礦區深部煤層開采水文工程地質測試與條件探討

馮波 佟波

摘要：基于煤炭資源需求的大幅度增大，以及開采技術的日益完善化，個別區域煤田的淺部煤炭資源數量越來越少，針對礦區深部實施有效的開采操作具有的意義和作用越來越重要。本文主要圍繞礦區深部煤層開采水文工程地質測試與條件展開了探討，希望可以為有關人員的研究提供一些參考和幫助。

關鍵詞：礦區；深部煤層；開采；水文工程；地質測試

引言

深部開采操作本身存在水壓較高、地溫較高等特點，且水文工程的條件比其他淺部具有的復雜性更高，在具體實施深部煤層進行水文工程開采操作時，煤系地層中巖層的水文工程地質條件勢必會產生變化，進而必須針對開采過程中，巖層巖石強度以及水文地質特性等加以深入研究，以確保開采的效率及安全性。

1礦區地質條件概述

研究區域主要受到新生界松散層的覆蓋，具有較高的隱蔽性，基于鉆孔可以得知的是，該區域的地層從老到新出現：新太古界-中原古界、新近系及第四系。其中，新太古界-中原古界的地孔揭露情況為21-2孔揭露明龍山斷層上盤，厚度為160.92米，巖性特征為：片麻構造，節理存在鈣質填充；新近系及第四系的地孔揭露情況為21個鉆孔完整性揭露，厚度大約在83.3到276.7之間，巖性特征為：褐黃色粉細砂中夾帶粗砂，部分為砂碩層。其中，二疊層從上至下可以分成山西組、孫家溝組，其中，山西組及上石盒子組是該區域的含煤地層，整合在石炭系太原組的地層之上，并將太原組一灰頂當做底界。同時，山西組作為第一含煤段，通常含兩層可采煤層，包括1、3煤層。

2礦區深部煤層開采水文工程地質測試與條件研究

頂板具有的穩定性高低主要依靠頂板巖體結構特征及構造應力場等體現，為了對煤層頂板的巖體特性實施更為有效、全方位的分析，針對煤層頂板的力學特征加以深入的探討就顯得愈發重要起來。如下實驗主要以工程地質為中心，針對煤層頂板巖體的基本力學性質及水理性質等進行了研究。

2.1煤層底板隔水巖層性特征

煤層底板具有的隔水性能高低主要受隔水層的巖性組合影響，存在差異性的巖性組合的隔水層具有的隔水性能均存在較大的不同，通常來講，底板中存在的泥巖較多，則其隔水性能相對較高，反之，底板中存在的泥巖較少，那么其隔水性能相對較低。

為了充分了解各種巖性組合的底板隔水層存在的隔水能力高低，我們將巖石性質存在差異的巖層依據相關標準分別換算成等效的泥巖厚度。其中，煤底板到太原組一灰頂部間可以當做隔水層，以粉砂巖及泥巖等為主要構成部分，個別低段中存在砂泥巖互層。基于相關鉆孔資料顯示，所統計到的揭露到一灰的鉆孔共47個。同時，3煤底至1灰板頂板間的平均距離約為20米，通過對1灰鉆孔的統計可以得知的是，其砂巖率大致在0.04到0.95之間。基于砂巖率等值線圖，砂巖率最高的區域多在研究區域西部位置處。

2.2煤層頂底板巖石工程地質測試

2.2.1力學參數測試

第一，基于已經掌握的資料，針對鉆孔取樣煤層頂板中存在的各巖石的樣本實施單軸壓縮實驗，巖體工程的地質特征并非單純依靠巖體力學的性質影響，但其作為重要的影響因素之一，對促使所實施的工程地質特征研究的實效性大幅度提升具有至關重要的意義。在針對煤層頂板工程地質特征及穩定性加以研究的過程中，需重點針對實驗過程中巖石樣本表現出來的變形特征實施相關的研究操作，即探討應力及應變變化的關系。經由應變、應力變化的曲線圖，將巖石由于受力而變形再到破壞過程中的變形特征良好的反映出來，對其應變軟化及強化的特征加以有效分析。

據有關研究顯示，在具體實施應力施加操作時，巖石主要需要經歷的階段包括三個，即彈性變形、塑性變形以及破壞階段。其中，彈性變形階段中的巖體樣本由于受力產生初荷載，應變和應力呈現出顯著的線性關系。該階段中，消除應力的瞬間，應變也會完全恢復。塑性變形階段：隨著應力繼續提升，在其照比巖體樣本本身的應力最大值大時，其變形特征主要體現為：由于應力的加大，應變增大，且其增加的幅度照比彈性階段大，在應力消除的瞬間，恢復的僅為其中的一部分。破壞階段。該階段的變形特征主要表現為：在上述階段的基礎上，應力繼續提升，導致巖體樣本產生破裂，應變無法恢復，且會具有一部分的殘余應力存在。

具體實施相關操作的過程中，基于巖石的結構與成分均不同，且會受到實驗誤差的影響，巖石樣本的應變過程的復雜性遠大于理論情況。即使利用的為同一層的巖石樣本，但基于其微型結構面形態及位置等均的差異性，相應的應變過程中也會體現出較為顯著的不同。所以，由于上述原因，其他國家中的專家、學者等多是經由對大量巖石樣本實施單軸實驗的方式，對巖石應力、應變的關系進行統計分析。

2.2.2巖石強度分析

在具體對巖石的強度實施分析操作的過程中，應重視對3種巖石的強度準則加以對比，并需要根據其巖性差異性擇選出平均標準擬合差強度最小的準則。其中，直線型準則為：

（1）

其中， 表示為正應力。同時，倘若應用的為主應力，則應表示為：

（2）

其中， 分別表示為主應力的最大及最小值。

由于巖石單軸壓縮表現為的非線性特征，利用直線型準則無法將其精準的描述出來，所以，本文采取的為Bieniawski強度準則，優先將巖石的單軸抗壓強度計算出來，再應用擬合計算法對公式中的各種參數加以確定，有助于提升擬合精度，減少誤差出現的幾率。

2.2.3深部巖體巖層阻水性能分析

出于地質條件的復雜性較高，深部巖層較淺部位的巖層表現出的特征均具有較大的差異性，基于深部條件的層面加以分析，可將起特征表現概述為如下幾個方面：第一，巖溶水水壓提升。深部存在的應力較高，使得巖層的微型構造發育及斷層活化的效率提升，底板承壓水導升帶由于水壓的提升出現向上導升的情況，相應的作用范圍也不斷不擴大，導致煤層底板中具備較高隔水能力的巖層厚度減小，致使突水事故出現的幾率大幅度提升。第二，深部巖體的巖性致密性更高。深部巖體的沉積時間相對較長，埋藏的深度也相對較深，基于地質作用以及多種其他因素的影響，巖性更為均勻和致密。

結語

綜上所述，第一，倘若推進的距離相同，深部較淺部位的底板破壞深度上限會出現一定程度的提升，具體是基于推進距離的增大而提升，最后不斷趨于穩定化；第二，可對巖石樣本的滲透率產生影響的因素包括巖石內部孔隙及列席的連通及發育等；第三，基于高地應力的影響，峰值會隨著巖體中心主應力的加大而減小。

參考文獻

[1]靳德武，劉英鋒，劉再斌，程建遠.煤礦重大突水災害防治技術研究新進展[J].煤炭 科學技術，2013（01）

（作者單位：1.山東省棗莊礦業集團新安煤業有限公司；

2.山東新巨龍能源有限責任公司）