離層注漿關鍵層判斷方法研究

黨凱

（中國煤炭地質總局 第二水文地質隊，河北 邢臺 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在實際應用中所需要使用的理論，對這些內容進行分析與探討，也是在準確判斷各個關鍵層所處的位置以及與煤層之間的關系的主要步驟。而這些內容的分析，對于選擇合適的時機以及合適的層位而言極為重要，這對于科學合理的注漿孔布設有極大的參考作用，能夠確保足夠注漿填充材料的進入，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

離層主要產生在頂與老頂之間，隨著時間的推移，直接頂會出現變形的情況，而老頂也會出現一定的變形，所以在直接頂跌落以前，兩者之間會出現一定的縫隙，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。在多數的復合頂當中，離層的發生可以是多個地方，大多數的離層會出現在有比較大的性質差異的巖石層當中。而不少的研究也明確表示，巖石層運動時以一種自下而上的成群運動所呈現，這個動態過程主要是由關鍵層的斷裂運動去控制的。從各個層面的運動動態發展過程中可以看出，沒一個運動過程中的分離層會出現在關鍵層的下方，而且最大發展高度都會在關鍵層之下。

而在離層與注漿技術中，與該技術相關的離層屬于覆巖離層，這種離層基本都會出現在關鍵層的下方，最大發育高度與主關鍵層有關系。在這個結構當中，一旦相鄰的2個關鍵層破斷后，就算上方關鍵層厚度再大，下方也不會出現離層狀況，而實際的離層注漿，就是作用于覆巖離層之中的。

1.2 離層沉漿原理

在巖石的運動過程中，可以利用在頂部所形成的分離腔進行填充，選用一些物體進行填充，有利于支撐超載，這種方式是為了減緩運動的傳播。上覆分離層灌漿的采空區是在上層，當進行回填作業時，不會對井下工作面產生過多的干擾，并且關鍵層第一次破裂前，在分離帶發育良好的情況下，分離量相對較大，因此注漿以及填土的難度也會相對下降。

一旦對關鍵層產生破壞，關鍵層下方的分離量就會有明顯減少，會變成破壞以前的25%，這時灌漿難度也會相應增加。所以要進行分離灌漿，必須要在主鍵層首次破裂前進行，在進行孔的布置時，要在保證灌漿能夠達到最佳縮減效果的同時，關鍵層也不會破裂。在現實情況中，分離區在未充滿沒有固定回填物時，漿液的濃度會相對應的被稀釋，而關鍵層下的分離層則會隨著采礦面的不斷前進而發生膨脹，這些澆筑的漿液也會向前流動，填充效果必然會受到影響。因此，填料以及灌漿的工作，不能夠在初始斷裂以前對關鍵層起到支撐的作用，不能防止關鍵層的斷裂，最終影響到后續分離灌漿的效果，也難以減少灌漿失敗的風險，主關鍵層破壞前后覆巖運動特征如圖1所示。

圖1 主關鍵層破壞前后覆巖運動特征Fig.1 Movement characteristics of rock before and after main key strata failure

2 離層與關鍵層的關系

不少研究表明，關鍵層的運動對于離層的出現以及發展等，會有一定的控制作用，在工作面前進的方向，關鍵層下方的分離層必然會呈現動態分布的狀態，其發展規律主要有2個階段。首先是在第一層破壞關鍵點以前，隨著工作面的持續發展，板層分離的數量會越來愈大，而且最大的板層分離區域子中部。當關鍵層出現第一次破裂狀況后，關鍵層的分離層會出現采空區的中間致密的情況，而且采空區的兩側依然會有1個分離區。隨著工作面的不斷移動，側面分離區域會不斷地向前移動，此時，一側分離區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。從平面圖譜上看關鍵層，礦區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，工作面會不斷地前進，層間距也會從下往上發展，主要會以跳躍的方向實現。

3 關鍵層及其判斷方法

3.1 關鍵層的概念

關鍵層是位于屋頂上方，具有不同厚度，也有不同強度的多層巖層。一層又或者是多層厚且硬的巖石，在覆巖層的活動中有一定的控制作用。而這些巖層的第一個稱為亞關鍵層，第二個巖層則可以稱為主關鍵層，相比起同類型的巖層，關鍵層會更加厚實，因此其支撐強度也會更大。此外，關鍵層和其他的巖石層相比，其巖石更硬，彈性模量也會更大，所以產生的阻力也會更大，除此以外，關鍵層的局部巖層沉降量是同步的，它們是協調的。當然，關鍵層是具有斷裂特征的，關鍵層的斷裂會引發一系列的問題，甚至會引起全部又或者是上覆巖層出現同時斷裂的情況，讓巖層逐步向著比較大的區域移動。從其他方面看來，關鍵層也有一定的承重特征。關鍵層破裂以前，會以“板”的結構形式被利用，多數會用作所有又或者是部分巖層的承載體，而且破裂之后，這也會變成砌體梁結構，作為主軸承體承受重力。

3.2 關鍵層的判斷方法

3.2.1 常規判斷方式

關鍵層的判斷可以按照3個步驟進行。

第一步：由下往上，確定覆巖之中堅硬的巖石的位置。堅硬的巖石并非普通意義上的堅硬巖石，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協調變形的巖層。假設巖層的第一層屬于堅硬巖層，而由下往上數，它的第m層巖石會與其協調變形，而第m+1層的巖層不會出現協調變形，那么這一層巖石就屬于第二層堅硬巖層。由于第一層到第m層巖石之間會產生協調變形，巖層的曲率是相同的，每個巖層會形成組合梁。而通過這種判斷方式，可以準確推測出其他堅硬巖層，然后再通過堅硬巖層的位置對覆巖中的硬巖層的位置和這一應巖層控制的軟層組進行判斷。

第二步：根據公式，可以計算出各個硬巖層的破斷距，堅硬的巖層的破斷問題屬于彈性基礎上板的破斷問題，為了能夠簡化計算，其破斷距還是會采用兩端固支梁模型進行計算。

第三步：最后通過每一個巖層破斷距的比較，可以確定最終關鍵層的位置，然后再進行后續的工作。

3.2.2 使用計算機技術實現判斷

隨著計算機技術的不斷發展，越來越多的領域對高科技敞開懷抱。關鍵層判斷也不例外，利用先進技術實現更高效更便捷的判斷已經成為許多技術人員的首選。KSPB軟件是計算機實現判斷中主要運用的軟件。KSPB是采用Delphi4.0編制了判別覆巖關鍵層位置的計算機軟件，包括6個控件，其功能分別為添加、運算、修改、清除、退出和柱狀圖顯示。使用軟件時，首先逐層輸入巖層參數，其后判斷覆巖巖層位置，并計算各堅硬巖層負荷數和各堅硬巖層的破斷性，然后計算機就能得出關鍵層的判斷結果。判別結果會以表格和柱狀圖2種形式輸出，簡潔明了十分清晰。計算機判斷法能夠有效地去除除基礎數據外所有的干擾，可以較為準確地計算出關鍵層的位置，為離層注漿的實現助力。

4 結 語

要對離層注漿關鍵層進行判斷，就需要先對相關概念進行了解，同時還需要對關鍵層的判斷原理進行分析，根據關鍵層的相關計算與數據比對，最終判斷關鍵層的位置。而在實際生活中，計算機的應用也使得關鍵層的判斷變的更加簡單，而2種判斷方式如何選擇，則需要根據現實情況進行安排處理，以此提升判斷的準確度。