離層注漿關(guān)鍵層判斷方法研究

黨凱

（中國煤炭地質(zhì)總局 第二水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

地表沉陷控制理論和覆巖離層注漿填充原理是目前離層注漿技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中所需要使用的理論，對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行分析與探討，也是在準(zhǔn)確判斷各個(gè)關(guān)鍵層所處的位置以及與煤層之間的關(guān)系的主要步驟。而這些內(nèi)容的分析，對(duì)于選擇合適的時(shí)機(jī)以及合適的層位而言極為重要，這對(duì)于科學(xué)合理的注漿孔布設(shè)有極大的參考作用，能夠確保足夠注漿填充材料的進(jìn)入，也能夠保障注漿填充壓力的正常。

1 離層概念及沉漿使用原理

1.1 離層概念

離層主要產(chǎn)生在頂與老頂之間，隨著時(shí)間的推移，直接頂會(huì)出現(xiàn)變形的情況，而老頂也會(huì)出現(xiàn)一定的變形，所以在直接頂?shù)湟郧?，兩者之間會(huì)出現(xiàn)一定的縫隙，這些分離的間隙就是離層，而離層的距離則是直接頂與老頂之間的距離。在多數(shù)的復(fù)合頂當(dāng)中，離層的發(fā)生可以是多個(gè)地方，大多數(shù)的離層會(huì)出現(xiàn)在有比較大的性質(zhì)差異的巖石層當(dāng)中。而不少的研究也明確表示，巖石層運(yùn)動(dòng)時(shí)以一種自下而上的成群運(yùn)動(dòng)所呈現(xiàn)，這個(gè)動(dòng)態(tài)過程主要是由關(guān)鍵層的斷裂運(yùn)動(dòng)去控制的。從各個(gè)層面的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程中可以看出，沒一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的分離層會(huì)出現(xiàn)在關(guān)鍵層的下方，而且最大發(fā)展高度都會(huì)在關(guān)鍵層之下。

而在離層與注漿技術(shù)中，與該技術(shù)相關(guān)的離層屬于覆巖離層，這種離層基本都會(huì)出現(xiàn)在關(guān)鍵層的下方，最大發(fā)育高度與主關(guān)鍵層有關(guān)系。在這個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，一旦相鄰的2個(gè)關(guān)鍵層破斷后，就算上方關(guān)鍵層厚度再大，下方也不會(huì)出現(xiàn)離層狀況，而實(shí)際的離層注漿，就是作用于覆巖離層之中的。

1.2 離層沉漿原理

在巖石的運(yùn)動(dòng)過程中，可以利用在頂部所形成的分離腔進(jìn)行填充，選用一些物體進(jìn)行填充，有利于支撐超載，這種方式是為了減緩運(yùn)動(dòng)的傳播。上覆分離層灌漿的采空區(qū)是在上層，當(dāng)進(jìn)行回填作業(yè)時(shí)，不會(huì)對(duì)井下工作面產(chǎn)生過多的干擾，并且關(guān)鍵層第一次破裂前，在分離帶發(fā)育良好的情況下，分離量相對(duì)較大，因此注漿以及填土的難度也會(huì)相對(duì)下降。

一旦對(duì)關(guān)鍵層產(chǎn)生破壞，關(guān)鍵層下方的分離量就會(huì)有明顯減少，會(huì)變成破壞以前的25%，這時(shí)灌漿難度也會(huì)相應(yīng)增加。所以要進(jìn)行分離灌漿，必須要在主鍵層首次破裂前進(jìn)行，在進(jìn)行孔的布置時(shí)，要在保證灌漿能夠達(dá)到最佳縮減效果的同時(shí)，關(guān)鍵層也不會(huì)破裂。在現(xiàn)實(shí)情況中，分離區(qū)在未充滿沒有固定回填物時(shí)，漿液的濃度會(huì)相對(duì)應(yīng)的被稀釋，而關(guān)鍵層下的分離層則會(huì)隨著采礦面的不斷前進(jìn)而發(fā)生膨脹，這些澆筑的漿液也會(huì)向前流動(dòng)，填充效果必然會(huì)受到影響。因此，填料以及灌漿的工作，不能夠在初始斷裂以前對(duì)關(guān)鍵層起到支撐的作用，不能防止關(guān)鍵層的斷裂，最終影響到后續(xù)分離灌漿的效果，也難以減少灌漿失敗的風(fēng)險(xiǎn)，主關(guān)鍵層破壞前后覆巖運(yùn)動(dòng)特征如圖1所示。

圖1 主關(guān)鍵層破壞前后覆巖運(yùn)動(dòng)特征Fig.1 Movement characteristics of rock before and after main key strata failure

2 離層與關(guān)鍵層的關(guān)系

不少研究表明，關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)對(duì)于離層的出現(xiàn)以及發(fā)展等，會(huì)有一定的控制作用，在工作面前進(jìn)的方向，關(guān)鍵層下方的分離層必然會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)分布的狀態(tài)，其發(fā)展規(guī)律主要有2個(gè)階段。首先是在第一層破壞關(guān)鍵點(diǎn)以前，隨著工作面的持續(xù)發(fā)展，板層分離的數(shù)量會(huì)越來愈大，而且最大的板層分離區(qū)域子中部。當(dāng)關(guān)鍵層出現(xiàn)第一次破裂狀況后，關(guān)鍵層的分離層會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)的中間致密的情況，而且采空區(qū)的兩側(cè)依然會(huì)有1個(gè)分離區(qū)。隨著工作面的不斷移動(dòng)，側(cè)面分離區(qū)域會(huì)不斷地向前移動(dòng)，此時(shí)，一側(cè)分離區(qū)域的最大寬度僅為第一次斷裂前的四分之一至四分之三，而且高度也是如此。從平面圖譜上看關(guān)鍵層，礦區(qū)的周圍存在橫向連接的分離帶，被稱為礦縫的“O”形圈。沿著天花板高度，工作面會(huì)不斷地前進(jìn)，層間距也會(huì)從下往上發(fā)展，主要會(huì)以跳躍的方向?qū)崿F(xiàn)。

3 關(guān)鍵層及其判斷方法

3.1 關(guān)鍵層的概念

關(guān)鍵層是位于屋頂上方，具有不同厚度，也有不同強(qiáng)度的多層巖層。一層又或者是多層厚且硬的巖石，在覆巖層的活動(dòng)中有一定的控制作用。而這些巖層的第一個(gè)稱為亞關(guān)鍵層，第二個(gè)巖層則可以稱為主關(guān)鍵層，相比起同類型的巖層，關(guān)鍵層會(huì)更加厚實(shí)，因此其支撐強(qiáng)度也會(huì)更大。此外，關(guān)鍵層和其他的巖石層相比，其巖石更硬，彈性模量也會(huì)更大，所以產(chǎn)生的阻力也會(huì)更大，除此以外，關(guān)鍵層的局部巖層沉降量是同步的，它們是協(xié)調(diào)的。當(dāng)然，關(guān)鍵層是具有斷裂特征的，關(guān)鍵層的斷裂會(huì)引發(fā)一系列的問題，甚至?xí)鹑坑只蛘呤巧细矌r層出現(xiàn)同時(shí)斷裂的情況，讓巖層逐步向著比較大的區(qū)域移動(dòng)。從其他方面看來，關(guān)鍵層也有一定的承重特征。關(guān)鍵層破裂以前，會(huì)以“板”的結(jié)構(gòu)形式被利用，多數(shù)會(huì)用作所有又或者是部分巖層的承載體，而且破裂之后，這也會(huì)變成砌體梁結(jié)構(gòu)，作為主軸承體承受重力。

3.2 關(guān)鍵層的判斷方法

3.2.1 常規(guī)判斷方式

關(guān)鍵層的判斷可以按照3個(gè)步驟進(jìn)行。

第一步：由下往上，確定覆巖之中堅(jiān)硬的巖石的位置。堅(jiān)硬的巖石并非普通意義上的堅(jiān)硬巖石，而是那些在變形過程中，撓度比下部巖層小，但卻不與其下部巖層出現(xiàn)協(xié)調(diào)變形的巖層。假設(shè)巖層的第一層屬于堅(jiān)硬巖層，而由下往上數(shù)，它的第m層巖石會(huì)與其協(xié)調(diào)變形，而第m+1層的巖層不會(huì)出現(xiàn)協(xié)調(diào)變形，那么這一層巖石就屬于第二層堅(jiān)硬巖層。由于第一層到第m層巖石之間會(huì)產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形，巖層的曲率是相同的，每個(gè)巖層會(huì)形成組合梁。而通過這種判斷方式，可以準(zhǔn)確推測(cè)出其他堅(jiān)硬巖層，然后再通過堅(jiān)硬巖層的位置對(duì)覆巖中的硬巖層的位置和這一應(yīng)巖層控制的軟層組進(jìn)行判斷。

第二步：根據(jù)公式，可以計(jì)算出各個(gè)硬巖層的破斷距，堅(jiān)硬的巖層的破斷問題屬于彈性基礎(chǔ)上板的破斷問題，為了能夠簡化計(jì)算，其破斷距還是會(huì)采用兩端固支梁模型進(jìn)行計(jì)算。

第三步：最后通過每一個(gè)巖層破斷距的比較，可以確定最終關(guān)鍵層的位置，然后再進(jìn)行后續(xù)的工作。

3.2.2 使用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)判斷

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域?qū)Ω呖萍汲ㄩ_懷抱。關(guān)鍵層判斷也不例外，利用先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效更便捷的判斷已經(jīng)成為許多技術(shù)人員的首選。KSPB軟件是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)判斷中主要運(yùn)用的軟件。KSPB是采用Delphi4.0編制了判別覆巖關(guān)鍵層位置的計(jì)算機(jī)軟件，包括6個(gè)控件，其功能分別為添加、運(yùn)算、修改、清除、退出和柱狀圖顯示。使用軟件時(shí)，首先逐層輸入巖層參數(shù)，其后判斷覆巖巖層位置，并計(jì)算各堅(jiān)硬巖層負(fù)荷數(shù)和各堅(jiān)硬巖層的破斷性，然后計(jì)算機(jī)就能得出關(guān)鍵層的判斷結(jié)果。判別結(jié)果會(huì)以表格和柱狀圖2種形式輸出，簡潔明了十分清晰。計(jì)算機(jī)判斷法能夠有效地去除除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外所有的干擾，可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出關(guān)鍵層的位置，為離層注漿的實(shí)現(xiàn)助力。

4 結(jié) 語

要對(duì)離層注漿關(guān)鍵層進(jìn)行判斷，就需要先對(duì)相關(guān)概念進(jìn)行了解，同時(shí)還需要對(duì)關(guān)鍵層的判斷原理進(jìn)行分析，根據(jù)關(guān)鍵層的相關(guān)計(jì)算與數(shù)據(jù)比對(duì)，最終判斷關(guān)鍵層的位置。而在實(shí)際生活中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也使得關(guān)鍵層的判斷變的更加簡單，而2種判斷方式如何選擇，則需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行安排處理，以此提升判斷的準(zhǔn)確度。