离层注浆关键层判断方法研究

2022-09-16党凯

煤炭与化工 2022年8期

党凯

（中国煤炭地质总局第二水文地质队，河北邢台 054000）

0 引言

地表沉陷控制理论和覆岩离层注浆填充原理是目前离层注浆技术在实际应用中所需要使用的理论，对这些内容进行分析与探讨，也是在准确判断各个关键层所处的位置以及与煤层之间的关系的主要步骤。而这些内容的分析，对于选择合适的时机以及合适的层位而言极为重要，这对于科学合理的注浆孔布设有极大的参考作用，能够确保足够注浆填充材料的进入，也能够保障注浆填充压力的正常。

1 离层概念及沉浆使用原理

1.1 离层概念

离层主要产生在顶与老顶之间，随着时间的推移，直接顶会出现变形的情况，而老顶也会出现一定的变形，所以在直接顶跌落以前，两者之间会出现一定的缝隙，这些分离的间隙就是离层，而离层的距离则是直接顶与老顶之间的距离。在多数的复合顶当中，离层的发生可以是多个地方，大多数的离层会出现在有比较大的性质差异的岩石层当中。而不少的研究也明确表示，岩石层运动时以一种自下而上的成群运动所呈现，这个动态过程主要是由关键层的断裂运动去控制的。从各个层面的运动动态发展过程中可以看出，没一个运动过程中的分离层会出现在关键层的下方，而且最大发展高度都会在关键层之下。

而在离层与注浆技术中，与该技术相关的离层属于覆岩离层，这种离层基本都会出现在关键层的下方，最大发育高度与主关键层有关系。在这个结构当中，一旦相邻的2个关键层破断后，就算上方关键层厚度再大，下方也不会出现离层状况，而实际的离层注浆，就是作用于覆岩离层之中的。

1.2 离层沉浆原理

在岩石的运动过程中，可以利用在顶部所形成的分离腔进行填充，选用一些物体进行填充，有利于支撑超载，这种方式是为了减缓运动的传播。上覆分离层灌浆的采空区是在上层，当进行回填作业时，不会对井下工作面产生过多的干扰，并且关键层第一次破裂前，在分离带发育良好的情况下，分离量相对较大，因此注浆以及填土的难度也会相对下降。

一旦对关键层产生破坏，关键层下方的分离量就会有明显减少，会变成破坏以前的25%，这时灌浆难度也会相应增加。所以要进行分离灌浆，必须要在主键层首次破裂前进行，在进行孔的布置时，要在保证灌浆能够达到最佳缩减效果的同时，关键层也不会破裂。在现实情况中，分离区在未充满没有固定回填物时，浆液的浓度会相对应的被稀释，而关键层下的分离层则会随着采矿面的不断前进而发生膨胀，这些浇筑的浆液也会向前流动，填充效果必然会受到影响。因此，填料以及灌浆的工作，不能够在初始断裂以前对关键层起到支撑的作用，不能防止关键层的断裂，最终影响到后续分离灌浆的效果，也难以减少灌浆失败的风险，主关键层破坏前后覆岩运动特征如图1所示。

图1 主关键层破坏前后覆岩运动特征Fig.1 Movement characteristics of rock before and after main key strata failure

2 离层与关键层的关系

不少研究表明，关键层的运动对于离层的出现以及发展等，会有一定的控制作用，在工作面前进的方向，关键层下方的分离层必然会呈现动态分布的状态，其发展规律主要有2个阶段。首先是在第一层破坏关键点以前，随着工作面的持续发展，板层分离的数量会越来愈大，而且最大的板层分离区域子中部。当关键层出现第一次破裂状况后，关键层的分离层会出现采空区的中间致密的情况，而且采空区的两侧依然会有1个分离区。随着工作面的不断移动，侧面分离区域会不断地向前移动，此时，一侧分离区域的最大宽度仅为第一次断裂前的四分之一至四分之三，而且高度也是如此。从平面图谱上看关键层，矿区的周围存在横向连接的分离带，被称为矿缝的“O”形圈。沿着天花板高度，工作面会不断地前进，层间距也会从下往上发展，主要会以跳跃的方向实现。

3 关键层及其判断方法

3.1 关键层的概念

关键层是位于屋顶上方，具有不同厚度，也有不同强度的多层岩层。一层又或者是多层厚且硬的岩石，在覆岩层的活动中有一定的控制作用。而这些岩层的第一个称为亚关键层，第二个岩层则可以称为主关键层，相比起同类型的岩层，关键层会更加厚实，因此其支撑强度也会更大。此外，关键层和其他的岩石层相比，其岩石更硬，弹性模量也会更大，所以产生的阻力也会更大，除此以外，关键层的局部岩层沉降量是同步的，它们是协调的。当然，关键层是具有断裂特征的，关键层的断裂会引发一系列的问题，甚至会引起全部又或者是上覆岩层出现同时断裂的情况，让岩层逐步向着比较大的区域移动。从其他方面看来，关键层也有一定的承重特征。关键层破裂以前，会以“板”的结构形式被利用，多数会用作所有又或者是部分岩层的承载体，而且破裂之后，这也会变成砌体梁结构，作为主轴承体承受重力。

3.2 关键层的判断方法

3.2.1 常规判断方式

关键层的判断可以按照3个步骤进行。

第一步：由下往上，确定覆岩之中坚硬的岩石的位置。坚硬的岩石并非普通意义上的坚硬岩石，而是那些在变形过程中，挠度比下部岩层小，但却不与其下部岩层出现协调变形的岩层。假设岩层的第一层属于坚硬岩层，而由下往上数，它的第m层岩石会与其协调变形，而第m+1层的岩层不会出现协调变形，那么这一层岩石就属于第二层坚硬岩层。由于第一层到第m层岩石之间会产生协调变形，岩层的曲率是相同的，每个岩层会形成组合梁。而通过这种判断方式，可以准确推测出其他坚硬岩层，然后再通过坚硬岩层的位置对覆岩中的硬岩层的位置和这一应岩层控制的软层组进行判断。

第二步：根据公式，可以计算出各个硬岩层的破断距，坚硬的岩层的破断问题属于弹性基础上板的破断问题，为了能够简化计算，其破断距还是会采用两端固支梁模型进行计算。

第三步：最后通过每一个岩层破断距的比较，可以确定最终关键层的位置，然后再进行后续的工作。

3.2.2 使用计算机技术实现判断

随着计算机技术的不断发展，越来越多的领域对高科技敞开怀抱。关键层判断也不例外，利用先进技术实现更高效更便捷的判断已经成为许多技术人员的首选。KSPB软件是计算机实现判断中主要运用的软件。KSPB是采用Delphi4.0编制了判别覆岩关键层位置的计算机软件，包括6个控件，其功能分别为添加、运算、修改、清除、退出和柱状图显示。使用软件时，首先逐层输入岩层参数，其后判断覆岩岩层位置，并计算各坚硬岩层负荷数和各坚硬岩层的破断性，然后计算机就能得出关键层的判断结果。判别结果会以表格和柱状图2种形式输出，简洁明了十分清晰。计算机判断法能够有效地去除除基础数据外所有的干扰，可以较为准确地计算出关键层的位置，为离层注浆的实现助力。