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規(guī)律，通過對選定的關(guān)鍵層下離層空間實施注漿充填，形成壓實承載結(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]。實施離層注漿時，覆巖關(guān)鍵層的分布特征對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，若采煤時對這些建/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，為注漿工程的順利實施奠定了基礎(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)計采寬288 m，推進(jìn)長度1 480 m，開采二疊系山西組3號煤層。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、種植場、加油站、加氣站、洗車房和水泥管廠等建/構(gòu)筑物，埋設(shè)有國防光纜、國化能源管道、供熱管道和地下管網(wǎng)等設(shè)施，有國道208線、侯堡外環(huán)、鄉(xiāng)道和村道等經(jīng)過(圖1)。若采煤時對這些建/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

地層中對巖體局部或直至地表的全部巖體的運動起控制作用的堅硬巖層稱為關(guān)鍵層，其中對巖體局部運動起控制作用的堅硬巖層稱為亞關(guān)鍵層，對巖體全部巖體的運動起控制作用的堅硬巖層稱為主關(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，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，注漿向下壓實越不充分，還容易頂穿上部地層，產(chǎn)生跑漿冒漿。以我國學(xué)者范學(xué)理等為代表總結(jié)的經(jīng)驗，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)計深度逐漸減??；主注漿層位亞關(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，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，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

工作面開采初期利用分布式光纖傳感監(jiān)測技術(shù)對覆巖全層位變形進(jìn)行了連續(xù)觀測[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)，動態(tài)監(jiān)測了在工作面推進(jìn)過程中，注漿實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)測鉆孔深度為500m，因此，可對煤層采動過程中，離層注漿控制位置上方的關(guān)鍵層和離層的移動變形情況開展研究，并進(jìn)一步分析離層注漿控制條件下的覆巖移動變形過程。

圖4為地層變形過程中光纖監(jiān)測時空演化曲線，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壓縮狀態(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，共計注入粉煤灰22.55萬t，觀測得到的地表各觀測點最大下沉速率為0～0.09mm/d，地表減沉效果滿足設(shè)計要求。

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)測技術(shù)對覆巖全層位變形進(jìn)行了連續(xù)觀測，結(jié)果表明亞關(guān)鍵層4下方的離層所在地層從初始壓縮狀態(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。