煤層開采對頂板含(隔)水層的影響探查

呂品田，田剛軍

(陜西省一八六煤田地質有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

關于綜放工作面煤層開采對頂板含(隔)水層影響的研究成果，主要表現為對頂板導水裂隙帶發育規律的探查與分析[1-5]，大都旨在查明礦井充水因素與研究頂板涌突水機理，為礦井防治水與保水開采提供科學依據和有效途徑[6-9]。為此，基于對含(隔)水層與煤巖層空間組合及覆巖特征分析，結合工作面水文地質鉆探、鉆孔抽水試驗、井下電視、地球物理測井及采樣測試等精細探查結果，以期查證煤層開采對頂板含(隔)水層結構、強度、富水性等水文地質與工程地質特征的影響。

1 含(隔)水層與煤巖層組合特征

1.1 地質特征

覆巖特征：研究區屬于鄂爾多斯中生界承壓水盆地西南緣。盆地主體為白堊系下統、侏羅系及三疊系各粒級碎屑巖。含水層以砂巖為主，松散層次之。地下水主要賦存于白堊系孔隙～裂隙含水層和侏羅系及三疊系裂隙含水層之中，分屬于白堊系承壓水向斜與侏羅系、三疊系承壓水單斜2類儲水構造。區內地表溝谷中零星出露有白堊系下統洛河組，其上新近系及第四系廣泛覆蓋。含(隔)水層與煤巖層的空間組合及覆巖特征如圖1所示。

圖1 地層傾向剖面示意(1∶20 000)

空間組合：侏羅系中統直羅組砂巖含水層(J2z)與延安組煤層及其頂板砂巖含水層(J2y)為煤層開采頂板直接充水含水層，其埋藏深、裂隙不甚發育、補給條件差、富水性弱，井巷充水易于疏排，對煤層開采影響不大[10-12]。白堊系下統洛河組砂巖含水層(K1l)雖為煤層頂板間接充水含水層，但其厚度大、分布廣、富水性好，且與區域強含水層相聯，為礦區主要含水層。礦井建設及生產中曾發生多起K1l涌突水事故，嚴重威害礦井安全開采。安定組泥巖隔水層(J2a)位于礦井主要含水層與頂板直接充水含水層之間，其厚度大、層位穩定、連續性好、隔水性強，為礦區關鍵隔水層。

含水層富水性、水頭高度和水質類型、礦化度等水文地質特征，均顯示白堊系砂礫巖地下水與侏羅系煤系地下水為2個互不相通的地下水系統；主要含水層與頂板直接充水含水層之間在天然狀態下沒有明顯水力聯系。

1.2 主要含水層

主要含水層零星出露于區內較大河谷中。巖性上部以巨礫巖-粗礫巖為主，中下部為中粗粒砂巖夾礫巖薄層，底部為一層中-粗粒砂巖。厚度為20.55～362.00 m，平均241.36 m。含水層主要為棕紅色各粒級砂巖，如圖2所示，井田西部和中部厚度較大，自西向東，由中部向邊緣，逐漸變薄。西部煤層富集區厚度大于140 m，局部達180 m以上；中部100～140 m，向北向南60～100 m，至井田東北及西南邊部厚度小于60 m。

圖2 洛河組砂巖含水層厚度等值線

含水層富水性受巖性、厚度，地形地貌，地質構造等多種因素綜合控制。地下水主要賦存于中-粗粒砂巖之中，河谷地段及向斜軸部富水性較好，為相對富水區；粱峁區與砂巖含量少的地段，富水性較弱，水資源相對貧乏。以中-粗粒砂巖為主要含水層段，鉆孔及水井抽水試驗結果：單位涌水量0.009 476～0.128 0 L/(s·m)，滲透系數0.002 446～0.129 3 m/d，屬富水性不均一的弱-中等含水層。水質類型HCO3-Na·Mg、SO4·HCO3-Na·Mg，礦化度0.512～1.055 g/L，水溫14～15 ℃。

1.3 關鍵隔水層

關鍵隔水層區內無出露。巖性以紫紅色泥巖、砂質泥巖為主，夾中-粗粒砂巖與含礫粗砂巖，含少量鈣質結核，底部常為一層厚度較大的灰紫色含礫粗粒砂巖。厚度28.65～147.03 m，平均101.54 m。泥巖及砂質泥巖主要分布于中上部，團塊狀、松軟，含砂巖薄層、條帶、包裹體；一般呈4～5層展布，單層厚度7～20 m；由上往下單層厚度變薄，砂巖條帶及包裹體減少，致密度和脆性增強。如圖3所示，泥巖-砂質泥巖隔水層分布總體上表現為與煤層賦存呈正相關，在井田西部富煤區厚度大，中東部無煤區厚度小。厚煤-特厚煤區發育厚度60～80 m，局部達100 m以上。

圖3 安定組泥巖隔水層厚度等值線

1.4 主要可采煤層

研究區為掩蓋式煤田，煤系地層為侏羅系中統延安組，處于太峪背斜與遙遠背斜之間古隆起控煤的含煤凹陷區。地層走向近EW，傾向NW，傾角3°～12°，整體分布平緩。3煤層位于延安組第1段中部，為區內主要可采煤層，屬深埋厚-特厚煤層。如圖4所示，煤層沉積規律為古隆起部位沉積薄或缺失，凹陷部位沉積厚；煤層厚度0.35～34.20 m，平均煤厚16.89 m，可采面積29.95 km2；埋深314.42～777.03 m，一般500 m以上；底板標高+626.10～+970.00 m。

圖4 3煤分布及厚度等值線

2 探查工程布置

2.1 探查工程布置

為進一步查證煤層開采對洛河組砂礫巖主要含水層及安定組泥巖關鍵隔水層的影響，在21301、21302等工作面布置探查鉆孔，進行了水文地質鉆探、鉆孔抽水試驗、井下電視、地球物理測井及采樣測試等精細探查工作。工作面鉆孔布置如圖5所示，G1孔為采后孔，在工作面推過7個月后施工；G2及G3為采前孔，在工作面回采前完成各項測試，并進行了回采期間及采后觀測。

圖5 工作面與鉆孔布置平面圖

2.2 巖體強度及結構變化

采后巖石強度降低：①洛河組砂巖及礫巖采動前后巖石物理力學指標見表1。由表1可知，砂巖天然抗壓強度采后降低19.5%～40.0%，飽和抗壓強度降低56.1%～66.8%，抗拉強度降低14.5%～40.9%，抗剪強度降低15.8%～28.9%，軟化系數降低45.3%～46.3%，孔隙率增加33.2%～52.7%；礫巖天然抗壓強度采后降低46.3%～54.5%，飽和抗壓強度降低55.6%～60.8%，抗拉強度降低48.8%～58.9%，抗剪強度降低36.3%～38.4%，軟化系數降低12%～13.7%，孔隙率增加36.6%～74.4%。說明煤層頂板洛河組砂礫巖主要含水層采動后骨架結構發生改變，主要表現為孔隙率增大、強度銳減。砂礫孔隙率采后增加30%以上，且礫巖增幅高于砂巖，飽和抗壓強度下降50%～60%；②安定組巖層采動前后巖石物理力學指標對比見表2。由表2可知，砂質泥巖天然抗壓強度采后降低34.8%～67.7%，飽和抗壓強度降低42.9%～77.3%，抗拉強度降低24.4%～62.3%，抗剪強度降低18.8%～54.2%，軟化系數降低6.5%～17.1%，孔隙率增加16.6%～24.9%；粗粒砂巖天然抗壓強度采后降低69%～73.8%，飽和抗壓強度降低80.7%～82.1%，抗拉強度降低67.6%～72.1%，抗剪強度降低62.2%～65.3%，軟化系數降低30.6%～37.5%，孔隙率增加19.9%～27.4%。說明煤層頂板關鍵隔水層采動后主要變化為巖石強度降低和軟化系數減小，孔隙率增大而結構松弛。砂質泥巖飽和抗壓強度降低42.9%～77.3%，軟化系數降低6.5%～17.1%，孔隙率增加16.6%～24.9%。

表1 洛河組巖石采動前后物理力學指標

表2 安定組巖石采動前后物理力學指標

采動覆巖結構松弛：采動覆巖結構松弛主要表現為巖石彈性模量及強度指標下降?？傮w而言，洛河組礫巖及安定組砂質泥巖采動后強度及結構變化最大，安定組砂巖次之，洛河組砂巖變化較小。由表1及表2可知，洛河組礫巖采后彈性模量降低42.6%～54.8%，中粒砂巖降低6.9%～12.4%；安定組砂質泥巖采后彈性模量降低13.8%～19.3%，粗粒砂巖降低10.9%～13%。

2.3 主要含水層與關鍵隔水層變化

富水性增大：主要含水層與關鍵隔水層采前及采后鉆孔抽水試驗成果見表3。由表3可知，受采后含水層骨架變化影響，采動后與采前主要含水層(K1l)單位涌水量之比為3.13～6.60，其富水性明顯增大，增幅達3～6倍。采動后與采前關鍵隔水層(J2a)單位涌水量之比為39.59～59.25，富水性突變，增幅達39～59倍。采動前主要含水層(K1l)與關鍵隔水層(J2a)單位涌水量相比為14.81～20.86，采后鉆孔單位涌水量相比為1.65。表明采動后主要含水層和關鍵隔水層結構變化、相互導通，洛河砂礫巖地下水對安定組補給，關鍵隔水層富水性明顯增大。

表3 主要含水層與關鍵隔水層采動前后抽水試驗成果

水力聯系增強：從水位動態曲線圖,如圖6所示?？梢钥闯?，洛河組(K1l)水位總體呈波浪狀下降而安定組(J2a)地下水位總體呈波浪狀上升，出現的波谷對應井下13次工作面涌突水。從2013年2月至2014年2月，K1l平均降幅20.45 m，J2a平均上升幅度24.12 m。洛河組水位下降、安定組水位上升、工作面涌突水，說明采后關鍵隔水層失效，主要含水層地下水涌入采場；隨工作面推進及觀測時間延續，K1l與J2a水位及其變化幅度趨于一致，水力聯系增強，形成洛河-安定含水層組。

圖6 G3長觀孔地下水位動態曲線

形成復合含水層組：采后主要含水層與關鍵隔水層(J2a+K1l)抽水試驗結果(表3)。水位埋深168.02 m，與主要含水層水位166.69 m接近；單位涌水量0.033 361 L/(s·m)，與關鍵隔水層單位涌水量0.031 96 L/(s·m)基本一致，水位與富水性介于主要含水層(K1l)與關鍵隔水層(J2a)之間。K1l+J2a水位接近K1l，顯示其與主要含水層水力聯系密切，具聯動效應；單位涌水量與J2a基本一致，且比K1l減小36.73%，對煤層開采具有積極意義。

3 結論

(1)綜放開采條件下，煤層頂板洛河組砂礫巖含水層采動后骨架結構發生改變，主要表現為孔隙率增大、強度降低和結構松弛。砂礫孔隙率采后增加30%以上，且礫巖增幅高于砂巖，飽和抗壓強度下降50%～60%，彈性模量降低40%～50%。受采后含水層骨架變化影響，其富水性明顯增大，增幅達3～6倍。

(2)煤層頂板關鍵隔水層采動后主要變化為巖石強度降低和軟化系數減小，孔隙率增大而結構松弛。砂巖飽和抗壓強度降低80.7%～82.1%，軟化系數降低30.6%～37.5%，孔隙率增加19.9%～27.4%。受采后隔水層結構變化影響，其富水性巨增，增幅達39～59倍。

(3)采動后主要含水層(K1l)和關鍵隔水層(J2a)結構變化、相互導通，形成具有水力聯系的含水層組(K1l+J2a)。K1l+J2a水位接近K1l，顯示其與主要含水層水力聯系密切，具聯動效應；單位涌水量與J2a基本一致，且比K1l減小36.73%，對煤層開采具有積極意義。