煤層底板巖層的滲透特征

尚衍峰,　狄艷麗,　曹思文

(兗州煤業(yè)股份有限公司 楊村煤礦, 山東 兗州 272118)

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煤層底板巖層的滲透特征

尚衍峰,狄艷麗,曹思文

(兗州煤業(yè)股份有限公司 楊村煤礦, 山東 兗州 272118)

為探明不同巖類的巖組滲透性對煤層底板阻水性能產(chǎn)生的影響，通過對16煤層底板主要層位進(jìn)行伺服滲透試驗(yàn),分析各底板主要層位的應(yīng)力-應(yīng)變、滲透率-應(yīng)變曲線,研究不同巖石的滲透變化規(guī)律，確定了臨界抗?jié)B強(qiáng)度和起始滲透率兩個(gè)重要參數(shù)。結(jié)果表明：16煤底板泥質(zhì)巖組、砂巖巖組、灰?guī)r巖組的平均阻水能力換算系數(shù)分別為0.031、0.029和0.017。

煤層底板; 底板突水; 臨界抗?jié)B強(qiáng)度; 起始滲透率

0　引　言

隨著下組煤開采深度增加和強(qiáng)度的增大,水文地質(zhì)條件也日趨復(fù)雜,煤層底板突水的危險(xiǎn)性也日益增大[1-2]。多年開采實(shí)踐證明,煤層底板突水是地質(zhì)構(gòu)造、礦山壓力、水壓和底板隔水層共同影響的結(jié)果,其中底板隔水層對于底板突水起到一定的控制作用。煤層開采過程中導(dǎo)致煤層底板隔水層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變,其滲透狀態(tài)也隨之改變,筆者以楊村煤礦16煤為例,通過對煤層底板主要層位進(jìn)行伺服滲透試驗(yàn),分析隔水層的滲透性,對其煤層底板巖層滲透特征進(jìn)行研究,為今后評(píng)價(jià)底板突水做了前期準(zhǔn)備。

1　礦井概況

楊村井田處于兗州向斜的西部邊緣地帶,是一個(gè)自南而北,由走向北北西至北北東又轉(zhuǎn)為近南北向的單斜構(gòu)造,煤巖層總體傾向向東,傾角為 3°～10°,最大在15°左右。井田地層系統(tǒng)自上而下分別為:第四系Q、侏羅系J、二疊系P、石炭系C和奧陶系O。主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組,煤系和煤層沉積穩(wěn)定,為華北型含煤建造。含煤地層在井田內(nèi)起伏不大,小斷層發(fā)育,在局部區(qū)發(fā)現(xiàn)巖漿侵入體。礦井主采山西組的3煤和太原組的16煤和17煤。

對礦井開采有影響的含水層主要有第四系下組砂及砂礫層,二疊系山西組3煤頂?shù)咨皫r,石炭系太原組第三、十灰?guī)r與本溪組第十三～十四灰?guī)r及奧陶系灰?guī)r。影響下組煤開采的含水層為十灰、十三～十四灰?guī)r及奧陶系灰?guī)r。十灰為16煤的直接頂板,含水性差,對礦井影響較小。第十三～十四灰?guī)r距奧陶系灰?guī)r較近,在斷層發(fā)育地段,兩者間距變小或?qū)?易通過斷層帶發(fā)生水力聯(lián)系。奧灰為區(qū)域性強(qiáng)含水層,在露頭區(qū)直接接受大氣降水和地表水補(bǔ)給,在隱伏區(qū)接受第四系下部水補(bǔ)給,補(bǔ)給來源充分,對煤礦威脅較大。

2　16煤層底板的巖層種類

16煤底板主要有粉砂巖、鋁質(zhì)泥巖、泥巖、薄層中細(xì)砂巖、薄層灰?guī)r和煤層等組成,見圖1。從力學(xué)性質(zhì)和水穩(wěn)性特征角度,可將煤層底板巖層劃分為為泥質(zhì)巖類、砂巖類和灰?guī)r類等3個(gè)工程地質(zhì)巖組。其中,泥質(zhì)巖類主要為粉砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖、鐵質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖;砂巖類主要為粉砂巖、細(xì)砂巖和中砂巖。

圖1　井田下組煤地層柱狀簡圖

3　伺服滲透實(shí)驗(yàn)

伺服滲透試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)了巖塊由完整到破壞整個(gè)變形過程的相應(yīng)滲透特點(diǎn),反映了巖石的裂隙發(fā)育程度與滲透性的關(guān)系。圖2a～i為16煤底板主要層位巖塊的伺服滲透試驗(yàn)所得全應(yīng)力-應(yīng)變過程的應(yīng)力-應(yīng)變、滲透率-應(yīng)變關(guān)系曲線;圖3a～i為16煤底板主要層位巖塊的伺服滲透試驗(yàn)所得全應(yīng)力-應(yīng)變過程的滲透率-應(yīng)力耦合關(guān)系曲線。

3.1巖塊滲透性-應(yīng)變關(guān)系幾何特征

滲透率-應(yīng)變關(guān)系曲線反映了巖塊全應(yīng)力-應(yīng)變過程滲透性[3-6]隨變形變化的基本特點(diǎn)。由圖1a～i可以看出,滲透性隨變形的變化表現(xiàn)有三個(gè)特征段。

① 初期,k-ε曲線呈下降趨勢,滲透率達(dá)到最低點(diǎn)k0。從巖塊變形特點(diǎn)角度來看,最低點(diǎn)k0所對應(yīng)的應(yīng)變是巖塊由壓密變形過渡為剪裂變形的轉(zhuǎn)換點(diǎn);

② 從最低點(diǎn)開始,滲透率-應(yīng)變曲線開始由降變升,一直達(dá)到滲透率峰值點(diǎn);在達(dá)到峰值前,滲透性隨變形增強(qiáng),且變化幅度較大;達(dá)到峰值后,滲透性多表現(xiàn)有隨變形呈下降的趨勢。全應(yīng)力-應(yīng)變過程巖塊的滲透率多出現(xiàn)有峰值,滲透率峰值多出現(xiàn)于應(yīng)變的軟化變形階段,是滲透性變化的分界點(diǎn)。另外,滲透率峰值往往滯后于應(yīng)力峰值,反映出巖塊破壞后滲透貫通通道才出現(xiàn);

③ 穩(wěn)定滲透階段:到了峰值以后,滲透率-應(yīng)變曲線出現(xiàn)下降并穩(wěn)定在一定數(shù)值水平;這一階段表現(xiàn)了巖塊破壞后的塑性流變階段,滲透性隨變形的變化幅度很小,滲透率基本趨于穩(wěn)定,反映了破碎巖塊在殘余強(qiáng)度下的滲透性。

3.2巖塊滲透性-應(yīng)力關(guān)系

由圖3a～i可看出,不同性質(zhì)的試驗(yàn)巖樣破壞前的滲透率-應(yīng)力關(guān)系曲線在幾何形態(tài)上相近,其差異主要反映于數(shù)值關(guān)系上,并且測試過程中個(gè)別測點(diǎn)存在測試誤差的情況下,所引起的離散對曲線的基本形態(tài)不存在影響,滲透率-應(yīng)力關(guān)系的基本模式如圖4所示。

由圖4可看出,軟巖破壞前的滲透率-應(yīng)力關(guān)系的共同特點(diǎn)為:在較低的應(yīng)力水平時(shí)滲透性略微下降,而后滲透性隨應(yīng)力提高而增強(qiáng)。在滲透性增強(qiáng)的過程存在一明顯的突變點(diǎn),其前后滲透性差異較明顯,反映在滲透率-應(yīng)力曲線上,該突變點(diǎn)(km,σm)前后曲線斜率發(fā)生明顯變化,之后的滲透率-應(yīng)力近似于線性關(guān)系。另外,(k0,σ0),(km,σm)為滲透率隨應(yīng)力變化的2個(gè)重要特征點(diǎn),由此可以界定出巖塊破壞前的3個(gè)變形—滲透階段。

圖2　應(yīng)力-應(yīng)變/應(yīng)變-滲透率關(guān)系曲線

階段Ⅰ:(σ1-σ3)<σ0,巖塊主要產(chǎn)生壓密變形,隨著應(yīng)力的增大,原始裂隙范圍變小,有的出現(xiàn)閉合,空隙性降低,滲透性下降,巖塊阻水能力稍微增強(qiáng);

階段Ⅱ:σ0<(σ1-σ3)<σm,剪切變形導(dǎo)致巖塊內(nèi)部產(chǎn)生剪張裂隙性,原生裂隙張開,出現(xiàn)新裂隙,但裂隙之間的聯(lián)通性相對較差,因此,滲透性雖然顯現(xiàn)增強(qiáng)趨勢,但滲透強(qiáng)度相對較弱,滲透率表現(xiàn)較低值。與階段Ⅰ相比,巖塊阻水能力稍微減小,但變化幅度不大;總的來說階段Ⅰ、Ⅱ的巖塊阻水能力與巖塊原始阻水能力相比無太大變化;

階段Ⅲ:(σ1-σ3)>σm,從σm開始,滲透率—應(yīng)力曲線斜率值較前兩階段增大許多,表明剪切裂隙發(fā)展增大并相互貫通形成裂隙性滲流通道,最后巖塊遭到破壞,裂隙性滲流通道達(dá)到最大。巖塊阻水能力大幅度減小直到喪失阻水能力。

3.3臨界抗?jié)B強(qiáng)度與起始滲透率

臨界抗?jié)B強(qiáng)度σm和起始滲透率km是描述巖塊變形過程滲透率-應(yīng)力關(guān)系的兩個(gè)重要參數(shù)。其物理意義可表述為導(dǎo)致巖塊開始形成裂隙性滲流的臨界壓力及相應(yīng)的滲透強(qiáng)度。對于臨界壓力后的滲透性-應(yīng)力關(guān)系,則可近似描述為

(1)

式中:σ=σ1-σ3、k0、σ0意義見圖3。

圖3　滲透率-應(yīng)力耦合關(guān)系

圖4　滲透率-應(yīng)力關(guān)系曲線一般模式

Fig. 4General pattern of penetration-stress relationship curve

根據(jù)楊村井田16、17煤底板不同層位取樣進(jìn)行的伺服滲透試驗(yàn)結(jié)果按巖組統(tǒng)計(jì)的臨界抗?jié)B透強(qiáng)度見表1。

表1煤層底板巖層伺服滲透試驗(yàn)結(jié)果

Table 1Servo penetration test results of main rock stratums belong to lower coal seam floor

3.4巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度換算系數(shù)α

巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度換算系數(shù)的物理意義為實(shí)際條件下每m巖柱能夠阻抗的極限水壓與伺服滲透試驗(yàn)相應(yīng)結(jié)果的比值:

α=P0/σm,

(2)

式中:P0——底板巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度,MPa/m;

σm——巖塊的臨界抗?jié)B強(qiáng)度,由伺服滲透試驗(yàn)確定,MPa。

為了合理確定巖層平均抗?jié)B強(qiáng)度換算系數(shù),對國內(nèi)部分礦區(qū)底板突水資料進(jìn)行了系統(tǒng)的收集整理,對比分析了相關(guān)壓力水頭與巖層厚度、巖石力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系特點(diǎn),確定16煤底板不同巖組的平均阻水能力換算系數(shù):泥質(zhì)巖組為0.031,砂巖巖組為0.029,灰?guī)r巖組為0.017。

4　結(jié)　論

(1)根據(jù)楊村煤礦16煤層底板主要巖層伺服滲透試驗(yàn)所得的滲透率-應(yīng)變關(guān)系曲線,分析了各巖層在應(yīng)力作用下的滲透特征,表現(xiàn)了巖塊由完整到破壞整個(gè)變形過程的相應(yīng)滲透特點(diǎn),反映了巖石的裂隙發(fā)育程度與滲透性的關(guān)系。

(2)確定了楊村煤礦臨界抗?jié)B強(qiáng)度和起始滲透率兩個(gè)重要參數(shù),巖塊滲透性達(dá)到應(yīng)力σm時(shí)發(fā)生突變反映出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了質(zhì)的變化,剪切裂隙相互貫通,裂隙性滲流通道基本形成,巖塊阻水能力也隨之發(fā)生突變。

(3)確定16煤底板不同巖組的平均阻水能力換算系數(shù)為:泥質(zhì)巖組0.031,砂巖巖組0.029,灰?guī)r巖組0.017。

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(編輯李德根)

Analysis on seepage features of rocks from coal floor

SHANGYanfeng,DIYanli,CAOSiwen

(Yangcun Coal Mine, Yanzhou Mining Group Company, Yanzhou 272118, China)

Aimed at addressing the different effect on resistance ability of coal floor water-inrush produced by different seepage of various kinds of rocks, this paper studies the law governing the changes in seepage on different rock layer of the coal floor by analyzing the curve relation between stress and strain and that between penetration coefficient and strain, based on the test of seepage on rock under the 16th coal layer in Yangcun coalmine and offers the two crucial parameters, such as critical strength of anti-seepage and the initiative penetration coefficient. The results show that mudstone, sandstone, and limestone have the average conversion coefficient of resistance ability of water-inrush of 0.031 , 0.029 , and 0.017 respectively.

coal floor; water-inrush; critical strength of anti-seepage; initiative penetration coefficient

2013-05-30

尚衍峰(1969-),男,山東省兗州人,高級(jí)工程師,研究方向:礦井地質(zhì)及水文地質(zhì),E-mail:syf3454115@126.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.020

TQ018

1671-0118(2013)04-0394-04

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