奧陶系灰?guī)r頂部作為煤層底板隔水層的可利用性研究

王 皓 羅安昆 董書寧 劉其聲

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077； 2. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710077)

目前,我國華北型煤田已進(jìn)入下組煤開采階段。華北石炭—二疊系煤田基底為奧陶系巖溶含水層，煤層底板距離奧陶系頂部較近，在煤礦開采過程中，常因?yàn)閿鄬优c陷落柱的導(dǎo)通而造成突水。同時(shí)，奧陶系巖溶水作為華北地區(qū)重要的供水水源，總儲(chǔ)量大，補(bǔ)給條件好，應(yīng)用傳統(tǒng)的疏水降壓進(jìn)行安全回采難以實(shí)現(xiàn)，且從水資源保護(hù)角度考慮，這樣也造成嚴(yán)重破壞。為貫徹落實(shí)“增加煤層底板隔水層厚度”的奧灰水防治技術(shù)思路，實(shí)現(xiàn)華北下組煤安全開采，學(xué)者們開展了相關(guān)研究，白海波等人通過分析各巖層的滲透特征和富水性差異論證了奧灰頂部相對隔水層的存在；李文平等人利用東灘煤礦揭露奧灰的地質(zhì)鉆探資料和地質(zhì)水文試驗(yàn)，確定奧灰頂部隔水層的厚度。盡管學(xué)者們論證了奧灰頂部相對隔水層的存在，但對于奧灰頂部相對隔水層的可利用性未做深入研究，基于此，在收集和整理大量資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，得出了相關(guān)結(jié)論。

1 奧灰頂部風(fēng)化充填帶地層的形成與演化

華北地區(qū)從奧陶系中統(tǒng)開始沉積之后，到中石炭統(tǒng)本溪組地層沉積之前，在大約一億年的地質(zhì)年代中，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，奧陶系地層被抬升至地面，在長期風(fēng)化剝蝕作用下，地層頂部古風(fēng)化巖溶裂隙逐漸發(fā)育，并形成古剝蝕面。通過兗州等礦區(qū)奧陶系灰?guī)r頂面等高線所反映的趨勢可以看出，奧灰頂部溶蝕、剝蝕面起伏不平，如圖1所示。

圖1 兗州礦區(qū)奧灰頂界面埋深等值線圖

在奧陶系地層被抬升至地面形成古風(fēng)化巖溶裂隙的同時(shí)，又遭受灰?guī)r風(fēng)化物及后續(xù)沉積的本溪組鋁土泥巖等泥質(zhì)成分充填，在上覆地層的重力作用下逐漸壓密填實(shí)。在這些充填區(qū)域中，被灰?guī)r風(fēng)化物或者粗碎屑充填而形成相對富水的充填體，而被本溪統(tǒng)鋁質(zhì)泥巖充填則富水性較弱。

通過對華北型煤田各礦區(qū)奧灰頂部資料收集、分析，認(rèn)為充填物成分與上覆地層巖性有密切關(guān)系，在埋藏巖溶區(qū)，上覆地層若為第三系紅粘土，在灰?guī)r表面溶隙與坑槽中多為紅土充填；上覆地層若為本溪組鋁土巖時(shí)，下部灰?guī)r溶隙和坑槽中則被鋁土巖充填。方解石充填一般在灰?guī)r上部0～50 m之間的坑槽和溶隙中；石膏多充填在裂隙中，沿垂直、順層裂隙進(jìn)行充填，石膏結(jié)晶體為白色纖維狀，峰峰組下部較多，以全充填為主；鐵質(zhì)充填在中奧陶統(tǒng)頂部古巖溶接觸帶，沿裂隙及古漏斗洼地充填，以全充填為主。從充填物成分看，垂直變化有如下規(guī)律：古巖溶面以下多為粘土或上部沉積的碎屑物所充填，如濟(jì)寧煤田A6-10號孔灰?guī)r頂界面以下為綠色泥巖，與上覆地層有關(guān)。隨著深度和地下水運(yùn)動(dòng)條件的變化，填充物亦有所不同，深度越大或地下水運(yùn)動(dòng)滯緩地帶，充填物多為方解石晶體。通過對鉆孔資料和充填物成分的分析，繪制了奧灰頂部風(fēng)化帶厚度等值線圖，如圖2所示。

圖2 奧灰頂部風(fēng)化帶厚度等值線圖

由圖2可以看出，華北型煤田普遍存在奧灰頂部風(fēng)化充填帶，厚度一般在20～70 m，相對穩(wěn)定。奧灰頂部風(fēng)化充填帶的穩(wěn)定厚度是其作為華北型煤田底板隔水層可利用的先決條件。

2 巖石強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)研究

將奧灰頂部風(fēng)化充填帶作為隔水層加以利用，除了具有穩(wěn)定厚度外，還必須滿足兩個(gè)條件。第一，該層段應(yīng)具有抵抗底板奧灰水壓沖擊的性能，即強(qiáng)度；第二，該層段應(yīng)具有一定的抗?jié)B性，即阻水能力。

為定量化研究煤層底板奧灰頂部風(fēng)化充填帶巖層的可利用性，本次研究通過在典型礦區(qū)山西省晉城礦區(qū)奧陶系頂部風(fēng)化帶采取灰?guī)r巖樣，測試其巖石力學(xué)強(qiáng)度及滲透特性，并與該礦區(qū)煤層底板太原組粉砂巖及本溪組泥巖隔水層進(jìn)行對比研究。試驗(yàn)采用國際領(lǐng)先的MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行巖樣測試，巖石試件是采用完整巖塊經(jīng)鉆、切、磨等方法制備成的?50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，見圖3。通過對巖石試件施加不同的圍壓、軸壓及滲透水壓，測試巖體強(qiáng)度與滲透性能。

圖3 巖石試樣實(shí)物圖

2.1 巖石強(qiáng)度試驗(yàn)

巖石強(qiáng)度采用三軸壓縮試驗(yàn)方法，測試了不同圍壓條件下三類巖石試件的三軸抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果見表1。

表1 不同圍壓條件下三類巖石試件三軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

將圍壓為10 MPa條件下太原組粉砂巖、本溪組泥巖及奧陶系頂部灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 圍壓為10 MPa條件下不同巖性抗壓強(qiáng)度對比

由圖4可見，在圍壓相同的條件下，奧陶系頂部灰?guī)r的三軸抗壓強(qiáng)度為175 MPa，略低于太原組粉砂巖的189.2 MPa，但明顯高于本溪組泥巖的85.2 MPa。

奧陶系頂部灰?guī)r試樣三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系如圖5所示。

圖5 奧陶系頂部灰?guī)r試樣三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

由圖5可知，在奧陶系頂部灰?guī)r試樣三軸抗壓強(qiáng)度測試過程中，抗壓強(qiáng)度隨圍巖壓力的增加而顯著增加。當(dāng)圍壓由5 MPa增加至30 MPa時(shí)，灰?guī)r試樣的抗壓強(qiáng)度由120.98 MPa增加至283.52 MPa。由于圍壓的大小受地層埋深影響，可以推斷，隨著奧灰頂部埋深的增大，奧灰頂部地層阻抗水壓的能力也將進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.2 巖石滲透性試驗(yàn)

巖石滲透性測試主要包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩大類方法。其中穩(wěn)定法主要依據(jù)達(dá)西定律中的滲透性原理，利用巖體中滲流速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算巖體滲透性，通常用于滲透性較強(qiáng)的巖體；瞬態(tài)法是一種非穩(wěn)定條件下巖體滲透性的測試方法，當(dāng)巖體滲透性較低時(shí)，常選用瞬態(tài)法進(jìn)行試驗(yàn)。本次研究采用瞬態(tài)法，通過試驗(yàn)系統(tǒng)配套的滲透壓力加壓、測量及控制裝置，可以精確地測試和控制試件兩端的滲透壓力，進(jìn)而測算出巖塊的滲透系數(shù)。滲透系數(shù)測試成果見表2。

表2 不同巖性巖樣滲透性測試結(jié)果

本次研究將圍壓在10 MPa條件下太原組粉砂巖、本溪組泥巖及奧陶系頂部灰?guī)r試驗(yàn)測得的滲透系數(shù)進(jìn)行了對比分析,結(jié)果如圖6所示。

圖6 圍壓為10 MPa條件下不同巖性滲透性對比

由圖6可見，在圍壓均為10 MPa的條件下，奧陶系頂部灰?guī)r的滲透系數(shù)為1.44×10-5m/d，盡管滲透性高于太原組粉砂巖的5.65×10-6m/d及本溪組灰?guī)r的6.65×10-7m/d，但根據(jù)巖體透水性等級劃分，仍屬于極微透水，如表3所示，可見奧灰頂部風(fēng)化充填帶地層與其上方的煤系砂巖及泥巖隔水層均具有較好的阻水性能。

表3 巖體透水性等級劃分表

奧陶系頂部灰?guī)r試樣滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系見圖7。由圖7可知，在奧陶系頂部灰?guī)r試樣滲透性測試過程中，試樣的滲透性隨圍巖壓力的增加而顯著降低。當(dāng)圍壓由5 MPa增加至30 MPa時(shí)，灰?guī)r試樣的滲透系數(shù)由7.22×10-5m/d降低至9.51×10-7m/d。可以推斷，隨著奧灰頂部埋深的增大，奧灰頂部地層的阻水能力也將進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖7 奧陶系頂部灰?guī)r試樣滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系

通過對奧陶系頂部灰?guī)r試樣與煤系隔水層中粉砂巖和泥巖的巖石強(qiáng)度、滲透系數(shù)的測試對比，驗(yàn)證了奧灰頂部風(fēng)化充填帶在沉積及充填作用下，作為華北型煤田底板隔水層的可利用性。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步證實(shí)室內(nèi)試驗(yàn)所得的結(jié)果，驗(yàn)證奧灰頂部風(fēng)化充填帶作為隔水層的可利用性，在華北型煤田典型煤礦區(qū)晉城成莊煤礦開展奧灰頂部風(fēng)化充填帶滲透性能現(xiàn)場原位測試，針對該礦奧灰頂部40 m范圍進(jìn)行壓水試驗(yàn)，測試各段壓水量，以計(jì)算其透水率及滲透系數(shù)。

透水率由下式計(jì)算：

(1)

式中：q——試驗(yàn)段的透水率，Lu；

Q——壓入流量，m3/d；

P——作用于試段內(nèi)的全壓力，MPa；

L——試段長度，m。

滲透系數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

式中：K——巖體滲透系數(shù)，cm/s；

H——試驗(yàn)段水頭值，m；

r——鉆孔半徑，m。

壓水試驗(yàn)計(jì)算成果如表4。

表4 峰峰組頂部壓水試驗(yàn)段滲透系數(shù)計(jì)算表

圖8 奧灰頂部壓水試驗(yàn)段滲透系數(shù)計(jì)算圖

經(jīng)總結(jié)，奧灰頂部前40 m地層的透水率為0.031292～0.079809 Lu，滲透系數(shù)為3.96×10-7～8.49×10-7cm/s。參照表3的巖體透水性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，本鉆孔進(jìn)入奧灰頂部40 m測試段屬極微透水。從計(jì)算的結(jié)果來看，該段滲透系數(shù)很小，考慮到水壓力在管路中具有一定的損耗，但即便將其考慮在內(nèi)，滲透系數(shù)的數(shù)量級依然在10-4，可見測試段巖層的總體滲透系數(shù)極其微弱。

4 結(jié)論

(1)奧灰頂部風(fēng)化充填帶地層的形成演化規(guī)律及分布狀況，是作為相對隔水層應(yīng)用的重要依據(jù)，針對華北型煤田調(diào)研結(jié)果繪制了奧灰頂部風(fēng)化帶厚度等值線圖，表明該層位普遍存在且厚度穩(wěn)定，為開采下組煤的防治水規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供了支撐。

(2)通過室內(nèi)試驗(yàn)對奧陶系頂部灰?guī)r試樣與煤系隔水層中粉砂巖和泥巖試樣的定量化測試，結(jié)果表明奧陶系頂部灰?guī)r巖石強(qiáng)度和滲透系數(shù)指標(biāo)均不遜于煤系隔水層中粉砂巖和泥巖，且當(dāng)深度增加、圍壓增大時(shí)，奧陶系頂部灰?guī)r巖石強(qiáng)度隨之增大，滲透系數(shù)隨之減小，證實(shí)該層位可以作為相對隔水層加以利用。

(3)在華北型煤田典型煤區(qū)晉城成莊煤礦，針對奧灰頂部風(fēng)化充填帶進(jìn)行壓水試驗(yàn)，巖體透水性測試結(jié)果為極微透水，進(jìn)一步驗(yàn)證了奧灰頂部作為隔水層的可利用性。

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