臺格廟礦區基巖孔隙裂隙發育規律及富水性分區研究

馬紅衛

(中國煤炭地質總局 第四水文地質隊,河北 邯鄲 056001)

水害是影響煤礦安全生產的五大自然災害之一[1]。煤礦建設、生產過程中,經常受到水的威脅,且發生過多次較大的涌突水事故。目前,華北石炭-二疊紀煤田淺部資源枯竭、開采深部下組煤層,主要遭受底板下伏強富水性奧灰巖溶水的突水威脅[2];作為我國未來重要的煤炭基地、正大規模開采的鄂爾多斯盆地侏羅紀煤田,開采侏羅系中統延安組煤層,則主要受到頂板上覆砂巖孔隙裂隙含水層的涌水影響[3]。

頂板水害已成為煤礦安全生產中的巨大挑戰[4]。工作面煤層回采情況下,圍巖應力重新分配和再平衡,垮落帶和導水裂隙帶內的頂板巖層產生新的裂隙或裂隙性質向拉張性改變,導致更多頂板水進入礦井,對開采造成更大威脅。二疊紀、侏羅紀煤層的頂板水主要是砂巖孔隙裂隙水,礦井充水含水層以靜儲水量為主,動態補給量有限[5]。王曉亮[6]分析了礦井含水層主要特征、隔水層特征、地下水補徑排條件、礦井充水條件,提出了治理頂板水、奧灰水的具體方案。張彪[7]以水文地質條件精細探查和含水層分層研究、導水通道探測、采動裂隙發育規律研究為基礎,提出了減水技術對策。楊建等[8]開展了頂板水可疏降性等研究,建立了工作面預疏放標準。呂揚等[9]分析了曹家灘煤礦首采工作面煤層的地質概況,確定了影響工作面發生水害事故的充水因素, 綜合論證分析了首采工作面煤層頂板富水性特征及分區。王洋等[10]分析了含(隔)水層的空間展布規律與含水層富水性分布規律,提出了符合深部侏羅系礦井水文地質特征的礦井涌(突)水風險分區評價方法。張國斌[11]采用井下鉆探對工作面頂板含水層進行探放,有效減少了工作面回采后的涌水量。梁向陽[12]采用綜合物探工程探測頂板富水異常區,布置鉆探工程進行頂板水疏放,最終確定劃分工作面頂板富水區。薛建坤[13]提出了基于分形理論的富水性指數法,進行了不連溝煤礦砂巖含水層富水性評價應用。

以臺格廟礦區各井田為例,在開展專項水文地質勘探工作查明礦井水文地質條件的基礎上,采用層次結構分析法(簡稱AHP)對地質構造、巖性厚度、裂隙特性、沖洗液消耗量等因素進行深入分析和歸納總結,研究砂巖孔隙裂隙發育特征、分布規律及地下水賦存規律,結合鉆孔抽水試驗進行富水性分區預測,為礦井設計及煤礦防治水提供可靠的安全技術保障措施。

1 礦井概況

位于東勝煤田西南部的臺格廟礦區規劃7個井田,先期進行1號、2號、3號、4號井設計及建井,規劃首采2煤層(2-1、2-2上、2-2)或3煤層(3-1、3-1下)。

據區域地層和鉆探揭露成果,井田地層由老至新發育有:三疊系上統延長組(T3y),侏羅系中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a),白堊系下統志丹群(K1zh)和第四系全新統(Q4)。

據區內鉆孔揭露控制,煤系地層構造形態為一向西傾斜的單斜構造,傾角1°～3 °,發育寬緩的波狀起伏。未發現斷層、褶皺及巖漿侵入等,構造復雜程度屬簡單類。

首采煤層頂板砂巖裂隙含水層巖性以粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖為主,粒徑變化較大,以0.05～0.5 mm 居多,小于0.05 mm 的顆粒一般小于 10%,大于 0.5 mm(粗砂-礫)的分布不很普遍。碎屑以次圓-次棱角狀為主、分選性一般,接觸式膠結為主,泥質膠結為主,含水介質以次生溶蝕孔隙為主,偶見原生孔隙,普遍可見方解石溶解和沉淀結晶現象,連通性好。砂巖累計厚度24.35～105.55 m(由西南向東北漸厚),分布不均勻。據本次勘查抽水試驗成果,煤層頂板砂巖含水層水位標高+1 219.74～+1 326.64 m,單位涌水量0.009 1～0.128 8 L/(s·m),滲透系數0.01～0.38 m/d,富水性弱-中等,水化學類型以HCO3·SO4-Na、HCO3-Na·Ca、SO4-Na型為主。

2 巖層裂隙發育特征

巖層裂隙的發育,與巖性及其組合、孔隙率、完整性、脆塑比有著密切的關系。通過對這些相關因素的分析,可以從側面反映裂隙的發育特征及規律。

構造裂隙的發育,與巖石性質與巖層組合情況、構造應力的強度與作用方式、巖體受力的邊界條件等因素有關,與巖石性質(主要是力學強度)及巖層組合條件的關系非常密切。

2.1 裂隙發育相關因素分析

2.1.1 裂隙發育與巖石性質及巖層組合的關系

1) 裂隙發育與巖石性質的關系。①彈脆性巖石傳遞應力的能力很強,力學強度很大,抗剪強度遠大于抗拉強度。巖石受力后,主要以脆性破裂的形式釋放應力。應力超過彈性極限后,巖石即破裂。其破裂方式以脆性拉張為主[14]。在同樣的作用力和邊界條件下,彈脆性巖石要比黏塑性巖石容易產生裂隙,裂隙較長、較寬、分布較稀,裂隙切穿性較大,泥質充填物一般較少。因此,彈脆性巖石裂隙的導水性較好。②黏塑性巖石傳遞應力的能力較弱,力學強度低。巖石受力后,主要以塑性變形的形式釋放應力。很快超過彈性極限,破裂前已產生很大的塑性變形。其破壞方式以黏性剪斷為主,產生大量隱裂隙和閉裂隙,裂隙較窄、較短、分布較密,常被破碎的泥質產物充填。因此,黏塑性巖石裂隙的導水性一般較弱。③過渡性巖石的力學性質和裂隙發育特征,介于典型的彈脆性巖石和黏塑性巖石之間。

2) 巖層組合條件對裂隙發育的影響。層狀巖石中,如果相鄰各層巖石的力學性質差別較大,則構造運動中,黏塑性較強的巖石主要表現為塑性變形,構成相對隔水巖層;彈脆性巖石主要表現為脆性破裂,構造裂隙發育,形成裂隙含水層。本次勘探范圍內構造不發育,一般情況下,地球物理測井成果資料中的砂泥比,可視為地層巖石的脆塑比。根據本次水文地質勘探57個鉆孔目的層段巖石測井資料的砂泥比值,繪制脆塑比專題圖(圖1)。

此外,在彈脆性巖層和黏塑性巖層互層的地層中,彈脆性巖層所占的厚度百分比對裂隙發育及含水性也有影響。彈脆性與黏塑性互層的巖層組合,受垂直于層理方向的擠壓力作用,黏塑性巖層將產生塑性變形,沿層理方向流展。由于層間摩阻作用,彈脆性巖層將被黏塑性巖層帶動,同時沿層面產生很大的張應力。在它的作用下,彈脆性巖層終將被拉斷,破碎成單獨的巖塊。

2.1.2 裂隙發育與巖石強度的關系

裂隙發育指數是表征巖石不完整性的定量指標,與巖石的強度之間必然存在著相關性。而巖石的RQD及巖心采取率可以反映巖石的完整性。

1) 巖體完整程度。RQD是衡量巖石質量的定量指標,一定程度上能反映巖體裂隙發育程度。一般情況下,RQD值低,裂隙較發育。據本次水文地質勘探鉆孔每個回次大于10 cm的柱狀巖心累計長度與回次進尺之比的統計資料,繪制RQD值專題圖(圖2)。

圖2 首采煤層頂板含水層RQD專題圖

2) 巖心采取率。巖心采取率是反映巖體完整程度和巖體裂隙交切程度的指標。一般情況下,巖心采取率低,裂隙交切程度高,存在開啟性裂隙的可能性高,反之則可能是非開啟性裂隙。根據本次水文地質勘探鉆孔的各回次鉆探巖心采取長度與相應鉆探進尺的比值,繪制巖心采取率專題圖(圖3)。

圖3 首采煤層頂板含水層采取率專題圖

鄂爾多斯盆地侏羅系地層的裂隙發育特征:①以直立裂隙(節理)最發育,70%以上的裂隙面傾角均在70°以上,傾斜裂隙和水平裂隙均不發育;②在某一地區裂隙帶成對出現,并相互交切,共同組成X型共軛剪節理;③野外觀察兩組裂隙,通常一組為壓剪性質,另一組多為張剪性質(研究區NE、NNE向裂隙多張剪性質);④砂泥巖互層的地層,厚層砂巖中普遍發育X型共軛剪節理,而砂巖之間的泥、頁巖層中節理消失,表明裂隙主要發育于脆性巖層當中。

2.2 裂隙發育指數

巖石裂隙的發育程度,由一定范圍內所有裂隙的面積之和、不同尺度的裂隙所占的比重兩個因素決定。巖石裂隙反映到巖石表面,則是我們觀測到的所有裂隙的長度之和以及不同長度的裂隙所占的比重。

巖體的富水性主要取決于巖體裂隙的發育情況,因此可利用孔隙率來劃分巖層的富水程度。綜合地球物理測井成果解釋孔隙率:利用伽瑪測井曲線反算巖石密度;視電阻率分析巖石孔隙率及膠結程度:孔隙率越大、膠結程度越差,視電阻率越小;自然電位用于判斷巖層滲透性:孔隙率越大,自然電位表現低值異常。為提高準確度,采用加權平均法計算砂巖的平均孔隙率。

巖層的密度是決定地層聲速的重要因素:巖石的密度越大,聲速越大,即時差Δt越小;對于相同巖性的巖石來說,巖層的密度是其孔隙率的函數。因此,可根據聲速測井資料(聲波時差Δt)確定地層的孔隙率。

對于巖石骨架成分不變、膠結均勻、粒間孔隙分布均勻的地層,當巖石骨架成分(巖性)和孔隙流體性質一定時,可得到聲波時差Δt與巖石孔隙率φ的線性方程式:

Δt=Aφ+B

(1)

式中:A=Δtf-Δtam,B=Δtam,Δt為聲波時差曲線的讀數,μs/m;φ為地層的孔隙率,%;Δtf、Δtam分別為巖石孔隙流體和巖石骨架的聲波時差,μs/m.

對不含泥質的巖石,絕對孔隙率可以看作有效孔隙率;否則,須對孔隙率進行泥質含量影響校正后得到有效孔隙率。根據本次勘探水文測井利用式(1)計算各含水層的孔隙率,并進行匯總分析。根據計算的巖石孔隙率,繪制含水層孔隙率專題圖(圖4)。

圖4 首采煤層頂板含水層孔隙率專題圖

2.3 砂巖裂隙分區

按式(2)對砂巖裂隙發育各主控地學信息的數據進行歸一化處理,消除各物理量量綱不同的限制,使各地學信息在層次結構分析中具有可比性。

(2)

式中:Ai為歸一化處理后的數據;a、b分別為歸一化范圍的極值(取0和1);xi為歸一化前的初始數據;max(xi)、min(xi)分別為各主控因素量化值的極值。

再將歸一化多元地學信息專題圖進行相互疊加,產生一個能夠綜合反映裂隙發育規律的專題圖。

根據層次結構分析法得到的不同權重值,與歸一化后的多元地學信息數據進行疊加,得到一個能夠反映裂隙發育程度相對大小的指數,即裂隙發育指數。可表示為:

(3)

式中:CI為裂隙發育指數;n為多元信息個數(取值4);k為因素序號;Wk為第k個地學信息的權重;fk(x,y)為第k個地學信息歸一化后的值;x、y為地理坐標。

由此得出,臺格廟井田煤層頂板充水含水層裂隙發育規律評價模型為:

= 0.232 8f1(x,y) +0.179 1f2(x,y)+0.432 7f3(x,y)+0.155 4f4(x,y)

由圖5可以看出,煤層頂板砂巖孔隙裂隙發育不均勻,砂巖賦存受地層沉積影響,勘查區西北部、一井田南部為孔隙裂隙發育區,中部相對較弱。

圖5 首采煤層頂板裂隙發育分區圖

3 地下水富水性分區預測

3.1 富水性主控因素

通過對礦井水文地質條件的分析,以含水層厚度、單位涌水量、滲透系數、巖心采取率、沖洗液消耗量作為煤層頂板充水含水層富水性的主控因素。

1) 含水層厚度。在其它因素一定的情況下,含水層的富水性與其厚度呈近似正比的關系。以本次勘探含水層細、中、粗粒砂巖的厚度之和作為充水含水層厚度。整理、統計本次勘探各鉆孔砂巖含水層厚度資料,再利用Surfer強大的插值功能,生成含水層厚度專題圖(圖6)。

圖6 首采煤層頂板砂巖含水層厚度專題圖

2) 單位涌水量。按《煤礦防治水細則》(2018年9月1日),把不同孔徑、不同降深的單位涌水量統一換算成孔徑91 mm、降深10 m的單位涌水量。根據本次勘探各水文鉆孔換算后的單位涌水量,生成單位涌水量專題圖(圖7)。

圖7 首采煤層頂板含水層單位涌水量專題圖

3) 滲透系數。根據本次勘探充水含水層滲透系數的統計資料,生成充水含水層滲透系數專題圖(圖8)。

圖8 首采煤層頂板含水層滲透系數專題圖

4) 沖洗液消耗量。沖洗液消耗量反映巖層巖溶或裂隙的發育程度,進一步反映巖層的透水性。沖洗液消耗量越大,說明該巖層段的巖溶或裂隙發育較好,透、導水性較強,儲水性能較好。砂巖中地下水賦存極不均勻,裂隙發育地段往往富水,受裂隙發育程度控制,鉆進時常有漏失現象發生。

據本次勘探鉆孔沖洗液消耗量資料,把所有涉及鉆孔按最大消耗量分為0～0. 3 m3/h、0. 3～0. 6 m3/h、0. 6～0. 9 m3/h、0. 9～1. 2 m3/h和>1. 2 m3/h五個等級區域,得到各鉆孔的沖洗液消耗量值。根據沖洗液消耗量值,生成沖洗液消耗量專題圖(圖9)。

圖9 首采煤層頂板含水層沖洗液消耗量專題圖

3.2 富水性指數模型

同上,按式(2)對各地學信息的數據進行歸一化處理,再將歸一化后的多元地學信息專題圖進行相互疊加,產生一個能夠綜合反映含水層富水性的專題圖。

綜合疊加圖中,根據層次結構分析法得到的不同權重值,與歸一化多元地學信息數據進行疊加,得到一個能夠反映充水含水層富水性相對大小的指數,即富水性指數。同上用式(3)表示,其多元信息個數n取5.

由此得出,臺格廟井田煤層頂板充水含水層富水性評價模型為:

=0.391 9f1(x,y) +0.208 1f2(x,y)+0.073 8f3

(x,y)+0.225 6f4(x,y) +0.100 6f5(x,y)

由圖10可以看出,勘查區首采煤層頂板含水層勘查區中部的富水性強-較強,周邊的富水性較弱-弱(圖10)。

圖10 首采煤層頂板含水層富水性分區圖

4 防治水措施

1) 礦井巷道掘進和工作面回采前,建好井下排水系統,保證足夠的排水能力;

2) 富水性較好、突水危險的區域進行超前疏排,提前分階段、多鉆孔、長時間疏放,實現安全疏干;

3) 白堊系、侏羅系含水層水力聯系較好地段,進行合理的排供結合,疏水降壓;

4) 6煤回采時,查明首采工作面的積水情況,對首采煤層采空區積水進行合理探查和預疏放;

5) 加強封閉不良鉆孔的啟封和重新封閉工作;加強隱伏斷層等構造及其含、導水性探查工作。

5 結 語

1) 應用層次結構分析法,對影響裂隙發育和地下水賦存的主要因素進行統計和分析。勘查區基巖裂隙的發育,主要受巖石性質、強度、空間分布特征影響。

2) 整體看,勘查區基巖孔隙裂隙發育不均一,局部地段較發育。首采煤層頂板勘查區西北部、一井田南部為孔隙裂隙發育區,中部發育相對較弱。

3) 進行了含水層富水性分區。勘查區中部首采煤層頂板含水層的富水性強-較強,周邊的富水性較弱-弱。

4) 提出了有針對性的防治水措施和建議。