探討隔水巖柱對奧灰突水的影響

趙丹

摘 要：隔水層是指不透水的膠結致密、完整的堅硬巖層。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、砂質泥巖和鋁質泥巖為主，細砂巖、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、巖性和構造等因素有關，直接影響上覆煤層的安全開采。以山西沁水煤田南部襄垣研究區(qū)為例，分析、探討了隔水巖柱對奧灰突水的影響，這對防治地下水害、井下煤層安全帶壓開采具有重要的意義。

關鍵詞：富水性；含水層巖性；單位涌水量；滲透系數

中圖分類號：TD741 文獻標識碼：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題就是各煤層帶壓開采，而主采15號煤層奧灰?guī)洪_采是礦井水害防治的重點。以襄垣縣以東為研究區(qū)，根據各煤層隔水巖柱厚度、空間分布規(guī)律、隔水巖柱的力學性質和巖性組合特征，分析其對奧陶系灰?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)內的鉆孔進行對比、統(tǒng)計和分析是很好的方法。

研究區(qū)內共施工41個鉆孔，絕大部分鉆至15-2號煤下15 m即終孔，少數至O2f15 m結束。研究區(qū)及其周圍包括水文孔在內，實際穿過整個煤系地層進入奧陶系灰?guī)r的鉆孔有18個。據統(tǒng)計，3號煤層底板至奧灰頂面隔水層厚度為98.335～155.116 m，15-2號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系

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

該區(qū)3號、15-1號、15-2號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、鋁質泥巖、石灰?guī)r和薄煤層為特征。整個巖層軟硬相間，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)境和后期構造的影響，在巖性變化上，介于砂巖和泥巖之間的有泥質砂巖，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、砂質泥巖，含星散狀黃鐵礦，產植物碎片化石；下部為深灰色、灰色鋁土質泥巖夾砂質泥巖，具塊狀層理、水平層理和透鏡狀層理，并時見菱鐵礦、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、細粒砂巖、粉砂巖，砂質泥巖、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性質分析

在區(qū)內ZK1-7號、ZK13-3號和ZK16-5號孔中采取了頂底板巖石力學樣。另外，根據代表性礦區(qū)各類巖石抗壓強度和隔水能力的測試成果可知，柔性巖石隔水性強，但其抗壓強度小，剛性巖石則相反。一般柔性巖石的等效抗壓強度系數約是剛性砂巖、灰?guī)r的0.5～0.7倍，而剛性巖石的等效隔水系數約是泥巖的0.4倍，具體數據如表1所示。

表1 換算巖層等效隔水系數及抗壓強度表

巖性 等效隔水系數 試驗抗壓強度/（MPa/m）

無巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r 1.3 0.10

泥巖、泥灰?guī)r、黏土、頁巖 1.0 0.05

褐煤 0.7

砂頁巖 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度與地層組合有比較大的關系。區(qū)內15-2號煤層底板至奧灰?guī)r層的平均厚度為27.39 m，巖層組合以泥巖、鋁質泥巖為主，占81.44%；其次為細砂巖，占17.56%；軟巖與硬巖比值約為4.59∶1.這種軟、硬巖互層的地質結構對提高煤層底板隔水能力比較有利，但是，對抗壓強度較為不利。

3.2 底板隔水能力和抗壓強度

根據標準巖石等效抗壓強度和等效隔水系數換算，3號煤底板等效泥巖隔水層的厚度為47.12 m，它的總體抗壓強度為3.31 MPa。3號煤層相對于勘查區(qū)底板奧灰水壓2.93～7.97 MPa來說偏低，而且區(qū)內除了ZK8-10以外，所有鉆孔3號煤底板奧灰水壓均大于3.76 MPa。15號煤底板等效泥巖隔水層厚度為26.39 m，總體抗壓強度約為1.55 MPa，相對于區(qū)內底板奧灰水壓2.93～7.97 MPa來說更低。由此可見，該區(qū)下組煤的開采普遍受奧灰突水的威脅。

4 隔水巖柱對奧灰突水的影響

4.1 礦井突水機理

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、構造和溶蝕作用的控制，呈自然流動狀態(tài)。在煤層開采過程中，巖體應力平衡遭到破壞，為了達到新的平衡，會出現頂板垮落、鼓底等一系列工程地質現象。底板底鼓和頂板垮落會使改變含水層天然流場，在導通或有足夠水量的情況下，地下水就會沿導水裂隙帶涌入坑道，形成突水危害。

導水裂隙帶和垮落帶會破壞含水層，出現漏水通道，這樣賦存在煤層上覆的地下水就會滲入礦井。當煤礦采用全部垮落法采煤時，會出現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。如果裂隙帶到達地表后，會溝通地表水。

出現底板被破壞和涌水的情況，是含水層水壓、隔水層厚度和導水裂隙等因素共同作用的結果。根據煤礦試驗資料可知，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個帶，即直接底板采動裂隙帶、中間彈塑性變形帶和地下水導升裂隙帶。

在礦壓、水壓的聯合作用下，當水壓強度大于底板巖層有效隔水層厚度和物理力學指標時，地下水就會沿巖層溶蝕地帶（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：底板抗壓強度與隔水能力；隔水底板軟硬巖組合；底板構造發(fā)育程度；礦壓擾動與有效隔水層厚度；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 底板構造發(fā)育程度

井田內在東南部發(fā)育了一條逆斷層，據ZK6-4鉆孔控制情況可知，斷距約80 m，為逆斷層，其余地段未見斷距大于30 m的斷層、陷落柱和滑塌構造。由于受采動的影響，地應力重新分布，因此，在未來煤層開采的過程中，不能排除奧灰水會通過構造的薄弱部位上升，進而誘發(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)育程度對突水危險性的影響比較大；在平面上，在富水性大的地段，發(fā)生突水時的突水量也比較大。

區(qū)內水文孔有4個，其中，2個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 結束語

綜上所述，本文分析了煤層底板巖石的隔水性能和力學性質，由此可知，區(qū)內底板巖層具有較好的阻水、抗水壓能力。由于區(qū)內15號煤層底板突水系數普遍大于臨界值0.10 MPa/m，不能排除開采15號煤層時出現突水的可能，所以，應在堅持“預測預報、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，安全開采。因此，巖溶發(fā)育地區(qū)的水壓不容忽視，特別是在構造發(fā)育區(qū)，應引起高度重視。

〔編輯：白潔〕