基于壓滲試驗的城郊煤礦深部二水平區域底板巖層阻滲性能研究

王 偉，戴 磊，段李宏

(河南能源化工集團永煤集團股份有限公司，河南 永城 476600)

水害事故是煤礦五大災害之一[1-2]，嚴重威脅煤礦安全生產，特別是近兩年水害事故多發[3]，給煤礦造成了嚴重的損失。巖溶高承壓水突水是煤礦水害事故中較為常見的類型，隨著煤礦開采深度的延伸，煤層底板承受的巖溶承壓含水層水壓及地應力持續增大，礦井受水害威脅程度越來越嚴重。從采動底板突水的力學機制角度考慮[4-7]，當煤層底板受巖溶承壓水影響時，工作面能否安全回采主要取決于構造條件、有效隔水厚度、有效隔水能力，同時與隔水層巖層組合、完整程度及其隔水性能等關系密切。防治底板突水的關鍵研究對象是底板安全隔水層，其阻滲能力是評價水害防治效果的重要指標，因此確定煤層底板巖層阻滲能力具有重要的意義。

目前，煤礦開展了大量煤層底板承壓水突水的研究[8-9]，主要有相對隔水層、突水系數法、“下三帶”和“下四帶”理論、“關鍵層”理論等。其中，多數礦井采用突水系數來反映水壓和安全隔水層厚度的比值，并以此作為評價工作面底板水害治理效果的量化指標。《煤礦防治水細則》指出：對構造擾動底板區域的臨界突水系數為0.06 MPa/m，正常區域的臨界突水系數為0.10 MPa/m，該臨界突水系數取值是基于國內大水礦山底板突水實例統計、分析所得到的一個經驗數據。城郊煤礦由于尚未開展煤層底板巖層阻水能力的試驗，阻滲性能多使用該經驗數據進行評價，技術上存在可靠性不足的問題。因此，研究城郊煤礦深部二水平煤層底板巖層的阻水能力，獲取其阻滲性評價的實測數據[10-15]，可為礦井水害治理效果評價提供更為準確的依據。

1 現場壓滲試驗

1.1 壓滲試驗方法

采用雙孔法進行現場壓滲測試，其原理及裝置如圖1所示。

圖1 鉆孔壓滲測試原理及裝置圖

在礦井深部二水平合適地點施工2個平行鉆孔，分別作為注水鉆孔和水壓測試孔，通過測試巖層形成的低阻滲流的水壓力條件，得到天然水動力場條件下底板巖層的滲透率及巖層單位厚度的抗滲透破壞強度，為底板阻滲性評價提供量化依據。注水過程中，通過觀測注水壓力、注水流量及測滲水壓值等參數，可換算獲得底板不同深度巖組的阻滲強度和滲透系數等量化參數。

1.2 壓滲試驗滲透系數基本原理

根據壓滲試驗收集到的注水鉆孔水壓、測壓孔水壓等數據計算每段巖層導滲狀態下的滲透系數[16-17]，假定測試段的滲透性各向同性，且壓滲過程水流近似為徑流。壓滲試驗原理如圖2所示。壓滲過程在流量和壓力達到相對穩定狀態時，任意過水斷面上的總流量均相等，例如對于距離壓水孔r和R的2個過水斷面有QR=Qr。

(a)平面圖

根據達西定律有：

2πrkIrL=2πRkIRL

(1)

(2)

距離壓水孔r處的壓力增量為：

dHp=Irdr

(3)

對于壓水孔和測滲孔之間有：

(4)

將式(2)代入式(4)中得到：

(5)

Hp0-Hp1=RIR(lnR-lna)

(6)

則可得到IR的計算公式：

(7)

將式(7)代入式(1)整理得：

(8)

則可求得滲透系數的計算公式：

(9)

式中：k為測試段滲透系數,cm/s；Q為壓水孔流量，cm3/s;R為壓水孔、測滲孔間距,m；a為壓水孔半徑,m；L為測試段長度,m；p0為壓水孔水壓,MPa；p1為測滲孔水壓,MPa；Hp0為壓水孔壓力水頭,m；Hp1為測滲孔測試壓力水頭,m。

1.3 壓滲試驗方案

現場壓水試驗選擇在城效煤礦二水平南翼膠帶大巷西段進行，根據鄰近的補8鉆孔資料顯示，煤層底板主要由細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、灰巖組成，其中太原組上段灰巖承壓含水層上距二水平二2煤底板的平均距離為45.45 m。本次主要對二2煤與太原組上段L11灰巖含水層間的隔水巖層開展現場壓滲試驗，收集相關數據,計算相關巖層阻滲性能的準確數據，為城郊煤礦深部二采區煤層水害治理效果評價提供依據。

根據煤層底板巖層發育情況分成3段進行測試，測試巖組劃分如表1所示。

表1 二水平南翼膠帶大巷底板阻滲性能測試巖組劃分

現場測試深度為距煤層底板垂深29 m左右，即進入第3測試巖組砂質泥巖6 m左右。為此，本次在SYP21測點兩側布設2個測試鉆孔，其中C4#孔與該測點距離2.7 m，C5#孔與該測點距離2.0 m。壓滲試驗鉆孔布置如圖3所示，鉆孔設計參數如表2所示。

(a)平面圖

表2 城郊煤礦完整底板阻滲性能測試鉆孔設計參數

1.4 試驗步驟

1)第1、第2測試段巖層壓滲測試。在C5#孔分別距孔口15、32 m位置安裝水壓力探頭一個，量程為6 MPa，然后安裝法蘭盤進行密封；在C4#孔施工至15、32 m處分別進行壓水，C5#孔作為測壓孔進行水壓觀測。壓水先采用恒定壓力注水，壓力等級依次為0.5、1.5、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 MPa等。在低壓恒定壓力試驗完成后，采用變換流量的方法，逐級增加流量至最大，再逐級減小流量至0。每一壓力梯度及流量階梯壓水持續時間20 min左右，連續記錄壓水的流量、C4#孔的壓力及C5#孔的感應壓力。

2)第3測試段巖層壓滲測試。完成第1、第2測試段試驗后，在C5#孔內下入?89 mm的孔口管36.5 m，然后在固管凝固后鉆進至45 m。首先在C4#孔中距孔口42 m處安裝水壓力探頭一個，然后采用特制的法蘭盤進行密封。將C5#孔與壓水泵連接壓水，利用C4#孔進行水壓觀測。與前2個測試段相同，連續記錄C5#孔的壓力、壓水的流量、C4#孔監測水壓。全部試驗結束后，將C4#孔中的水壓力探頭取出，對2個測試孔進行注漿封孔即可。

2 壓滲試驗結果

2.1 第1段細砂巖測試結果

根據觀測數據繪制第1測試段初次和重復壓滲過程中注水水壓、注水流量、測壓孔水壓隨時間變化關系曲線，如圖4所示。由于測壓孔水壓數據相對壓水孔水壓過小，制圖時將測試水壓數值放大10倍。

(a)初次壓滲

由圖4可知，在初次壓滲整個過程中，由于套管存在密封不良部分，導致壓水水壓不能持續升高。雖然注水水壓、流量有較大波動，但對應的測壓孔水壓基本呈非常緩慢的增長態勢，最大值僅為0.10 MPa；重復壓滲期間測壓孔水壓比初次壓滲增長速度還慢，而且最大值僅為0.086 MPa，較初次壓滲更小，但流量的變化幅度有了明顯升高。總體表現出該段細砂巖的阻滲性很強，2次壓滲都沒有導通現象發生。

2.2 第2段粉砂巖測試結果

第2測試段初次和重復壓滲過程中注水水壓、注水流量、測壓孔水壓隨時間變化關系曲線如圖5所示。

(a)初次壓滲

由圖5可知，第2測試段前49 min壓滲過程中的注水水壓、注水流量出現較大波動，但測壓孔水壓增長非常緩慢，最大值僅為0.07 MPa；49 min之后，測壓孔水壓明顯增大，在60.7 min時增大到最大值1.64 MPa，水壓增大了1.57 MPa，表明巖層并未形成滲流通道。重復壓滲期間，壓滲11.7 min后測壓孔水壓開始明顯變化，水壓變化時間明顯縮短，壓水流量基本呈同步增大的變化規律，測壓孔水壓最大值僅為1.72 MPa，說明經過初次壓滲后鉆孔間巖體裂隙發生了一定的擴張，但監測水壓變化很小，說明巖層仍具有較強的阻滲能力。

2.3 第3段砂質泥巖測試結果

第3測試段初次和重復壓滲過程中注水水壓、注水流量、測壓孔水壓隨時間變化關系曲線如圖6所示。

(a)初次壓滲

由圖6可知，在初次壓滲過程中，雖然注水水壓、注水流量均波動較大，但測壓孔水壓基本呈非常緩慢的增長態勢，20 min后明顯增大，最大值達到2.50 MPa，表明巖層尚未形成連通通道；重復壓滲時測壓孔水壓從壓滲22.5 min開始呈跨越式增大，當注水壓力增大至11.02 MPa時，監測孔水壓最高達到9.62 MPa，表明測試段被壓裂導通。

從以上3段測試巖層的壓滲過程來看，與初次壓滲相比，重復壓滲過程測壓孔水壓變化時間明顯提前，說明初次壓滲后測試段巖層的阻滲能力有一定的降低；細砂巖、粉砂巖測試段經2次壓滲后仍具有較強的阻滲能力，巖層具有較強的隔水能力，但砂質泥巖在重復壓滲后被壓裂導通。

2.4 巖層導滲參數特征

為量化評價測試段的起始滲透條件，取測滲孔水壓和壓滲流量明顯隨注水壓力同步變化的點作為起始滲透特征點，將該點對應的注水壓力定義為起始導滲水壓pw0。并由此確定完整底板3個測試段的起始導滲水壓和表征各測試段滲透條件的相關參數，如表3所示。

表3 實測獲得的底板3個不同深度壓滲段起始導滲條件參數

由表3可知，煤層底板巖層阻滲性相對較強，起始導滲水壓達到7.50 MPa，測壓孔水壓均僅有0.30 MPa，說明巖層以微細裂隙網絡為主要滲流通道，表現出巖層滲流不暢和滲流阻力較大的特點。

在壓滲試驗過程中，當持續提高測試段起始導滲水壓后，巖層裂隙產生一定的擴展，測壓孔水壓、壓滲流量逐漸保持相對穩定。3個測試段初次壓滲過程穩態滲流狀態的導滲條件參數如表4所示。

表4 實測獲得的完整底板3個測試段初次壓滲過程穩態滲流條件參數

煤層底板巖層處于穩態滲流并不能說明巖層被壓通，有可能是因為局部壓裂損傷而形成導通性滲流。由表4可見，原始狀態下煤層底板巖層不導滲，3個測試段的起始導滲水壓為8.50～11.00 MPa，但測壓孔水壓依然遠低于壓水孔的水壓，表明有新的導水裂隙產生，但是規模和導水能力均較小，僅以微小裂隙的滲流為主，此時滲流通道的貫通程度仍相對較低，需要在更高的水壓梯度下才能形成實際的滲流通道。

3 壓滲試驗結果分析

3.1 滲透系數結果分析

根據3段測試期間的實測數據，計算對應測試段的滲透系數，不同階段的壓滲滲透系數最大值統計如表5所示。

由表5可以看出，第3段砂質泥巖最大滲透系數僅為8.94×10-6cm/s，根據巖土滲透性分級標準，其屬于微透水(10-6≤k<10-5)。從煤層底板巖層滲透系數變化曲線來看，原始狀態下巖層的滲透性很差，隨著注水壓力的持續增大滲透性明顯增強，但幅度不大，阻滲性能仍然較強。

3.2 阻滲強度

通過壓滲試驗獲得阻滲強度參數，對底板巖層阻水能力的抗滲阻力系數[18-20]進行量化，即為每米巖柱所能抵抗的滲透水壓。根據3段測試水壓發生突變對應的導滲壓力計算抗滲阻力系數，結果如表6所示。

表6 實測獲得的完整底板3個測試段穩態滲流條件參數

由表6可以看出，3個測試段初次壓滲過程中，巖層抗滲阻力系數為1.60～2.45 MPa/m，重復壓滲時阻力系數為1.38～2.23 MPa/m。對比3個測試段的阻滲系數，可以看出粉砂巖阻滲能力最強，細砂巖次之，砂質泥巖最低；另外，3個測試段的原始結構狀態巖層裂隙均不發育，具有很強的阻滲能力。

4 結論

1)城郊煤礦深部二水平試驗區二2煤層底板的3段巖層在原始狀態下隔水能力良好，阻滲能力較強。

2)煤層底板巖層起始導滲水壓為7.50～11.50 MPa，但測壓孔水壓均相對較小，表明滲流通道主要是微裂隙，巖層的滲流阻力較大、滲流不暢。

3)重復壓滲過程中，監測孔水壓變化時間較初次壓滲時間明顯縮短，說明巖層的阻滲能力經初次壓滲后有一定的降低。細砂巖、粉砂巖測試段經2次壓滲后仍具有較強的阻滲能力，巖層具有很強的隔水能力，但砂質泥巖重復壓滲后被壓裂導通。

4)巖層在原始狀態下滲透率很低，隨著注水壓力的持續增大，滲透性明顯增強，但幅度不大，阻滲能力仍然較強。

5)可根據抗滲阻力系數評價煤層底板巖層阻滲能力的強弱，根據現場壓滲試驗數據，計算結果顯示粉砂巖阻滲能力最強，其次是細砂巖，最弱的是砂質泥巖。