jìn)的距離相當(dāng)于采深的1/4~1/2時，開采影響波及地表，引起地表下沉[21]。16031上分層工作面平均采深約646.1 m，因此當(dāng)推進(jìn)至162~323 m時，地表開始下沉。經(jīng)驗表明，當(dāng)采空區(qū)的長度和寬度均達(dá)到和超過1.2~1.4倍的平均開采深度時，地表方可達(dá)到充分采動。根據(jù)16032工作面開采參數(shù)，顯然走向和傾向長度均不能滿足充分采動條件，因此16032工作面沿走向和傾向都為非充分采動，地表沉降實(shí)測同樣證實(shí)此結(jié)果。諸多離層注漿充填工程經(jīng)驗表明，非充分采動條件下的覆巖離層注漿充填對地表減沉是有效的。

2.2 最大下沉角與離層水平位置關(guān)系

最大下沉角對確定覆巖離層的水平位置有重要參考意義。最大下沉角θ為傾斜主斷面上由采空區(qū)的中點(diǎn)和移動盆地最大下沉點(diǎn)的連線與水平線之間沿煤層下山方向一側(cè)的夾角。在緩斜或傾斜煤層條件下，θ隨煤層傾角的增大而減小。16032下分層工作面地表下沉盆地最大下沉點(diǎn)與工作面中心點(diǎn)沿傾斜方向的平距L為178.7 m，據(jù)此反推最大下沉角約為：

式中：H為工作面中心埋深，取648.9 m。

計算得16032下分層工作面最大下沉角θ=74.6°，緩斜煤層最大下沉角與離層水平位置關(guān)系如圖3。

圖3 緩斜煤層最大下沉角與離層水平位置關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum subsidence angle of gently inclined coal seam and horizontal position of separation layer

根據(jù)最大下沉角，可推測各巖層下沉最明顯的中心區(qū)。理論上，這些中心區(qū)的連線應(yīng)與最大下沉角相符，即圖3中的紅線。根據(jù)最大下沉角可確定離層水平位置。

2.3 重復(fù)采動影響

巖層和地表在經(jīng)受過1次采動影響并產(chǎn)生移動破壞后再一次經(jīng)歷采動影響。重復(fù)采動的覆巖及地表的移動破壞規(guī)律可較上分層首次采動發(fā)生顯著變化。

1）地表下沉量增大。首次采動后，破裂巖體經(jīng)歷了碎脹至壓實(shí)的過程；在重復(fù)采動時，這部分碎脹難以再次碎脹。此外，首次采動裂隙可在重復(fù)采動時閉合，使地表下沉量增大。16032下分層重復(fù)開采后的地表下沉速率達(dá)2.45 mm/d，下沉劇烈。前期預(yù)計最終下沉量為1 200 mm，但截至2020年3月，工作面距離停采線還有80 m時已累計下沉超過1 500 mm，說明了重復(fù)采動可誘發(fā)地表下沉量增大，覆巖活動劇烈，將影響離層注漿目標(biāo)層位與注漿時空順序。

2）地表非連續(xù)破壞概率增加。重復(fù)采動易誘導(dǎo)地表產(chǎn)生非連續(xù)破壞，甚至突然出現(xiàn)大斷裂現(xiàn)象，對地表建筑物損害較大。目前在距離16032工作面170 m的馬墳村北部耕地出現(xiàn)明顯裂縫。

3 覆巖離層注漿充填井下鉆孔方案

3.1 覆巖離層可注性分析

16032工作面中部上覆基巖厚度496.7 m，基巖厚度較大，且存在明顯的硬巖層和多層關(guān)鍵層，有利于較大離層空間的形成。亞關(guān)鍵層2和主關(guān)鍵層均處于彎曲下沉帶內(nèi)，在這2層關(guān)鍵層之間的砂巖層和泥巖層交替出現(xiàn)，呈現(xiàn)軟硬巖互層，為離層萌生創(chuàng)造了良好的地層條件，因此這2層關(guān)鍵層各自下方的離層以及其間的軟硬巖交互出現(xiàn)區(qū)域可作為充填注漿目標(biāo)區(qū)域。

根據(jù)古漢山以往埋深和采厚類似的采煤工作面的實(shí)測結(jié)果，充分采動下沉系數(shù)qa達(dá)0.87；16031上分層工作面開采完畢后，地表最大沉降量約685 mm，下沉系數(shù)qf約為0.255，說明遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到充分采動。保守估計地層中的累計垂向空隙hk為：

式中：Mup為16031上分層工作面采厚，取2.8 m。

經(jīng)計算，hk=1.722 m。

受16032下分層工作面重復(fù)采動影響，充分采動下沉系數(shù)將增大，可采用下式計算[22]：

式中：qr為重復(fù)充分采動下沉系數(shù)；a為下沉活化系數(shù)，取0.2。

計算得qr=1.04。同理于式（3），在16032工作面回采期間地表下沉量達(dá)1 200 mm時的覆巖累計垂向空隙hk=（1.04-1.2/5.1/cos16°）×5.1=4.08 m，覆巖橫向離層裂隙發(fā)育仍較充分，應(yīng)抓住此時機(jī)開展注漿工作。

16032工作面北側(cè)的西翼運(yùn)輸大巷（圖1）內(nèi)已布置有注漿管路，因此可充分利用此已有的注漿系統(tǒng)實(shí)施井下鉆孔覆巖離層充填注漿工程，可顯著降低離層充填注漿成本。

3.2 井下鉆孔方案

采用在西翼運(yùn)輸大巷做鉆場方式向16032工作面覆巖打鉆進(jìn)行離層充填注漿。借鑒其他礦井的覆巖離層注漿鉆孔終孔間距，結(jié)合16032工作面走向長度，在西翼運(yùn)輸大巷內(nèi)布置5個鉆場，每個鉆場各打設(shè)3個注漿鉆孔。工作面回采后，覆巖沉降和離層是1個由下至上逐步發(fā)展的過程，因此各鉆場的3個鉆孔設(shè)置不同終孔高度，由下至上分別指向亞關(guān)鍵層2下方離層區(qū)、亞關(guān)鍵層2與主關(guān)鍵層間的軟硬巖交互區(qū)、主關(guān)鍵層下方離層區(qū)，且終孔位置大致位于最大下沉線附近。4#鉆場井下分階段多靶區(qū)覆巖離層注漿鉆孔方案如圖4。圖4顯示了4#鉆場中3個鉆孔（4-1、4-2、4-3）的傾斜角度；這3個鉆孔位于同一垂直剖面上。4#和5#鉆場在西翼運(yùn)輸大巷繞道內(nèi)施工，以期對地表官莊養(yǎng)殖場進(jìn)行針對性保護(hù)；3#鉆場的終孔位置大致位于16032工作面走向中部，有利于對下沉最大點(diǎn)附近的覆巖離層進(jìn)行注漿。相鄰鉆場鉆孔終孔位置在走向上間距分別為100、100、100、80 m，5號鉆場鉆孔終孔在走向上距停采線50 m。

圖4 4#鉆場井下分階段多靶區(qū)覆巖離層注漿鉆孔方案Fig.4 Underground multi-target strata separation grouting drilling scheme by stages in 4#drilling site

4 工業(yè)性試驗

因4#鉆場緊隨16032工作面回采，覆巖離層將經(jīng)歷完整的由下至上垮落和離層過程。從試驗角度，應(yīng)優(yōu)先對4#鉆場進(jìn)行鉆孔施工和注漿工作。2020年2月至3月共施工注漿鉆孔3個，由下至上編號分別為4-1、4-2和4-3，且應(yīng)按照由下至上的順序，實(shí)施分階段、分靶區(qū)注漿。

所采用的注漿液是由粉煤灰、黃土、水基本按照3∶0.5∶1.2的質(zhì)量比混合而成，漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約65%~75%，密度約1 200~1 400 kg/m3。黃土對于改善注漿液固結(jié)效果及承載強(qiáng)度有重要作用。若粉煤灰供應(yīng)量不足，可采用石粉或煤泥代替。石粉的主要成分為二氧化硅和碳酸鈣，其細(xì)度和漿液比例與粉煤灰應(yīng)一致。經(jīng)實(shí)驗室配比試驗表明，煤泥與水的比例為1∶1時，漿液黏度與上述粉煤灰漿液較為接近，同樣應(yīng)添加適量黃土以提高固結(jié)效果。

4-1孔設(shè)計孔深300 m，方位角101°，鉆孔傾角2.3°；鉆進(jìn)至212 m時鉆孔出水，涌水量5 m3/h，說明鉆孔有可能穿過離層含水區(qū)或含水層。3月11日，孔深達(dá)到250 m時進(jìn)行首次粉煤灰注漿試驗，漿液密度為1 200 kg/m3，當(dāng)注入34.22 t后壓力便達(dá)到10 MPa，后續(xù)難以注進(jìn)，此現(xiàn)象說明孔深250 m處不是理想離層區(qū)。透孔后，于3月30日鉆進(jìn)延伸至300 m孔深位置，此位置正好是圖4中穿過最大下沉線的亞關(guān)鍵2下方離層區(qū)，然后進(jìn)行第2次注漿試驗，此時鉆孔終孔滯后工作面約100 m。4月6日共注入粉煤灰干料51.9 t，地面注漿泵表顯示注漿壓力為4~4.5 MPa。此后，粉煤灰漿液可連續(xù)不斷注入，注漿壓力大致維持在4~4.5 MPa，但注漿第7 d由于堵孔使得注入壓力急劇增至13 MPa，經(jīng)透孔后恢復(fù)正常。第12 d后，隨著粉煤灰注入量增加至82.65 t/d，注入應(yīng)力并無明顯增大，說明亞關(guān)鍵層2下的離層空間快速發(fā)育，注漿量稍顯不足，后期仍需增大注漿量，保證減沉效果。4-1孔注漿試驗曲線如圖5。

圖5 4-1孔注漿試驗曲線Fig.5 Grouting quality curves with time of borehole No.4-1

4-2孔鉆孔方位角120°，傾角10.9°，于4月14日開始注漿試驗，注漿第2日注入44.5 t粉煤灰干料，但注漿壓力增至10 MPa，第3日注漿壓力為13 MPa，注漿壓力過大。這說明亞關(guān)鍵層2上方的軟硬巖交互區(qū)的離層尚不發(fā)育，現(xiàn)階段應(yīng)仍以4-1孔注漿為主，待4-1孔注漿壓力顯著增大且確定4-1孔所在離層靶區(qū)基本充填密實(shí)后可逐步對4-2孔和4-3孔進(jìn)行注漿。

值得注意的是，塌孔、堵孔、離層閉合或離層充填密實(shí)都可使注漿壓力突然增大。實(shí)踐中，若發(fā)生注漿壓力突然增大現(xiàn)象，可將粉煤灰漿液置換為清水加壓脈沖式注入，嘗試透孔。若注入壓力逐步恢復(fù)正常，則說明是由于塌孔或堵孔造成注漿壓力增大。

截至2020年12月，所有鉆孔注漿工作已全部完成，地表累計最大下沉值為1.525 m，較注漿前下沉了0.3 m左右；且10月~12月內(nèi)最大下沉值僅增加了2 mm，采動影響范圍內(nèi)的馬墳村民房未出現(xiàn)任何開裂情況，說明地表下沉得到了有效控制。

5 討論

5.1 關(guān)鍵層判別準(zhǔn)確性的影響

關(guān)鍵層判別的準(zhǔn)確性對井下鉆孔覆巖離層注漿效果有直接影響。地面鉆孔離層注漿一般采用垂直孔，可實(shí)現(xiàn)1孔穿多個離層區(qū)，容錯性好。但對于井下直孔注漿方式，1個鉆孔只能服務(wù)于1個離層靶區(qū)，一旦終孔位置不合理，注漿效果將嚴(yán)重受影響。為提高井下注漿效果，可采用造斜鉆孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)一孔穿多層離層。

實(shí)際上，受地層產(chǎn)狀穩(wěn)定性、巖體結(jié)構(gòu)以及巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試準(zhǔn)確性等的影響，關(guān)鍵層位置及離層靶區(qū)的準(zhǔn)確識別是較為困難的。通過對比16032工作面范圍內(nèi)多個地質(zhì)鉆孔巖層柱狀，發(fā)現(xiàn)巖層厚度差異較大，直接影響關(guān)鍵層的穩(wěn)定性。此外，同一區(qū)域巖層所經(jīng)歷的歷史地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動頻次不盡相同，巖體結(jié)構(gòu)及工程巖體質(zhì)量參數(shù)不易準(zhǔn)確獲得，某些節(jié)理間距大于巖樣尺度的節(jié)理巖層可能表現(xiàn)出“巖樣強(qiáng)度高但宏觀巖體強(qiáng)度低”的特點(diǎn)，巖體裂隙的分形維數(shù)不變性在小于某一尺度后不再適用，干擾硬巖層及關(guān)鍵層判別。鉆孔柱狀圖關(guān)于厚巖層層理及結(jié)構(gòu)面特征的描述精度也直接影響關(guān)鍵層分析計算。因此，在實(shí)施井下鉆孔覆巖離層注漿時，不僅應(yīng)參考覆巖關(guān)鍵層位判別結(jié)果，還應(yīng)根據(jù)覆巖柱狀分階段多次探索最合理的離層注漿層位。

5.2 關(guān)鍵層破裂與地表下沉的關(guān)系

關(guān)鍵層理論認(rèn)為，主關(guān)鍵層破斷前地表沉降量較小，破斷后地表開始急劇下沉，但覆巖沉降的時效規(guī)律及機(jī)理至今仍不清晰。關(guān)鍵層和離層分布特征是由底層序列及其物理力學(xué)參數(shù)決定的，與工作面采高無關(guān)，因此在上、下分層開采期間都進(jìn)行離層注漿充填是最為理想的。但由于歷史原因未能及時在16031上分層開采過程中進(jìn)行離層注漿充填，導(dǎo)致在16032下分層工作面開采時，地表最大下沉量已超1 200 mm（含16031上分層工作面采動沉降量），因此主關(guān)鍵層最大下沉量也大于1 200 mm，必然發(fā)生損傷或破裂。受開采尺寸影響，16032工作面在相當(dāng)長時間內(nèi)將處于非充分采動階段，覆巖將逐步沉降然后趨于穩(wěn)定，大量離層殘留于地層中。因此，非充分采動條件下，雖然地表已發(fā)生明顯沉降、關(guān)鍵層也已損傷破裂，但歸因于巖體破裂膨脹擴(kuò)容效應(yīng)和地層水平應(yīng)力擠壓作用，損傷的關(guān)鍵層仍具有一定承載能力維持離層。此時對16032工作面覆巖離層進(jìn)行充填，對于減緩后續(xù)開采相鄰1605工作面采動影響，積累井下注漿工程經(jīng)驗仍有意義。許多工程實(shí)踐表明，覆巖離層充填對非充分采動條件下地表減沉仍然是有效的。非充分采動下待沉降量將以采空區(qū)碎脹和離層形式體現(xiàn)，但離層垂向分布特征和隨時間變化規(guī)律有待進(jìn)一步深入研究。

5.3 離層水平位置確定方法

無論對于地面鉆孔還是井下鉆孔覆巖離層充填方法，科學(xué)確定離層的水平位置至關(guān)重要。4-1孔分階段多次注漿試驗結(jié)果表明，根據(jù)最大下沉角確定緩斜煤層覆巖離層水平位置是可行的。最大下沉角是覆巖沉降運(yùn)動在地表最大下沉點(diǎn)的綜合體現(xiàn)，研究覆巖運(yùn)動問題應(yīng)盡可能利用、分析地表沉降數(shù)據(jù)，本研究提供了1種根據(jù)地表最大下沉點(diǎn)反推離層水平位置的方法與思路。此外，根據(jù)圖3可知，對于多關(guān)鍵層覆巖結(jié)構(gòu)，緩斜煤層或傾斜煤層的覆巖離層水平位置不相同，在設(shè)計鉆孔位置時應(yīng)充分考慮。

6 結(jié) 語

1）從綜合考慮覆巖結(jié)構(gòu)和地表沉降的研究思路出發(fā)，提出了根據(jù)最大下沉角確定緩斜煤層重復(fù)采動覆巖離層水平位置的方法，通過分階段多次注漿試驗驗證了此方法的合理性。根據(jù)地表沉降數(shù)據(jù)可反算出最大下沉角，覆巖離層起始擴(kuò)展以及離層量最大位置處于最大下沉線上。

2）提出了利用井下已有注漿管路系統(tǒng)、在井下布置鉆場和鉆孔對覆巖離層進(jìn)行注漿的方法。每個鉆場布置3個仰斜鉆孔，由下至上分別指向亞關(guān)鍵層2下方離層區(qū)、亞關(guān)鍵層2與主關(guān)鍵層間的軟硬巖交互區(qū)、主關(guān)鍵層下方離層區(qū)，終孔位置位于最大下沉線上。根據(jù)工作面開采進(jìn)程和覆巖垮落程度，按照由下至上的順序?qū)嵤┓蛛A段、分靶區(qū)注漿。

3）分析了關(guān)鍵層判別準(zhǔn)確性對井下鉆孔覆巖離層注漿效果的影響。對于井下直孔注漿方式，1個鉆孔只能服務(wù)于1個離層靶區(qū)，為提高井下注漿效果，將來可采用造斜鉆孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)一孔穿多層離層。受地層產(chǎn)狀穩(wěn)定性、巖體結(jié)構(gòu)以及巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試準(zhǔn)確性等的影響，關(guān)鍵層位置及離層靶區(qū)的準(zhǔn)確識別較為困難。在實(shí)施井下覆巖離層注漿時，不僅應(yīng)參考覆巖關(guān)鍵層位判別結(jié)果，還應(yīng)根據(jù)覆巖柱狀分階段多次探索最合理的離層注漿層位。