潞安矿区五阳煤矿8005工作面关键层分布特征及离层发育监测

樊 斌， 赵 明， 李世念， 林倚天

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西襄垣 046299；2.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

采煤沉陷常带来多种负面的生态环境影响，人居环境恶化和巨大的经济损失[1-2]，严重制约了我国绿色矿山建设和煤炭资源型城市的可持续发展[3-4]。覆岩离层注浆技术是煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分。该方法充分利用岩层移动规律，通过对选定的关键层下离层空间实施注浆充填，形成压实承载结构支撑关键层，可有效控制地表沉陷并保护地面构筑物，由于成本低和不影响井下正常开采而得到快速发展[5-8]。实施离层注浆时，覆岩关键层的分布特征对离层空间的形成起到决定性作用，并进一步影响注浆后的地表减沉效果[9-13]。

潞安矿区五阳煤矿8005工作面地表有不同的建/构筑物，若采煤时对这些建/构筑物不加以保护将产生严重后果，使村民遭受经济损失甚至危及人身安全。本文以五阳煤矿8005工作面采煤沉陷治理工程为背景，对注浆工作面覆岩关键层的分布特征进行分析研究，以进一步修正注浆参数，并在工作面回采过程中利用光纤技术开展了离层空间发育监测，为注浆工程的顺利实施奠定了基础。

1 研究背景

五阳煤矿位于山西省襄垣县境内，北距襄垣县城约3 km，南距长治市约45 km。五阳煤矿8005工作面位于西周村、西元垴村和东元垴村之间，设计采宽288 m，推进长度1 480 m，开采二叠系山西组3号煤层。煤层埋深530～651 m，平均厚度为5.5 m，可释放煤炭资源311万t。采煤方法为走向长臂式采煤法，生产方式为综采放顶煤开采，顶板管理方法为全部垮落法。

8005工作面地表有高压线线塔、线杆、光伏发电生态能源大棚、干渠、养殖场、种植场、加油站、加气站、洗车房和水泥管厂等建/构筑物，埋设有国防光缆、国化能源管道、供热管道和地下管网等设施，有国道208线、侯堡外环、乡道和村道等经过(图1)。若采煤时对这些建/构筑物不加以保护将产生严重后果。为减小釆动影响，有效保护地表建/构筑物，构建和谐的矿地关系，矿井在8005工作面回采过程中开展了覆岩离层注浆充填技术控制地表沉陷工程。

图1 8005工作面地表建/构筑物分布Figure 1 Surface buildings/structures distribution above coal face No.8005

2 关键层判别

地层中对岩体局部或直至地表的全部岩体的运动起控制作用的坚硬岩层称为关键层，其中对岩体局部运动起控制作用的坚硬岩层称为亚关键层，对岩体全部岩体的运动起控制作用的坚硬岩层称为主关键层。覆岩离层注浆技术的核心即是对目标关键层下的离层空间进行充填，从而控制覆岩主关键层稳定，最终达到地表减沉作用。利用2008年2月山西省煤炭地质114勘查院通过钻探和地球物理勘探获得的五阳煤矿8005工作面701、601孔资料和2020年6月中煤地质集团有限公司通过钻探和地球物理勘探获得WK01孔、WK02孔的岩石力学数据，采用关键层判别方法计算得到的关键层信息(表1)。

由表1可知，主关键层为距煤层402.15m的中粒砂岩，亚关键层共有6层，埋深在266.38～573.21m。

表1 关键层信息

3 注浆目的层确定

采动覆岩离层区注浆层位应在导水裂隙带之上的目标关键层下方离层区内，因此应确定采空区上覆岩层的两带范围。根据杨建立和滕永海对综放开采导水裂隙带高度的研究成果[7]，本次裂高采厚比取值为23，平均煤厚为5.5m，则导水裂隙带高度为126.5m。注浆时为防止离层区与导水裂隙带之间贯通，需要留设5倍煤层采高左右的围护带厚度(27.5m)，故离层注浆的层位应在距煤层154m以上。同时，注浆层位不宜过浅，也不能距煤层过近。距煤层越远，离层发育范围越小，注浆空间越小，注浆向下压实越不充分，还容易顶穿上部地层，产生跑浆冒浆。以我国学者范学理等为代表总结的经验，一般情况下注浆层位应超过0.3倍煤层埋深[14]。

基于上述分析，主注浆层位可选在亚关键层4下方的离层区，埋深为352.85m，距煤层267.10m。为进一步保证注浆效果，注浆时采用多层注浆技术，次注浆层位选在亚关键层5下方离层区，埋深为300.48m，距煤层319.47m。

4 关键层空间分布特征

通过对比分析8005工作面701、601钻孔和8006工作面WK01、WK02探查孔地层条件，统计关键层相关数据，并结合煤层分布情况分别绘制了8005工作面上覆地层亚关键层4和亚关键层5的底板等高线和等厚线(图2)，以及覆岩关键层剖面图(图3)。通过分析关键层的平面和剖面分布特征，进一步确定理想的注浆关键层位，为注浆工程的顺利开展提供重要参照。

图2 亚关键层底板等高线及等厚线Figure 2 Subcritical layer floor contour and isopach map

4.1 关键层平面分布特征

通过底板等高线图和等厚图可以发现，沿工作面推进方向岩层埋深逐渐变浅，注浆孔设计深度逐渐减小；主注浆层位亚关键层4沿工作面推进方向层厚逐渐减小，由切眼处21m至601孔处仅9m，按照701钻孔单孔资料计算的破断距可能出现偏差，以致局部采空塌陷控制效果不太理想。同理，次注浆层位亚关键层5沿工作面推进方向层厚逐渐增大，采用701钻孔单孔资料计算的数据进行采空塌陷控制，将达到较好效果。

4.2 关键层剖面分布特征

通过图3对比分析可知，各关键层随地层倾角变化整体连续性较好，亚关键层4在601孔和WK01孔附近厚度变薄，亚关键层5的厚度无显著变化，在601孔和WK02孔附近存在较薄的泥岩夹层。结合注浆层位选取原则，工作面从开切眼推进至701孔周边时，应以亚关键层4下的离层空间注浆为主，沿着工作面推进方向直至WK01孔附近亚关键层4逐渐变薄，此时应开展多层注浆(亚关键层4、5)，当工作面推进至WK02孔附近时，关键层4变厚，且亚关键层4和亚关键层5相距较近，此时应以亚关键层4为主要注浆目的层位。

图3 8005工作面覆岩关键层剖面Figure 3 Coal face No.8005 overburden critical layer section

综合上述对覆岩关键层的平、剖面分布特征分析，沿工作面推进方向应依次开展“单层—双层—单层”的过渡式注浆充填，0～500m注浆层位为亚关键层4，500～1 000m注浆层位为亚关键层4、5，1 000～1 480m注浆层位为亚关键层4。

5 离层空间发育监测

工作面开采初期利用分布式光纤传感监测技术对覆岩全层位变形进行了连续观测[15-17]。2021年7月10日，8005工作面开采前，在工作面推进方向80m处布设了光纤监测钻孔GC01，通过GC01孔将分布式光缆植入地层，8月25日工作面开始进行生产，动态监测了在工作面推进过程中，注浆实施前的覆岩离层变形发育情况。此工作面煤层埋深约620m，导水裂隙带高度约126.5m，主注浆层位关键层4埋深352.85m，光纤监测钻孔深度为500m，因此，可对煤层采动过程中，离层注浆控制位置上方的关键层和离层的移动变形情况开展研究，并进一步分析离层注浆控制条件下的覆岩移动变形过程。

图4为地层变形过程中光纤监测时空演化曲线，曲线横坐标为光纤变形量(正值表示地层发生拉伸变形，负值表示地层发生压缩变形)，纵坐标为地层深度，蓝-红曲线表示时间由远及近。从曲线可以看出，亚关键层4下方的离层所在地层从初始压缩状态变为拉伸状态，拉伸量逐渐增加，显示了离层正在逐渐发育，为初期开展离层注浆提供了重要参照。随着工作面不断向前推进，亚关键层4逐渐变薄，应采取多层注浆(亚关键层4、5)，以保障注浆减沉效果。

变形量/μg图4 离层发育过程监测Figure 4 Abscission layer development process monitoring

开展亚关键层4下离层注浆期间，注浆压力为0～3.35MPa，浆液密度为1.29～1.35g/cm3，共计注入粉煤灰22.55万t，观测得到的地表各观测点最大下沉速率为0～0.09mm/d，地表减沉效果满足设计要求。

6 结论

1)基于五阳煤矿8005工作面钻孔地质条件，判别了地层中覆岩关键层层位，其中，主关键层岩性为中粒砂岩，厚度为15.05m，埋深217.8m，距煤层402.15m；亚关键层共有6层，厚度在9.95～21.17m，埋深在266.38～573.21m。根据注浆层位选取原则，确定亚关键层4为主注浆层位，亚关键层5为次注浆层位。

2)对地层中覆岩关键层的平、剖面分布特征分析可知，沿工作面推进方向，亚关键层4先变薄再变厚，亚关键层5厚度总体变化不大。沿工作面推进方向应依次开展“单层—双层—单层”的过渡式注浆充填，0～500m注浆层位为亚关键层4，500～1 000m注浆层位为亚关键层4、5，1 000～1 480m注浆层位为亚关键层4。

3)工作面开采初期利用分布式光纤传感监测技术对覆岩全层位变形进行了连续观测，结果表明亚关键层4下方的离层所在地层从初始压缩状态变为拉伸状态，拉伸量逐渐增加，显示了离层正在逐渐发育，为工作面开采初期开展单层注浆工作提供了重要参照。