煤层底板水文地质结构划分及阻隔水能力定量评价方法研究

2022-03-26徐智敏刘栓栓李剑锋陈天赐骆俊峰

煤炭科学技术 2022年2期

徐智敏，刘栓栓，李剑锋，陈天赐，骆俊峰，李鑫，陈歌

（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.徐洲矿务集团有限公司，江苏徐州 221000）

0 引言

我国幅员辽阔，煤层赋存时代差异大，矿井水文地质条件复杂，煤炭开采过程中，矿井突水事故，特别是煤矿底板突水灾害时有发生，给国家财产和人民生命造成了重大损失，预防矿井水害事故发生是煤矿安全生产工作的重中之重。

目前，已经有大量的学者对底板突水机理进行了研究［1-4］。匈牙利学者REIBIEZC［5］最先提出“底板相对隔水层”的概念；煤科总院西安分院最早提出以突水系数法来评价煤层底板是否突水，考虑了煤层底板隔水层的厚度与所受承压水水压；刘钦等［6］在突水系数法的基础上，考虑到各类岩石本身所具有的力学强度和阻水性能，从底板隔水层岩石组合方式及矿压破坏带发育情况入手，将突水系数公式改进为质量比值系数和强度比值系数公式；杨善安［7］通过众多工程实例计算分析了突水系数法的实质以及其在应用中的问题，认为带压开采的实质问题应该是底板隔水层由于结合水的存在使得岩层具有阻水减压的能力问题，由此提出了阻水系数的概念；武强等［8］综合考虑了水压、断裂构造、隔水层结构特征、岩溶以及第三系底部黏土隔水层等控制煤层底板突水的脆弱性因素，应用GIS与ANN 耦合技术，建立了煤层底板突水脆弱性分区评价模型；尹尚先等［9］通过试验得出水头压力损耗随着介质的渗透系数增大而减小，并通过实际观测得出：泥岩、粉砂岩、中砂岩、灰岩的阻水性能依次减小；牟林等［10］在研究深部煤层带压开采问题时，基于补充勘探数据，利用流固耦合数值模拟，确定奥陶系峰峰组顶部岩层可作为相对隔水层，具备一定的阻水能力，并将此作为深部煤层带压开采条件的关键因素之一，使得煤层开采条件得到明显改善。

综上，对于底板隔水层阻隔水性能的认识从最初的只考虑岩层厚度继而到对岩性特征、岩层结构等的考虑，以及开始对单一岩性的阻水性能分析，使得底板隔水层阻隔水能力的评价体系日趋完善，但已有的评价方法只考虑到其中一到两个因素，缺少一个从岩层组合关系、各岩层厚度及物理性质相结合综合考虑，并能够将底板隔水层阻隔水能力量化的指标。基于此现状，通过对勘探钻孔资料进行统计分析，概化底板隔水层结构模型，并借助现场实测、经验公式计算等手段研究隔水层结构对底板抗破坏能力的影响。在上述研究的基础上，综合了已有底板阻隔水能力评价方法，初步提出能够定量评价结构对底板隔水层阻隔水能力影响的结构比值系数。

1 矿区概况

新桥煤矿位于河南省永城市，主采石炭系二2煤层，井田内构造较发育，主要表现为断层、褶皱及小的波状起伏。断裂构造的展布方向以NE、NNE 向为主，其次为NNE 和EW 向，断层以高角度正断层为主。断层以错断二2、三2煤层为主，但同时也存在错断太原组L9灰岩及奥陶系灰岩的断层。矿区内部次级构造广泛分布，自北向南有马庄向斜、黄楼背斜、王苇坑向斜、杨庄背斜、大曾庄向斜和翟庄背斜，如图1 所示。

图1 新桥井田构造纲要Fig.1 Outline of Xinqiao mine field structure

根据水文地质勘察报告，新桥煤矿煤层底板岩层在受到沉积环境以及大型地质构造的影响下，二2煤层底板隔水层岩层结构在矿区范围内不同区域呈现出一定的差异化特征。从二2 煤底板至太原组上段灰岩含水层顶板，底板隔水层多由砂岩、泥岩、砂质泥岩及其互层组成，除了在厚度的平面分布上有所变化外，在垂向主要体现在底板隔水层的岩性及岩性组合结构特征上。

2 底板水文地质结构划分

新桥井田范围内由于F216正断层、F4正断层、F5正断层、F10正断层等大型断裂构造以及马庄向斜、黄楼背斜、王苇坑向斜等大型褶曲构造的存在，使得原本完整的地层被切割的不再连续，呈现出区块化特征，不同区块的底板隔水层在岩层厚度、岩性特征以及岩层组合关系等方面呈现出差异性。

2.1 “三层段”法

李白英教授［11］在下三带理论中提出底板隔水层由于受到开采活动以及底板承压水的影响，呈现出三带特征，即底板导水破坏带、完整岩层带以及承压水导升带，而“三层段”法是在下三带的基础上，结合以新桥矿为代表的永城矿区底板隔水层结构特征（砂泥岩互层+隔水关键层）以及实测采动破坏深度，其次从不同层位应对不同类型的破坏所表现出不同作用的角度出发，并结合底板隔水层力学破坏特征［12］以及各个层位在岩层组厚度、岩石力学性质［13］方面所表现出的特征提出，包括：顶部层段、中间层段以及底部层段。顶部层段靠近煤层底板，在煤层开采过程中，顶部层段所面临的是工作面推进过程中矿山压力的变化所导致的剪切采动破坏，因此顶部层段为完全破坏的层段；中间层段位于顶部层段下方，又分为上段与下段，上段可由软硬相间的砂泥岩互层组成，可缓解剪切采动破坏，下段为完整岩层带，可由岩石强度较高的完整砂岩组成，上段与下段相结合整体抵抗顶部剪切采动破坏的进一步深入以及阻隔底部承压水进入剪切采动破坏所形成的裂缝；底部层段位于承压含水层顶板上方，所面临的是底板承压水的渗透破坏以及承压水的顶托作用，若有一层渗透性较差且岩性致密的泥岩存在，则可大幅降低底板承压水的渗透破坏作用，泥岩上覆可存在一定厚度的坚硬岩层，抵抗承压水的顶托作用；底部层段下方为含水层段，由太原组灰岩组成，如图2 所示。

图2 底板隔水层“三层段”结构示意Fig.2 Schematic of “three-layer”structure of bottom water-proof layer

2.2 结构概化

基于隔水层中间层段多为砂岩、砂质泥岩互层的特点，结合永城矿区底板隔水层结构特征（砂泥岩互层+隔水关键层）以及实测采动破坏深度（12～35 m），确定“顶部层段（厚度≥10 m）+中间层段+底部层段（厚度≥10 m）”的隔水层结构划分方案。其中，顶部层段和底部层段分别选取10 m 以上厚度以确定其主要岩性或岩性组合结构。

利用井田内100 个勘探钻孔的地层剖面资料，选取典型钻孔柱状，如图3 所示。

图3 典型钻孔柱状图Fig.3 Typical drilling histogram

基于“顶部+中部+底部”的“三层段”划分原则，结合由岩石单轴抗压强度界限值的划分的软岩与硬岩（参照国际岩石力学委员会建议，软岩与硬岩单轴抗压强度界限值为24.5 MPa）的标准，共总结出4 种典型底板隔水层结构，如图4 所示，各模型结构特征分述如下，并给予相应的定性评价。

图4 底板隔水层结构模型Fig.4 Structure model of water-barrier layer of floor

1）a 类结构（图4a）。底板隔水层顶部层段以粉砂岩、厚层细砂岩为主，为坚硬岩层组；中间层段由厚层砂质泥岩与炭质泥岩组成；底部层段上段为粉砂岩，具有一定的强度，最底层为泥岩，与下伏灰岩直接接触，泥岩层厚薄不均，但是稳定存在于底部层段的最底部，以X25-5 钻孔为代表。

2）b 类结构（图4b）。底板隔水层顶部层段由薄层细砂岩与厚层粉砂岩互层沉积组成，整体表现为坚硬岩层组；中间层段上部为砂泥岩互层段，下部为厚层强度较大的细砂岩；底部层段厚层砂质泥岩，具有良好的抗渗透破坏能力，为软弱岩层组，以X31-3钻孔为代表。

3）c 类结构（图4c）。底板隔水层顶部层段上部是由薄层泥岩与砂质泥岩组成的软弱岩层组，下部是由厚层细砂岩组成的坚硬岩层，整体表现为软+硬岩层组；中间层段上部为砂泥岩互层段，下部为厚层强度较大的细砂岩；底部层段厚层砂质泥岩，具有良好的抗渗透破坏能力，为软弱岩层组，以X24-1钻孔为代表。

4）d 类结构（图4d）。底板隔水层顶部层段上部是薄层泥岩的软弱岩层组，下部是由厚层细砂岩组成的坚硬岩层，顶部层段整体表现为软+硬岩层组；中间层段由砂泥岩互层组成；底部层段上部是由厚层粉砂岩组成的坚硬岩层组，下部由厚层泥岩组成的软弱岩层组，具有良好的抗渗透破坏能力的同时，具备一定抵抗承压含水层的顶托作用，以X27-3钻孔为代表。

综上，4 类结构模型中，从顶部抗剪切采动破坏（坚硬岩层组），中部为缓冲层加有效隔水的完整岩层（砂泥岩互层+隔水关键层），底部为抗渗透破坏以及顶托破坏（坚硬岩层阻+软弱岩层组）来定性评价，可得阻隔水能力由大到小为：a＞b ＝d＞c。

3 底板采动破坏规律

选择正在开采的2301 工作面作为典型工作面，2301 工作面平均走向长度为1 500 m，倾斜长度为300 m，煤层埋深450 m，倾角平均8°。增加T2 补勘孔，经模型比对（图5），属于c 类结构，对隔水层主要层位取样并进行底板隔水层岩石成分测试与分析［14］，岩石物理力学强度测试［15］和渗透率试验［16］。

图5 T2 钻孔柱状图Fig.5 T2 borehole histogram

根据岩石成分测试与分析结果，底板隔水层岩性自上而下为：粉砂质泥岩、杂砂岩（Ⅰ）、杂砂岩（Ⅱ）、杂砂岩（Ⅲ）、粉砂质泥岩（Ⅳ）；物理力学测试结果表明，砂岩组中的Ⅲ层杂砂岩具有较高的力学强度，具有良好的抗采动破坏能力；下伏Ⅳ层砂质泥岩层渗透性极差，具有良好的抗渗透破坏作用。在此基础上，综合采用采动破坏现场实测和经验公式计算2 种方式对结构抗破坏能力进行定量化研究。

3.1 现场实测

采用网络并行电法，通过在2301 工作面轨道巷道底板施工钻孔布设电极，进行地电场数据的实时监测，并对监测的电流数据进行分析，如图6 所示。最终分析确定2301 工作面的采动影响破坏深度最大为27 m。

图6 中巷道电流剖面图Fig.6 Current profile in middle roadway

3.2 经验公式

在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中［17］，通过对多年开采实践数据和影响底板采动破坏深度因素的归纳和总结，得出只考虑工作面斜长时，底板破坏深度h计算公式为

式中，L为工作面长度。

考虑采深、煤层倾角和开采工作面长度时，底板破坏深度计算公式为

式中，H为工作面煤体开采平均深度；α为开采煤层平均倾角。

根据实测资料，工作面煤体开采平均深度H为450 m，开采煤层平均倾角α为8°，工作面长度L为300 m，代入公式（3）计算得底板破坏深度h＝33.16 m。

比较现场实测值和经验公式计算值，发现后者（33.16 m）比前者（27 m）明显要大，结合Ⅲ层杂砂岩层在井田范围内平均赋存深度为25.7 m，表明Ⅲ层杂砂岩层对底板采动裂缝的向下发育具有明显的抑制作用，反映了结构对阻隔水能力的影响。结合实验测试分析，在c 类结构模型中，Ⅲ层杂砂岩层起到抗采动破坏关键层的作用，下伏砂质泥岩层可作为抗渗透破坏关键层。

3.3 采动破坏规律分析

建立基于c 类隔水层结构模型的底板隔水层阻隔水能力评价模型［18］，如图7 所示。

图7 评价模型Fig.7 Evaluation model

基于c 类底板隔水层结构模型，按其受采动影响破坏程度将底板隔水层划分为4 层，自上而下分别为采动破坏层、采动破坏缓冲层、抗采动破坏关键层和抗渗透破坏关键层。各层结构的组成特点及其采动变形破坏规律分述如下：

1）采动破坏层。采动破坏层位于底板浅部，对应于隔水层结构模型的顶部层段。根据底板隔水层结构模型，该层段主要由“软弱岩层（组）上+坚硬岩层（组）下”组成，主要由粉砂岩、细砂岩、泥岩、砂质泥岩及其岩组组成，因软岩层紧邻底板，且硬岩强度不高，故在采动条件下，采动破坏裂缝直接贯穿整个上部层段。

2）采动破坏缓冲层。采动破坏缓冲层位于采动破坏层下面，对应于中间层段的上部，是采动破坏层的延续破坏层，主要由砂岩、泥岩互层组成。砂、泥岩互层的结构相比较于采动破坏层的岩层在结构方面强度更高，其破坏程度远比其上部采动破坏层要小得多，并能够对下部岩层起到一定的缓冲保护作用。

3）抗采动破坏关键层。抗采动破坏关键层位于采动破坏缓冲层下面，对应于隔水层结构模型中间层段的下部和底部层段的上部，主要由强度较高、厚度较大的细砂岩、粉砂岩或岩组组成。因受到上覆缓冲层的保护，且自身力学强度较强，厚度稳定，故抑制了采动破坏的进一步深入。

4）抗渗透破坏关键层。抗渗透破坏关键层位于隔水层的最底部，对应于结构模型的底部层段。根据底板隔水层结构模型，该层段主要由泥岩、粉砂质泥岩或岩组组成，层厚一般较厚，且层位非常稳定，可有效抑制下伏承压水的导升作用，防止承压水进一步突破底板。

通过上述定型评价，结合现场实测与经验公式对比结果，证实底板隔水层的结构确实对底板采动破坏有影响，间接影响底板隔水层的阻隔水能力的。

4 底板隔水能力定量评价方法

由上述对c 类结构的为例分析可得，结构对底板阻隔水能力确实有影响，但缺少定量的评价方法去评价不同结构对底板阻隔水能力的影响大小。针对提出的4 种底板隔水层结构，通过对每种结构进行质量比值系数和强度比值系数与岩层厚度加权计算，分析比较质量比值系数和强度比值系数［6］结算结果的优缺点，初步提出结构比值系数的概念。

4.1 参数选取

1）各层段厚度。由于缺少a、b、d 三种结构模型的实测资料，故在接下来的评价中将做一些适当性的假设。取底板隔水层总厚度为48 m，假设3 个层段厚度相等，即每个层段厚为16 m。对于结构模型a、d，由于下部层段由坚硬岩层与软弱岩层组成，假设二者岩层厚度相等，即均为8 m；对于结构模型c、d，由于上部层段由薄层软弱岩层与坚硬岩层组成，故假设薄层软弱岩层厚度为1 m，坚硬岩层为15 m。

2）各结构模型岩性统计见表1。

表1 各结构模型岩性统计Table 1 Lithology statistics of each structure model

4.2 计算与分析

各类岩石的质量比值系数（表2）、强度比值系数（表4）是由煤炭科学研究总院西安分院通过对各类岩石进行力学试验，分别以砂岩和泥岩作为计算标准进行统计得出的。

表2 不同岩石的质量比值系数Table 2 Mass ratio coefficients of different rocks

4.2.1 质量比值系数法

由于中间层段为砂泥岩互层或缺失，故选取砂泥岩互层对应的质量比值系数为砂岩和泥岩的平均值0.7。

4.2.2 强度比值系数法

由于表4 中无泥岩对应系数，选取与之较为接近的页岩0.5 作为代替；由于中间层段为砂泥岩互层或缺失，故选取砂泥岩互层对应的质量比值系数为砂岩和泥岩的平均值0.75。

表4 不同岩石的强度比值系数Table 4 Strength ratio coefficients of different rocks

4.2.3 结果分析

根据表3 与表5 计算结果可知，4 种结构模型的计算结果相近，且二者计算无相似的规律性。分析认为主要由以下原因造成：①强度比值系数表征岩石抗破坏能力，而质量比值系数可反应岩石阻水能力的大小，二者所注重的因素不同，导致参考标准不一致，不能解释底板隔水层结构特征中的岩层组合关系对阻隔水能力的影响；②强度比值系数与质量比值系数缺少对于砂泥岩互层的数值刻画；③4种结构模型侧重于对其岩层组合关系的展示，忽略了岩层厚度；计算取值过程中过于理想化，厚度取值采用平均方式，降低了厚度作为权重的影响。

表3 质量比值系数法计算结果Table 3 Results of mass ratio coefficient method

表5 强度比值系数法计算结果Table 5 Calculation results of strength ratio coefficient method

4.3 结构比值系数的定义

隔水层的阻隔水能力与岩石的成分、强度和渗透性有关，强度越高、渗透性越差，其综合阻隔水能力越好。此外，隔水层的阻隔水能力还与其结构有密切关系，特别是以岩层厚度及岩层组合结构特征为主的隔水层结构，是岩石成分、强度和渗透性等特征的载体，是隔水层阻隔水能力的综合反映。其中强度比值系数表征岩石抗破坏能力，而质量比值系数可反应岩石阻水能力的大小，缺少底板隔水层结构特征对底板阻隔水能力影响的评价方式。

基于以上认识，结合第4.2 节的分析结果，初步提出一个新的概念结构比值系数（Src）。结构比值系数将综合质量比值系数与强度比值系数的优缺点，通过初步拟定的计算公式计算，定量反映不同类型底板隔水层的采动破坏规律与阻隔水能力。

基于质量比值系数、强度比值系数和隔水层厚度三者与结构比值系数均为正相关关系，初步拟定如下计算公式：

式中，Src 为结构比值系数；Mrc 为质量比值系数；Irc为强度比值系数；M为隔水层厚度；e、f、g为待定系数。

4.4 结构比值系数的应用

由于我国地域辽阔，在我国不同区域所特有的煤田赋煤构造特征［19］使得煤层开采活动所面临的水害类型呈现出分区特征［20］，各分区不同的沉积环境造成各分区煤层底板隔水层结构的不同。

针对每个分区所属的底板隔水层结构、采动破坏深度以及所面临的水害类型，提出满足结构比值系数为1，即阻隔水能力最好的隔水层结构，作为各分区背景值（结构）。在实际应用时，通过对所要评价的隔水层结构进行试算，将计算结果与所在分区背景值（结构）进行比较，越接近说明该底板隔水层的阻隔水能力越强。

“三层段”法的提出是基于永城矿区所在的底板隔水层结构提出，在向华北型以至全国推广时，将结合不同区域特征进行调整；计算公式初步是通过结构比值系数与3 个因素的相关关系得出，在接下来的计划中，将统计全国各赋煤区底板隔水层结构资料，建立结构比值系数计算背景值以及评价体系。同时，对公式中参数等进行改进，待定系数将通过对大量数据资料进行数学统计得出。