趙丹

摘 要：隔水層是指不透水的膠結(jié)致密、完整的堅(jiān)硬巖層。奧陶系峰峰組灰?guī)r含水層頂部到太原組最下一層可采煤層底頂間的巖層巖性一般以泥巖、砂質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖為主，細(xì)砂巖、石灰?guī)r為輔，可作為隔水層，其隔水能力直接與隔水層巖石的厚度、巖性和構(gòu)造等因素有關(guān)，直接影響上覆煤層的安全開(kāi)采。以山西沁水煤田南部襄垣研究區(qū)為例，分析、探討了隔水巖柱對(duì)奧灰突水的影響，這對(duì)防治地下水害、井下煤層安全帶壓開(kāi)采具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：富水性；含水層巖性；單位涌水量；滲透系數(shù)

中圖分類號(hào)：TD741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.097

山西省沁水煤田是山西省六大煤田之一，其南部煤田面臨的最大問(wèn)題就是各煤層帶壓開(kāi)采，而主采15號(hào)煤層奧灰?guī)洪_(kāi)采是礦井水害防治的重點(diǎn)。以襄垣縣以東為研究區(qū)，根據(jù)各煤層隔水巖柱厚度、空間分布規(guī)律、隔水巖柱的力學(xué)性質(zhì)和巖性組合特征，分析其對(duì)奧陶系灰?guī)r含水層突水的影響。

1 奧灰隔水巖柱的厚度

判斷隔水巖柱的厚度變化情況，利用研究區(qū)內(nèi)的鉆孔進(jìn)行對(duì)比、統(tǒng)計(jì)和分析是很好的方法。

研究區(qū)內(nèi)共施工41個(gè)鉆孔，絕大部分鉆至15-2號(hào)煤下15 m即終孔，少數(shù)至O2f15 m結(jié)束。研究區(qū)及其周圍包括水文孔在內(nèi)，實(shí)際穿過(guò)整個(gè)煤系地層進(jìn)入奧陶系灰?guī)r的鉆孔有18個(gè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3號(hào)煤層底板至奧灰頂面隔水層厚度為98.335～155.116 m，15-2號(hào)煤層底板至奧灰頂面隔水層厚度為14.85～45.20 m。

2 奧灰隔水巖柱的空間分布和組合關(guān)系

隔水巖柱的空間分布規(guī)律是區(qū)內(nèi)作用構(gòu)造的真實(shí)寫(xiě)照。受區(qū)內(nèi)主要三組大體平行、接近南北向、寬緩的褶曲構(gòu)造的影響，本區(qū)隔水巖柱總體為向西傾斜，總體上隔水巖柱標(biāo)高東高西低，傾角一般15°～25°。

該區(qū)3號(hào)、15-1號(hào)、15-2號(hào)煤層底板奧灰隔水巖柱組合，即各煤層底板至奧陶系灰?guī)r頂面的巖層，該巖性組合為一套海陸交互相的含煤沉積。巖性以泥巖、砂巖、鋁質(zhì)泥巖、石灰?guī)r和薄煤層為特征。整個(gè)巖層軟硬相間，主要是由硬脆性的砂巖、柔性的泥巖和可溶性的石灰?guī)r等三類巖石組成。但是，其受沉積環(huán)境和后期構(gòu)造的影響，在巖性變化上，介于砂巖和泥巖之間的有泥質(zhì)砂巖，不同部位的巖層厚度比例也各不相同。

該區(qū)本溪組上部為灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，含星散狀黃鐵礦，產(chǎn)植物碎片化石；下部為深灰色、灰色鋁土質(zhì)泥巖夾砂質(zhì)泥巖，具塊狀層理、水平層理和透鏡狀層理，并時(shí)見(jiàn)菱鐵礦、黃鐵礦和赤鐵礦透鏡體。該組厚3.33～39.50 m，平均厚度為17.89 m，

平行不整合于峰峰組之上，其地層具有良好的隔水性能。

太原組主要是由粗粒砂巖（局部含礫或巨粒砂巖）、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖，砂質(zhì)泥巖、泥巖、石灰?guī)r和煤層組成。其有石灰?guī)r5層，下部灰?guī)r穩(wěn)定，往上穩(wěn)定性漸差，下部煤層比上部煤層穩(wěn)定。該組砂體普遍發(fā)育，但是，中部砂體發(fā)育好，厚度大并且穩(wěn)定，層理類型復(fù)雜，沉積環(huán)境交替頻繁，厚度為52.93～143.35 m，平均厚度105.97 m。

山西組主要由泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層組成。砂巖不穩(wěn)定，常呈似層狀或透鏡狀，厚23.20～68.34 m，平均厚度為46.38 m。

綜上所述，各煤層以下至奧陶系頂面隔水巖柱地層有：本溪組，平均厚度17.89 m；太原組，平均厚度105.97 m；山西組，平均厚度46.38 m。巖性主要為泥巖，其次是石灰?guī)r、砂巖層和煤層煤線。

3 底板巖石隔水性能與力學(xué)性質(zhì)分析

在區(qū)內(nèi)ZK1-7號(hào)、ZK13-3號(hào)和ZK16-5號(hào)孔中采取了頂?shù)装鍘r石力學(xué)樣。另外，根據(jù)代表性礦區(qū)各類巖石抗壓強(qiáng)度和隔水能力的測(cè)試成果可知，柔性巖石隔水性強(qiáng)，但其抗壓強(qiáng)度小，剛性巖石則相反。一般柔性巖石的等效抗壓強(qiáng)度系數(shù)約是剛性砂巖、灰?guī)r的0.5～0.7倍，而剛性巖石的等效隔水系數(shù)約是泥巖的0.4倍，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 換算巖層等效隔水系數(shù)及抗壓強(qiáng)度表

巖性 等效隔水系數(shù) 試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度/（MPa/m）

無(wú)巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r 1.3 0.10

泥巖、泥灰?guī)r、黏土、頁(yè)巖 1.0 0.05

褐煤 0.7

砂頁(yè)巖 0.8 0.07

砂巖 0.4 0.10

3.1 隔水底板硬軟巖組合研究

隔水底板隔水能力和抗壓強(qiáng)度與地層組合有比較大的關(guān)系。區(qū)內(nèi)15-2號(hào)煤層底板至奧灰?guī)r層的平均厚度為27.39 m，巖層組合以泥巖、鋁質(zhì)泥巖為主，占81.44%；其次為細(xì)砂巖，占17.56%；軟巖與硬巖比值約為4.59∶1.這種軟、硬巖互層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)提高煤層底板隔水能力比較有利，但是，對(duì)抗壓強(qiáng)度較為不利。

3.2 底板隔水能力和抗壓強(qiáng)度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)巖石等效抗壓強(qiáng)度和等效隔水系數(shù)換算，3號(hào)煤底板等效泥巖隔水層的厚度為47.12 m，它的總體抗壓強(qiáng)度為3.31 MPa。3號(hào)煤層相對(duì)于勘查區(qū)底板奧灰水壓2.93～7.97 MPa來(lái)說(shuō)偏低，而且區(qū)內(nèi)除了ZK8-10以外，所有鉆孔3號(hào)煤底板奧灰水壓均大于3.76 MPa。15號(hào)煤底板等效泥巖隔水層厚度為26.39 m，總體抗壓強(qiáng)度約為1.55 MPa，相對(duì)于區(qū)內(nèi)底板奧灰水壓2.93～7.97 MPa來(lái)說(shuō)更低。由此可見(jiàn)，該區(qū)下組煤的開(kāi)采普遍受奧灰突水的威脅。

4 隔水巖柱對(duì)奧灰突水的影響

4.1 礦井突水機(jī)理

在天然狀態(tài)下，煤系巖體處于平衡狀態(tài)，煤層下伏和上覆含水層中的地下水受巖性、地貌、構(gòu)造和溶蝕作用的控制，呈自然流動(dòng)狀態(tài)。在煤層開(kāi)采過(guò)程中，巖體應(yīng)力平衡遭到破壞，為了達(dá)到新的平衡，會(huì)出現(xiàn)頂板垮落、鼓底等一系列工程地質(zhì)現(xiàn)象。底板底鼓和頂板垮落會(huì)使改變含水層天然流場(chǎng)，在導(dǎo)通或有足夠水量的情況下，地下水就會(huì)沿導(dǎo)水裂隙帶涌入坑道，形成突水危害。

導(dǎo)水裂隙帶和垮落帶會(huì)破壞含水層，出現(xiàn)漏水通道，這樣賦存在煤層上覆的地下水就會(huì)滲入礦井。當(dāng)煤礦采用全部垮落法采煤時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頂板破壞和涌水的情況，在采空區(qū)上方形成裂隙帶和垮落帶。如果裂隙帶到達(dá)地表后，會(huì)溝通地表水。

出現(xiàn)底板被破壞和涌水的情況，是含水層水壓、隔水層厚度和導(dǎo)水裂隙等因素共同作用的結(jié)果。根據(jù)煤礦試驗(yàn)資料可知，按煤層底板變形和破壞程度的不同，可將煤層底板以下至含水層部位分成3個(gè)帶，即直接底板采動(dòng)裂隙帶、中間彈塑性變形帶和地下水導(dǎo)升裂隙帶。

在礦壓、水壓的聯(lián)合作用下，當(dāng)水壓強(qiáng)度大于底板巖層有效隔水層厚度和物理力學(xué)指標(biāo)時(shí)，地下水就會(huì)沿巖層溶蝕地帶（比如斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶）涌入礦井。常見(jiàn)的是奧陶系巖溶水，即該區(qū)主要的突水威脅。

影響奧灰含水層突水的因素主要有：底板抗壓強(qiáng)度與隔水能力；隔水底板軟硬巖組合；底板構(gòu)造發(fā)育程度；礦壓擾動(dòng)與有效隔水層厚度；底板下伏奧灰水壓分布；奧灰含水層富水性與上部充填帶巖溶發(fā)育程度。

4.2 底板構(gòu)造發(fā)育程度

井田內(nèi)在東南部發(fā)育了一條逆斷層，據(jù)ZK6-4鉆孔控制情況可知，斷距約80 m，為逆斷層，其余地段未見(jiàn)斷距大于30 m的斷層、陷落柱和滑塌構(gòu)造。由于受采動(dòng)的影響，地應(yīng)力重新分布，因此，在未來(lái)煤層開(kāi)采的過(guò)程中，不能排除奧灰水會(huì)通過(guò)構(gòu)造的薄弱部位上升，進(jìn)而誘發(fā)突水事故。

4.3 奧灰含水層富水性

奧灰富水性是影響突水量的重要因素。在垂向上，奧陶系灰?guī)r巖溶發(fā)育程度對(duì)突水危險(xiǎn)性的影響比較大；在平面上，在富水性大的地段，發(fā)生突水時(shí)的突水量也比較大。

區(qū)內(nèi)水文孔有4個(gè)，其中，2個(gè)鉆孔揭露上馬家溝組，單位涌水量為0.008 3～0.021 8 L/s·m。峰峰組含水層巖溶裂隙愈發(fā)育，含水也豐富。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文分析了煤層底板巖石的隔水性能和力學(xué)性質(zhì)，由此可知，區(qū)內(nèi)底板巖層具有較好的阻水、抗水壓能力。由于區(qū)內(nèi)15號(hào)煤層底板突水系數(shù)普遍大于臨界值0.10 MPa/m，不能排除開(kāi)采15號(hào)煤層時(shí)出現(xiàn)突水的可能，所以，應(yīng)在堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探，先探后掘、先治后采”的原則下，采取必要的防水措施，安全開(kāi)采。因此，巖溶發(fā)育地區(qū)的水壓不容忽視，特別是在構(gòu)造發(fā)育區(qū)，應(yīng)引起高度重視。

〔編輯：白潔〕