井田采空區(qū)覆巖離層區(qū)水工環(huán)地質(zhì)特征及發(fā)育規(guī)律研究

王天文

（中國煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì)，河北，邯鄲 056700）

門克慶礦煤層埋深大，煤層具有沖擊傾向，11采區(qū)3101綜采工作面（11-3101）開采過程中發(fā)生過多次沖擊礦壓現(xiàn)象。門克慶11-3101綜采工作面為門克慶煤礦首采工作面，位于門克慶井田3-1煤11采區(qū)，工作面長度為260.4m，推進(jìn)長度為3904.3m，埋深693～721m，煤層傾1～4°，煤層厚度3.85～5.45m，平均4.92m。11-3101綜采工作面上覆巖層賦存多層厚硬巖層，最大厚度達(dá)318m，且含水層發(fā)育，礦井沖擊礦壓現(xiàn)象頻發(fā)，試驗(yàn)段上方為鐵路環(huán)島及炸藥庫，隨著上覆巖層的破斷，出現(xiàn)了礦震、離層水、沖擊地壓、地表沉陷等災(zāi)害。為探測離層發(fā)育狀況，故開展探查孔施工，采用鉆探、測井等手段，研究離層發(fā)育狀況及發(fā)育規(guī)律可為離層注漿控制地面工程設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。

1 地層特征

根據(jù)鉆孔揭露、地質(zhì)填圖及以往數(shù)據(jù)、巖芯錄井取芯及測井資料，將鉆孔鉆遇地層由新到老敘述如下。

1.1 第四系（Q4）

該地層主要為風(fēng)積砂（Q4），廣泛分布于井田內(nèi)。巖性以風(fēng)積砂、細(xì)砂為主，見半月形或波狀砂丘，揭露地層厚度56.80m。

1.2 白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）

井田內(nèi)無出露。揭露地層厚度56.80～384.40m。巖性上部以紫紅色中、細(xì)粒砂巖及粗粒砂巖為主，下部為深紅色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖夾細(xì)粒砂巖、泥巖。與下伏安定組（J2a）呈不整合接觸。

1.3 侏羅系中統(tǒng)安定組（J2a）

該組地表無出露，揭露地層厚度78.45m。巖性上部為暗紫紅色、紫褐色、灰綠色砂質(zhì)泥巖，夾薄層灰綠色、雜色粉、細(xì)砂巖，下部為灰綠色、紫褐色中、粗粒砂巖，局部夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。與下伏直羅組（J2z）呈整合接觸。

1.4 侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z）

該組為井田內(nèi)含煤地層的直接上覆地層，地表無出露。根據(jù)目前鉆孔深度，暫揭露地層厚度128m，總體上在井田的東南部地層厚度較大，在西北部厚度變小。巖性下部為淺黃、青灰色中、粗粒砂巖，局部夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖；上部巖性主要為紫紅色、雜色砂質(zhì)泥巖、泥巖與灰綠、黃綠色砂巖及粉砂巖互層夾中砂巖。目前孔深590m。

2 主要含水層及其特征

依據(jù)含水介質(zhì)、空隙類型、富水性以及含水特征等，井田內(nèi)主要含水層自上而下可分為松散巖類孔隙潛水含水層；碎屑巖類裂隙承壓水含水層。

2.1 松散巖類孔隙潛水含水層

廣布井田區(qū)，覆蓋于下伏白堊系志丹群之上，即與基巖裂隙地層直接接觸。據(jù)鉆探揭露，井田區(qū)第四系全新統(tǒng)（Q4）地層沉積厚度為23.20～58.80m，僅局部地段在其底部見厚度較薄的砂質(zhì)黏土，因此該含水層與其下伏白堊系志丹群之間沒有穩(wěn)定的隔水層。含水層巖性以粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主，成分較純，微含少量泥質(zhì)，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，為大氣降水入滲及地表水的間歇性滲漏補(bǔ)給創(chuàng)造了有利條件，即有利于孔隙水的補(bǔ)給、貯存與聚集。因而該含水層地下水的補(bǔ)、蓄條件良好，賦存有較豐富的孔隙潛水。據(jù)該區(qū)SQ1第四系抽水孔勘探資料得知：在鉆探施工過程中，因地層結(jié)構(gòu)松散，易發(fā)生孔壁掉塊、坍塌，地層極不穩(wěn)定；鉆井沖洗液消耗較為明顯；據(jù)抽水試驗(yàn)資料，含水層厚度為33.48m，水位埋深4.44m，水位標(biāo)高1300.463m，抽水水位降深1.82m，涌水量22.16L/s，單位涌水量12.176L/s，含水層富水性極強(qiáng)。水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Mg型，礦化度252.84mg/L。

2.2 碎屑巖類裂隙承壓水含水層

白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）裂隙承壓水含水層該含水層在井田區(qū)沒有出露，普遍隱伏于第四系松散層之下。層位較為穩(wěn)定、連續(xù)，其頂板埋深326.50～460.95m。據(jù)區(qū)域資料，志丹群下部地層為河流相沉積，巖石膠結(jié)程度與上部相比較差，因此結(jié)構(gòu)相對疏松，裂隙、孔隙亦較發(fā)育。從地層組合結(jié)構(gòu)看，地層巖性雖為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及中粗砂巖等含、隔水層相互疊置結(jié)構(gòu)，但據(jù)隔水層統(tǒng)計(jì)，該區(qū)志丹群地層平均厚度約347.67m，其中隔水層的平均累計(jì)厚度約21.61m，僅占地層總厚度的6.22%，加之地層結(jié)構(gòu)較為松散，這就為井田外局部裸露區(qū)大氣降水入滲及地表水的間歇性滲漏補(bǔ)給、鄰區(qū)含水層中地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給以及上覆第四系松散層孔隙水下滲越流補(bǔ)給創(chuàng)造了有利條件。

白堊系志丹群含水層的富水性全井田差異不大，僅反映為井田中西部及西南部富水性較強(qiáng)。但總體而言，志丹群地層位于侏羅系地層之上覆，地下水的補(bǔ)給條件要好于其下伏，加之志丹群屬河流相沉積，其本身的地層結(jié)構(gòu)亦較為松散，使得裂隙及孔隙較為發(fā)育，有利于地下水的補(bǔ)給作用。因而，志丹群含水層的富水性與其下侏羅系相比，顯示出富水性相對略強(qiáng)的水文地質(zhì)特征。

2.3 侏羅系安定組裂隙承壓水含水層

該含水層隱伏于白堊系志丹群之下，其頂界埋深為362.5～460.95m，平均埋深390.41m，屬中深埋區(qū)。地層分布較為連續(xù)、穩(wěn)定，主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖與中細(xì)粒砂巖等互層組成。其中，含水層是以其碎屑巖中的細(xì)粒砂巖及局部所夾薄層中粒砂巖為主，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分以石英長石為主，含量約占80%左右，以泥質(zhì)為次。據(jù)鉆探巖芯鑒定并結(jié)合測井解釋資料分析，安定組以泥質(zhì)巖即隔水層為主，含水層約占地層總厚度的33.58%左右，在含水層段局部巖石較為破碎，一般較為完整，因巖石顆粒較細(xì)，結(jié)構(gòu)致密，泥質(zhì)成分偏高，因此裂隙發(fā)育程度一般較差，且多泥砂質(zhì)充填，膠結(jié)程度較好，裂隙的開啟程度相對不佳，連通性不好，從總體上看，反映為弱含水層的發(fā)育特征。

安定組裂隙含水層系侏羅系延安組下統(tǒng)上段（J2y3）2#煤組開采礦井間接充水含水層。由于含水層粒度較小，多以細(xì)粒或局部中粒砂巖為主，裂隙發(fā)育程度相對較差，且含水層累計(jì)厚度相對較薄，以及地下水補(bǔ)給條件及其徑流條件等限制，因此使得安定組含水層的發(fā)育程度和富水性相比其上覆及下伏裂隙水含水層明顯變差。從礦井防治水角度出發(fā)，可有效抑制上覆志丹群裂隙水的下身越流補(bǔ)給作用。由此分析可知，安定組含水層富水性弱，對減小2#煤組開采地板用水及礦井防治水是有利的。

3 離層發(fā)育規(guī)律

根據(jù)采深、采厚、巖性、地層結(jié)構(gòu)及采煤方法與頂板管理方法等的不同，裂縫帶以上的巖層，如以堅(jiān)硬、中硬和堅(jiān)硬、中硬、軟弱巖層相間為主時(shí)，可能會(huì)表現(xiàn)為由下而上地逐層的彎曲變形。由于堅(jiān)硬巖層與軟弱巖層的彈性模量差距較大，因此常常表現(xiàn)為不同步的變形，軟巖的變形大，而硬巖變形小，軟硬巖不同步變形的空間即為離層，具體見圖1。

圖1 主關(guān)鍵層破斷前后覆巖運(yùn)動(dòng)特征

如新LY-1孔312～334m為厚層中砂巖，巖性堅(jiān)硬，往下334～351m有多層泥巖、砂質(zhì)泥巖，在兩種彈性模量相差較大的巖層之間，由于變形不同，而形成離層。在全孔鉆進(jìn)中，根據(jù)巖性、鉆井液漏失情況、井下電視、超聲成像測井等綜合分析，在砂巖與泥巖等軟硬巖交界處，多形成離層，鉆井液全漏，裂隙發(fā)育。

關(guān)鍵層理論主要闡述了覆巖中厚而堅(jiān)硬巖層的破斷失穩(wěn)特征及其對覆巖移動(dòng)的影響機(jī)制。明確了亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層對巖層移動(dòng)控制的影響范圍，揭示了關(guān)鍵層對離層產(chǎn)生、擴(kuò)展的影響規(guī)律。關(guān)鍵層理論認(rèn)為對其上部分巖層起控制作用的巖層稱為亞關(guān)鍵層，對其上直至地表全部巖層起控制作用的巖層稱為主關(guān)鍵層，亞關(guān)鍵層可以存在多層，主關(guān)鍵層只有一層。采動(dòng)覆巖離層主要出現(xiàn)在各關(guān)鍵層下面，且離層的最大發(fā)育高度止于主關(guān)鍵層下方。

關(guān)鍵層下離層量的大小與煤層采高、冒落巖體碎脹特性、關(guān)鍵層距煤層頂板高度及關(guān)鍵層承載變形特性相關(guān)。關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對采動(dòng)覆巖離層的形成、發(fā)展和時(shí)空分布起控制作用。在關(guān)鍵層初次破斷前，關(guān)鍵層下方的離層量隨工作面的推進(jìn)不斷增大，最大離層位于采空區(qū)中部。當(dāng)亞關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷后，該層位下的部分離層空間將會(huì)向上傳遞并主要位于上一層亞關(guān)鍵層下方，隨工作面推進(jìn)已發(fā)生過初次破斷的亞關(guān)鍵層下方只在采空區(qū)四周保存部分離層空間。主要離層空間位于還未發(fā)生初次破斷的亞關(guān)鍵層下方，直至工作面繼續(xù)推進(jìn)至該層關(guān)鍵層破斷，離層空間繼續(xù)向上傳遞，當(dāng)主關(guān)鍵層發(fā)生破斷后，離層空間將傳遞到地表形成地表塌陷。為此，控制上覆巖層中的主關(guān)鍵層不發(fā)生破斷是確保地表不發(fā)生沉降的關(guān)鍵。

而采用對覆巖離層區(qū)進(jìn)行注漿的技術(shù)，其原理是通過設(shè)計(jì)合理的工作面采寬使主關(guān)鍵層或目標(biāo)關(guān)鍵層初采期穩(wěn)定，合理留設(shè)一定寬度的區(qū)段隔離煤柱，控制相鄰兩工作面覆巖的聯(lián)通移動(dòng)并均處于非充分采動(dòng)狀態(tài)，通過地面鉆孔對采動(dòng)覆巖離層區(qū)進(jìn)行注漿充填，在采空區(qū)中部范圍形成一定寬度的注漿充填壓實(shí)承載區(qū)，并保持主關(guān)鍵層或目標(biāo)關(guān)鍵層的采中穩(wěn)定，形成覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)-充填區(qū)壓實(shí)承載層-區(qū)段隔離煤柱復(fù)合支撐承載結(jié)構(gòu)對地表進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)采空地表塌陷的有效控制。同時(shí)，離層注漿保持目標(biāo)關(guān)鍵層穩(wěn)定，可以解決大面積頂板不下沉可能形成的礦震；同時(shí)由于空間守恒原理，消除離層空間，因此也消除了離層水的威脅；對其下部的關(guān)鍵層、老頂?shù)仍谶B續(xù)不斷的高壓注漿力的作用下，變周期性破斷為隨采隨注隨冒落，消除了能量積蓄，使原來的周期性劇烈破斷的運(yùn)動(dòng)形式為柔性均勻連續(xù)下沉，從根本上顯著減弱甚至消除了沖擊地壓。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對門克慶煤礦的地層及水文特征分析，井田內(nèi)主要含水層主要為松散巖類孔隙潛水含水層和碎屑巖類裂隙承壓水含水層，在開采過程中需要采取措施干預(yù)上覆巖層的破斷，減弱礦壓顯現(xiàn)，提前干預(yù)地層塌陷過程，控制地表塌陷下沉，這對覆巖離層覆巖離層區(qū)進(jìn)行注漿減沉技術(shù)的實(shí)施具有重要意義。