伊犁礦區頂板軟巖隔水性能研究

張盼杰

（新汶礦業集團（伊犁）能源開發有限責任公司 一礦，新疆 伊犁 835000）

1 研究背景

近年我國陸續建成投產了大批開采弱膠結地層煤炭資源的礦山，西部弱膠結地層巖石物理力學性能與中東部巖石有一定的差別，新疆伊犁地區煤層埋藏淺、厚度大、層數多，地層成巖年代晚、強度低、膠結性差，在這種地層條件下進行開采，工作面垮落帶的變化受弱膠結巖層物理力學性質的影響，易引起工作面發生大面積冒頂、支架壓死、潰沙、潰水等事故[1-3]。

本文以伊犁礦區四號礦井為研究對象，該礦井現階段主采煤層為21-1、23-2煤，區域內主要分布4種地下水類型，包括第四系松散巖類孔隙水、古近系碎屑巖類孔隙水、中生界侏羅系碎屑巖類孔隙—裂隙水和燒變巖空洞裂隙水，在不同區域其富水性有較大的差異。礦井實際生產過程中，21102、21105、21109工作面均發生多次不同程度的涌水現象，這些特殊的地質條件給整個礦區的煤層開采帶來了巨大的安全隱患。由于該地區煤田缺乏對弱膠結巖石的隔水性能、覆巖裂隙活化程度、阻水性能演變及地下水運移規律的研究，給礦井水害防治帶來了難度。

采煤實踐表明，水體和開采空間之間有無足夠厚度的隔水層或者能否保證有足夠的隔水性能是實現水體下安全開采的關鍵[4]。隔水性能通常會受到隔水層厚度、巖性組合關系和巖石強度等因素的影響[5-8]。針對巖層的隔水性能，許多學者從力學強度、巖石成分以及滲流特征等方面，通過實驗室試驗和數值模擬等手段，進行了一系列的研究[9-13]，為礦區水災害防治提供了工作依據。

2 頂板軟巖隔水性能影響因素分析

伊犁礦區煤系地層以侏羅紀泥巖、砂巖、泥質砂巖為主，由于成巖年代較晚、巖石膠結程度低，屬于典型的弱膠結巖層。弱膠結巖層普遍具有膠結松散，力學強度低和水軟化作用等特點。本文從頂板巖石巖性組合關系，水理性質和巖石強度等因素綜合研究其隔水性能。

2.1 頂板軟巖巖性及組合特征分析

通過對伊犁礦區不同層位的巖石取樣，分別對泥巖、砂巖、粘土成分及其微觀結構進行分析。查閱資料及結合圖1對比分析可知，泥巖和粘土為該礦的主要隔水巖層，2種巖石內含有大量的高嶺土、伊利石和蒙脫石粘土礦物，遇水易膨脹。砂巖內所含的物質比較復雜，基本上以SiO2為主，部分含有長石和白云母等物質。

圖1 巖石的X衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of rocks

選取ZK201、ZK303、ZK301、ZK1208、ZK12 06、ZK1203等10余個鉆孔粘土、砂巖、泥巖巖樣，分別在掃描電鏡1 000、4 000、8 000倍下觀察巖樣的微觀結構，巖石的掃描電鏡測試顯示（圖2），粘土表面有細小晶體分布，晶體粒徑不均勻，彼此之間存在空隙，當放大到4 000～8 000倍時可見孔洞發育，且孔洞內壁粗糙不光滑，內部充填有未膠結的晶體。砂巖放大到1 000倍時可見其表面凹凸不平，4 000倍時晶體之間存在較大空隙，且粒徑大小不均，孔洞較發育，孔洞周圍及試件表明均有粒徑不均的晶體分布，晶體之間彼此分離，膠結較差，當放大到8 000倍時，可見部分晶體成絮狀發育。泥巖放大到1 000倍時，泥巖表面凹凸不平，分布相對較均勻的晶體或顆粒，部分可見孔洞發育，4 000～8 000倍時，可以看到晶體膠結程度明顯變好，粒徑大小不一，晶體之間存在較大空隙，較小粒徑的晶體“散落”在粒徑較大晶體之間。與粘土和砂巖相比，泥巖膠結程度明顯變好，晶體之間有充填物存在。

圖2 不同巖樣掃描電鏡圖Fig.2 different rock samples scanning electron microscope diagram

2.2 煤層頂板軟巖的滲透性特性實驗分析

2.2.1 巖樣的全應力—應變—滲透曲線測試

從煤層頂板軟巖隔水層取樣，通過瞬態滲透法試驗分析巖樣全應力應變過程的滲透性，砂巖和泥巖三軸壓縮過程中，在起始階段、彈性階段、彈塑性階段、峰值和殘余強度階段，通過位移控制測試滲透性，得到全應力應變曲線和滲透率變化曲線，并對試件壓縮前后拍照記錄破壞情況，如圖3、圖4所示。

圖4 不同巖樣全應力—應變—滲透性曲線Fig.4 Total stress-strain-permeability curves of different rock samples

由圖3、圖4可知，砂巖試件的峰值軸壓為20.22 kN，飽水三軸抗壓為10.58 MPa，泥巖試件的峰值軸壓為31.14 kN，三軸飽水強度為15.87 MPa。對比2種巖石的應力應變曲線可以看出，泥巖峰值載荷大于砂巖，即泥巖的三軸飽水強度高于砂巖。砂巖經過應力峰值后的塑性較強，應力峰值后緩慢過度到殘余強度階段，曲線接近于水平。泥巖脆性較大，經過應力峰值后，幾乎呈直線下降到殘余強度階段，在峰值應力處巖樣發生突然的脆性斷裂，通過滲透率隨軸向位移的變化曲線可以明顯的看出巖樣裂隙擴展的跡象。說明在全應力應變過程中，巖石的膠結類型對巖石的三軸壓縮強度有一定的影響，砂巖孔洞較發育，晶體之間膠結較差，粒徑差距也較大，所以強度低且峰后強度變化小。而泥巖膠結性較好且晶體之間有充填物存在，強度高且發生脆性斷裂。

對比2種巖石的滲透率變化曲線可以看出，砂巖起始階段滲透率大于屈服階段滲透率，而泥巖正好相反。由此說明，砂巖飽水三軸壓縮過程中，原生裂隙和新生裂隙隨軸向位移的增大逐漸被壓實，孔隙率逐漸減小導致滲透率下降。泥巖進入彈塑性階段以后，新生裂隙開始增加，但無法閉合，隨軸壓增大，滲透率逐漸上升。然而，泥巖滲透率變化范圍在10-15～10-14cm2，砂巖在10-13～10-12cm2，砂巖比泥巖大2個數量級，即砂巖的滲透率遠大于泥巖。泥巖和粘土為該礦的主要隔水層，2種巖石內含有大量的高嶺土、伊利石和蒙脫石粘土礦物，遇水易膨脹。砂巖內所含的物質比較復雜，基本上以SiO2為主，部分含有長石和云母等物質，晶體粒徑較大，相互之間空洞較大，膠結性較差，三軸壓縮過程相當于把試件壓實的過程，不會出現脆性斷裂，峰后殘余強度變化不大，滲透率緩慢下降。

2.2.2 滲透率變化規律擬合

隔水層中泥巖應力應變過程中的滲透率變化規律為彈性階段滲透率下降，屈服階段后滲透率上升，殘余強度階段滲透率保持穩定。砂巖滲透率變化規律為彈性階段急劇下降，彈塑性階段基本保持不變，峰值應力后有所增加，殘余階段又逐漸減小。根據隔水層2種主要巖性巖樣滲透率變化規律可以發現，泥巖曲線與Gauss函數基本吻合，而砂巖更接近ExpAssoc函數，滲透率變化擬合曲線如圖5所示。

圖5 泥巖和砂巖滲透率變化曲線擬合Fig.5 Permeability variation curve fitting of mudstone and sandstone

2.3 頂板軟巖采動滲透性變化規律

基于隔水層弱膠結軟巖體積應變-滲透率函數關系，采用FLAC3D模擬軟件對伊犁四礦綜采工作面進行采動覆巖滲透性演化規律數值計算與分析，研究滲透性變化規律。

依據工作面煤層覆巖的綜合柱狀圖和水文地質條件，綜合考慮現場開采范圍內構造條件、覆巖性質、邊界條件等因素，設計模型尺寸為X=300 m、Y=1 500 m、Z=145 m，煤層和頂底板巖層網絡細化，其他區域網格劃分相對稀疏，建立后的數值模型如圖6所示。

圖6 模型結構示意Fig.6 Model structure

由于工作面回采，造成圍巖拉伸、剪切破斷，空隙壓力改變，產生壓差，致使水從四面八方流向采空區。采空區正上方基巖底部滲流速度最大，達到1.399×10-7m/s，兩端頭圍巖的滲流速度大于中部圍巖的滲流速度，中部覆巖下沉并被壓實，導致滲透率下降。上覆巖層由下向上滲流速度逐漸變小，且出現滲流方向為由中部向兩邊，這是因為中部覆巖下沉，導致空隙壓力上升。總體而言，地表礫石層和古近系砂礫層滲流矢量箭頭較密集，上部泥巖和基巖上部巖層則較稀疏，與巖石的隔水性能有關（圖7）。

圖7 固液耦合模擬滲流矢量圖Fig.7 Solid and liquid coupling simulation seepage vector diagram

3 結 論

（1）伊犁礦區四號礦井頂板主要隔水層巖性為粘土、泥巖、粉砂巖及細砂巖等，此巖石內含有大量的高嶺土、伊利石和蒙脫石粘土礦物，砂巖含有主要物質為SiO2，含有微量長石和白云母等物質。砂巖和粘土裂隙表面不規則并附著大量晶體，晶體之間膠結較差，泥巖膠結程度相對較好，晶體之間有充填物存在。

（2）砂巖起始階段滲透率大于屈服階段滲透率，而泥巖正好相反。砂巖飽水三軸壓縮過程中，原生裂隙和新生裂隙隨軸向位移的增大逐漸閉合，孔隙率逐漸減小導致滲透率下降。泥巖進入彈塑性階段以后新生裂隙開始增加且無法閉合，滲透率逐漸上升。泥巖和粘土其滲透率比砂巖小2個數量級。

（3）綜上，通過從礦井頂板巖層礦物成分、原巖滲透率及受開采擾動后滲透率等方面綜合分析研究，礦井頂板巖層隔水性能較好，對礦井頂板含水層防治提供了基礎保障。