門克慶煤礦關鍵層及離層空間演化規(guī)律研究

龍陸軍

(中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

采場上覆巖層活動中關鍵層理論的提出有力推動了離層注漿技術的進一步發(fā)展[1-3]，并衍生出離層空間發(fā)育規(guī)律這一研究領域。離層的形成規(guī)律是一個相對復雜的問題，如何準確判定離層產(chǎn)生的時機和離層發(fā)育的時空規(guī)律，是離層注漿工程順利開展的先決條件。

國內(nèi)許多專家學者針對離層發(fā)育規(guī)律開展過大量的研究和探討，取得了豐碩的成果[4-9]。滕永海等通過理論研究以及實地觀測資料，提出離層的發(fā)育與巖層移動速度有關，經(jīng)歷初期形成—加速發(fā)育—完全形成—閉合壓實的動態(tài)變化過程[4]。張慶松等在覆巖力學參數(shù)反分析的基礎上，通過動態(tài)數(shù)值模擬方法，揭示了離層從形成到閉合的動態(tài)發(fā)育規(guī)律，提出了井下開采控制與覆巖注漿相結合的沉陷控制方法，該研究對提高資源回收率與更好地控制地表沉陷具有重要意義[5]。王素華根據(jù)現(xiàn)場覆巖離層鉆孔巖移觀測實驗總結出不同采寬條件下，離層具有三種典型的采動狀態(tài)：①當離層非充分采動時，覆巖內(nèi)離層較少，采動空間(采厚)多殘存于垮落帶和裂隙帶。②離層充分采動—地表非充分采動時，覆巖內(nèi)離層能夠充分形成，離層個數(shù)多，離層縫寬度大，離層帶內(nèi)會殘存大量離層空間。③地表充分采動時，雖然在采動過程中覆巖內(nèi)曾經(jīng)形成過離層或者離層帶，但在開采穩(wěn)定后離層多數(shù)都會閉合，其中僅殘留少量離層空間。在地表非充分采動條件下，沉陷穩(wěn)定后覆巖內(nèi)仍殘存著大量采動空間[6]。

覆巖離層的產(chǎn)生、發(fā)展、閉合是一個動態(tài)發(fā)育過程，不同地層條件下離層發(fā)育規(guī)律具有差異性[7]。本文以門克慶煤礦3101工作面試驗段注漿充填工程為背景，依據(jù)關鍵層理論，結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)成果和理論分析，對覆巖中關鍵層進行了判別，并通過注漿孔對注漿試驗段離層發(fā)育情況進行了驗證，進一步總結歸納本區(qū)離層的時空演化規(guī)律，從而為該地區(qū)煤礦覆巖離層發(fā)育規(guī)律的研究提供了理論及實踐依據(jù)。

1 工程概況及關鍵層計算

1.1 工程概況

門克慶煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)。井田為一長方形，東西寬約7.6km，南北長約12.3km，面積約94.95km2。井田所處地區(qū)具有高原沙漠地貌特征，井田內(nèi)植被稀疏，為半荒漠地區(qū)。礦井設計生產(chǎn)能力1 200萬t/a，核定生產(chǎn)能力800萬t/a，服務年限135a，目前生產(chǎn)能力800萬t/a。

門克慶煤礦11-3101工作面為首采工作面，注漿區(qū)位于11-3101工作面后半部分，工作面兩側均為實體煤，工作面寬度為260.4m，埋深693～721m，煤層傾角1°～4°，煤層平均厚度4.92m，注漿區(qū)位于鐵路保護煤柱范圍內(nèi)，推進長度850m(圖1)。

開展離層注漿前期，為了清楚掌握3-1煤層上覆地層地質特征，確定關鍵層位置和離層層位，在距注漿區(qū)2 600m處工作面已有采空區(qū)施工了探查孔(圖1)，孔深602m，采用井下電視錄像和測井方式進行探查。

圖1 注漿區(qū)及探查孔平面位置圖Figure 1 Grouting area and exploration borehole positions

1.2 關鍵層信息計算

根據(jù)注漿區(qū)域附近的WZ13鉆孔柱狀圖信息，判別關鍵層的層位，根據(jù)固支梁計算關鍵層破斷距。

(1)

式中：LT為關鍵層破斷距，m；hk為關鍵層厚度，m；RT為關鍵層抗拉強度，MPa；q為關鍵層承受載荷，kN/m2[10]。

覆巖主關鍵層巖性為中粒砂巖，厚度37.95m，埋深346.4m；覆巖中存在3層亞關鍵層，自上而下巖性分別為細粒砂巖、粉砂巖、中粗砂巖，厚度分別為26.77m、29.62m、40.27m，埋深分別為373.20m、482.01m、664.97m(表1、圖2)。

2 鉆遇地層及探測方法

2.1 鉆遇地層

鉆遇地層由新到老分別為第四系(Q4)、下白堊統(tǒng)志丹群(K1Zd)、中侏羅統(tǒng)安定組(J2a)、中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)。第四系(Q4)多由風積砂、細砂組成，厚50～60m，覆蓋井田全部范圍。下白堊統(tǒng)志丹群(K1Zd)厚50～400m，上部粒度粗，以中細砂巖為主，下部粒度細以粉砂巖為主，與下伏安定組(J2a)呈不整合接觸。中侏羅統(tǒng)安定組(J2a)，在井田內(nèi)厚70～80m，巖石粒度從上到下，逐漸變細，與下伏直羅組(J2z)呈整合接觸。中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)為井田內(nèi)含煤地層的直接上覆地層，地層厚度約130m，巖石粒度由上到下逐漸變粗[11]。

表1 門克慶煤礦3-1煤層覆巖層關鍵層參數(shù)

圖2 3101工作面關鍵層示意圖(WZ13孔)Figure 2 Schematic diagram of coal face No.3101 key layers(borehole WZ13)

2.2 測井及離層探測方法

(1)聲波測井法

采用KH-2型數(shù)字測井儀系統(tǒng)進行全孔測井，測井項目包括：自然伽馬、視電阻率、雙井徑、雙側向、聲波、井斜、自然電位、超聲成像、補償密度等，測井深度590m。

(2)鉆孔沖洗液漏失量觀測法

鉆孔沖洗液漏失量觀測主要用來確定垮落帶高度和導水裂隙帶高度，主要利用煤層開采后頂板自然垮塌使上覆巖層出現(xiàn)孔隙和裂隙并相互連通，從而導致鉆進時孔內(nèi)的沖洗液消耗量增大甚至完全漏失而出現(xiàn)干孔的現(xiàn)象(表2)。

(3)井下電視觀測法

井下電視觀測主要是用來觀測煤層上覆巖層的完整性、原生裂隙的發(fā)育特征、采動巖體裂縫帶內(nèi)巖層的裂縫發(fā)育寬度、連通情況，巖體破碎狀況和垮落巖塊的分布情況，以及鉆孔內(nèi)部裂縫的滲水和孔內(nèi)水位變化情況[12]。

3 覆巖關鍵層發(fā)育規(guī)律分析

離層的概念最初來源于關鍵層理論。1996年錢鳴高等最初對關鍵層、亞關鍵層、離層的定義及理論進行論述，主關鍵層有一層，亞關鍵層可存在多層[1-3]。

隨著煤層采動，采動覆巖離層出現(xiàn)在軟巖與關鍵層之間，下部離層最先形成，隨工作面推進，初次形成的離層上部亞關鍵層會發(fā)生破斷，導致離層空間向上傳遞，在上部亞關鍵層、主關鍵層依次形成離層空間。當主關鍵層發(fā)生破斷后，離層空間將傳遞到地表形成地表塌陷。

圖3 煤層上覆巖層關鍵層位置示意圖Figure 3 Schematic diagram of coal overburdenkey layer positions

煤系地層可分為堅硬、硬、中硬、軟型四種類型(圖4)，在上覆巖層中，巖層強度、厚度有對比性就會產(chǎn)生離層，特別是位于上覆巖層中0.56～0.76倍的采深范圍內(nèi)，會在垂向上產(chǎn)生多個離層空間。

3.1 離層發(fā)育分析

經(jīng)過LY-1鉆孔取心資料及附近兩個鉆孔H062、MS36地層對比分析可知：①H062鉆孔349.51m以上巖性為中粒砂巖，349.50～365.81m，此段為砂質泥巖(離層發(fā)育段)，365.81～386.30m巖性為粗粒砂巖，386.30～400.69m為泥巖(離層發(fā)育段)。②MS36鉆孔348.35m以上巖性為粗砂巖，348.35～356.65m為砂質泥巖(離層發(fā)育段)，356.65～368m巖性為中粒砂巖，368.00～388m巖性為泥巖(離層發(fā)育段)。

表2 觀測項目及相應的觀測內(nèi)容、觀測儀器

圖4 離層巖層的互層條件力學結構類型Figure 4 Abscission layer interbedded condition mechanical structure types

結合鉆探巖心采樣及數(shù)據(jù)分析判定，337.00～351.00m段為主關鍵層下的離層發(fā)育區(qū)(圖5)。排除地層構造、斷層等原因，形成多層漏失段大裂隙的主要原因是由于開采后地層運動引起的[13-14]。

圖5 LY-1鉆孔330.00～340.00m巖心Figure 5 Borehole LY-1 depth 330.00～340.00m rock cores

3.2 主關鍵層判定

采用￠245mm牙輪鉆頭鉆進至58m，第四系底部下入￠219mm套管水泥固井封閉止水。二開￠113mm無心鉆進至393m，泥漿液漏失段為315.74～316.59m，采用無心鉆進強鉆漏失段，在鉆進至395.30m處連續(xù)消耗泥漿液36m3，后進行測井?，F(xiàn)場利用超聲成像、井下電視錄像法進行判定分析(圖6、圖7)。根據(jù)錄像資料顯示，在316.59～362.35m段內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處橫向、縱向較大的裂隙，根據(jù)地層資料及模擬計算，340m左右為主關鍵層，362.09～362.35m處有較大裂隙，兩段較大裂隙形成的原因為采煤引起的地層運動異常。

3.3 亞關鍵層判定

分析上部裂隙發(fā)育情況后，下入168mm技術套管，對志丹群進行永久性封閉止水，止水合格后進行三開，三開用133mm鉆頭鉆進，在鉆進至396m處泥漿液全漏失，建立不了循環(huán)；繼續(xù)頂漏鉆進至532m直羅組， 在鉆進過程中出現(xiàn)掉鉆、扒車、井壁坍塌等現(xiàn)象。利用測井和井下錄像手段了解裂隙發(fā)育情況，390～398m處，有多處較大橫向裂隙發(fā)育，根據(jù)關鍵層判斷及斷距計算，此段為亞關鍵層Ⅲ，484m處為亞關鍵層Ⅱ發(fā)育段(圖8、圖9)[15]。

成像顯示在志丹群下部30m段裂隙離層較為發(fā)育，表明志丹群為半成巖，但30m向上地層未受破壞而且堅硬穩(wěn)定。

4 裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析

按經(jīng)驗公式計算，裂隙帶界面在560m左右。由成像可見，560m以上為原生裂隙而非采動裂隙，地層比較完整，560m向下呈現(xiàn)連續(xù)層狀裂隙，特別到572m以下，層狀裂隙密集，完全進入裂隙帶。560m左右為裂隙帶頂界，裂采比為26.75(圖10)。

現(xiàn)場井深達603.24m時，地面已和井下裂隙區(qū)全面貫通，形成較大的吸風聲，進一步證明該位置已經(jīng)完全進入裂隙區(qū)[16]。

圖8 亞關鍵層Ⅲ超聲成像Figure 8 Sub-key layer III ultrasonic imaging

圖9 亞關鍵層Ⅱ超聲成像Figure 9 Sub-key layer II ultrasonic imaging

圖10 裂隙帶超聲成像Figure 10 Fissure zone ultrasonic imaging

5 結論

1)根據(jù)注漿區(qū)域附近的WZ13鉆孔柱狀圖信息，分析計算了覆巖關鍵層參數(shù)，覆巖主關鍵層埋深為346.40m，厚度為37.95m，巖性為中粗砂巖；亞關鍵層存在3層，自上而下埋深分別為373.20m、482.01m、664.97m，厚度分別為26.77m、29.62m、40.27m，巖性分別為粗粒砂巖、粉砂巖、中粗粒砂巖。

2)利用超聲成像和井下電視錄像法對探查孔進行了探查，顯示采空區(qū)地層中存在多處橫向裂隙，340m左右為主關鍵層，390m左右為亞關鍵層Ⅲ，484m左右為亞關鍵層Ⅱ，實測值與理論計算得到的關鍵層參數(shù)較吻合。

3)560m左右為裂隙帶頂界，裂采比為26.75，560m向下呈現(xiàn)連續(xù)層狀裂隙，到572m以下，層狀裂隙密集，完全進入裂隙帶，深度達603.24m時，已和井下裂隙區(qū)全面貫通，形成較大的吸風聲，進一步證明該位置已經(jīng)完全進入裂隙區(qū)。