梅花井煤礦直羅組砂巖含水層開采擾動后的滲透性分析及充水試驗研究

翟 文 馬 昆 任予鑫

(1.神華寧夏煤業集團棗泉煤礦，寧夏自治區銀川市，751411； 2.神華寧夏煤業集團梅花井煤礦，寧夏自治區銀川市，751411)

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★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

梅花井煤礦直羅組砂巖含水層開采擾動后的滲透性分析及充水試驗研究

翟 文1馬 昆2任予鑫2

(1.神華寧夏煤業集團棗泉煤礦，寧夏自治區銀川市，751411； 2.神華寧夏煤業集團梅花井煤礦，寧夏自治區銀川市，751411)

結合梅花井煤礦煤炭開采頂板水害防治難題，對孔隙性富水弱滲砂巖含水層進行試驗研究，基于滲流力學理論建立孔隙性含水介質采動滲透試驗模型和鉆孔集滲效果試驗模型，試驗揭示了孔隙性含水層鉆孔集滲效應及采動后的裂隙匯水效應的水動力學機制，研究成果對于區內乃至西部侏羅系聚煤區礦井頂板水害防治具有重要的技術借鑒意義。

梅花井煤礦 直羅組砂巖 含水層 開采擾動 滲透性 充水試驗

梅花井煤礦作為神寧集團的主要供煤礦井，是鴛鴦湖礦區首個單井生產能力1000萬t/a以上的礦井，其水文地質條件復雜多變、水害防治管控難度大，為了繼續保障梅花井煤礦的產量，同時有效避免水害事故的發生，必須積極探索有效的防治水理論與技術來控制井下水害，切實保障礦井安全生產。因此，本文針對礦井頂板砂巖水的防治進行試驗研究，對煤層開采條件下導水裂隙帶能否溝通至直羅組砂巖含水層進行分析，并根據模型試驗來確定采動后頂板的滲透性變化規律，探索采動頂板徑流狀態變化的水動力學機制。

1 采動頂板充水危害分析

通過經驗計算、數值建模分析及經驗類比方法對梅花井礦煤炭開采頂板冒裂帶發育高度作初步預測分析，結果表明這3種不同方法估算的梅花井煤層采動頂板垮裂帶發育厚度差異較大，由于《“三下”開采規程》推薦的經驗計算公式為國內煤礦較早開采的經驗總結，開采方法、工作面大小及采厚等與梅花井煤礦實際條件有較大出入。綜合考慮梅花井煤礦11采區大工作面布置、綜放開采方法以及采厚較大、煤層頂板強度較低、采動易垮落等特點，分析認為梅花井礦煤炭開采的頂板垮裂帶發育高度會遠遠大于經驗公式的計算結果。

通過對梅花井礦3個綜采工作面煤層頂底板綜合柱狀圖分析發現，礦井煤層與直羅組底部粗砂巖含水層平均間隔厚度分別為19.3 m、9.17 m和14.63 m，即便考慮最低估算結果(經驗計算結果)，垮裂帶高度按22 m計算，煤炭采動頂板垮裂帶也會波及到直羅組底部富水砂巖含水層。在采動頂板垮裂帶波及到直羅組底部粗砂巖含水層的情況下，采空區成為含水層的集中排泄區，而采動裂隙成為通暢的滲流網絡，并且排泄區范圍和裂隙滲流網絡的連通區域都會隨采空區的擴大而增大，使頂板含水層的徑流通道由原始狀態的孔隙性滲流轉變為裂隙性滲流，從而導致礦井涌水量的急劇增大。

在斷層影響部位，采動頂板移動變形會導致頂板水害程度進一步加劇。一方面，斷層兩盤位移時的強大摩擦阻力作用會導致斷層面附近的兩盤巖石破裂，產生大量的羽狀裂隙，形成裂隙發育帶，如果斷層規模較大且切穿多個含水層，上部含水層會通過斷層破碎帶與頂板直接充水含水層發生水力聯系，如圖1所示，從而使充水含水層取得水源補給，從而將增大頂板水害程度；另一方面，頂板采動變形會大大增加斷層活化的可能性，如圖2所示，在頂板采動垮裂帶波及到斷層或接近斷層情況下，斷層裂隙帶極易受到采動變形的疊加作用，其結果不但會大大增加頂板裂隙帶的連通程度，而且斷層破碎帶可能會成為上部含水層水體進入采空區的直接通道。

圖1 工作面斷層導水形態

圖2 斷層活化成為導滲通道原理

2 采動頂板滲透模型試驗

梅花井煤礦煤層頂板含水砂巖為孔隙性含水介質，裂隙不發育且以微細裂隙為主。基于洛河組含水砂巖的孔隙—微細裂隙含水性特征，本文通過大尺度模型試驗，了解采動后裂隙性介質的滲透性與天然狀態的孔隙性介質的滲透性差異。

2.1 試驗設計

(1)試驗裝置。試驗采用的注漿滲透儀模型見圖3。注漿滲透儀模型為鋼質，高H=85 cm，內徑d=31 cm，外徑D=33 cm。為便于試驗介質充填和清理，模型頂、底均設置有蓋盤，用法蘭固定；模型側面設置有4個開口，其中兩個用于滲透壓力測試，兩個作為進、出水通道，進水口安裝直通式水龍頭，通過一個大容積的穩壓容器與水源連接，以使滲透性測試過程中水壓基本保持穩定。在與進水口方向成180°方向上設置的兩個測壓表用于測量水壓，兩測壓表之間的距離L為51 cm。壓力表1下部約5 cm處有一個滲漏鋼板，使通過試驗材料斷面的水能滲漏到下部空間，待滲漏鋼板下部的液面高于下部出水口之后自行流出。

圖3 試驗模型及結構示意圖

(2)模型試樣及其配置。試驗模型試樣采用河砂與水泥配制，模擬制作直羅組砂巖，以孔隙性作為制樣控制依據。對采集的天然河砂用篩子篩除直徑大于5 mm的砂粒后，用孔徑0.5 mm篩子將河砂篩分為粗粒和細粒兩組，細粒組中混加一定比例的細鋸末(過0.5 mm篩)，然后根據設計的級配用河砂、水泥進行配比制樣，其中水泥主要用于河砂膠結，試驗所用水泥為C45標號的常規硅酸鹽水泥。

對梅花井礦煤層頂板直羅組底部細、中、粗粒砂巖取樣進行的孔隙度測試結果見表1。

表1 直羅組下段砂巖空隙率測試結果

表中大開口空隙率采用自然吸水法測試，總開口空隙率采用真空吸水法測試。本項試驗共設計了6組試樣配比，其中，試樣4、試樣5及試樣6分別為粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖的模擬介質，對應的采動擾動模擬介質分別為試樣1、試樣2和試樣3。各組試樣配比的砂土與水泥的質量比均控制為12∶1，通過調整粗粒組和細粒組的比例來實現6組配比試樣的孔隙性差異。根據直羅組下段砂巖采樣結果以及砂巖取樣孔隙性差異，試樣配比如表2所示，其中粗粒組含量比表示試樣制作所用砂土材料總重量中粗粒組的重量比例，試樣樣品顆粒級配曲線及實物照片如圖4所示。

表2 模型試樣材料配比情況

(3)試驗模型設計及制作。試驗模型分為采前模型和采動模型，其中，采前模型為粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖采前滲透試驗模型，采動模型模擬采后粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖滲透試驗模型。采前滲透試驗模型為滲透箱內全段鋪設原狀砂巖模擬介質，粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖介質模型高度均為80 cm；采動影響下的模擬介質模型制作方法為模型箱下部由下至上依次鋪設試樣1、試樣2和試樣3，對應厚度分別為15 cm、10 cm、10 cm，以模擬采動裂隙帶的不同擾動程度效果，其上再鋪設45 cm厚的原狀砂巖試樣(粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖)，如圖5所示。

原狀砂巖模型制作方法為分別按設計配比制作不同密實度試樣，并分別測試其孔隙性，然后以與實物樣孔隙性相近者的密實度(干密度)分別制作原狀樣試驗模型，試驗模型介質空隙性及滲透性對比如表3所列。

圖4 試樣配置樣品及級配曲線

圖5 滲透試驗模型示意圖

試樣大開口空隙率/總開口空隙率模擬樣實物樣試樣1(劇烈采動樣)17.2/17.6試樣2(中度采動樣)15.8/16.7試樣3(輕微采動樣)15.3/17.5試樣4(粗砂巖)14.0/18.416.12/19.52試樣5(中砂巖)13.3/18.513.6/19.24試樣6(細砂巖)12.1/21.311.24/22.73

試樣裝填方法為根據試樣配制比例稱量粗、細粒砂和水泥，加水攪拌均勻制成潮濕狀砂漿(手攥不出水)；為防止水沿滲透儀內壁形成集中滲流，在滲透儀內壁均勻涂抹一薄層黃油，然后將攪拌均勻的砂漿分層裝入滲透儀內并夯實，同時按模型制樣填實密度制作試件用于空隙率和強度的校驗；模型試樣制成后養護72 h以上，完全固化后用于模型試驗。

2.2 試驗過程

(1)試驗步驟。在下部出水口接上靜水壓力測管，自上部水管注水，至下部出水口流量和水壓穩定后，測讀、記錄上下滲流斷面和出水口靜水壓力值及滲出流量；改變進水口壓力水頭重復進行前一步驟的試驗過程；計算對應壓力水頭的滲透系數。

(2)過程控制。試驗過程實景照片如圖6所示。試驗過程進水口連接自來水管路，通過水壓穩壓器控制水頭壓力并保持滲透過程壓力水頭相對穩定，變化幅度控制在±5 kPa以內；各模型每級壓力水頭下連續測讀3次靜水壓力值及滲出流量，每次時間不低于1 min，以其平均值計算模型滲透系數。試驗中所有模型均采用0.2 MPa和0.8 MPa二級壓力水頭。

(3)試驗情況。試驗中采用試樣1～ 6分別制作了采前模型，進行了2種壓力水頭的滲透系數測試；在此基礎上，制作采動模型并進行了二級壓力水頭變換的滲透試驗。試驗過程采錄數據包括上下滲流斷面靜水壓力水頭、滲流量及滲透系數。

2.3 試驗結果

試驗結果反映出模型介質空隙率對滲透性的影響是比較明顯的，6種模擬介質的滲透模型試驗結果見表4。總體上采動帶由下至上分別表現為極強滲透性、強—極強滲透性和強滲透性，這種分帶特點與采動頂板垮裂帶的滲透性一般規律大致相符。

圖6 滲透試驗過程實景照片

試樣0.2MPa壓力水頭0.8MPa壓力水頭滲流量Q/L·s-1滲透速度v/cm·s-1滲透系數k/cm·s-1滲流量Q/L·s-1滲透速度v/cm·s-1滲透系數k/cm·s-1試樣1(劇烈采動樣)6.9×10-38.6×10-31.38×10-25.2×10-26.4×10-29.18×10-2k=12.1m/d,強—極強滲透性k=79.5m/d,極強滲透性試樣2(中度采動樣)1.9×10-32.4×10-32.12×10-34.4×10-25.6×10-23.65×10-2k=1.8m/d,強滲透性k=36.5m/d,極強滲透性試樣3(輕微采動樣)1.8×10-32.3×10-31.87×10-32.4×10-22.9×10-21.09×10-2k=1.6m/d,強滲透性k=9.5m/d,強滲透性試樣4(粗砂巖)2.1×10-41.1×10-41.49×10-41.3×10-21.7×10-25.13×10-3k=0.13m/d,中等滲透性k=4.4m/d,強滲透性試樣5(中砂巖)5.1×10-56.3×10-53.08×10-52.3×10-32.8×10-37.61×10-4k=0.027m/d,弱滲透性k=0.66m/d,中等滲透性試樣6(細砂巖)3.6×10-54.5×10-51.96×10-54.5×10-45.6×10-41.3×10-4k=0.018m/d,弱滲透性k=0.11m/d,弱滲透性

由模擬介質的滲透性情況看，在0.2 MPa壓力水頭條件下，粗砂巖模擬介質為中等滲透性，而中砂巖和細砂巖模擬介質為弱滲透性；在0.8 MPa壓力水頭條件下，模擬介質的滲透性表現有不同程度的提高，粗砂巖、中砂巖模擬介質分別顯現強滲透性和中等滲透性，而細砂巖模擬介質則仍處于弱滲狀態。

不同巖性(粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖)頂板采動后的滲透模型試驗結果見表5，由表中可以看出，頂板下部形成強滲帶情況下，不同巖性頂板的滲透性和滲透速度都明顯提高，滲透系數呈數倍增大。

表5 采動模型滲透性測試結果

2.4 試驗結果分析

雖然模型試驗模擬的條件與頂板實際采動情況有一定差異，但根據模型試驗結果對采動后頂板的滲透性變化可以取得以下基本認識：

(1)采動頂板不但使含水層垮裂帶范圍滲透性會急劇提高，而且也會使頂板充水含水層的整體滲透性增強。受采動影響，垮裂帶上的含水層盡管沒有開裂破壞，但下沉變形也會使其結構狀態受到一定程度的擾動，由孔隙性徑流為主轉變為裂隙性徑流為主，從而使含水層整體滲透性明顯增強。

(2)采動頂板垮裂帶對頂板含水層形成明顯的導滲效應。垮裂帶形成后，因地下水的滲透阻力急劇降低而成為外圍含水層水的徑流匯集區，從而使頂板含水層的整體徑流條件發生變化，導引較大范圍的頂板含水層水向采空區集中排泄，由此將極大強化采空區的充水強度。

(3)壓力水頭是影響采動頂板滲透性的重要因素，并且滲透阻力越小，壓力水頭對滲透性的影響越明顯。梅花井煤礦11采區煤層頂板充水含水層壓力水頭一般在2 MPa以上，頂板受開采擾動影響，地下水的滲透阻力急劇降低，由此壓力水頭對采動頂板滲透性的影響將更加凸顯。

3 結論

煤炭開采頂板直羅組底部粗砂巖水害是寧夏寧東鴛鴦湖礦區普遍存在的問題，對礦井安全高效生產影響極大。通過滲透性試驗研究和梅花井煤礦采掘實際揭露情況表明，隨著采動裂隙的發育擴展，含水層徑流狀態也會隨之發生變化，導致其滲透性明顯改善。開采擾動后煤層頂板直羅組底部粗砂巖含水層滲透系數將成倍提高，由此造成采動后頂板的實際涌水量要比基于鉆孔抽水試驗結果的預測涌水量大得多。本研究不僅為梅花井煤礦頂板水害的有效治理建立了技術儲備，也為鴛鴦湖礦區其他礦井乃至西部侏羅系聚煤區類似條件的礦井水害防治提供了重要的技術借鑒。

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(責任編輯 郭東芝)

Permeability analysis and water filling experimental research of Zhiluo formation sandstone aquifer after mining disturbance in Meihuajing Coal Mine

Zhai Wen1, Ma Kun2, Ren Yuxin2

(1.Zaoquan Coal Mine, Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Yinchuan, Ningxia 751411, China; 2. Meihuajing Coal Mine, Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Yinchuan, Ningxia 751411, China)

Aiming at the problem of roof water damage prevention and control in Meihuajing Coal Mine, experimental research on porous water-rich sandstone aquifer with weak permeability was carried out, porous water-bearing media mining penetration experimental model and drilling seepage effect experimental model were built based on mechanical theory of flow through porous media, the experiment revealed hydrodynamic mechanism of drilling seepage effect of porous aquifer and fissuring water catchment effect after mining, the research results had an important significance for mine roof water damage prevention and control in this area and even western Jurassic system coal-bearing region.

Meihuajing Coal Mine, Zhiluo formation, aquifer, mining disturbance, permeability, water filling experiment

翟文，馬昆，任予鑫. 梅花井煤礦直羅組砂巖含水層開采擾動后的滲透性分析及充水試驗研究[J]. 中國煤炭，2017,43(4)：69-74. Zhai Wen, Ma Kun, Ren Yuxin. Permeability analysis and water filling experimental research of Zhiluo formation sandstone aquifer after mining disturbance in Meihuajing Coal Mine[J].China Coal, 2017, 43(4):69-74.

TD742.2

A

翟文(1976-),男,寧夏中衛人，碩士研究生,高級工程師、注冊安全工程師，現任神寧集團棗泉煤礦礦長，主要從事采礦工程、機械工程、綜采自動化、礦井防治水及資源化利用研究。