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摘 要：文章分析了关键层下离层动态发育对离层有效充填的影响，针对目前离层充填采煤法中，工作面长度受制于关键层初次垮落距和关键层初次垮落前其下岩层未能达到充分采动状态造成充填效果不佳的问题，提出了“人工强化关键层注浆充填”技术。它通过浇筑钢筋混凝土柱桩将关键层及其上数层岩层固结成一组合岩梁结构，使之成为整体，共同承载各岩层的变形压力，在提高采出率的同时，有效减缓了地表变形，从而促进了覆岩离层充填减沉技术的实践和发展，文章分析了其适用条件，并在鹤壁矿区得到了应用，取得了预期的效果。
关键词：覆岩离层；人工强化关键层；注浆充填；组合岩梁；地表沉降
中图分类号：TD823.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0176-03
1 背景概述
1.1 目前我国处理开采地表沉陷问题的方法
目前我国处理开采地表沉陷问题的方法主要有：条带开采、采空区充填采煤法和覆岩离层注浆减沉。其中条带开采治理开采沉陷效果显著，但是煤炭采出率低、煤炭资源浪费严重；采空区充填在许多煤矿也有实践，但由于其成本高、工序多，并且严重影响工作面的生产，因此很难有效推广。
1.2 覆岩离层充填技术在我国的发展以及相关理论研究
覆岩离层充填技术最早由范学理教授从国外引进，于20世纪80年代首次在抚顺矿务局老虎台矿进行离层充填减沉试验并取得了成功。
随后我国采矿工程界许多专家学者又在大屯徐庄矿、开滦唐山矿、新汶华丰矿、兖州东滩矿等数十个矿井进行了离层充填减沉的现场试验，取得了一定的成效。
在理论研究方面，许多专家学者结合“压力拱”理论、复合岩梁理论、关键层理论等，通过数值模拟、相似模拟和现场试验系统分析了覆岩离层发展的时空规律、离层产生的机理、覆岩离层注浆层位选择、注浆孔的布置原则、离层充填减沉效果评价方法等内容。然而根据现场试验的调查结果表明，大部分矿井实际离层注浆减沉效果并不理想。
此后又有学者提出了“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术，此项技术相较于传统的靠留设煤柱来减缓地表下沉的方法，一方面提高了煤炭的采出率，另一方面更有效地控制了地表的下沉。但“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术的应用有一定的约束性，首先工作面的长度要受到关键层初次垮距的制约，其次当关键层初次垮落前，其下岩层未达到充分采动状态时，也将不得不留设一定宽度的永久保护煤柱，造成煤炭资源的浪费。
针对目前“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术中存在的问题，基于关键层理论及复合岩梁理论，作者提出了“人工强化关键层”注浆充填技术，本文对其基本原理及适用条件进行了深入研究。
2 “人工强化关键层”技术的提出
2.1 覆岩离层动态发育特征对离层充填的影响
目前，国内专家学者已对覆岩离层动态发育特征做了大量研究。结果表明，关键层运动对离层的产生、发展与时空分布起主要控制作用。关键层下离层的动态分布呈现的两阶段发展规律，如图1所示。
关键层初次破断前，关键层下的离层量随着工作面的不断推进而不断增大，最大离层处于采空区中部，离层发育较为明显。关键层初次破断后，关键层在采空区中部的离层又会逐渐闭合，但在采空区两侧仍各自保持一个离层区，其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的1/4～1/3。
由此可知，关键层初次破断前的离层量大，离层比较发育，离层区域也比较稳定，此时对离层区进行充填效果较好；而关键层初次破断后采空区两侧的离层区域变小，采空区中部逐步被压实，即使能够注入一部分注浆材料，也不能有效地减缓地表下沉。
2.2 “人工强化关键层”技术的提出
传统的覆岩离层区充填料浆都是以粉煤灰为主要固体材料，由于粉煤灰为非固结充填材料，因此可压缩性较大，且其渗水性能与其堆积厚度成反比。粉煤灰与矸石粉的压缩实验结果表明：矸石粉的抗压缩性能明显优于传统的粉煤灰，但仍会有1/4左右的压缩率。因此，在现场离层区充填过程中，关键层初次破断前其下离层空间是很难被充实的，离层区内的充填体不能马上对初次破断前的关键层起到有效的支撑作用，不能阻止关键层的初次破断，从而对后续离层注浆及注浆减沉效果产生影响。
同时，对于一些初次垮距比较短的关键层，用覆岩分区隔离注浆充填技术也无法达到很好效果的情况下将不得不留设大量的保护煤柱，造成煤炭资源的大量浪费。
“人工强化关键层”注浆充填技术可以较好地解决上述问题，其基本原理如图2所示。
通过地面向覆岩中打钻孔，人为的在岩层间浇筑钢筋混凝土柱桩并将其上多余的孔段用废泥土填实，钢筋混凝土柱桩的作用，一方面体现在浇筑柱桩的固结力增加了关键层及其以上数层岩层的接触压力，避免各岩层间出现离层现象；另一方面增加了各岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将作用范围内的几个岩层固结成一个较厚的组合岩梁共同承担上覆载荷。
这种组合岩梁在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力大大减小，挠度也显著减小，能够达到同步协调变形，并且组合岩梁厚度越大，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小。新的“组合岩梁”相比单层关键层，其极限跨距将显著增大，为其下部离层裂隙的充分发育提供了时间，确保在该地质条件下离层盆地达到充分采动，使离层量达到最大，从而保证充填材料注满离层区，充填体对强化后关键层起到有效的支撑作用。
3 “人工强化关键层”注浆充填技术的适用性分析
3.1 “人工强化关键层”注浆充填技术的理想条件
关键层的破断距取决于其岩性、厚度及载荷大小，一定条件下关键层的破断距是一定的，关键层初次破断距大小决定了分区隔离的工作面长。根据“人工强化关键层”注浆充填技术的基本原理，利用该项技术的理想条件为： ①在工作面开采长度较大的情况下。随着工作面的推进该覆岩关键层下离层盆地达不到充分采动，关键层下离层量较小，可注浆量较少，充填体起不到有效支撑上覆岩层的作用，此种情况就可以采用人工强化关键层，强化后的关键层变成为复合岩梁，其极限跨距增大，其下离层区得到充分发育，从而保证充填材料注满离层区，使充填体对强化后关键层起到有效的支撑作用，从而有效控制上覆岩层的变形；
②在工作面开采长度较大的情况下。如果既能保证关键层下的离层盆地达到充分采动，使离层量达到最大，同时覆岩关键层不破断失稳，此种情况下就不需要人工强化关键层。
3.2 “人工强化关键层”注浆充填技术研究核心
“人工强化关键层”注浆充填技术的适应性研究的核心在于：确定关键层的极限跨距，并预计在合理工作面长条件下对应的关键层下离层量的大小。关键层下离层量大小与煤层采高、煤岩层性质、工作面开采尺寸、垮落带与断裂带岩层的碎涨特性、关键层距煤层高度以及关键层承载变形特征有关。当煤层开采高度、工作面尺寸等开采基本条件确定时，关键层下离层量的大小主要取决于垮落带与断裂带内岩层的碎胀，且两带内破碎岩石的残余碎胀系数与所受载荷大小有关，载荷大小与工作面推进距离成正比，载荷越大，垮落带与断裂带岩层的残余碎胀系数就越小。由于影响关键层下离层发育程度的因素较复杂，它们相互制约并对离层的发展起到耦合影响作用。如煤层采高小时，距离开采煤层近的关键层容易出现离层，而距离煤层远的关键层可能就不出现离层；当煤层采高大时，距离煤层远的关键层下也可能出现离层。然而如何预计判断关键层下离层量的大小有待进一步研究。
4 “人工强化关键层”注浆充填技术方案示例
鹤壁矿区某矿15带区位于矿井1水平西部，整个带区均被村庄压覆，带区走向长1 200 m，倾斜长1 286 m，面积约为1.54 km2。主采10号煤层，煤厚2.5 m，煤层平均倾角6 °，平均采深340 m，表土层厚40 m。由岩层柱状图可知，在煤层上方180 m处形成一平均厚度达47m的厚砂质页岩，关键层上覆有三层均厚为20 m的细质砂岩，如图3所示，该矿基岩上、下山移动角均为83 °，经测试砂质页岩的单向抗拉强度为7.8 MPa，单向抗压强度为64.7 MPa，抗剪强度为25.3 MPa，弹性模量为29.7 GPa，泊松比为0.21。
根据该带区覆岩赋存特点，采用薄板理论估算厚砂质页岩的初次破断距仅为85.5 m，如果按照前面的理论则工作面的长度应不大于85.5 m，这样做不仅影响煤炭产量，而且不利于采掘接替。同时根据临近煤矿测得的地质资料表明，该地质条件下工作面至少需要推进127 m才可使关键层下离层盆地达到充分采动。若采用传统的方法将不得不留设较宽的永久保护煤柱，造成煤炭资源的巨大浪费。
因此决定采用人工强化关键层注浆充填技术实现不迁村绿色采煤。通过地面向基岩内打数排钻孔，然后装入预制好的钢筋骨架并注入配置好的混凝土砂浆，使其“复合”至少四层岩层，如图3所示。
通过薄板理论计算经强化后的关键层，其极限跨距由85.5 m增大到182.4 m，增大一倍多。选取工作面长度160 m，采用跳采开采。将煤矸石经破碎机破碎成小于2 mm的颗粒与粉煤灰混合作为充填骨料，由水经地面充填钻孔输送至厚砂质页岩下的离层区域，水由离层区域下的放水孔持续排出，如此循环，直到矸石粉和粉煤灰混合成的湿灰体充满离层区。
5 结 语
①针对目前离层盆地达到充分发育前覆岩关键层初次破断的问题，提出了“人工强化关键层”注浆充填技术。其基本原理是：通过地面向覆岩中打钻孔，人为的在岩层间浇筑钢筋混凝土柱桩，通过固结作用将关键层及其以上数层岩层“复合”成一个整体，共同承担上覆载荷，达到同步协调变形。
②新的“复合岩梁”相比单层关键层，其极限跨距显著增大，为其下部离层裂隙的充分发育提供了时间，确保在该地质条件下离层盆地达到充分发育，使离层量达到最大，从而保证充填材料注满离层区，充填体对强化后关键层起到有效的支撑作用。人工强化关键层注浆充填技术弥补了条带开采技术的不足，扩大了覆岩离层分区隔离注浆充填技术的适用范围，不但具有较好的地面减沉效果，满足绿色开采的需要，而且提高了煤炭采出率。
③人工强化关键层注浆充填技术理想的适用条件是：在工作面采长和离层充分发育受到关键层初次垮距的影响的情况下，通过人工强化关键层既能增大关键层的初次垮落距保证关键层下的离层盆地达到充分采动，同时又能保证强化后的关键层不破断失稳。人工强化关键层中钢筋混凝土柱桩的位置确定、尺寸大小的定量计算是该项技术的关键，这是有待进一步研究的问题。
参考文献：
[1] 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， 1998.
[2] 朱卫兵，许家林，赖文奇，等.覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术的理论研究[J].煤炭学报，2007，（5）.
[3] 王金庄，康建荣，吴立新.煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨[J].中国矿业大学学报，1999，（4）.
[4] 杨伦.对采动覆岩离层注浆减沉技术的再认识[J].煤炭学报，2002，（4）.
[5] 许家林，朱卫兵，李兴尚，等.控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2006，（1）.
[6] 许家林，钱鸣高.覆岩注浆减沉钻孔布置的试验研究[J].中国矿业大学学报，1998，（3）.
[7] 许家林，钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报，2000，（5）.
[8] 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，2000，（2）.
[9] 许家林，钱鸣高.岩层控制关键层理论的应用研究与实践[J].中国矿业，2001，（6）.
关键词：覆岩离层；人工强化关键层；注浆充填；组合岩梁；地表沉降
中图分类号：TD823.7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0176-03
1 背景概述
1.1 目前我国处理开采地表沉陷问题的方法
目前我国处理开采地表沉陷问题的方法主要有：条带开采、采空区充填采煤法和覆岩离层注浆减沉。其中条带开采治理开采沉陷效果显著，但是煤炭采出率低、煤炭资源浪费严重；采空区充填在许多煤矿也有实践，但由于其成本高、工序多，并且严重影响工作面的生产，因此很难有效推广。
1.2 覆岩离层充填技术在我国的发展以及相关理论研究
覆岩离层充填技术最早由范学理教授从国外引进，于20世纪80年代首次在抚顺矿务局老虎台矿进行离层充填减沉试验并取得了成功。
随后我国采矿工程界许多专家学者又在大屯徐庄矿、开滦唐山矿、新汶华丰矿、兖州东滩矿等数十个矿井进行了离层充填减沉的现场试验，取得了一定的成效。
在理论研究方面，许多专家学者结合“压力拱”理论、复合岩梁理论、关键层理论等，通过数值模拟、相似模拟和现场试验系统分析了覆岩离层发展的时空规律、离层产生的机理、覆岩离层注浆层位选择、注浆孔的布置原则、离层充填减沉效果评价方法等内容。然而根据现场试验的调查结果表明，大部分矿井实际离层注浆减沉效果并不理想。
此后又有学者提出了“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术，此项技术相较于传统的靠留设煤柱来减缓地表下沉的方法，一方面提高了煤炭的采出率，另一方面更有效地控制了地表的下沉。但“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术的应用有一定的约束性，首先工作面的长度要受到关键层初次垮距的制约，其次当关键层初次垮落前，其下岩层未达到充分采动状态时，也将不得不留设一定宽度的永久保护煤柱，造成煤炭资源的浪费。
针对目前“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术中存在的问题，基于关键层理论及复合岩梁理论，作者提出了“人工强化关键层”注浆充填技术，本文对其基本原理及适用条件进行了深入研究。
2 “人工强化关键层”技术的提出
2.1 覆岩离层动态发育特征对离层充填的影响
目前，国内专家学者已对覆岩离层动态发育特征做了大量研究。结果表明，关键层运动对离层的产生、发展与时空分布起主要控制作用。关键层下离层的动态分布呈现的两阶段发展规律，如图1所示。
关键层初次破断前，关键层下的离层量随着工作面的不断推进而不断增大，最大离层处于采空区中部，离层发育较为明显。关键层初次破断后，关键层在采空区中部的离层又会逐渐闭合，但在采空区两侧仍各自保持一个离层区，其最大宽度及高度仅为关键层初次破断前的1/4～1/3。
由此可知，关键层初次破断前的离层量大，离层比较发育，离层区域也比较稳定，此时对离层区进行充填效果较好；而关键层初次破断后采空区两侧的离层区域变小，采空区中部逐步被压实，即使能够注入一部分注浆材料，也不能有效地减缓地表下沉。
2.2 “人工强化关键层”技术的提出
传统的覆岩离层区充填料浆都是以粉煤灰为主要固体材料，由于粉煤灰为非固结充填材料，因此可压缩性较大，且其渗水性能与其堆积厚度成反比。粉煤灰与矸石粉的压缩实验结果表明：矸石粉的抗压缩性能明显优于传统的粉煤灰，但仍会有1/4左右的压缩率。因此，在现场离层区充填过程中，关键层初次破断前其下离层空间是很难被充实的，离层区内的充填体不能马上对初次破断前的关键层起到有效的支撑作用，不能阻止关键层的初次破断，从而对后续离层注浆及注浆减沉效果产生影响。
同时，对于一些初次垮距比较短的关键层，用覆岩分区隔离注浆充填技术也无法达到很好效果的情况下将不得不留设大量的保护煤柱，造成煤炭资源的大量浪费。
“人工强化关键层”注浆充填技术可以较好地解决上述问题，其基本原理如图2所示。
通过地面向覆岩中打钻孔，人为的在岩层间浇筑钢筋混凝土柱桩并将其上多余的孔段用废泥土填实，钢筋混凝土柱桩的作用，一方面体现在浇筑柱桩的固结力增加了关键层及其以上数层岩层的接触压力，避免各岩层间出现离层现象；另一方面增加了各岩层间的抗剪刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将作用范围内的几个岩层固结成一个较厚的组合岩梁共同承担上覆载荷。
这种组合岩梁在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力大大减小，挠度也显著减小，能够达到同步协调变形，并且组合岩梁厚度越大，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小。新的“组合岩梁”相比单层关键层，其极限跨距将显著增大，为其下部离层裂隙的充分发育提供了时间，确保在该地质条件下离层盆地达到充分采动，使离层量达到最大，从而保证充填材料注满离层区，充填体对强化后关键层起到有效的支撑作用。
3 “人工强化关键层”注浆充填技术的适用性分析
3.1 “人工强化关键层”注浆充填技术的理想条件
关键层的破断距取决于其岩性、厚度及载荷大小，一定条件下关键层的破断距是一定的，关键层初次破断距大小决定了分区隔离的工作面长。根据“人工强化关键层”注浆充填技术的基本原理，利用该项技术的理想条件为： ①在工作面开采长度较大的情况下。随着工作面的推进该覆岩关键层下离层盆地达不到充分采动，关键层下离层量较小，可注浆量较少，充填体起不到有效支撑上覆岩层的作用，此种情况就可以采用人工强化关键层，强化后的关键层变成为复合岩梁，其极限跨距增大，其下离层区得到充分发育，从而保证充填材料注满离层区，使充填体对强化后关键层起到有效的支撑作用，从而有效控制上覆岩层的变形；
②在工作面开采长度较大的情况下。如果既能保证关键层下的离层盆地达到充分采动，使离层量达到最大，同时覆岩关键层不破断失稳，此种情况下就不需要人工强化关键层。
3.2 “人工强化关键层”注浆充填技术研究核心
“人工强化关键层”注浆充填技术的适应性研究的核心在于：确定关键层的极限跨距，并预计在合理工作面长条件下对应的关键层下离层量的大小。关键层下离层量大小与煤层采高、煤岩层性质、工作面开采尺寸、垮落带与断裂带岩层的碎涨特性、关键层距煤层高度以及关键层承载变形特征有关。当煤层开采高度、工作面尺寸等开采基本条件确定时，关键层下离层量的大小主要取决于垮落带与断裂带内岩层的碎胀，且两带内破碎岩石的残余碎胀系数与所受载荷大小有关，载荷大小与工作面推进距离成正比，载荷越大，垮落带与断裂带岩层的残余碎胀系数就越小。由于影响关键层下离层发育程度的因素较复杂，它们相互制约并对离层的发展起到耦合影响作用。如煤层采高小时，距离开采煤层近的关键层容易出现离层，而距离煤层远的关键层可能就不出现离层；当煤层采高大时，距离煤层远的关键层下也可能出现离层。然而如何预计判断关键层下离层量的大小有待进一步研究。
4 “人工强化关键层”注浆充填技术方案示例
鹤壁矿区某矿15带区位于矿井1水平西部，整个带区均被村庄压覆，带区走向长1 200 m，倾斜长1 286 m，面积约为1.54 km2。主采10号煤层，煤厚2.5 m，煤层平均倾角6 °，平均采深340 m，表土层厚40 m。由岩层柱状图可知，在煤层上方180 m处形成一平均厚度达47m的厚砂质页岩，关键层上覆有三层均厚为20 m的细质砂岩，如图3所示，该矿基岩上、下山移动角均为83 °，经测试砂质页岩的单向抗拉强度为7.8 MPa，单向抗压强度为64.7 MPa，抗剪强度为25.3 MPa，弹性模量为29.7 GPa，泊松比为0.21。
根据该带区覆岩赋存特点，采用薄板理论估算厚砂质页岩的初次破断距仅为85.5 m，如果按照前面的理论则工作面的长度应不大于85.5 m，这样做不仅影响煤炭产量，而且不利于采掘接替。同时根据临近煤矿测得的地质资料表明，该地质条件下工作面至少需要推进127 m才可使关键层下离层盆地达到充分采动。若采用传统的方法将不得不留设较宽的永久保护煤柱，造成煤炭资源的巨大浪费。
因此决定采用人工强化关键层注浆充填技术实现不迁村绿色采煤。通过地面向基岩内打数排钻孔，然后装入预制好的钢筋骨架并注入配置好的混凝土砂浆，使其“复合”至少四层岩层，如图3所示。
通过薄板理论计算经强化后的关键层，其极限跨距由85.5 m增大到182.4 m，增大一倍多。选取工作面长度160 m，采用跳采开采。将煤矸石经破碎机破碎成小于2 mm的颗粒与粉煤灰混合作为充填骨料，由水经地面充填钻孔输送至厚砂质页岩下的离层区域，水由离层区域下的放水孔持续排出，如此循环，直到矸石粉和粉煤灰混合成的湿灰体充满离层区。
5 结 语
①针对目前离层盆地达到充分发育前覆岩关键层初次破断的问题，提出了“人工强化关键层”注浆充填技术。其基本原理是：通过地面向覆岩中打钻孔，人为的在岩层间浇筑钢筋混凝土柱桩，通过固结作用将关键层及其以上数层岩层“复合”成一个整体，共同承担上覆载荷，达到同步协调变形。
②新的“复合岩梁”相比单层关键层，其极限跨距显著增大，为其下部离层裂隙的充分发育提供了时间，确保在该地质条件下离层盆地达到充分发育，使离层量达到最大，从而保证充填材料注满离层区，充填体对强化后关键层起到有效的支撑作用。人工强化关键层注浆充填技术弥补了条带开采技术的不足，扩大了覆岩离层分区隔离注浆充填技术的适用范围，不但具有较好的地面减沉效果，满足绿色开采的需要，而且提高了煤炭采出率。
③人工强化关键层注浆充填技术理想的适用条件是：在工作面采长和离层充分发育受到关键层初次垮距的影响的情况下，通过人工强化关键层既能增大关键层的初次垮落距保证关键层下的离层盆地达到充分采动，同时又能保证强化后的关键层不破断失稳。人工强化关键层中钢筋混凝土柱桩的位置确定、尺寸大小的定量计算是该项技术的关键，这是有待进一步研究的问题。
参考文献：
[1] 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， 1998.
[2] 朱卫兵，许家林，赖文奇，等.覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术的理论研究[J].煤炭学报，2007，（5）.
[3] 王金庄，康建荣，吴立新.煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨[J].中国矿业大学学报，1999，（4）.
[4] 杨伦.对采动覆岩离层注浆减沉技术的再认识[J].煤炭学报，2002，（4）.
[5] 许家林，朱卫兵，李兴尚，等.控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2006，（1）.
[6] 许家林，钱鸣高.覆岩注浆减沉钻孔布置的试验研究[J].中国矿业大学学报，1998，（3）.
[7] 许家林，钱鸣高.覆岩关键层位置的判别方法[J].中国矿业大学学报，2000，（5）.
[8] 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，2000，（2）.
[9] 许家林，钱鸣高.岩层控制关键层理论的应用研究与实践[J].中国矿业，2001，（6）.