龍陸軍

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)中關(guān)鍵層理論的提出有力推動(dòng)了離層注漿技術(shù)的進(jìn)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(lǐng)域。離層的形成規(guī)律是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，如何準(zhǔn)確判定離層產(chǎn)生的時(shí)機(jī)和離層發(fā)育的時(shí)空規(guī)律，是離層注漿工程順利開(kāi)展的先決條件。

國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)離層發(fā)育規(guī)律開(kāi)展過(guò)大量的研究和探討，取得了豐碩的成果[4-9]。滕永海等通過(guò)理論研究以及實(shí)地觀測(cè)資料，提出離層的發(fā)育與巖層移動(dòng)速度有關(guān)，經(jīng)歷初期形成—加速發(fā)育—完全形成—閉合壓實(shí)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[4]。張慶松等在覆巖力學(xué)參數(shù)反分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬方法，揭示了離層從形成到閉合的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律，提出了井下開(kāi)采控制與覆巖注漿相結(jié)合的沉陷控制方法，該研究對(duì)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(chǎng)覆巖離層鉆孔巖移觀測(cè)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出不同采寬條件下，離層具有三種典型的采動(dòng)狀態(tài)：①當(dāng)離層非充分采動(dòng)時(shí)，覆巖內(nèi)離層較少，采動(dòng)空間(采厚)多殘存于垮落帶和裂隙帶。②離層充分采動(dòng)—地表非充分采動(dòng)時(shí)，覆巖內(nèi)離層能夠充分形成，離層個(gè)數(shù)多，離層縫寬度大，離層帶內(nèi)會(huì)殘存大量離層空間。③地表充分采動(dòng)時(shí)，雖然在采動(dòng)過(guò)程中覆巖內(nèi)曾經(jīng)形成過(guò)離層或者離層帶，但在開(kāi)采穩(wěn)定后離層多數(shù)都會(huì)閉合，其中僅殘留少量離層空間。在地表非充分采動(dòng)條件下，沉陷穩(wěn)定后覆巖內(nèi)仍殘存著大量采動(dòng)空間[6]。

覆巖離層的產(chǎn)生、發(fā)展、閉合是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)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(mén)克慶煤礦3101工作面試驗(yàn)段注漿充填工程為背景，依據(jù)關(guān)鍵層理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)成果和理論分析，對(duì)覆巖中關(guān)鍵層進(jìn)行了判別，并通過(guò)注漿孔對(duì)注漿試驗(yàn)段離層發(fā)育情況進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)一步總結(jié)歸納本區(qū)離層的時(shí)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(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況及關(guān)鍵層計(jì)算

1.1 工程概況

門(mén)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(zhǎng)方形，東西寬約7.6km，南北長(zhǎng)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 200萬(wàn)t/a，核定生產(chǎn)能力800萬(wàn)t/a，服務(wù)年限135a，目前生產(chǎn)能力800萬(wàn)t/a。

門(mén)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(cè)均為實(shí)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(hù)煤柱范圍內(nèi)，推進(jìn)長(zhǎng)度850m(圖1)。

開(kāi)展離層注漿前期，為了清楚掌握3-1煤層上覆地層地質(zhì)特征，確定關(guān)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(cè)井方式進(jìn)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(guān)鍵層信息計(jì)算

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

(1)

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

覆巖主關(guān)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(guān)鍵層，自上而下巖性分別為細(xì)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(cè)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(fēng)積砂、細(xì)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(xì)砂巖為主，下部粒度細(xì)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(xì)，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(mén)克慶煤礦3-1煤層覆巖層關(guān)鍵層參數(shù)

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

2.2 測(cè)井及離層探測(cè)方法

(1)聲波測(cè)井法

采用KH-2型數(shù)字測(cè)井儀系統(tǒng)進(jìn)行全孔測(cè)井，測(cè)井項(xiàng)目包括：自然伽馬、視電阻率、雙井徑、雙側(cè)向、聲波、井斜、自然電位、超聲成像、補(bǔ)償密度等，測(cè)井深度590m。

(2)鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法

鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)主要用來(lái)確定垮落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度，主要利用煤層開(kāi)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(dǎo)致鉆進(jìn)時(shí)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(cè)法

井下電視觀測(cè)主要是用來(lái)觀測(cè)煤層上覆巖層的完整性、原生裂隙的發(fā)育特征、采動(dòng)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(guān)鍵層發(fā)育規(guī)律分析

離層的概念最初來(lái)源于關(guān)鍵層理論。1996年錢(qián)鳴高等最初對(duì)關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層、離層的定義及理論進(jìn)行論述，主關(guān)鍵層有一層，亞關(guān)鍵層可存在多層[1-3]。

隨著煤層采動(dòng)，采動(dòng)覆巖離層出現(xiàn)在軟巖與關(guān)鍵層之間，下部離層最先形成，隨工作面推進(jìn)，初次形成的離層上部亞關(guān)鍵層會(huì)發(fā)生破斷，導(dǎo)致離層空間向上傳遞，在上部亞關(guān)鍵層、主關(guān)鍵層依次形成離層空間。當(dāng)主關(guān)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(guān)鍵層位置示意圖Figure 3 Schematic diagram of coal overburdenkey layer positions

煤系地層可分為堅(jiān)硬、硬、中硬、軟型四種類(lèi)型(圖4)，在上覆巖層中，巖層強(qiáng)度、厚度有對(duì)比性就會(huì)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(huì)在垂向上產(chǎn)生多個(gè)離層空間。

3.1 離層發(fā)育分析

經(jīng)過(guò)LY-1鉆孔取心資料及附近兩個(gè)鉆孔H062、MS36地層對(duì)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(zhì)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(zhì)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(cè)項(xiàng)目及相應(yīng)的觀測(cè)內(nèi)容、觀測(cè)儀器

圖4 離層巖層的互層條件力學(xué)結(jié)構(gòu)類(lèi)型Figure 4 Abscission layer interbedded condition mechanical structure types

結(jié)合鉆探巖心采樣及數(shù)據(jù)分析判定，337.00～351.00m段為主關(guān)鍵層下的離層發(fā)育區(qū)(圖5)。排除地層構(gòu)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(kāi)采后地層運(yùn)動(dòng)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(guān)鍵層判定

采用￠245mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)至58m，第四系底部下入￠219mm套管水泥固井封閉止水。二開(kāi)￠113mm無(wú)心鉆進(jìn)至393m，泥漿液漏失段為315.74～316.59m，采用無(wú)心鉆進(jìn)強(qiáng)鉆漏失段，在鉆進(jìn)至395.30m處連續(xù)消耗泥漿液36m3，后進(jìn)行測(cè)井?，F(xiàn)場(chǎng)利用超聲成像、井下電視錄像法進(jìn)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(jì)算，340m左右為主關(guān)鍵層，362.09～362.35m處有較大裂隙，兩段較大裂隙形成的原因?yàn)椴擅阂鸬牡貙舆\(yùn)動(dòng)異常。

3.3 亞關(guān)鍵層判定

分析上部裂隙發(fā)育情況后，下入168mm技術(shù)套管，對(duì)志丹群進(jìn)行永久性封閉止水，止水合格后進(jìn)行三開(kāi)，三開(kāi)用133mm鉆頭鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)至396m處泥漿液全漏失，建立不了循環(huán)；繼續(xù)頂漏鉆進(jìn)至532m直羅組， 在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)掉鉆、扒車(chē)、井壁坍塌等現(xiàn)象。利用測(cè)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(guān)鍵層判斷及斷距計(jì)算，此段為亞關(guān)鍵層Ⅲ，484m處為亞關(guān)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(jiān)硬穩(wěn)定。

4 裂隙帶發(fā)育規(guī)律分析

按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，裂隙帶界面在560m左右。由成像可見(jiàn)，560m以上為原生裂隙而非采動(dòng)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(jìn)入裂隙帶。560m左右為裂隙帶頂界，裂采比為26.75(圖10)。

現(xiàn)場(chǎng)井深達(dá)603.24m時(shí)，地面已和井下裂隙區(qū)全面貫通，形成較大的吸風(fēng)聲，進(jìn)一步證明該位置已經(jīng)完全進(jìn)入裂隙區(qū)[16]。

圖8 亞關(guān)鍵層Ⅲ超聲成像Figure 8 Sub-key layer III ultrasonic imaging

圖9 亞關(guān)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(jié)論

1)根據(jù)注漿區(qū)域附近的WZ13鉆孔柱狀圖信息，分析計(jì)算了覆巖關(guān)鍵層參數(shù)，覆巖主關(guān)鍵層埋深為346.40m，厚度為37.95m，巖性為中粗砂巖；亞關(guān)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(duì)探查孔進(jìn)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(guān)鍵層，390m左右為亞關(guān)鍵層Ⅲ，484m左右為亞關(guān)鍵層Ⅱ，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算得到的關(guān)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(jìn)入裂隙帶，深度達(dá)603.24m時(shí)，已和井下裂隙區(qū)全面貫通，形成較大的吸風(fēng)聲，進(jìn)一步證明該位置已經(jīng)完全進(jìn)入裂隙區(qū)。