潞安礦區(qū)五陽煤礦8005工作面關(guān)鍵層分布特征及離層發(fā)育監(jiān)測(cè)

樊 斌， 趙 明， 李世念， 林倚天

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西襄垣 046299；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

采煤沉陷常帶來多種負(fù)面的生態(tài)環(huán)境影響，人居環(huán)境惡化和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]，嚴(yán)重制約了我國(guó)綠色礦山建設(shè)和煤炭資源型城市的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。覆巖離層注漿技術(shù)是煤礦綠色開采技術(shù)體系的重要組成部分。該方法充分利用巖層移動(dòng)規(guī)律，通過對(duì)選定的關(guān)鍵層下離層空間實(shí)施注漿充填，形成壓實(shí)承載結(jié)構(gòu)支撐關(guān)鍵層，可有效控制地表沉陷并保護(hù)地面構(gòu)筑物，由于成本低和不影響井下正常開采而得到快速發(fā)展[5-8]。實(shí)施離層注漿時(shí)，覆巖關(guān)鍵層的分布特征對(duì)離層空間的形成起到?jīng)Q定性作用，并進(jìn)一步影響注漿后的地表減沉效果[9-13]。

潞安礦區(qū)五陽煤礦8005工作面地表有不同的建/構(gòu)筑物，若采煤時(shí)對(duì)這些建/構(gòu)筑物不加以保護(hù)將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，使村民遭受經(jīng)濟(jì)損失甚至危及人身安全。本文以五陽煤礦8005工作面采煤沉陷治理工程為背景，對(duì)注漿工作面覆巖關(guān)鍵層的分布特征進(jìn)行分析研究，以進(jìn)一步修正注漿參數(shù)，并在工作面回采過程中利用光纖技術(shù)開展了離層空間發(fā)育監(jiān)測(cè)，為注漿工程的順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

1 研究背景

五陽煤礦位于山西省襄垣縣境內(nèi)，北距襄垣縣城約3 km，南距長(zhǎng)治市約45 km。五陽煤礦8005工作面位于西周村、西元垴村和東元垴村之間，設(shè)計(jì)采寬288 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 480 m，開采二疊系山西組3號(hào)煤層。煤層埋深530～651 m，平均厚度為5.5 m，可釋放煤炭資源311萬t。采煤方法為走向長(zhǎng)臂式采煤法，生產(chǎn)方式為綜采放頂煤開采，頂板管理方法為全部垮落法。

8005工作面地表有高壓線線塔、線桿、光伏發(fā)電生態(tài)能源大棚、干渠、養(yǎng)殖場(chǎng)、種植場(chǎng)、加油站、加氣站、洗車房和水泥管廠等建/構(gòu)筑物，埋設(shè)有國(guó)防光纜、國(guó)化能源管道、供熱管道和地下管網(wǎng)等設(shè)施，有國(guó)道208線、侯堡外環(huán)、鄉(xiāng)道和村道等經(jīng)過(圖1)。若采煤時(shí)對(duì)這些建/構(gòu)筑物不加以保護(hù)將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。為減小釆動(dòng)影響，有效保護(hù)地表建/構(gòu)筑物，構(gòu)建和諧的礦地關(guān)系，礦井在8005工作面回采過程中開展了覆巖離層注漿充填技術(shù)控制地表沉陷工程。

圖1 8005工作面地表建/構(gòu)筑物分布Figure 1 Surface buildings/structures distribution above coal face No.8005

2 關(guān)鍵層判別

地層中對(duì)巖體局部或直至地表的全部巖體的運(yùn)動(dòng)起控制作用的堅(jiān)硬巖層稱為關(guān)鍵層，其中對(duì)巖體局部運(yùn)動(dòng)起控制作用的堅(jiān)硬巖層稱為亞關(guān)鍵層，對(duì)巖體全部巖體的運(yùn)動(dòng)起控制作用的堅(jiān)硬巖層稱為主關(guān)鍵層。覆巖離層注漿技術(shù)的核心即是對(duì)目標(biāo)關(guān)鍵層下的離層空間進(jìn)行充填，從而控制覆巖主關(guān)鍵層穩(wěn)定，最終達(dá)到地表減沉作用。利用2008年2月山西省煤炭地質(zhì)114勘查院通過鉆探和地球物理勘探獲得的五陽煤礦8005工作面701、601孔資料和2020年6月中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司通過鉆探和地球物理勘探獲得WK01孔、WK02孔的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，采用關(guān)鍵層判別方法計(jì)算得到的關(guān)鍵層信息(表1)。

由表1可知，主關(guān)鍵層為距煤層402.15m的中粒砂巖，亞關(guān)鍵層共有6層，埋深在266.38～573.21m。

表1 關(guān)鍵層信息

3 注漿目的層確定

采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿層位應(yīng)在導(dǎo)水裂隙帶之上的目標(biāo)關(guān)鍵層下方離層區(qū)內(nèi)，因此應(yīng)確定采空區(qū)上覆巖層的兩帶范圍。根據(jù)楊建立和滕永海對(duì)綜放開采導(dǎo)水裂隙帶高度的研究成果[7]，本次裂高采厚比取值為23，平均煤厚為5.5m，則導(dǎo)水裂隙帶高度為126.5m。注漿時(shí)為防止離層區(qū)與導(dǎo)水裂隙帶之間貫通，需要留設(shè)5倍煤層采高左右的圍護(hù)帶厚度(27.5m)，故離層注漿的層位應(yīng)在距煤層154m以上。同時(shí)，注漿層位不宜過淺，也不能距煤層過近。距煤層越遠(yuǎn)，離層發(fā)育范圍越小，注漿空間越小，注漿向下壓實(shí)越不充分，還容易頂穿上部地層，產(chǎn)生跑漿冒漿。以我國(guó)學(xué)者范學(xué)理等為代表總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，一般情況下注漿層位應(yīng)超過0.3倍煤層埋深[14]。

基于上述分析，主注漿層位可選在亞關(guān)鍵層4下方的離層區(qū)，埋深為352.85m，距煤層267.10m。為進(jìn)一步保證注漿效果，注漿時(shí)采用多層注漿技術(shù)，次注漿層位選在亞關(guān)鍵層5下方離層區(qū)，埋深為300.48m，距煤層319.47m。

4 關(guān)鍵層空間分布特征

通過對(duì)比分析8005工作面701、601鉆孔和8006工作面WK01、WK02探查孔地層條件，統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵層相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合煤層分布情況分別繪制了8005工作面上覆地層亞關(guān)鍵層4和亞關(guān)鍵層5的底板等高線和等厚線(圖2)，以及覆巖關(guān)鍵層剖面圖(圖3)。通過分析關(guān)鍵層的平面和剖面分布特征，進(jìn)一步確定理想的注漿關(guān)鍵層位，為注漿工程的順利開展提供重要參照。

圖2 亞關(guān)鍵層底板等高線及等厚線Figure 2 Subcritical layer floor contour and isopach map

4.1 關(guān)鍵層平面分布特征

通過底板等高線圖和等厚圖可以發(fā)現(xiàn)，沿工作面推進(jìn)方向巖層埋深逐漸變淺，注漿孔設(shè)計(jì)深度逐漸減?。恢髯{層位亞關(guān)鍵層4沿工作面推進(jìn)方向?qū)雍裰饾u減小，由切眼處21m至601孔處僅9m，按照701鉆孔單孔資料計(jì)算的破斷距可能出現(xiàn)偏差，以致局部采空塌陷控制效果不太理想。同理，次注漿層位亞關(guān)鍵層5沿工作面推進(jìn)方向?qū)雍裰饾u增大，采用701鉆孔單孔資料計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行采空塌陷控制，將達(dá)到較好效果。

4.2 關(guān)鍵層剖面分布特征

通過圖3對(duì)比分析可知，各關(guān)鍵層隨地層傾角變化整體連續(xù)性較好，亞關(guān)鍵層4在601孔和WK01孔附近厚度變薄，亞關(guān)鍵層5的厚度無顯著變化，在601孔和WK02孔附近存在較薄的泥巖夾層。結(jié)合注漿層位選取原則，工作面從開切眼推進(jìn)至701孔周邊時(shí)，應(yīng)以亞關(guān)鍵層4下的離層空間注漿為主，沿著工作面推進(jìn)方向直至WK01孔附近亞關(guān)鍵層4逐漸變薄，此時(shí)應(yīng)開展多層注漿(亞關(guān)鍵層4、5)，當(dāng)工作面推進(jìn)至WK02孔附近時(shí)，關(guān)鍵層4變厚，且亞關(guān)鍵層4和亞關(guān)鍵層5相距較近，此時(shí)應(yīng)以亞關(guān)鍵層4為主要注漿目的層位。

圖3 8005工作面覆巖關(guān)鍵層剖面Figure 3 Coal face No.8005 overburden critical layer section

綜合上述對(duì)覆巖關(guān)鍵層的平、剖面分布特征分析，沿工作面推進(jìn)方向應(yīng)依次開展“單層—雙層—單層”的過渡式注漿充填，0～500m注漿層位為亞關(guān)鍵層4，500～1 000m注漿層位為亞關(guān)鍵層4、5，1 000～1 480m注漿層位為亞關(guān)鍵層4。

5 離層空間發(fā)育監(jiān)測(cè)

工作面開采初期利用分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)覆巖全層位變形進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)[15-17]。2021年7月10日，8005工作面開采前，在工作面推進(jìn)方向80m處布設(shè)了光纖監(jiān)測(cè)鉆孔GC01，通過GC01孔將分布式光纜植入地層，8月25日工作面開始進(jìn)行生產(chǎn)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了在工作面推進(jìn)過程中，注漿實(shí)施前的覆巖離層變形發(fā)育情況。此工作面煤層埋深約620m，導(dǎo)水裂隙帶高度約126.5m，主注漿層位關(guān)鍵層4埋深352.85m，光纖監(jiān)測(cè)鉆孔深度為500m，因此，可對(duì)煤層采動(dòng)過程中，離層注漿控制位置上方的關(guān)鍵層和離層的移動(dòng)變形情況開展研究，并進(jìn)一步分析離層注漿控制條件下的覆巖移動(dòng)變形過程。

圖4為地層變形過程中光纖監(jiān)測(cè)時(shí)空演化曲線，曲線橫坐標(biāo)為光纖變形量(正值表示地層發(fā)生拉伸變形，負(fù)值表示地層發(fā)生壓縮變形)，縱坐標(biāo)為地層深度，藍(lán)-紅曲線表示時(shí)間由遠(yuǎn)及近。從曲線可以看出，亞關(guān)鍵層4下方的離層所在地層從初始?jí)嚎s狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，拉伸量逐漸增加，顯示了離層正在逐漸發(fā)育，為初期開展離層注漿提供了重要參照。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，亞關(guān)鍵層4逐漸變薄，應(yīng)采取多層注漿(亞關(guān)鍵層4、5)，以保障注漿減沉效果。

變形量/μg圖4 離層發(fā)育過程監(jiān)測(cè)Figure 4 Abscission layer development process monitoring

開展亞關(guān)鍵層4下離層注漿期間，注漿壓力為0～3.35MPa，漿液密度為1.29～1.35g/cm3，共計(jì)注入粉煤灰22.55萬t，觀測(cè)得到的地表各觀測(cè)點(diǎn)最大下沉速率為0～0.09mm/d，地表減沉效果滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

1)基于五陽煤礦8005工作面鉆孔地質(zhì)條件，判別了地層中覆巖關(guān)鍵層層位，其中，主關(guān)鍵層巖性為中粒砂巖，厚度為15.05m，埋深217.8m，距煤層402.15m；亞關(guān)鍵層共有6層，厚度在9.95～21.17m，埋深在266.38～573.21m。根據(jù)注漿層位選取原則，確定亞關(guān)鍵層4為主注漿層位，亞關(guān)鍵層5為次注漿層位。

2)對(duì)地層中覆巖關(guān)鍵層的平、剖面分布特征分析可知，沿工作面推進(jìn)方向，亞關(guān)鍵層4先變薄再變厚，亞關(guān)鍵層5厚度總體變化不大。沿工作面推進(jìn)方向應(yīng)依次開展“單層—雙層—單層”的過渡式注漿充填，0～500m注漿層位為亞關(guān)鍵層4，500～1 000m注漿層位為亞關(guān)鍵層4、5，1 000～1 480m注漿層位為亞關(guān)鍵層4。

3)工作面開采初期利用分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)覆巖全層位變形進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，結(jié)果表明亞關(guān)鍵層4下方的離層所在地層從初始?jí)嚎s狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，拉伸量逐漸增加，顯示了離層正在逐漸發(fā)育，為工作面開采初期開展單層注漿工作提供了重要參照。