门克庆煤矿关键层及离层空间演化规律研究

龙陆军

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

采场上覆岩层活动中关键层理论的提出有力推动了离层注浆技术的进一步发展[1-3]，并衍生出离层空间发育规律这一研究领域。离层的形成规律是一个相对复杂的问题，如何准确判定离层产生的时机和离层发育的时空规律，是离层注浆工程顺利开展的先决条件。

国内许多专家学者针对离层发育规律开展过大量的研究和探讨，取得了丰硕的成果[4-9]。滕永海等通过理论研究以及实地观测资料，提出离层的发育与岩层移动速度有关，经历初期形成—加速发育—完全形成—闭合压实的动态变化过程[4]。张庆松等在覆岩力学参数反分析的基础上，通过动态数值模拟方法，揭示了离层从形成到闭合的动态发育规律，提出了井下开采控制与覆岩注浆相结合的沉陷控制方法，该研究对提高资源回收率与更好地控制地表沉陷具有重要意义[5]。王素华根据现场覆岩离层钻孔岩移观测实验总结出不同采宽条件下，离层具有三种典型的采动状态：①当离层非充分采动时，覆岩内离层较少，采动空间(采厚)多残存于垮落带和裂隙带。②离层充分采动—地表非充分采动时，覆岩内离层能够充分形成，离层个数多，离层缝宽度大，离层带内会残存大量离层空间。③地表充分采动时，虽然在采动过程中覆岩内曾经形成过离层或者离层带，但在开采稳定后离层多数都会闭合，其中仅残留少量离层空间。在地表非充分采动条件下，沉陷稳定后覆岩内仍残存着大量采动空间[6]。

覆岩离层的产生、发展、闭合是一个动态发育过程，不同地层条件下离层发育规律具有差异性[7]。本文以门克庆煤矿3101工作面试验段注浆充填工程为背景，依据关键层理论，结合现场数据成果和理论分析，对覆岩中关键层进行了判别，并通过注浆孔对注浆试验段离层发育情况进行了验证，进一步总结归纳本区离层的时空演化规律，从而为该地区煤矿覆岩离层发育规律的研究提供了理论及实践依据。

1 工程概况及关键层计算

1.1 工程概况

门克庆煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内。井田为一长方形，东西宽约7.6km，南北长约12.3km，面积约94.95km2。井田所处地区具有高原沙漠地貌特征，井田内植被稀疏，为半荒漠地区。矿井设计生产能力1 200万t/a，核定生产能力800万t/a，服务年限135a，目前生产能力800万t/a。

门克庆煤矿11-3101工作面为首采工作面，注浆区位于11-3101工作面后半部分，工作面两侧均为实体煤，工作面宽度为260.4m，埋深693～721m，煤层倾角1°～4°，煤层平均厚度4.92m，注浆区位于铁路保护煤柱范围内，推进长度850m(图1)。

开展离层注浆前期，为了清楚掌握3-1煤层上覆地层地质特征，确定关键层位置和离层层位，在距注浆区2 600m处工作面已有采空区施工了探查孔(图1)，孔深602m，采用井下电视录像和测井方式进行探查。

图1 注浆区及探查孔平面位置图Figure 1 Grouting area and exploration borehole positions

1.2 关键层信息计算

根据注浆区域附近的WZ13钻孔柱状图信息，判别关键层的层位，根据固支梁计算关键层破断距。

(1)

式中：LT为关键层破断距，m；hk为关键层厚度，m；RT为关键层抗拉强度，MPa；q为关键层承受载荷，kN/m2[10]。

覆岩主关键层岩性为中粒砂岩，厚度37.95m，埋深346.4m；覆岩中存在3层亚关键层，自上而下岩性分别为细粒砂岩、粉砂岩、中粗砂岩，厚度分别为26.77m、29.62m、40.27m，埋深分别为373.20m、482.01m、664.97m(表1、图2)。

2 钻遇地层及探测方法

2.1 钻遇地层

钻遇地层由新到老分别为第四系(Q4)、下白垩统志丹群(K1Zd)、中侏罗统安定组(J2a)、中侏罗统直罗组(J2z)。第四系(Q4)多由风积砂、细砂组成，厚50～60m，覆盖井田全部范围。下白垩统志丹群(K1Zd)厚50～400m，上部粒度粗，以中细砂岩为主，下部粒度细以粉砂岩为主，与下伏安定组(J2a)呈不整合接触。中侏罗统安定组(J2a)，在井田内厚70～80m，岩石粒度从上到下，逐渐变细，与下伏直罗组(J2z)呈整合接触。中侏罗统直罗组(J2z)为井田内含煤地层的直接上覆地层，地层厚度约130m，岩石粒度由上到下逐渐变粗[11]。

表1 门克庆煤矿3-1煤层覆岩层关键层参数

图2 3101工作面关键层示意图(WZ13孔)Figure 2 Schematic diagram of coal face No.3101 key layers(borehole WZ13)

2.2 测井及离层探测方法

(1)声波测井法

采用KH-2型数字测井仪系统进行全孔测井，测井项目包括：自然伽马、视电阻率、双井径、双侧向、声波、井斜、自然电位、超声成像、补偿密度等，测井深度590m。

(2)钻孔冲洗液漏失量观测法

钻孔冲洗液漏失量观测主要用来确定垮落带高度和导水裂隙带高度，主要利用煤层开采后顶板自然垮塌使上覆岩层出现孔隙和裂隙并相互连通，从而导致钻进时孔内的冲洗液消耗量增大甚至完全漏失而出现干孔的现象(表2)。

(3)井下电视观测法

井下电视观测主要是用来观测煤层上覆岩层的完整性、原生裂隙的发育特征、采动岩体裂缝带内岩层的裂缝发育宽度、连通情况，岩体破碎状况和垮落岩块的分布情况，以及钻孔内部裂缝的渗水和孔内水位变化情况[12]。

3 覆岩关键层发育规律分析

离层的概念最初来源于关键层理论。1996年钱鸣高等最初对关键层、亚关键层、离层的定义及理论进行论述，主关键层有一层，亚关键层可存在多层[1-3]。

随着煤层采动，采动覆岩离层出现在软岩与关键层之间，下部离层最先形成，随工作面推进，初次形成的离层上部亚关键层会发生破断，导致离层空间向上传递，在上部亚关键层、主关键层依次形成离层空间。当主关键层发生破断后，离层空间将传递到地表形成地表塌陷。

图3 煤层上覆岩层关键层位置示意图Figure 3 Schematic diagram of coal overburdenkey layer positions

煤系地层可分为坚硬、硬、中硬、软型四种类型(图4)，在上覆岩层中，岩层强度、厚度有对比性就会产生离层，特别是位于上覆岩层中0.56～0.76倍的采深范围内，会在垂向上产生多个离层空间。

3.1 离层发育分析

经过LY-1钻孔取心资料及附近两个钻孔H062、MS36地层对比分析可知：①H062钻孔349.51m以上岩性为中粒砂岩，349.50～365.81m，此段为砂质泥岩(离层发育段)，365.81～386.30m岩性为粗粒砂岩，386.30～400.69m为泥岩(离层发育段)。②MS36钻孔348.35m以上岩性为粗砂岩，348.35～356.65m为砂质泥岩(离层发育段)，356.65～368m岩性为中粒砂岩，368.00～388m岩性为泥岩(离层发育段)。

表2 观测项目及相应的观测内容、观测仪器

图4 离层岩层的互层条件力学结构类型Figure 4 Abscission layer interbedded condition mechanical structure types

结合钻探岩心采样及数据分析判定，337.00～351.00m段为主关键层下的离层发育区(图5)。排除地层构造、断层等原因，形成多层漏失段大裂隙的主要原因是由于开采后地层运动引起的[13-14]。

图5 LY-1钻孔330.00～340.00m岩心Figure 5 Borehole LY-1 depth 330.00～340.00m rock cores

3.2 主关键层判定

采用￠245mm牙轮钻头钻进至58m，第四系底部下入￠219mm套管水泥固井封闭止水。二开￠113mm无心钻进至393m，泥浆液漏失段为315.74～316.59m，采用无心钻进强钻漏失段，在钻进至395.30m处连续消耗泥浆液36m3，后进行测井。现场利用超声成像、井下电视录像法进行判定分析(图6、图7)。根据录像资料显示，在316.59～362.35m段内发现多处横向、纵向较大的裂隙，根据地层资料及模拟计算，340m左右为主关键层，362.09～362.35m处有较大裂隙，两段较大裂隙形成的原因为采煤引起的地层运动异常。

3.3 亚关键层判定

分析上部裂隙发育情况后，下入168mm技术套管，对志丹群进行永久性封闭止水，止水合格后进行三开，三开用133mm钻头钻进，在钻进至396m处泥浆液全漏失，建立不了循环；继续顶漏钻进至532m直罗组， 在钻进过程中出现掉钻、扒车、井壁坍塌等现象。利用测井和井下录像手段了解裂隙发育情况，390～398m处，有多处较大横向裂隙发育，根据关键层判断及断距计算，此段为亚关键层Ⅲ，484m处为亚关键层Ⅱ发育段(图8、图9)[15]。

成像显示在志丹群下部30m段裂隙离层较为发育，表明志丹群为半成岩，但30m向上地层未受破坏而且坚硬稳定。

4 裂隙带发育规律分析

按经验公式计算，裂隙带界面在560m左右。由成像可见，560m以上为原生裂隙而非采动裂隙，地层比较完整，560m向下呈现连续层状裂隙，特别到572m以下，层状裂隙密集，完全进入裂隙带。560m左右为裂隙带顶界，裂采比为26.75(图10)。

现场井深达603.24m时，地面已和井下裂隙区全面贯通，形成较大的吸风声，进一步证明该位置已经完全进入裂隙区[16]。

图8 亚关键层Ⅲ超声成像Figure 8 Sub-key layer III ultrasonic imaging

图9 亚关键层Ⅱ超声成像Figure 9 Sub-key layer II ultrasonic imaging

图10 裂隙带超声成像Figure 10 Fissure zone ultrasonic imaging

5 结论

1)根据注浆区域附近的WZ13钻孔柱状图信息，分析计算了覆岩关键层参数，覆岩主关键层埋深为346.40m，厚度为37.95m，岩性为中粗砂岩；亚关键层存在3层，自上而下埋深分别为373.20m、482.01m、664.97m，厚度分别为26.77m、29.62m、40.27m，岩性分别为粗粒砂岩、粉砂岩、中粗粒砂岩。

2)利用超声成像和井下电视录像法对探查孔进行了探查，显示采空区地层中存在多处横向裂隙，340m左右为主关键层，390m左右为亚关键层Ⅲ，484m左右为亚关键层Ⅱ，实测值与理论计算得到的关键层参数较吻合。

3)560m左右为裂隙带顶界，裂采比为26.75，560m向下呈现连续层状裂隙，到572m以下，层状裂隙密集，完全进入裂隙带，深度达603.24m时，已和井下裂隙区全面贯通，形成较大的吸风声，进一步证明该位置已经完全进入裂隙区。