岩层移动离层演化规律及其应用研究.pdf

第 2 6卷 2 O O 4年 第 5期 9月 岩土工程学报 C h i n e s e J o u rna l o f G e o t e c h n i c a l E n n e e fi n g V0 1 ． 2 6 No． 5 S e p ． ，2 O O 4 岩层移动 离层演化 规律及其应 用研 究 St u d y a n d a p p l ic a t io n o f b e d s e p a r a t io n dis t r ib u t io n a n d d e v e lo p me n t i n t h e p r o c e s s o f s t r a t a mo v e me n t 许 家林 ， 钱 鸣高 ， 金宏伟 中国矿业 大学 采 矿系 ， 江苏 徐 州2 2 1 0 0 8 摘要 通过试验与理论分析 ， 对岩层移动过程中的离层位置与离层量 、 离层动态发育特征及其影响因素进行了深入研究。结果表 明 覆岩离层主要出现在各关键层下 ， 覆岩离层最大发育高度止于覆岩主关键层。当相邻两关键层复合破断时 ， 尽管上部关键层的 厚度与硬度比下部关键层大 ， 其下部也不会出现离层。关键层初次破断后的离层 区长度和最 大离层量仅为关键层初次破断前的 2 5 ％ ～ 3 3 ％。因此 ， 离层区充填应在关键层初次破断前进行 ， 并保持关键层不破断。针对 目前覆岩离层 区充填工艺不能阻止覆岩关 键层初次破断的问题， 提出了离层区充填与留设煤柱相结合 的“ 覆岩离层分区隔离充填减沉法” ， 发展了覆岩离层充填减沉技术 。 关键词 岩层移动 ； 关键层 ； 离层 ； 离层区充填 ； 绿色开采 中图分类号 T D 3 2 5； T D 7 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 5 4 8 2 0 0 4 0 50 6 3 20 5 作者简介 许家林 1 9 6 6 一 ， 男 ， 江苏镇江人 ， 博士， 中国矿业大学采矿系教授 、 博士生导师 。主要从事煤矿岩层控制 与绿色开采的 教学和科研。 X U J i a - l i n ， Q L Mi n g g a o ， J I N H o n g w e i De p n I Hl t o f iW mi n g E n g i n e e r i n g， C h i n aU n i v e r s i ty o f n i n g a n dT e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C la i n a A b s t r d T h e p o s i t i o n，s i z e ，d e v e l o p me n t c h a r a c t e ri s ti c s a n d t h e i r i n flu e n c e f a c t o r s o fb e d s e p a r a t i o n s h a v e b e e n a n a l y z e d d e e p l y b y e x p e r i me n t a l a n d t h e o r e t i c a l me t h o d s ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t b e d sep a r a t i o n s ma i n l y O c c l l r b e l o w t h e k e y s l [a，an d t h e h i g h e s t b e d s e p a r a t i o n s p a c e i s r i g h t b e l o w t h e p r U n a r y k e y S [r d l l l m． Wh e n a c o mb i n e d b r e a k a g e o c c u r s o n t w o a d j a c e n t k e y s t r a ta ，e v e n i ft h e u p p e r s t r a t u m i s t h i c k e r a n d s t r o n g e r t h a n t h e l o wer o n e，t h e r e wi l l b e n o b e d s 邸 日 r a ∞ s be l o w t h e u p p e r k e y s t r a t l l m ．Th e l a r g e s t wi d t h an d s i z e o f b e d s e p a r a t i o n s a f t e r t h e k e y s t r a ll l m b r e a k s f o r t h e 1 s t li me o n l y r e a c h t o a b o u t 2 5 ％ ～ 3 3 ％o f tho s e o c c u r r e d be f o re the b r e a k a g e．Th e ref o re ．g r o u ti n g i s be s t d o n e be f o r e t h e k e y s lr a t u m b r e a k s f o r t h e 1 s t l i m e ，a n d e nsu r e t h a t the ke y s I ／ a t ll m wo u l d n e v e r b r e a k．I n o r d e r t o d e a l wi th t h e p r o b l e m t h a t t h e c u r r e n t b e d sep fl r a ti o n g r o u t i n g h n o l o g y c a n n o t p r e v e n t t h e key s I ／ a t ll m f r o m b rea k a g e，the a u t h o r s p r o p o s e d t h e i s o l a t e d s e c t i o n g r o u t i n g me t h o d f o r o v e r b u r d e n b e d s e p ar a t i o ns by c o mp o s i n g b e d s e p a o n s p a c e g r o u t i n g and p i l l ar． T h i s w o u l d be a t e c h n i c a l p r o g r e s s i n the b e d s e p a o n g r o u t i n g ． Ka y wD s t r a t a mo v e me n t ；ke y s lr a t u m；b e d sep a r a t i o n；b e d sep a r a ti o n s p a c e g r o u ti n g； e e n mi n i n g - _ ■ ‘ _● _ ● - O 刖 罱 煤层开采后将引起岩层移动与破断 ， 并在覆岩中 形成离层与裂隙。覆岩移动过程中的离层与裂隙分布 规律的研究与水体下采煤 、 离层区注浆减沉及卸压瓦 斯抽放等工程问题紧密相关。 岩层控制关键层理论的提出为岩层移动及采动裂 隙分布规律的深化研究提供了理论基础。关键层理论 的基本学术思想为⋯ 由于成岩时间及矿物成分不同， 煤系地层形成了厚度不等 、 强度不同的多层岩层。实 践表明， 其中一层或数层厚硬岩层在岩层移动中起主 要的控制作用。将对采场上覆岩层局部或直至地表的 全部岩层起控制作用的岩层称为关键层。前者称为亚 关 键层 ， 后者称为 主关键 层。也就是说 ， 关键层 的断裂 将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。覆 岩 中的亚 关键层可能不止一层 ， 而主关键 层只有一层 。 为了弄清岩层移动由下往上传递 的动态过程 ， 并对岩 层移动过程中形成的采场矿压显现 、 煤岩体 中水与瓦 斯 的流 动和地 表沉 陷等状态 的变化进行有效监测 与控 制 ， 关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律以 及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系。 1 覆岩离层位置 关键层理论研究 证明l l J ， 岩层移动 由下往上成组 运 动 ， 岩层移动 的动态 过程受控于关键层 的破断运动 ， 而呈现图 l 所示的覆岩移动结构。由图 l 可见 ， 当第 l 亚关键层破断时， 它所控制的上覆岩层组与之同步破 断运动， 并在第 2 亚关键层下出现离层 ， 如此往上发展 直至覆岩主关键层下 出现离层 。主关键层 的破断导致 上覆 直至地表的所有岩层 同步下沉 。 由岩层移动 的动 态发育过程研究结论可知 ， 岩层移动过程中的离层主 基金项目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 3 7 4 0 6 6 收稿 日期 ； 2 0 0 30 90 7 维普资讯 第 5期 许家林 ， 等 ． 岩层移动离层演化规律及其应用研究 6 3 3 要 出现在各关键 层下 ， 覆 岩离层 最 大发育 高度 止于 覆 岩主关键层 ， 判别覆岩离层位置只需按文献E 3 ] 判别出 覆岩中关键层位置即可。 a 亚关键层1 破断 b 亚关键层2 破断 c 主关键层破断 图 1 覆 岩移 动 的动态 过程 及 离层位 置示 意 图 F i g ． 1 D y n a mi c p r o c e s s o f t h e o v e r b u r d e n mo v e me n t a n d b e d s e p a r a t i o n p o s i t i o n 关键层理论研究表明_ 】 ] ， 一定条件下相邻两层关 键层会出现同步破断的现象， 称之为关键层复合破断。 当相邻两关键层复合破断时 ， 尽管上部关键层的厚度 与硬度比下部关键层大， 其下部也不会出现离层。图 2 为相邻两层关键层非复合破断 见图 2 a 与复合破 断 见图2 b 条件下 ， 上部关键层下离层的物理模拟 结果。两模型除上部关键层 的载荷条件不同外 ， 其它 条件一致。模型 2上部关键层的载荷比模型 1 上部关 键层的载荷大。两关键层的岩性相同， 上部关键层的 厚度 是下部关键 层 的 2倍 。由图 2可 见 ， 模 型 2由于 上部关键层上载荷较大导致了两关键层的复合破断， 上部关键层下未 出现模 型 1 所示 的离层 。 关键层下离层量大小与煤层采高、 冒落岩层的碎 胀特性 、 关键层距煤层高度及关键层承载与变形特征 有关 。第 层关键层破断前， 其下方离层量理论计算 式可表达为 B 。 M K i Hi 一 ， 1 式中 为关键层下离层量 ； M 为煤层采高； 为 关键层2 a 关键层非复合破断 b关键 层 复合破断 图 2 关键层下离层的模拟结果 F i g． 2 B e d s e p a r a t i o n s i mu l a t i o n b e l o w t h e k e y s t r a t u m 第 i 层关键层距煤层高度； K 为第 i 层关键层 以下全 部岩层的综合碎胀系数 ； 为第 i 层关键层的挠度。 煤层采高一定条件下， 关键层下离层量大小主要 取决于 K 及 。 K 主要为冒落带与裂隙带岩层 的碎 胀。冒落带与裂隙带破碎岩石的残余碎胀系数与所受 载荷大小有关， 载荷越大残余碎胀系数越小。因此 ， 当 关键层距煤层距离 增大， 冒落带与裂隙带的破碎岩 石所受载荷相对增大， K 相对减小。K 还与第 i 层关 键层下部岩层是否达到充分采动有关 ， 即与工作面开 采尺寸 及下部岩层的岩性结构有关。 2 覆岩离层动态演化规律 模拟及实测研究表明 J ， 关键层运动对离层的产 生、 发展与时空分布起控制作用。 1 沿工作面推进方向， 关键层下离层动态分布呈 现两阶段发展规律 即关键层初次破断前 ， 随着工作面 推进， 离层量不断增大， 最大离层位于采空区中部。关 键层初次破断后 ， 关键层在采空区中部离层趋于压实， 而在采空区两侧仍各 自保持一个离层区。工作面侧的 离层区是随着工作面开采而不断前移的， 工作面侧离 层区最大宽度及高度仅为关键层初次破断前 的 1 ／ 4 1 ／ 3 左右 见图 3 。从平面看 ， 在采空区四周存在图 4 所示一沿层面横向连通 的离层发育区， 称之为采动裂 隙“ 0 ” 形圈。 2 沿顶板高度方向， 随工作面推进离层呈跳跃式 由下往上发展 见图 1 。首先， 第 1 层亚关键层下 出 现离层 ， 当其破断后其下离层呈“ 0 ” 形 圈分布； 此时， 上部第 2 层亚关键层下出现离层 ， 当其破断后其下离 层呈“ 0 ” 形圈分布 ， 如此发展直至主关键层。 维普资讯 岩土工程学报 2 O O 4正 图 3 关键层破断前后离层分布 图 4 覆岩离层分布的⋯ 0 形图 F i g． 4 0一s } l a p e d c i r c l e o ft h e mi n i n g - i n d u c e d f r a c t u r e s 3 覆岩 离层分 区隔离充填减沉法 3 ． 1 覆岩离层分区隔离充填减沉原理 覆岩离层注浆减沉的基本原理是利用岩移过程中 覆岩 内形成 的离 层空洞 ， 从 钻孔 向离 层空 洞充填 外来 材料来支撑覆岩 ， 从而减缓覆岩移动往地表的传播。 覆岩离层注浆充填与采空区充填的不同在于其充填区 不在采空区而在上部岩层， 充填工作不会干扰井下工 作面 的生产 。 自8 0 年代后期抚顺矿务局在我国首次采用离层 注浆减缓地表下沉 的试验取得成功之后L 5 J ， 此项技术 引起了我国从事开采沉陷及“ 三下” 采煤的专家和工程 技术人员的重视 ， 先后在新汶华丰煤矿 、 兖 州东滩煤 矿 、 开滦唐山煤矿等进行了离层注浆减缓地表沉降现 场试验， 取得了一定的成效【 6 ， 但大部分矿井实际减 沉效果并不理想u ’ 引。 成功应用离层注浆减沉技术 ， 必须解决下列问题 ①离层注浆减沉的适用条件 ； ②离层注浆减沉钻孔布 置原则 ； ③注浆工艺优化。关键层理论及其关于覆岩 离层动态分布规律的研究结果， 为上述问题的解决提 供了理论依据。确定覆岩中的关键层位置 ， 掌握其离 层与破断特征参数， 是注浆减沉技术应用可行性分析 、 钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。 前文研究表明， 关键层初次破断前的离层区发育、 离层量大， 易于注浆充填 ； 而一旦关键层初次破断后 ， 关键层下离层量明显变小 ， 仅为关键层初次破断前的 2 5 ％～3 3 ％ 见图 3 ， 注浆难度增加。因此， 离层注浆 必须在主关键层临初次破断前进行。钻孔布置及最佳 的注浆减沉效果应保证关键层始终不发生初次破断。 由于离层区充填为非固结充填材料， 浆液浓度稀， 关键层下离层随采面推进不断扩展 ， 浆液随之向前流 动， 关键层初次破断前其下离层空 间很难被充填满。 因而， 充填浆液不能对初次破断前的关键层进行支撑， 因而不能阻止关键层的初次破断， 从而影响后续离层 注浆和注浆减沉效果。这是我国一些矿井离层注浆减 沉试验未达到预想效果的主要原因之一。 主 图 5 覆岩离层分区隔离充填原理 F i g ． 5 I s o l a t e d s e c ti o n - g r o u ti n g f o r t h e o v e r b u r d e n b e d s e p a r a t i o n s p a c e 针对现有离层注浆工艺不能阻止关键层的初次破 断问题 ， 作者提出了“ 覆岩离层分区隔离充填法” ， 其基 本原理是 见图 5 按关键层初次破断所允许的极 限 跨距对采面进行分区， 分区间采用跳采的方式 ， 使关键 层下离层区在关键层初次破断前被分区隔离煤柱隔离 成各 自封闭的空间， 确保各个分区隔离的离层区可以 注满浆体， 从而起到对关键层有效支撑作用。 目前注 浆材料中水的比重过大 ， 浆体中的水仅起输灰作用 ， 随 着煤层不断开采和时间的推移， 浆体中的水最终将大 部分流失， 最终对关键层起支撑作用 的是灰体而非浆 体。鉴于上述原因， 笔者进一步提出了“ 覆岩离层分区 隔离注浆法” 的主动滤水技术思路 与其让浆体中的水 缓慢被动漏失， 不如采取主动滤水措施 ， 增加注灰量 ， 提高对关键层的支撑能力。 按分区内关键层下部岩层是否达到充分采动 ， 有 2 类性 质的分 区 ①充分采 动分 区 ， 分 区内关键 层下部 岩层 已达到充分采动 ； ②非充分采动分 区 ， 分 区内主关 键层下部岩层未达到充分采动。对于充分采动分 区， 当分区隔离煤柱被采出， 分区内关键层下部岩层将不 会继续下沉 ， 充填体对关键层继续起支撑作用。因而， 对于充分采动分 区 ， 原则 上不 需 在两分 区间 留设永 久 煤柱， 可将 因跳采而 留设的两分区间隔离煤柱采 出。 维普资讯 第 5期 许家林 ， 等 ． 岩层移动离层演化规律及其应用研究 6 3 5 而对于非充分采动分区， 一旦分区隔离煤柱被采出， 分 区内关键层下部岩层将会继续下沉 ， 导致原 已对关键 层起支撑作用的充填体脱离关键层 ， 关键层下再次出 现离层， 从而导致关键层悬跨面积超出其初次破断的 极限悬跨 面积而 发生破 断 。因此 ， 对 于非 充分 采动 分 区 ， 必须 在两分区间 留设永久煤柱 ， 因跳采而 留设 的两 分区间隔离煤柱不能采出， 实际上形成了离层注浆与 条带开采两种方法相结合的综合减沉方案。此时， “ 离 层区充填体 关键层 永久分 区隔离煤柱” 形成共 同承载体 ， 离层区充填体分担部分覆岩载荷， 减少了分 区隔离煤柱上 载荷 ， 其 载荷 小 于条带 开采 留设 煤柱 承 受载荷。因而永久分区隔离煤柱宽度小于单纯条带开 采留设煤柱宽度。离层区干灰充填量越多 ， 充填体承 担载荷越多， 永久分区隔离煤柱宽度相对越小。 显然， 离层注浆减沉技术理想的适用条件应为 各 分区内关键层下部岩层能达到充分采动 ， 使得关键层 初次破断前离层量达最大值。此时 ， 要求关键层初次 破断的极限跨距要大， 即覆岩中要存在典型厚硬的关 键层。反之 ， 当覆岩关键层的初次破断距较小 ， 图 5 所 示的分 区宽度相应 减小 ， 从 而导致 关键 层下 岩层 移动 不充分 ， 关键层下离层量较小， 注浆量不大， 此种条件 是不适合采用离层注浆减沉技术的。 3 ． 2 覆岩离层分区隔离充填减沉原理的模拟研究 采用数值模拟对前文所述的“ 离层区充填体 关 键层 永久分区隔离煤柱” 共同承载原理进行了初步 研究， 采用的数值模拟软件为 U D E C 3 ． 0 。模型走 向长 度 5 0 0 m， 垂直高度 2 1 0 m 见图 6 。煤层为水平煤层 ， 厚 2． 5 m， 距 煤层 6 0 m处 有一层 4 0 m厚 的细砂 岩 ， 为 本模型中覆岩主关键层。表土层厚 1 0 0 m， 直接赋存 在主关键层上。模型中各岩层岩性、 厚度 以及力学参 数如表 1 所示 。 模拟开采方案为 煤层采出宽度 8 0 m， 分区隔离 煤柱宽度 8 0 m， 采出两个工作面 见图 6 。分别模拟 在覆岩主关键层下离层区进行充填与不充填两种状态 下 ， 分区隔离煤柱变形与受力状态。离层区充填体 的 增阻特性按矸石粉承载压缩特性的试验结果确定。 表 1 数值计算模型各岩层赋存特征及力学参数 T a b l e 1 S tr a t a p r o p e r t i e s a n d me c h a n i c s p a r a me t e r o ft h e mo d e l 岩性麟 ／ m ／ G P a ， 抗 表土层 细砂岩 砂质泥岩 煤 底板粗砂岩 1 0 0 1 ． 0 0． 2 9 4 0 1 8 0 2 5 6 o 4． 6 0． 2 2 2． 5 3 ． 4 0． 2 3 7． 5 6． 5 0． 1 8 0． 0 2 7 3 2． 3 4 0． 0 l 1 0 4 3 4． 5 图7为离层区充填与不充填时， 分区隔离煤柱上 图 6 覆岩离层分区隔离充填减沉的数值模拟模型 F i g ． 6 T h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n mo d e l o f i s o l a t e d s e c t i o n一 吼 n g f o r t h e o v e r b u r d e n b e d s e p a r a t i o n s p a c e 图 7 分 区隔 离煤柱 上 支承 压 力分布 的模 拟 结果 F i g． 7 S i mu l a t i o n r e s u l t s o f t h e l o a d i n g O i l t h e b a r r i e r p i l l a r 支承压力分布的模拟结果。由图 7可见 ， 由于离层区 充填体分担了部分覆岩载荷 ， 作用在隔离煤柱上 的载 荷明显减小。模拟结果表明 ， 离层 区充填后煤柱承受 载荷减小， 与煤柱宽度相等而未充填的煤柱相比， 其安 全系数增大 ， 因而在保持相同安全系数的前提下， 采用 离层区充填后可减少煤柱宽度 ， 提高采出率。 4 结 语 覆岩离层区充填减沉技术是煤矿绿色开采技术的 重要组成部分。本文对覆岩离层动态演化规律的研究 成果 为覆岩 离层 区充填减沉技术 的进一步发展提 供 了 理论指导 。作者提 出 的“ 覆 岩离 层分 区隔 离充 填减 沉 法” ， 目前正应用于淮北海孜煤矿巨厚火成岩条件下不 迁村绿色开采试验 ， 其实际减沉效果及适用条件有待 深入研究。本文有关覆岩离层动态演化规律的研究成 果对卸压煤层气开采中有关 问题 的研究有指导意义 ， 限于篇幅不再赘述 。 参考文献 [ 1 ]钱鸣高 ， 缪协兴 ， 许 家林 ， 等 ． 岩层控制的关键层理论[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ]许家林 ， 钱鸣高 ． 关键层运动对覆岩及地表移动影响的研 究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 O O O ， 2 5 2 1 2 2 1 2 6 ． [ 3 ]许家林 ， 钱鸣高 ．覆岩关键层位 置的判别方法 [ J ] ． 中国矿 5甜 墙 如 O 7 5 4 7 2 2 2 1 2 维普资讯 岩土工程学报 2 0 0 4正 业大学学报 ， 2 0 0 0 ， 2 9 5 4 6 34 6 7 [ 4 ] 许家林 ， 钱鸣高 ． 覆岩注浆减沉钻孔布置的研究 [ J ] ． 中国矿 业大学学报 ， 1 9 9 8 ， 2 7 3 2 7 6 2 7 9 [ 5 ]范学理 ． 中国东北煤矿 区开采损害防护理论与实践 [ M] ． 北 京 煤炭工业出版社， 1 9 9 8 ． [ 6 ]张玉卓 ， 徐乃忠 ． 地表沉陷控制新技术 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 7 ] 孟以猛 ， 吕振先 ． 高压注浆减缓地表沉陷技术在大屯矿区的 应用[ J ] ． 世界煤炭技术， 1 9 9 3 ， 4 2 42 6． [ 8 ] 郭惟嘉 ， 沈光寒 ． 华丰煤矿采动覆岩移动变形与治理的研究 [ J ] ． 山东矿业学院学报 ， 1 9 9 5 ， 1 4 4 3 5 9 3 6 4 ． [ 9 ] 张东俭 ， 郭恒庆 ． 覆岩离层注浆技术在济宁矿区的应用[ J ] ． 矿 山测量 ， 1 9 9 9 ， 3 3 43 6 ． [ 1 0 ] 张华兴 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