深部礦井底板巖體阻水性高壓注水試驗(yàn)

姜春露，張勝軍，丁亞恒

(1.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.河南能源化工集團(tuán)永煤公司，河南 永城 476600)

隨著礦井往深部延伸，煤炭開(kāi)采受下伏高承壓水威脅越來(lái)越嚴(yán)重。煤層底板巖層是阻隔下部巖溶水進(jìn)入采掘空間的一道屏障，其阻水性能成為底板水害防治的關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]。因此，研究深部巖體阻水性具有重要的工程意義。高壓注水試驗(yàn)不僅真實(shí)反映巖體滲透特性，還可以評(píng)價(jià)各類巖體抵抗水力劈裂破壞臨界壓力值大小，并為評(píng)價(jià)工程的安全性提供依據(jù)[3-4]，在水利工程得到一定的應(yīng)用[5-7]。近幾年來(lái)，高壓注水試驗(yàn)應(yīng)用到深部礦井，如在兗州礦區(qū)開(kāi)展了斷層巖體和完整底板巖體滲透性測(cè)試，獲得了較好的結(jié)果，有效指導(dǎo)了煤底板水害防治工作[8-12]653-657。到目前為止，永城礦區(qū)尚未開(kāi)展底板巖體阻水性測(cè)試工作，尤其是深部巖體阻水性尚無(wú)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料。鑒于此，本文以永城某礦深部二2煤層底板三個(gè)層位巖體為研究對(duì)象，開(kāi)展了分段高壓重復(fù)注水試驗(yàn)，其目的研究底板巖體的導(dǎo)滲參數(shù)和滲透性特征，為礦井水害防治提供一定依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)注水測(cè)試

1.1 地質(zhì)背景

研究礦井位于永城境內(nèi)，主采二2煤層，位于二疊系下統(tǒng)山西組中部。隨著礦井生產(chǎn)能力的提高和服務(wù)年限增加，礦井的開(kāi)采范圍不斷擴(kuò)大，礦井開(kāi)采水平逐漸由一水平向二水平過(guò)渡，主采煤層埋深最大將超過(guò)850m。測(cè)試地點(diǎn)位于該礦二水平南翼膠帶大巷西段，底板為二疊系底部和石炭系地層，主要巖性為粉細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r。膠帶大巷北部21105對(duì)拉工作面實(shí)測(cè)結(jié)果表明，底板破壞深度不超過(guò)27m[13]。本次底板巖體阻水性測(cè)試深度控制在二2煤層底板垂深43m左右，測(cè)試點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 測(cè)試孔布置

1.2 測(cè)試方案

結(jié)合底部巖層結(jié)構(gòu)，將二2煤底板巖層分成3個(gè)測(cè)試層段，巖組劃分如圖2所示。本次測(cè)試共布設(shè)C1和C2兩個(gè)鉆孔，兩孔水平間距為4.7m，分別開(kāi)展第一、第二和第三測(cè)試段巖體注水試驗(yàn)。

圖2 注水測(cè)試層位及順序

鉆孔施工時(shí)，首先大口徑開(kāi)孔，鉆至設(shè)計(jì)深度后停鉆安裝孔口管，用水泥水玻璃雙液漿固管并進(jìn)行耐壓測(cè)試，確保10MPa壓力下無(wú)泄漏和破壞現(xiàn)象。滿足要求后鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。成孔后，安裝水壓表、水壓傳感器和流量記錄儀，并用高壓水管連接注水泵。完成以上步驟后，啟動(dòng)注水泵對(duì)C1孔進(jìn)行注水，并對(duì)C2孔進(jìn)行水壓監(jiān)測(cè)。

第一和第二段注水時(shí)，C1孔為注水孔，C2孔為監(jiān)測(cè)孔；第三段注水時(shí)，C2孔為注水孔，C1孔為監(jiān)測(cè)孔。每段注水時(shí)均進(jìn)行了初次注水和重復(fù)注水試驗(yàn)，注水時(shí)，采用不同壓力梯度穩(wěn)壓注水的方法進(jìn)行注水，數(shù)據(jù)采集儀30s采集一次數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程中，對(duì)注水壓力、注水流量及監(jiān)測(cè)水壓進(jìn)行觀測(cè)記錄。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

2.1 注水試驗(yàn)過(guò)程

1)第一段注水試驗(yàn)。在初始注水過(guò)程中，雖然注水水壓和流量均波動(dòng)較大，但監(jiān)測(cè)孔水壓增加卻非常緩慢，且最大值僅為0.10MPa。重復(fù)注水時(shí)該段監(jiān)測(cè)孔水壓比初次壓滲增長(zhǎng)還慢，而且最大值更小，僅為0.086 MPa，但流量的變化幅度比初次注水時(shí)明顯升高。從整個(gè)注水過(guò)程中注水孔和監(jiān)測(cè)孔水壓變化來(lái)看，該段細(xì)砂巖的阻水性很強(qiáng)，兩次注水過(guò)程中基本都沒(méi)有產(chǎn)生裂隙貫通現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)。

(a) 初次注水

2)第二段注水試驗(yàn)。本段注水水壓最大達(dá)12MPa。在初次注水前49min，注水水壓和流量均波動(dòng)較大，但監(jiān)測(cè)孔水壓基本穩(wěn)定，最大值僅為0.07MPa；49min后，監(jiān)測(cè)孔水壓明顯增加，在60.7min左右增加到最大值0.16 MPa。重復(fù)注水時(shí)也具有類似的變化規(guī)律，但監(jiān)測(cè)孔水壓明顯變化時(shí)間提前，在前11.7min就明顯增加，注水流量也呈同步增加的變化規(guī)律。從整個(gè)注水過(guò)程曲線來(lái)看，本段粉砂巖比第一段細(xì)砂巖阻水能力要強(qiáng)(見(jiàn)圖4)。

(b) 重復(fù)壓水圖4 第二段注水過(guò)程曲線

3)第三段。在初始注水過(guò)程中，雖然注水水壓和流量均波動(dòng)較大，但監(jiān)測(cè)孔水壓基本呈非常緩慢的增長(zhǎng)，一直到近20min后才發(fā)生明顯增加的變化趨勢(shì)，且最大值為2.50MPa。重復(fù)注水時(shí)該段監(jiān)測(cè)孔水壓比初次注水增長(zhǎng)迅速，從22.5min開(kāi)始呈階梯式增加，而且最大值更大，達(dá)9.62MPa，且流量的變化幅度比初次明顯升高。從注水過(guò)程曲線來(lái)看，本段砂質(zhì)泥巖比前兩段細(xì)砂巖和粉砂巖阻水能力稍弱，且在重復(fù)注水條件下阻水能力降低明顯(見(jiàn)圖5)。

(a) 初次壓水

(b) 重復(fù)壓水圖5 第三段注水過(guò)程曲線

2.2 巖體阻水參數(shù)特征

1)起始導(dǎo)滲條件。為量化評(píng)價(jià)測(cè)試段巖體的起始滲透條件，取初次注水時(shí)監(jiān)測(cè)孔水壓和注水流量明顯顯現(xiàn)隨注水壓力變化的點(diǎn)作為起始滲透特征點(diǎn)(見(jiàn)圖3～圖5)，將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的注水壓力定義為起始導(dǎo)滲水壓Pw0(簡(jiǎn)稱為起始水壓)。由此可以確定底板三個(gè)測(cè)段巖體的起始導(dǎo)滲水壓力，并據(jù)其能夠確定表征各測(cè)試段滲透條件的阻水參數(shù)(見(jiàn)表1)。由表1可明顯看出底板不同層位巖體阻水性均較強(qiáng)，起始導(dǎo)滲水壓在7.5MPa以上，而監(jiān)測(cè)孔水壓均相對(duì)較小，反映出滲流通道以微細(xì)裂隙網(wǎng)絡(luò)為主，由此導(dǎo)致測(cè)試巖體滲流阻力較大和滲流不暢。

2)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)滲條件。在初次注水試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試段起始導(dǎo)滲后繼續(xù)提高泵壓至一定水平，測(cè)試段裂隙產(chǎn)生一定的擴(kuò)展后，監(jiān)測(cè)孔水壓和注水流量會(huì)隨之相對(duì)保持穩(wěn)定(見(jiàn)圖3～圖5)。如將此過(guò)程考慮為穩(wěn)態(tài)滲流，所對(duì)應(yīng)的最大穩(wěn)定水壓定義為穩(wěn)態(tài)水壓，則穩(wěn)態(tài)水壓與相應(yīng)的測(cè)試孔水壓、注水流量的關(guān)聯(lián)特點(diǎn)能夠反映測(cè)試段在這一壓力水頭下的導(dǎo)滲條件。表2所列為底板三個(gè)測(cè)試段巖體初次注水過(guò)程穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)的阻水參數(shù)。

處于穩(wěn)態(tài)滲流并不意味著測(cè)滲段巖體發(fā)生了結(jié)構(gòu)性的破壞，而是由局部壓裂損傷而導(dǎo)致的導(dǎo)通性滲流。測(cè)試結(jié)果表明，完整底板巖體原始狀態(tài)不導(dǎo)滲，三個(gè)測(cè)試段的起始導(dǎo)滲水壓均較高，在7.50MPa以上，抗?jié)B阻力在2.50MPa/m以上。以形成穩(wěn)態(tài)滲流的水壓條件對(duì)比，三個(gè)測(cè)試段仍比較接近。表明在相應(yīng)的注水壓力下，此時(shí)的滲流通道的貫通程度仍相對(duì)較低，需要在較高的水壓梯度下才能形成實(shí)際的滲流狀態(tài)。

表1 巖體起始滲流參數(shù)

表2 巖體穩(wěn)態(tài)滲流參數(shù)

2.3 巖體滲透性特征

可以利用注水流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)注水孔壓力和測(cè)試孔水壓的關(guān)系來(lái)計(jì)算巖層的滲透系數(shù)，具體計(jì)算公式為[11]654

(1)

式中：Q為注水流量，m3/h，R為注水孔與測(cè)試孔間距，m；a為注水孔半徑，m；L為測(cè)試段長(zhǎng)度，m；HP0為注水孔內(nèi)的水頭高度，m；HP為測(cè)試孔內(nèi)的水頭高度，m。

利用公式(1)計(jì)算出本次高壓注水試驗(yàn)過(guò)程中底板巖體滲透系數(shù)(見(jiàn)圖6)。

(a) 第一段

(b) 第二段

(c)第三段圖6 煤層底板巖體滲透性隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化

二水平深部煤層底板三個(gè)測(cè)試段巖體初次注水和重復(fù)注水過(guò)程中滲透系數(shù)變化曲線如圖6所示?？傮w反映出重復(fù)注水的滲透系數(shù)比初次注水時(shí)偏大，符合高壓注水的一本規(guī)律。各次注水滲透系數(shù)最大值統(tǒng)計(jì)如表3所示。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2008)附錄F巖土滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]，表3中最大值為8.936×10-6cm/s，均屬于微透水及以上級(jí)別。滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果反映出該礦二2煤底板巖體阻水能力均比較強(qiáng)。

表3 底板巖體滲透系數(shù)極值統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1)該礦二2煤層底板三個(gè)測(cè)試段巖體均具有較強(qiáng)的阻水能力，在起始滲流條件下，抗?jié)B阻力在2.50～3.83MPa/m；穩(wěn)態(tài)滲流條件下阻水能力在2.83～3.67MPa/m，且穩(wěn)態(tài)滲流僅僅是微細(xì)裂隙滲流，滲流通道的貫通程度仍相對(duì)較低。

2)從滲透系數(shù)來(lái)看，初次注水和重復(fù)注水時(shí)，細(xì)砂巖和粉砂巖變化不明顯，高壓水?dāng)_動(dòng)并未顯著改變?cè)搶游粠r體滲透性；而砂質(zhì)泥巖段在重復(fù)注水時(shí)滲透性有一定程度的增強(qiáng)，但在10MPa以上的高壓注水條件下，滲透系數(shù)仍屬微滲范圍，巖體仍具有一定的阻水性。

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