薄基巖下開(kāi)采的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)特征研究

解騰飛 贠雙江

陜西地礦區(qū)研院有限公司，中國(guó)·陜西 咸陽(yáng) 712000

對(duì)于礦區(qū)巖石來(lái)講，薄基巖屬于其中的一種，所以在進(jìn)行薄基巖下開(kāi)采過(guò)程中所涉及的水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)情況進(jìn)行研究是非常重要的一項(xiàng)工作，能夠大大提高進(jìn)行薄基巖下開(kāi)采時(shí)的工作效率和開(kāi)采安全性。因此，論文對(duì)某礦區(qū)進(jìn)行巖下開(kāi)采時(shí)的薄基巖水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)進(jìn)行分析，重點(diǎn)以風(fēng)化帶巖石以及煤層頂板為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)礦區(qū)開(kāi)采作業(yè)區(qū)域的水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)情況進(jìn)行論述。

薄基巖；開(kāi)采；水文；工程地質(zhì)

1 引言

中國(guó)近些年來(lái)的發(fā)展速度非常快，所以在實(shí)際生產(chǎn)以及社會(huì)建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量大大增加。在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，開(kāi)采水平的高低是對(duì)礦產(chǎn)資源進(jìn)行實(shí)際利用效率的主要影響因素，已經(jīng)成為現(xiàn)今各礦區(qū)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中的主要問(wèn)題。[1]在進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)時(shí)，地下水文情況和工程地質(zhì)情況對(duì)于開(kāi)采效率影響是最主要的兩種因素，所以在進(jìn)行實(shí)際開(kāi)采作業(yè)之前，需要通過(guò)勘測(cè)工程對(duì)這兩項(xiàng)因素基本特征進(jìn)行全面的了解和掌握，從而能夠保證實(shí)際開(kāi)采作業(yè)順利進(jìn)行。

2 全球研究現(xiàn)狀

2.1 其他國(guó)家研究現(xiàn)狀

因?yàn)楦鲊?guó)所處的地理位置不同，所以開(kāi)采過(guò)程中所涉及到的開(kāi)采條件也各不相同，在許多國(guó)家進(jìn)行煤層開(kāi)采時(shí)，煤巖柱的留設(shè)都有相關(guān)規(guī)定。日本在進(jìn)行海下煤層開(kāi)采時(shí)，煤巖柱的高度，需要保證是開(kāi)采煤層厚度的30～100 倍。英國(guó)在進(jìn)行海下煤層開(kāi)采時(shí)，煤巖柱高度需要保證在60 米以上。波蘭則是對(duì)水下煤層開(kāi)采的煤巖柱高度規(guī)定為采煤厚度的8 倍。還有許多其他國(guó)家針對(duì)煤層開(kāi)采時(shí)的煤巖柱高度都具有非常嚴(yán)格的規(guī)定。而在近些年來(lái)的研究過(guò)程中，煤柱留設(shè)條件問(wèn)題上，其他國(guó)家國(guó)家將研究重點(diǎn)主要集中在煤柱本身的開(kāi)采條件分析上。這也就是說(shuō)在進(jìn)行煤巖柱高度流射影響因素分析過(guò)程中，主要研究重點(diǎn)是集中在沒(méi)研究范圍內(nèi)所涉及到的工程地質(zhì)條件。[2]

2.2 中國(guó)研究現(xiàn)狀

而在中國(guó)，因?yàn)樗缮酉路浪褐叨攘粼O(shè)過(guò)大，對(duì)底部煤炭開(kāi)采資源的占用過(guò)多，所以中國(guó)針對(duì)防水煤柱高度留設(shè)問(wèn)題的研究，主要是從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。首先，是新生界底部松散層沉積特征的研究，該研究主要是為了分析新生界底部松散層沉積與煤層開(kāi)采過(guò)程中富水性問(wèn)題之間的聯(lián)系。其次則是對(duì)基巖面和風(fēng)化帶性質(zhì)特征進(jìn)行研究，該研究主要是對(duì)風(fēng)化帶的含水性以及隔水性進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)富水性進(jìn)行研究。最后，是對(duì)煤層頂部的覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該研究主要是為了對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中安全影響因素進(jìn)行分析。所以也在論文研究過(guò)程中，將主要對(duì)水文地質(zhì)特征和工程地質(zhì)特征進(jìn)行研究，也就是從風(fēng)化帶巖石和煤層頂板兩個(gè)角度下對(duì)以上兩種特征進(jìn)行分析。研究對(duì)象也將以中國(guó)某地區(qū)的礦區(qū)為實(shí)際研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行研究，希望能夠通過(guò)實(shí)地研究與數(shù)據(jù)分析，更好地為薄基巖下煤層開(kāi)采的工作效率與安全性提升提供建議。

3 礦區(qū)情況

論文所選擇的論述對(duì)象是中國(guó)某地的礦區(qū)，該礦區(qū)的主要資源為煤炭資源。在進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中，原設(shè)計(jì)當(dāng)中防水煤厚度共80 米，而在后期進(jìn)行開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的指標(biāo)和開(kāi)采礦區(qū)的實(shí)際地質(zhì)情況嚴(yán)重不符，存在著非常大的差異，所以需要對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行更改，從而提高在開(kāi)采過(guò)程中的實(shí)際開(kāi)采效率。對(duì)于該礦區(qū)來(lái)講在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，所涉及的工作面共82 個(gè)，其開(kāi)采方式以及涌水情況和壓價(jià)情況等都是存在著非常大的差異。[3]以假工作面來(lái)講，在開(kāi)采過(guò)程中該工作面的參數(shù)設(shè)置為760 毫米，開(kāi)采時(shí)所選擇的方法為炮采，工作面的涌水情況為三立方米每小時(shí)。對(duì)該工作面壓價(jià)時(shí)的情況進(jìn)行調(diào)查得出，該工作面向前推進(jìn)38 米初次壓價(jià)時(shí)進(jìn)行壓價(jià)，共出水4次。所以在下文中將以此為基礎(chǔ)對(duì)該礦區(qū)薄基巖下開(kāi)采的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)特征進(jìn)行分析。

4 水文地質(zhì)特征

在上文論述過(guò)程中，對(duì)于水文地質(zhì)和工程地質(zhì)特征，主要從風(fēng)化帶巖石和煤層頂板兩個(gè)角度進(jìn)行分析。所以對(duì)水文地質(zhì)特征進(jìn)行分析時(shí)，也主要從這兩方面來(lái)進(jìn)行分析。

4.1 風(fēng)化帶巖石的含隔水性特征

通過(guò)對(duì)該礦區(qū)的風(fēng)化帶巖石含隔水性進(jìn)行調(diào)查之后發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵谠摰V區(qū)歷史演變過(guò)程中風(fēng)化作用非常嚴(yán)重，所以風(fēng)化帶巖石的厚度很大，巖石厚度最大地區(qū)可達(dá)40 米。并且因?yàn)樵谠摰V區(qū)作業(yè)范圍之內(nèi)沒(méi)有流水侵蝕的現(xiàn)象，所以風(fēng)化帶巖石當(dāng)中的風(fēng)化物保留比較完整。通過(guò)深入研究以及勘測(cè)之后，發(fā)現(xiàn)在該礦區(qū)當(dāng)中出水位置總共有4 個(gè)，這4 個(gè)出水位置分別是側(cè)面切眼上，上風(fēng)巷，下風(fēng)巷和泵窩區(qū)。其中在上風(fēng)巷當(dāng)中，該區(qū)域出水量最大的時(shí)候能夠達(dá)到每小時(shí)55 立方米，最小的時(shí)候?yàn)? 立方米每小時(shí)。這些水主要是由風(fēng)化帶裂隙當(dāng)中所滲出的，水體的顏色泛黃，并且在水體當(dāng)中含有泥沙，所以可以以此判斷該風(fēng)化帶富水情況。以上述調(diào)查結(jié)果為參考，在該礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行滲水問(wèn)題解決，可以通過(guò)對(duì)防水煤柱高度進(jìn)行調(diào)整的方式來(lái)進(jìn)行，能夠很好的對(duì)深水問(wèn)題進(jìn)行解決。

4.2 煤層頂板覆水性特征

在該礦區(qū)二疊系煤巖層當(dāng)中，有部分煤巖層當(dāng)中出現(xiàn)了裂隙含水層。通過(guò)對(duì)含水層進(jìn)行深入調(diào)查，能夠發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂的嚴(yán)重程度和所涉及的范圍與含水層的覆水情況具有密切聯(lián)系。在礦區(qū)當(dāng)中，因?yàn)楣诺匦魏蛶r相各不相同，所以不同的古地形以及巖相影響下煤層頂板覆水情況存在著很大的差別。[4]進(jìn)一步調(diào)查與研究中發(fā)現(xiàn)在該礦區(qū)當(dāng)中，頂板砂巖的出水位置共有三個(gè)，這三個(gè)位置是下風(fēng)巷上風(fēng)巷以及泵窩區(qū)域。在這三個(gè)區(qū)域當(dāng)中，以上風(fēng)巷為研究對(duì)象，該區(qū)域煤層頂板在出水過(guò)程中最大量為10 立方米，每小時(shí)最小量為5 立方米每小時(shí)。這些所滲出的水源來(lái)源為風(fēng)化帶裂隙水，之所以會(huì)出現(xiàn)裂隙水，是因?yàn)榱严稁Р暗搅嗣簩禹敯迳皫r縫隙導(dǎo)致水源滲漏。所以在對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行解決的時(shí)候，可以通過(guò)對(duì)煤層頂板進(jìn)行密封加強(qiáng)的措施，使?jié)B水問(wèn)題得到解決。

5 薄基巖下開(kāi)采工程地質(zhì)特征

同水文地質(zhì)特征研究相同，對(duì)于工程地質(zhì)特征的研究也主要從風(fēng)化帶巖石以及煤層頂板兩個(gè)角度來(lái)進(jìn)行。對(duì)水文地質(zhì)特征研究過(guò)程中，從這兩個(gè)角度進(jìn)行分析，主要是對(duì)其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，從而為巖下煤礦開(kāi)采的安全性提升提出建議。

5.1 風(fēng)化帶巖石的力學(xué)特征

對(duì)該煤礦作業(yè)區(qū)域進(jìn)行勘測(cè)之后所得的結(jié)果顯示，該作業(yè)區(qū)域的巖石種類主要是風(fēng)化泥巖石以及風(fēng)化粉砂巖為主要種類。對(duì)巖石力學(xué)特征進(jìn)行研究，主要依據(jù)巖石的物理力學(xué)指數(shù)，風(fēng)化泥巖石，其抗壓強(qiáng)度為16MPa 到0．8MPa 之間。風(fēng)化粉巖石抗壓強(qiáng)度區(qū)間為4．0MPa 到68．1MPa 之間。對(duì)兩種巖石進(jìn)行比較能夠發(fā)現(xiàn)相比較于風(fēng)化泥巖時(shí)風(fēng)化粉砂巖的力學(xué)性質(zhì)要更好，所以在進(jìn)行開(kāi)采工程施工時(shí)更加有利。進(jìn)行進(jìn)一步勘探，發(fā)現(xiàn)在礦區(qū)內(nèi)的風(fēng)化粉砂巖，其內(nèi)聚力區(qū)間為5．05MPa 到7．78MPa 之間，內(nèi)摩擦角為32 度至37．19 度，彈性模量為1．03G 帕至2．81G 帕，泊松比為0．19～0．23。相比較于風(fēng)化粉砂巖來(lái)講風(fēng)化泥巖時(shí)的彈性變形比較弱，塑性變形則非常容易出現(xiàn)問(wèn)題。所以在多種外力的力學(xué)作用下，風(fēng)化泥巖非常容易發(fā)生膨脹現(xiàn)象，當(dāng)然了這種現(xiàn)象是一種好的現(xiàn)象，可以幫助防水煤柱縮小。因此對(duì)于礦區(qū)開(kāi)采作業(yè)來(lái)講，為了提高礦區(qū)開(kāi)展作業(yè)過(guò)程中的安全性，可以利用風(fēng)化泥巖進(jìn)行補(bǔ)孔，從而使防水煤柱能夠得到縮小，從而增加在開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中的施工安全性。

5.2 煤層頂板的力學(xué)特征

對(duì)礦區(qū)進(jìn)行煤層探測(cè)，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)煤層的頂板主要為偽頂巖性，所以其主要構(gòu)成為砂質(zhì)泥巖。因此對(duì)煤層頂板進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)分析時(shí)，主要是對(duì)砂質(zhì)泥巖進(jìn)行力學(xué)分析，通過(guò)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)巖石本身的抗壓強(qiáng)度強(qiáng)弱和與巖石之間進(jìn)行膠結(jié)的物體存在著密切聯(lián)系。[5]所以對(duì)于礦區(qū)來(lái)講，不同區(qū)域內(nèi)的泥巖抗壓強(qiáng)度是有非常大的區(qū)別的。將礦區(qū)分為4 個(gè)區(qū)域，能夠發(fā)現(xiàn)在甲區(qū)域當(dāng)中泥巖的抗壓強(qiáng)度平均數(shù)值是23．02MPa，乙區(qū)域的抗壓強(qiáng)度平均值是45．7MPa，丙區(qū)域的抗壓強(qiáng)度平均值是50．02MPa，丁區(qū)域的抗壓強(qiáng)度平均值是70．9MPa。而4 個(gè)區(qū)域的粉質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度分別為，甲區(qū)域的抗壓強(qiáng)度平均值是41．02MPa，乙區(qū)域的抗壓強(qiáng)度平均值是36MPa，丙區(qū)域的抗壓強(qiáng)度平均值是81．5MPa，丁區(qū)域的抗壓強(qiáng)度平均值是35．21MPa。粉砂巖進(jìn)行抗壓強(qiáng)度計(jì)算之后，得出的結(jié)果為：甲區(qū)域平均值是28．9MPa，乙區(qū)域的平均值是73．66MPa，丙區(qū)域的平均值是80．3MPa，丁區(qū)域的平均值是40．1MPa。

綜合來(lái)看，各區(qū)域巖石抗壓強(qiáng)度各有不同，但是所得到的結(jié)果證明，該區(qū)域巖石的抗壓強(qiáng)度都比較高，所以對(duì)于該礦區(qū)的實(shí)際開(kāi)采工作來(lái)講，開(kāi)采作業(yè)的安全性提高是能夠得到保證的。[6]因此在進(jìn)行實(shí)際礦區(qū)開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中，需要結(jié)合各個(gè)不同區(qū)域的實(shí)際力學(xué)特征進(jìn)行開(kāi)采計(jì)劃的制定，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行安全作業(yè)，能夠更加提高開(kāi)采效率，同時(shí)保證開(kāi)采安全性。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在論文研究過(guò)程中，通過(guò)對(duì)薄基巖下開(kāi)采所涉及的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)特征進(jìn)行了分析和論述，對(duì)該礦區(qū)所在區(qū)域的沿途和水文特點(diǎn)進(jìn)行了勘測(cè)，從而為該礦區(qū)在進(jìn)行實(shí)際開(kāi)采作業(yè)時(shí)的工作效率提升提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，并且也保證了該礦區(qū)在實(shí)際開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中安全設(shè)計(jì)工作能夠有據(jù)可依。論文所論述的相關(guān)理論和內(nèi)容，希望可以為其他礦區(qū)開(kāi)采作業(yè)發(fā)揮參考作用，以論文所進(jìn)行研究和論述的內(nèi)容為基礎(chǔ)，對(duì)其他區(qū)域的情況進(jìn)行分析，使礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程中的方案制定能夠更加科學(xué)并且更加安全。