呂品田，田剛軍

(陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

關(guān)于綜放工作面煤層開(kāi)采對(duì)頂板含(隔)水層影響的研究成果，主要表現(xiàn)為對(duì)頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育規(guī)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(jī)理，為礦井防治水與保水開(kāi)采提供科學(xué)依據(jù)和有效途徑[6-9]。為此，基于對(duì)含(隔)水層與煤巖層空間組合及覆巖特征分析，結(jié)合工作面水文地質(zhì)鉆探、鉆孔抽水試驗(yàn)、井下電視、地球物理測(cè)井及采樣測(cè)試等精細(xì)探查結(jié)果，以期查證煤層開(kāi)采對(duì)頂板含(隔)水層結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、富水性等水文地質(zhì)與工程地質(zhì)特征的影響。

1 含(隔)水層與煤巖層組合特征

1.1 地質(zhì)特征

覆巖特征：研究區(qū)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(tǒng)、侏羅系及三疊系各粒級(jí)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(chǔ)水構(gòu)造。區(qū)內(nèi)地表溝谷中零星出露有白堊系下統(tǒng)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(tǒng)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(kāi)采頂板直接充水含水層，其埋藏深、裂隙不甚發(fā)育、補(bǔ)給條件差、富水性弱，井巷充水易于疏排，對(duì)煤層開(kāi)采影響不大[10-12]。白堊系下統(tǒng)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(qū)域強(qiáng)含水層相聯(lián)，為礦區(qū)主要含水層。礦井建設(shè)及生產(chǎn)中曾發(fā)生多起K1l涌突水事故，嚴(yán)重威害礦井安全開(kāi)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(wěn)定、連續(xù)性好、隔水性強(qiáng)，為礦區(qū)關(guān)鍵隔水層。

含水層富水性、水頭高度和水質(zhì)類型、礦化度等水文地質(zhì)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(gè)互不相通的地下水系統(tǒng)；主要含水層與頂板直接充水含水層之間在天然狀態(tài)下沒(méi)有明顯水力聯(lián)系。

1.2 主要含水層

主要含水層零星出露于區(qū)內(nèi)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(jí)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(qū)厚度大于140 m，局部達(dá)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(zhì)構(gòu)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(duì)富水區(qū)；粱峁區(qū)與砂巖含量少的地段，富水性較弱，水資源相對(duì)貧乏。以中-粗粒砂巖為主要含水層段，鉆孔及水井抽水試驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)挝挥克?.009 476～0.128 0 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.002 446～0.129 3 m/d，屬富水性不均一的弱-中等含水層。水質(zhì)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(guān)鍵隔水層

關(guān)鍵隔水層區(qū)內(nèi)無(wú)出露。巖性以紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾中-粗粒砂巖與含礫粗砂巖，含少量鈣質(zhì)結(jié)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(zhì)泥巖主要分布于中上部，團(tuán)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(qiáng)。如圖3所示，泥巖-砂質(zhì)泥巖隔水層分布總體上表現(xiàn)為與煤層賦存呈正相關(guān)，在井田西部富煤區(qū)厚度大，中東部無(wú)煤區(qū)厚度小。厚煤-特厚煤區(qū)發(fā)育厚度60～80 m，局部達(dá)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(qū)為掩蓋式煤田，煤系地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，處于太峪背斜與遙遠(yuǎn)背斜之間古隆起控煤的含煤凹陷區(qū)。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(qū)內(nèi)主要可采煤層，屬深埋厚-特厚煤層。如圖4所示，煤層沉積規(guī)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(biāo)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(jìn)一步查證煤層開(kāi)采對(duì)洛河組砂礫巖主要含水層及安定組泥巖關(guān)鍵隔水層的影響，在21301、21302等工作面布置探查鉆孔，進(jìn)行了水文地質(zhì)鉆探、鉆孔抽水試驗(yàn)、井下電視、地球物理測(cè)井及采樣測(cè)試等精細(xì)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(guò)7個(gè)月后施工；G2及G3為采前孔，在工作面回采前完成各項(xiàng)測(cè)試，并進(jìn)行了回采期間及采后觀測(cè)。

圖5 工作面與鉆孔布置平面圖

2.2 巖體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)變化

采后巖石強(qiáng)度降低：①洛河組砂巖及礫巖采動(dòng)前后巖石物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。由表1可知，砂巖天然抗壓強(qiáng)度采后降低19.5%～40.0%，飽和抗壓強(qiáng)度降低56.1%～66.8%，抗拉強(qiáng)度降低14.5%～40.9%，抗剪強(qiáng)度降低15.8%～28.9%，軟化系數(shù)降低45.3%～46.3%，孔隙率增加33.2%～52.7%；礫巖天然抗壓強(qiáng)度采后降低46.3%～54.5%，飽和抗壓強(qiáng)度降低55.6%～60.8%，抗拉強(qiáng)度降低48.8%～58.9%，抗剪強(qiáng)度降低36.3%～38.4%，軟化系數(shù)降低12%～13.7%，孔隙率增加36.6%～74.4%。說(shuō)明煤層頂板洛河組砂礫巖主要含水層采動(dòng)后骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為孔隙率增大、強(qiáng)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(qiáng)度下降50%～60%；②安定組巖層采動(dòng)前后巖石物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知，砂質(zhì)泥巖天然抗壓強(qiáng)度采后降低34.8%～67.7%，飽和抗壓強(qiáng)度降低42.9%～77.3%，抗拉強(qiáng)度降低24.4%～62.3%，抗剪強(qiáng)度降低18.8%～54.2%，軟化系數(shù)降低6.5%～17.1%，孔隙率增加16.6%～24.9%；粗粒砂巖天然抗壓強(qiáng)度采后降低69%～73.8%，飽和抗壓強(qiáng)度降低80.7%～82.1%，抗拉強(qiáng)度降低67.6%～72.1%，抗剪強(qiáng)度降低62.2%～65.3%，軟化系數(shù)降低30.6%～37.5%，孔隙率增加19.9%～27.4%。說(shuō)明煤層頂板關(guān)鍵隔水層采動(dòng)后主要變化為巖石強(qiáng)度降低和軟化系數(shù)減小，孔隙率增大而結(jié)構(gòu)松弛。砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強(qiáng)度降低42.9%～77.3%，軟化系數(shù)降低6.5%～17.1%，孔隙率增加16.6%～24.9%。

表1 洛河組巖石采動(dòng)前后物理力學(xué)指標(biāo)

表2 安定組巖石采動(dòng)前后物理力學(xué)指標(biāo)

采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)松弛：采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)松弛主要表現(xiàn)為巖石彈性模量及強(qiáng)度指標(biāo)下降?？傮w而言，洛河組礫巖及安定組砂質(zhì)泥巖采動(dòng)后強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)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(zhì)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(guān)鍵隔水層變化

富水性增大：主要含水層與關(guān)鍵隔水層采前及采后鉆孔抽水試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。由表3可知，受采后含水層骨架變化影響，采動(dòng)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(dá)3～6倍。采動(dòng)后與采前關(guān)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(dá)39～59倍。采動(dòng)前主要含水層(K1l)與關(guān)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(dòng)后主要含水層和關(guān)鍵隔水層結(jié)構(gòu)變化、相互導(dǎo)通，洛河砂礫巖地下水對(duì)安定組補(bǔ)給，關(guān)鍵隔水層富水性明顯增大。

表3 主要含水層與關(guān)鍵隔水層采動(dòng)前后抽水試驗(yàn)成果

水力聯(lián)系增強(qiáng)：從水位動(dòng)態(tài)曲線圖,如圖6所示。可以看出，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(xiàn)的波谷對(duì)應(yīng)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(shuō)明采后關(guān)鍵隔水層失效，主要含水層地下水涌入采場(chǎng)；隨工作面推進(jìn)及觀測(cè)時(shí)間延續(xù)，K1l與J2a水位及其變化幅度趨于一致，水力聯(lián)系增強(qiáng)，形成洛河-安定含水層組。

圖6 G3長(zhǎng)觀孔地下水位動(dòng)態(tài)曲線

形成復(fù)合含水層組：采后主要含水層與關(guān)鍵隔水層(J2a+K1l)抽水試驗(yàn)結(jié)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(guān)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(guān)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(lián)系密切，具聯(lián)動(dòng)效應(yīng)；單位涌水量與J2a基本一致，且比K1l減小36.73%，對(duì)煤層開(kāi)采具有積極意義。

3 結(jié)論

(1)綜放開(kāi)采條件下，煤層頂板洛河組砂礫巖含水層采動(dòng)后骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為孔隙率增大、強(qiáng)度降低和結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(dá)3～6倍。

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

(3)采動(dòng)后主要含水層(K1l)和關(guān)鍵隔水層(J2a)結(jié)構(gòu)變化、相互導(dǎo)通，形成具有水力聯(lián)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(lián)系密切，具聯(lián)動(dòng)效應(yīng)；單位涌水量與J2a基本一致，且比K1l減小36.73%，對(duì)煤層開(kāi)采具有積極意義。