梅花井煤礦直羅組砂巖含水層開(kāi)采擾動(dòng)后的滲透性分析及充水試驗(yàn)研究

翟 文 馬 昆 任予鑫

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)棗泉煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，751411； 2.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)梅花井煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，751411)

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★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★

梅花井煤礦直羅組砂巖含水層開(kāi)采擾動(dòng)后的滲透性分析及充水試驗(yàn)研究

翟 文1馬 昆2任予鑫2

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)棗泉煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，751411； 2.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)梅花井煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，751411)

結(jié)合梅花井煤礦煤炭開(kāi)采頂板水害防治難題，對(duì)孔隙性富水弱滲砂巖含水層進(jìn)行試驗(yàn)研究，基于滲流力學(xué)理論建立孔隙性含水介質(zhì)采動(dòng)滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃豌@孔集滲效果試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)揭示了孔隙性含水層鉆孔集滲效應(yīng)及采動(dòng)后的裂隙匯水效應(yīng)的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制，研究成果對(duì)于區(qū)內(nèi)乃至西部侏羅系聚煤區(qū)礦井頂板水害防治具有重要的技術(shù)借鑒意義。

梅花井煤礦 直羅組砂巖 含水層 開(kāi)采擾動(dòng) 滲透性 充水試驗(yàn)

梅花井煤礦作為神寧集團(tuán)的主要供煤礦井，是鴛鴦湖礦區(qū)首個(gè)單井生產(chǎn)能力1000萬(wàn)t/a以上的礦井，其水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變、水害防治管控難度大，為了繼續(xù)保障梅花井煤礦的產(chǎn)量，同時(shí)有效避免水害事故的發(fā)生，必須積極探索有效的防治水理論與技術(shù)來(lái)控制井下水害，切實(shí)保障礦井安全生產(chǎn)。因此，本文針對(duì)礦井頂板砂巖水的防治進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)煤層開(kāi)采條件下導(dǎo)水裂隙帶能否溝通至直羅組砂巖含水層進(jìn)行分析，并根據(jù)模型試驗(yàn)來(lái)確定采動(dòng)后頂板的滲透性變化規(guī)律，探索采動(dòng)頂板徑流狀態(tài)變化的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

1 采動(dòng)頂板充水危害分析

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、數(shù)值建模分析及經(jīng)驗(yàn)類比方法對(duì)梅花井礦煤炭開(kāi)采頂板冒裂帶發(fā)育高度作初步預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明這3種不同方法估算的梅花井煤層采動(dòng)頂板垮裂帶發(fā)育厚度差異較大，由于《“三下”開(kāi)采規(guī)程》推薦的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為國(guó)內(nèi)煤礦較早開(kāi)采的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，開(kāi)采方法、工作面大小及采厚等與梅花井煤礦實(shí)際條件有較大出入。綜合考慮梅花井煤礦11采區(qū)大工作面布置、綜放開(kāi)采方法以及采厚較大、煤層頂板強(qiáng)度較低、采動(dòng)易垮落等特點(diǎn)，分析認(rèn)為梅花井礦煤炭開(kāi)采的頂板垮裂帶發(fā)育高度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果。

通過(guò)對(duì)梅花井礦3個(gè)綜采工作面煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖分析發(fā)現(xiàn)，礦井煤層與直羅組底部粗砂巖含水層平均間隔厚度分別為19.3 m、9.17 m和14.63 m，即便考慮最低估算結(jié)果(經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果)，垮裂帶高度按22 m計(jì)算，煤炭采動(dòng)頂板垮裂帶也會(huì)波及到直羅組底部富水砂巖含水層。在采動(dòng)頂板垮裂帶波及到直羅組底部粗砂巖含水層的情況下，采空區(qū)成為含水層的集中排泄區(qū)，而采動(dòng)裂隙成為通暢的滲流網(wǎng)絡(luò)，并且排泄區(qū)范圍和裂隙滲流網(wǎng)絡(luò)的連通區(qū)域都會(huì)隨采空區(qū)的擴(kuò)大而增大，使頂板含水層的徑流通道由原始狀態(tài)的孔隙性滲流轉(zhuǎn)變?yōu)榱严缎詽B流，從而導(dǎo)致礦井涌水量的急劇增大。

在斷層影響部位，采動(dòng)頂板移動(dòng)變形會(huì)導(dǎo)致頂板水害程度進(jìn)一步加劇。一方面，斷層兩盤(pán)位移時(shí)的強(qiáng)大摩擦阻力作用會(huì)導(dǎo)致斷層面附近的兩盤(pán)巖石破裂，產(chǎn)生大量的羽狀裂隙，形成裂隙發(fā)育帶，如果斷層規(guī)模較大且切穿多個(gè)含水層，上部含水層會(huì)通過(guò)斷層破碎帶與頂板直接充水含水層發(fā)生水力聯(lián)系，如圖1所示，從而使充水含水層取得水源補(bǔ)給，從而將增大頂板水害程度；另一方面，頂板采動(dòng)變形會(huì)大大增加斷層活化的可能性，如圖2所示，在頂板采動(dòng)垮裂帶波及到斷層或接近斷層情況下，斷層裂隙帶極易受到采動(dòng)變形的疊加作用，其結(jié)果不但會(huì)大大增加頂板裂隙帶的連通程度，而且斷層破碎帶可能會(huì)成為上部含水層水體進(jìn)入采空區(qū)的直接通道。

圖1 工作面斷層導(dǎo)水形態(tài)

圖2 斷層活化成為導(dǎo)滲通道原理

2 采動(dòng)頂板滲透模型試驗(yàn)

梅花井煤礦煤層頂板含水砂巖為孔隙性含水介質(zhì)，裂隙不發(fā)育且以微細(xì)裂隙為主?；诼搴咏M含水砂巖的孔隙—微細(xì)裂隙含水性特征，本文通過(guò)大尺度模型試驗(yàn)，了解采動(dòng)后裂隙性介質(zhì)的滲透性與天然狀態(tài)的孔隙性介質(zhì)的滲透性差異。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)采用的注漿滲透儀模型見(jiàn)圖3。注漿滲透儀模型為鋼質(zhì)，高H=85 cm，內(nèi)徑d=31 cm，外徑D=33 cm。為便于試驗(yàn)介質(zhì)充填和清理，模型頂、底均設(shè)置有蓋盤(pán)，用法蘭固定；模型側(cè)面設(shè)置有4個(gè)開(kāi)口，其中兩個(gè)用于滲透壓力測(cè)試，兩個(gè)作為進(jìn)、出水通道，進(jìn)水口安裝直通式水龍頭，通過(guò)一個(gè)大容積的穩(wěn)壓容器與水源連接，以使?jié)B透性測(cè)試過(guò)程中水壓基本保持穩(wěn)定。在與進(jìn)水口方向成180°方向上設(shè)置的兩個(gè)測(cè)壓表用于測(cè)量水壓，兩測(cè)壓表之間的距離L為51 cm。壓力表1下部約5 cm處有一個(gè)滲漏鋼板，使通過(guò)試驗(yàn)材料斷面的水能滲漏到下部空間，待滲漏鋼板下部的液面高于下部出水口之后自行流出。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图敖Y(jié)構(gòu)示意圖

(2)模型試樣及其配置。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮嚇硬捎煤由芭c水泥配制，模擬制作直羅組砂巖，以孔隙性作為制樣控制依據(jù)。對(duì)采集的天然河砂用篩子篩除直徑大于5 mm的砂粒后，用孔徑0.5 mm篩子將河砂篩分為粗粒和細(xì)粒兩組，細(xì)粒組中混加一定比例的細(xì)鋸末(過(guò)0.5 mm篩)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的級(jí)配用河砂、水泥進(jìn)行配比制樣，其中水泥主要用于河砂膠結(jié)，試驗(yàn)所用水泥為C45標(biāo)號(hào)的常規(guī)硅酸鹽水泥。

對(duì)梅花井礦煤層頂板直羅組底部細(xì)、中、粗粒砂巖取樣進(jìn)行的孔隙度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 直羅組下段砂巖空隙率測(cè)試結(jié)果

表中大開(kāi)口空隙率采用自然吸水法測(cè)試，總開(kāi)口空隙率采用真空吸水法測(cè)試。本項(xiàng)試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6組試樣配比，其中，試樣4、試樣5及試樣6分別為粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖的模擬介質(zhì)，對(duì)應(yīng)的采動(dòng)擾動(dòng)模擬介質(zhì)分別為試樣1、試樣2和試樣3。各組試樣配比的砂土與水泥的質(zhì)量比均控制為12∶1，通過(guò)調(diào)整粗粒組和細(xì)粒組的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)6組配比試樣的孔隙性差異。根據(jù)直羅組下段砂巖采樣結(jié)果以及砂巖取樣孔隙性差異，試樣配比如表2所示，其中粗粒組含量比表示試樣制作所用砂土材料總重量中粗粒組的重量比例，試樣樣品顆粒級(jí)配曲線及實(shí)物照片如圖4所示。

表2 模型試樣材料配比情況

(3)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及制作。試驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃椴汕澳Ｐ秃筒蓜?dòng)模型，其中，采前模型為粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖采前滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采?dòng)模型模擬采后粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。采前滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑闈B透箱內(nèi)全段鋪設(shè)原狀砂巖模擬介質(zhì)，粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖介質(zhì)模型高度均為80 cm；采動(dòng)影響下的模擬介質(zhì)模型制作方法為模型箱下部由下至上依次鋪設(shè)試樣1、試樣2和試樣3，對(duì)應(yīng)厚度分別為15 cm、10 cm、10 cm，以模擬采動(dòng)裂隙帶的不同擾動(dòng)程度效果，其上再鋪設(shè)45 cm厚的原狀砂巖試樣(粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖)，如圖5所示。

原狀砂巖模型制作方法為分別按設(shè)計(jì)配比制作不同密實(shí)度試樣，并分別測(cè)試其孔隙性，然后以與實(shí)物樣孔隙性相近者的密實(shí)度(干密度)分別制作原狀樣試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)?zāi)Ｐ徒橘|(zhì)空隙性及滲透性對(duì)比如表3所列。

圖4 試樣配置樣品及級(jí)配曲線

圖5 滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

試樣大開(kāi)口空隙率/總開(kāi)口空隙率模擬樣實(shí)物樣試樣1(劇烈采動(dòng)樣)17.2/17.6試樣2(中度采動(dòng)樣)15.8/16.7試樣3(輕微采動(dòng)樣)15.3/17.5試樣4(粗砂巖)14.0/18.416.12/19.52試樣5(中砂巖)13.3/18.513.6/19.24試樣6(細(xì)砂巖)12.1/21.311.24/22.73

試樣裝填方法為根據(jù)試樣配制比例稱量粗、細(xì)粒砂和水泥，加水?dāng)嚢杈鶆蛑瞥沙睗駹钌皾{(手攥不出水)；為防止水沿滲透儀內(nèi)壁形成集中滲流，在滲透儀內(nèi)壁均勻涂抹一薄層黃油，然后將攪拌均勻的砂漿分層裝入滲透儀內(nèi)并夯實(shí)，同時(shí)按模型制樣填實(shí)密度制作試件用于空隙率和強(qiáng)度的校驗(yàn)；模型試樣制成后養(yǎng)護(hù)72 h以上，完全固化后用于模型試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

(1)試驗(yàn)步驟。在下部出水口接上靜水壓力測(cè)管，自上部水管注水，至下部出水口流量和水壓穩(wěn)定后，測(cè)讀、記錄上下滲流斷面和出水口靜水壓力值及滲出流量；改變進(jìn)水口壓力水頭重復(fù)進(jìn)行前一步驟的試驗(yàn)過(guò)程；計(jì)算對(duì)應(yīng)壓力水頭的滲透系數(shù)。

(2)過(guò)程控制。試驗(yàn)過(guò)程實(shí)景照片如圖6所示。試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)水口連接自來(lái)水管路，通過(guò)水壓穩(wěn)壓器控制水頭壓力并保持滲透過(guò)程壓力水頭相對(duì)穩(wěn)定，變化幅度控制在±5 kPa以內(nèi)；各模型每級(jí)壓力水頭下連續(xù)測(cè)讀3次靜水壓力值及滲出流量，每次時(shí)間不低于1 min，以其平均值計(jì)算模型滲透系數(shù)。試驗(yàn)中所有模型均采用0.2 MPa和0.8 MPa二級(jí)壓力水頭。

(3)試驗(yàn)情況。試驗(yàn)中采用試樣1～ 6分別制作了采前模型，進(jìn)行了2種壓力水頭的滲透系數(shù)測(cè)試；在此基礎(chǔ)上，制作采動(dòng)模型并進(jìn)行了二級(jí)壓力水頭變換的滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程采錄數(shù)據(jù)包括上下滲流斷面靜水壓力水頭、滲流量及滲透系數(shù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果反映出模型介質(zhì)空隙率對(duì)滲透性的影響是比較明顯的，6種模擬介質(zhì)的滲透模型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。總體上采動(dòng)帶由下至上分別表現(xiàn)為極強(qiáng)滲透性、強(qiáng)—極強(qiáng)滲透性和強(qiáng)滲透性，這種分帶特點(diǎn)與采動(dòng)頂板垮裂帶的滲透性一般規(guī)律大致相符。

圖6 滲透試驗(yàn)過(guò)程實(shí)景照片

試樣0.2MPa壓力水頭0.8MPa壓力水頭滲流量Q/L·s-1滲透速度v/cm·s-1滲透系數(shù)k/cm·s-1滲流量Q/L·s-1滲透速度v/cm·s-1滲透系數(shù)k/cm·s-1試樣1(劇烈采動(dòng)樣)6.9×10-38.6×10-31.38×10-25.2×10-26.4×10-29.18×10-2k=12.1m/d,強(qiáng)—極強(qiáng)滲透性k=79.5m/d,極強(qiáng)滲透性試樣2(中度采動(dòng)樣)1.9×10-32.4×10-32.12×10-34.4×10-25.6×10-23.65×10-2k=1.8m/d,強(qiáng)滲透性k=36.5m/d,極強(qiáng)滲透性試樣3(輕微采動(dòng)樣)1.8×10-32.3×10-31.87×10-32.4×10-22.9×10-21.09×10-2k=1.6m/d,強(qiáng)滲透性k=9.5m/d,強(qiáng)滲透性試樣4(粗砂巖)2.1×10-41.1×10-41.49×10-41.3×10-21.7×10-25.13×10-3k=0.13m/d,中等滲透性k=4.4m/d,強(qiáng)滲透性試樣5(中砂巖)5.1×10-56.3×10-53.08×10-52.3×10-32.8×10-37.61×10-4k=0.027m/d,弱滲透性k=0.66m/d,中等滲透性試樣6(細(xì)砂巖)3.6×10-54.5×10-51.96×10-54.5×10-45.6×10-41.3×10-4k=0.018m/d,弱滲透性k=0.11m/d,弱滲透性

由模擬介質(zhì)的滲透性情況看，在0.2 MPa壓力水頭條件下，粗砂巖模擬介質(zhì)為中等滲透性，而中砂巖和細(xì)砂巖模擬介質(zhì)為弱滲透性；在0.8 MPa壓力水頭條件下，模擬介質(zhì)的滲透性表現(xiàn)有不同程度的提高，粗砂巖、中砂巖模擬介質(zhì)分別顯現(xiàn)強(qiáng)滲透性和中等滲透性，而細(xì)砂巖模擬介質(zhì)則仍處于弱滲狀態(tài)。

不同巖性(粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖)頂板采動(dòng)后的滲透模型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，由表中可以看出，頂板下部形成強(qiáng)滲帶情況下，不同巖性頂板的滲透性和滲透速度都明顯提高，滲透系數(shù)呈數(shù)倍增大。

表5 采動(dòng)模型滲透性測(cè)試結(jié)果

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

雖然模型試驗(yàn)?zāi)M的條件與頂板實(shí)際采動(dòng)情況有一定差異，但根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)采動(dòng)后頂板的滲透性變化可以取得以下基本認(rèn)識(shí)：

(1)采動(dòng)頂板不但使含水層垮裂帶范圍滲透性會(huì)急劇提高，而且也會(huì)使頂板充水含水層的整體滲透性增強(qiáng)。受采動(dòng)影響，垮裂帶上的含水層盡管沒(méi)有開(kāi)裂破壞，但下沉變形也會(huì)使其結(jié)構(gòu)狀態(tài)受到一定程度的擾動(dòng)，由孔隙性徑流為主轉(zhuǎn)變?yōu)榱严缎詮搅鳛橹鳎瑥亩购畬诱w滲透性明顯增強(qiáng)。

(2)采動(dòng)頂板垮裂帶對(duì)頂板含水層形成明顯的導(dǎo)滲效應(yīng)?？辶褞纬珊螅虻叵滤臐B透阻力急劇降低而成為外圍含水層水的徑流匯集區(qū)，從而使頂板含水層的整體徑流條件發(fā)生變化，導(dǎo)引較大范圍的頂板含水層水向采空區(qū)集中排泄，由此將極大強(qiáng)化采空區(qū)的充水強(qiáng)度。

(3)壓力水頭是影響采動(dòng)頂板滲透性的重要因素，并且滲透阻力越小，壓力水頭對(duì)滲透性的影響越明顯。梅花井煤礦11采區(qū)煤層頂板充水含水層壓力水頭一般在2 MPa以上，頂板受開(kāi)采擾動(dòng)影響，地下水的滲透阻力急劇降低，由此壓力水頭對(duì)采動(dòng)頂板滲透性的影響將更加凸顯。

3 結(jié)論

煤炭開(kāi)采頂板直羅組底部粗砂巖水害是寧夏寧東鴛鴦湖礦區(qū)普遍存在的問(wèn)題，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)影響極大。通過(guò)滲透性試驗(yàn)研究和梅花井煤礦采掘?qū)嶋H揭露情況表明，隨著采動(dòng)裂隙的發(fā)育擴(kuò)展，含水層徑流狀態(tài)也會(huì)隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致其滲透性明顯改善。開(kāi)采擾動(dòng)后煤層頂板直羅組底部粗砂巖含水層滲透系數(shù)將成倍提高，由此造成采動(dòng)后頂板的實(shí)際涌水量要比基于鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)涌水量大得多。本研究不僅為梅花井煤礦頂板水害的有效治理建立了技術(shù)儲(chǔ)備，也為鴛鴦湖礦區(qū)其他礦井乃至西部侏羅系聚煤區(qū)類似條件的礦井水害防治提供了重要的技術(shù)借鑒。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Permeability analysis and water filling experimental research of Zhiluo formation sandstone aquifer after mining disturbance in Meihuajing Coal Mine

Zhai Wen1, Ma Kun2, Ren Yuxin2

(1.Zaoquan Coal Mine, Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Yinchuan, Ningxia 751411, China; 2. Meihuajing Coal Mine, Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Yinchuan, Ningxia 751411, China)

Aiming at the problem of roof water damage prevention and control in Meihuajing Coal Mine, experimental research on porous water-rich sandstone aquifer with weak permeability was carried out, porous water-bearing media mining penetration experimental model and drilling seepage effect experimental model were built based on mechanical theory of flow through porous media, the experiment revealed hydrodynamic mechanism of drilling seepage effect of porous aquifer and fissuring water catchment effect after mining, the research results had an important significance for mine roof water damage prevention and control in this area and even western Jurassic system coal-bearing region.

Meihuajing Coal Mine, Zhiluo formation, aquifer, mining disturbance, permeability, water filling experiment

翟文，馬昆，任予鑫. 梅花井煤礦直羅組砂巖含水層開(kāi)采擾動(dòng)后的滲透性分析及充水試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(4)：69-74. Zhai Wen, Ma Kun, Ren Yuxin. Permeability analysis and water filling experimental research of Zhiluo formation sandstone aquifer after mining disturbance in Meihuajing Coal Mine[J].China Coal, 2017, 43(4):69-74.

TD742.2

A

翟文(1976-),男,寧夏中衛(wèi)人，碩士研究生,高級(jí)工程師、注冊(cè)安全工程師，現(xiàn)任神寧集團(tuán)棗泉煤礦礦長(zhǎng)，主要從事采礦工程、機(jī)械工程、綜采自動(dòng)化、礦井防治水及資源化利用研究。