巨厚砂岩下厚煤层采动覆岩离层形成机理与探测_牛宏伟.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 巨厚砂岩下厚煤层采动覆岩离层 形成机理与探测 牛宏伟， 高峰， 韩进利， 王孟超， 曹振军 （山西潞安矿业集团公司 安监局， 山西 长治 046000） 摘要 为了研究巨厚砂岩下厚煤层采动覆岩发育特征及形成位置， 以大同某矿 2301 工作面厚 煤层采动引发的覆岩运动为例， 采用理论计算公式、 超声成像和彩色钻孔电视系统分别对巨厚 砂岩下厚煤层采动覆岩离层的发育位置进行理论计算和定量探测。结果表明 煤层上覆岩层中 存在多层亚关键层， 但主关键层只有 1 层， 离层主要产生于各关键层下， 其向上发育高度终止于 主关键层； 得到巨厚砂岩下离层发育深度为 343、 346.5、 328.61 m； 证实了巨厚砂岩下厚煤层采动 会形成离层。 关键词 巨厚砂岩； 关键层； 离层发育； 超声成像； 钻孔电视 中图分类号 TD325.4文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 11-0150-05 ation Mechanism and Detection of Overburden Abscission Layer in Mining Coal Seam Under Thick Sandstone NIU Hongwei, GAO Feng, HAN Jinli, WANG Mengchao, CAO Zhenjun （Safety Supervision Bureau of Shanxi Lu’ an Mining Group Company, Changzhi 046000, China） Abstract In order to study the development characteristics and ation location of mining overburden in thick coal seam under thick sandstone, the overburden movement caused by mining of thick coal seam at 2301 working face in a Datong mine is taken as an example. Theoretical calculation ula ultrasonic imaging and color drilling television system are used to calculate and quantitatively detect the development position of overburden strata in mining thick coal seam under thick sandstone. The results show that there are several sub -key layers in the overlying strata of coal seam, but there is only one main key layer, the abscission layer is mainly generated under each key layer, and the upward development height ends at the main key layer. the development depth of the abscission layer under the giant thick sandstone is respectively 343, 346.5, 328.61 m. It is proved that the stratum separation will be ed in the mining of the thick coal seam under the huge thick sandstone. Key words thick sandstone; key stratum; abscission layer development; ultrasonic imaging; borehole television 我国在相当长时期内将以煤炭为主要一次性能 源的基本国策必然要求煤炭工业持续发展，煤炭资 源开采后诱发的地面沉陷、开裂已成为矿区土地资 源破坏和生态环境恶化的主要人为灾害之一[1-2]。 DZT 03152018 煤炭行业绿色矿山建设规范 中要 求资源开发方式应优先采用充填开采。覆岩离层 注浆充填作为一种绿色充填开采方法，其主要是由 于煤层开采后将引起采场原始应力发生变化，上覆 岩层覆岩受采动影响，岩层间产生不同步的弯曲沉 降，进而引起岩层在其层面薄弱附近产生分离即形 成离层空隙 [3]。离层作为覆岩运动过程的体现， 与 “三下” 采煤、 地表沉降、 保水开采及瓦斯抽采等工 程问题紧密相关[4-5]。 国内许多专家学者针对覆岩离层形成机理及探 测研究开展过很多有益的研究和探讨，取得了丰硕 的成果。钱鸣高[6]首次提出了采场上覆岩层活动中 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.032 牛宏伟， 高峰， 韩进利， 等.巨厚砂岩下厚煤层采动覆岩离层形成机理与探测 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 150-154. NIU Hongwei, GAO Feng, HAN Jinli,et al. ation Mechanism and Detection of Overburden Ab－ scission Layer in Mining Coal Seam Under Thick Sandstone ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11 ） 150-154. 移动扫码阅读 应用 实践 150 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 的关键层理论，深入研究了在关键层作用下岩层的 变形、 离层及断裂规律； 郭惟嘉[3]采用富氏积分变换 得出了水平煤层开采覆岩离层的解析表达式，对采 动覆岩离层的动态发育规律进行了探讨；许家林[4] 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，认为覆岩离层主要出现在各关键层 下， 离层最大发育高度止于覆岩主关键层； 张建全[7] 等利用岩层的物理力学性质和结构条件，对覆岩离 层产生的力学结构及力学条件进行了理论探讨， 分 析了采动覆岩离层可能出现的位置； 杨伦[8]以组合 板变形的力学模型为基础，指导出根据覆岩的层 位、厚度及物理力学性质即可定量计算离层位置的 实用公式； 张玉军[9]利用钻孔彩色电视对采动岩体 裂隙的分布及其发育特点进行了探测。 20 世纪 80 年代后期，抚顺矿务局在我国首次 采用覆岩离层带注浆减缓地表沉降的试验取得成功 之后[10]， 先后有华丰煤矿[11]、 大屯徐庄矿[12]、 济宁二号 煤矿[13]等多个煤矿采用离层注浆充填技术以控制岩 层移动和减缓地面沉陷，取得了很好的效果。离层 主要形成于地下空间，具有不可视性，且巨厚砂岩 条件下离层发育特征不同于一般覆岩。为此分析大 同某矿 2301 工作面采动过程中巨厚砂岩下离层形 成机理， 在此基础上， 对离层产生的位置进行探测。 1工作面地质概况 2301 工作面位于大同井田 2-3 煤 11 采区， 倾 斜长度 280 m，走向长度 2 200 m， 2-3 煤层埋深 623～696 m， 倾角 2～5， 厚度 3.85～5.45 m， 平均厚 度 4.65 m。根据邻近钻孔资料， 其上覆岩层赋存多 层厚硬岩层， 最大厚度达 263.00 m， 2-3 煤层上覆岩 层柱状图如图 1。为研究巨厚砂岩下厚煤层采动覆 岩离层发育情况， 在 2301 工作面采空区布置 1 个探 测孔， 对采后覆岩离层发育情况进行探测。 2采动覆岩离层形成机理 2.1关键层理论 针对坚硬厚岩层在采场上覆岩体的变形和破坏 中的控制作用， 钱鸣高院士等[6]于 1996 年首先论述 了关键层的定义与特征，提出了岩层控制关键层理 论。该理论为岩层移动及离层形成机理的研究提供 了理论基础，同时在煤炭行业其它研究领域也取得 了较好的实践应用[14-17]。 关键层理论主要学术思想为 在煤系岩层中， 由 于成岩时间及矿物成分不同，形成了在采场上覆岩 层中存在着多层坚硬岩层时，一般有 1 层或几层较 为坚硬的厚岩层对上覆岩体全部或局部的变形与破 坏起决定作用， 这种岩层称为关键层[18-19]。前者可称 为岩层运动的主关键层，后者可称为亚关键层。一 般而言， 覆岩中可以存在多层亚关键层， 但主关键层 只有 1 层。 2.2覆岩离层产生机理 覆岩离层是在采动条件下不同性质层状岩层不 同步挠曲形成的。煤系地层为典型的层状岩层， 在 煤层开采引起的岩层移动过程中，由于覆岩具有分 层性和岩性差异性， 会出现相邻的上、 下岩层移动的 不协调和不同步下沉，这种不同性质岩层在不同步 弯曲沉降的层间产生离层[20-21]。 岩层控制的关键层理论认为，关键层对采动覆 岩中的岩体活动起主控作用[14]。 在煤炭开采过程中， 上覆层状岩层自下向上逐步运动，局部岩层的运动 过程受控于关键层的破断[4]， 煤层采动覆岩移动的 动态过程及离层位置示意图如图 2。 图 12-3 煤层上覆岩层柱状图 Fig.1Column diagram of overburden strata in 2-3 coal seam 151 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 表 12301 工作面覆岩关键层 Table 1Key overburden strata of 2301 working face 编号 关键层类别岩性埋深/m厚度/m距 2-3 煤距离/m 1 2 3 4 主关键层 亚关键层Ⅲ 亚关键层Ⅱ 亚关键层Ⅰ 中砂岩 粗砂岩 粉砂岩 细砂岩 319.00 356.79 453.28 642.29 293.51 19.23 25.36 16.28 335.89 298.10 201.61 12.60 图 2煤层采动覆岩移动的动态过程及离层位置示意图 Fig.2Dynamic process of overburden movement in coal mining and abscission layer position diagram 由图 2 可见，距主采煤层最近的亚关键层Ⅰ在 煤层开采过程中发生破断后，它所控制的上覆局部 软岩层也会随之发生破断下沉，但亚关键层Ⅱ不会 与之同步下沉，这样在亚关键层Ⅱ下方就会出现离 层 （图 2 （a） ） ； 随着煤层开采的继续进行， 上覆岩层 继续向上运动发展，关键层Ⅱ破断后，所控制的上 覆局部软岩层也会随之发生破断下沉，但巨厚砂岩 主关键层不会与之同步下沉，这样在主关键层下方 就会出现离层 （图 2 （b） ） ； 随着煤层开采的继续进 行，上覆岩层继续向上运动发展，直至巨厚砂岩主 关键层发生破断， 地表随之发生沉降 （图 2 （c） ） 。 因 此， 根据煤层上覆岩层运移过程可知， 离层主要发 育在各关键层下，巨厚砂岩作为主关键层，对离层 的发育起到阻隔作用，覆岩离层最大发育高度止于 主关键层。 大同某矿 2301 工作面存在巨厚且坚硬的砂岩 层，其下部为泥岩软岩层，根据岩层控制关键层理 论， 随着煤层开采持续进行， 上覆岩层会逐渐破断、 下沉， 直至运动发展到巨厚砂岩层下， 在巨厚砂岩发 生破断前，其下部相邻软岩层的不同步下沉会形成 较大的离层空间，导致巨厚砂岩主关键层大面积悬 空。若巨厚砂岩主关键层发生破断，其上覆直至地 表的所有岩层与之同步协调下沉，导致地表发生明 显沉降，同时主关键层积聚的大量能量为动力灾害 的发生创造了条件。因此，为了阻止主关键层发生 破断，根据巨厚砂岩主关键层下部离层空间产生机 理，结合关键层与离层的耦合关系，需要对关键层 位置进行判别和离层空间进行探测，为地表减沉及 其它动力灾害防治提供参考依据。 3采动覆岩离层探测 3.1离层发育层位理论计算 基于大同某矿 2301 工作面附近钻孔综合柱状 图，采用关键层计算判别软件，对工作面覆岩进行 关键层位置判别。 结果表明 2-3 煤层上覆岩层中存 在多层厚硬岩层， 其中厚度达 263.00 m 的巨厚中砂 岩为主关键层； 厚 19.23 m 的粗砂岩、 厚 25.36 m 的 粉砂岩、 厚 16.28 m 的细砂岩为 3 层亚关键层， 且主 要离层出现在主关键层下。2301 工作面覆岩关键层 见表 1。 3.2现场探测技术 为了探究和验证巨厚砂岩下煤层采动覆岩离层 发育情况，在 2301 工作面采空区布设 1 个探查孔， 钻探成果显示该孔在埋深 56.80～318 m 处存在 1 层 巨厚砂岩， 同时测得 2-3 煤层开采后导水断裂带发 育高度在 112.90 m， 导高与采厚比为 24.28。现场利 用超声成像和彩色钻孔电视技术对煤层采动后巨厚 砂岩下是否存在离层进行了探测。 3.2.1超声成像技术 超声成像法的原理是，利用不同的岩层具有不 同的波阻抗并对声波具有不同的反射能力的特点， 通过向钻孔孔壁发射超声波脉冲并接收反射声波， 然后裂隙可以吸收声阻抗而使其反射信号减弱， 并 152 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 在图像上出现异常的特点，测定和解释裂隙发育的 位置和形态[22-23]。这种方法所获得的资料比较直观， 可以很好地揭示岩层破坏特征和准确测定离层发育 位置这一难题。 采用超声成像对探查孔裂隙进行探测，探查孔 超声成像探测裂隙图像如图 3。 图 3探查孔超声成像探测裂隙图像 Fig.3Ultrasound imaging detection of exploring hole 在埋深 318.52 m 处发现横向裂隙，高度在 0.01～0.02 m 之间， 倾角 5， 走向 180， 结合钻探成果， 判断该裂隙为巨厚砂岩主关键层下产生的离层。 在 360 m 至 368 m 处， 有多处较大横向裂隙发 育，高度在 0.33～1.76 m 之间，倾角 0，走向在 178.8～179.4之间，说明在亚关键层Ⅲ下方也产生 了离层。 在 455.58 m 处探测到裂隙， 高度为 0.01 m， 倾角 4.8， 走向 180， 说明在亚关键层Ⅱ下方产生 的离层可能已经处于闭合状态。 3.2.2彩色钻孔电视系统 井下彩色电视系统是用于钻孔内部成像的观测 系统， 本次采用的 SYKJ-17 钻孔彩色电视系统包括 井下摄像探头、 系统控制器、 专用电视电缆、 绞车、 录像机和彩色监视器等 6 部分。它是把一自带光源 的防水摄像探头放入地下钻孔中，在地面的彩色监 视器上可直接观测地下钻孔的地质构造，根据图像 的形态、 颜色及光亮度等信息， 可用于识别岩性、 裂 隙、 空洞、 软弱夹层等情况， 进一步确定上覆离层发 育位置及空间形态特征[24-25]， 并可用录像磁带保存 测井资料。设备采用了固体 CCD 摄像技术、 微机技 术、自动控制技术以及大规模集成电路等一系列当 代国际先进的电子技术和高压密封技术，具有以下 优势 ①具有图像清晰、 颜色逼真、 性能稳定， 开机 后即有稳定的彩色图像； ②采用可拆装式结构， 操作 简便， 适于城市、 山区等工地移动作业； ③具有先进 的多功能装置、 自动化程度高； ④采用特种镜头， 对 远近景物无须调焦均呈清晰图像；⑤在电视屏幕上 可显示测试部位的深度数字。 以往主要通过测井曲线、钻孔冲洗液漏失量等 间接方法对覆岩裂缝进行判定，其观测结果难以精 确判断原生裂隙和离层的区别。本次利用彩色钻孔 电视系统对探查孔进行直观探测取像，主要针对超 声成像探测的裂隙位置进行观测，从图像上可以看 到在埋深 318.618 m 处出现横向裂隙，探查孔彩色 钻孔电视探测裂隙图像如图 4。证实在巨厚砂岩主 关键层下确实产生了离层。通过观测掌握了覆岩离 层发育形态及位置，从而为覆岩离层注浆充填设计 提供依据。 153 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 4结语 1） 煤层上覆岩层软硬、 厚度不同， 各岩层在运动 过程中会发生不同步下沉，进而形成离层，其主要 产生于关键层下，巨厚砂岩作为主关键层，对离层 的发育起到阻隔作用，离层向上发展最大高度止于 主关键层。 2 ） 理论计算 2301 工作面采后在主关键层319.00 m 处形成离层；现场采用超声成像和彩色钻孔电视 探测到裂缝埋深 318.52 m 和 318.61 m， 三者验证是 相互吻合的。 3） 通过将理论计算、 现场间接探测、 直接探测相 结合， 为研究大同某某煤矿覆岩离层发育位置及形态 提供了可靠依据， 有助于指导覆岩离层注浆充填。 参考文献 ［1］ 陈超， 胡振琪.关键层理论在开采沉陷中的应用现状 与进展 ［J］ .矿业科学学报， 2017， 2 （3） 209-218. ［2］ 田根国.采空区覆岩冒裂带发育高度预测综述 ［J］ .露 天采矿技术， 2013 （1） 26-29． ［3］ 郭惟嘉， 刘立民， 沈光寒， 等.采动覆岩离层性确定方 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