鄂爾多斯盆地巨厚白堊系下煤層開采突泥潰砂物源及成災模式

李文平，朱廳恩，王啟慶，楊玉茹，楊 志

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

鄂爾多斯盆地是目前我國最大的產煤區(qū)，煤炭產量約占全國的50%；而且也是我國煤炭保有儲量最大的整裝煤盆地，埋深小于2 000 m的煤炭地質儲量約為20 000億t，占全國的40%以上，是保障我國煤炭能源持續(xù)供給的最主要區(qū)域。侏羅系煤層為鄂爾多斯盆地目前的主產煤層，早期建設的生產礦井，主要分布在盆地周邊淺埋煤層區(qū)(無白堊系覆蓋區(qū))。近年來已有一些在建和生產的大型礦井，開始延伸到盆地腹部白堊系覆蓋區(qū)，生產實踐表明，巨厚白堊系含水體下煤層開采，一些礦井涌水量大，而且不少礦井還發(fā)生嚴重的井下突泥潰砂事故(水砂混合涌突或稱井下泥石流)，如陜西永隴礦區(qū)的崔木煤礦、照金煤礦、西北部的內蒙古上海廟煤礦等(部分突泥潰砂實例見表1)，嚴重威脅礦井安全生產，有的還造成了重大人員傷亡事故。

表1 部分煤礦突泥潰砂實例

關于風化殼、特別是古風化殼的工程地質性質和工程災害研究，目前還不夠系統(tǒng)和深入。李術才等將交通隧道突水突泥構造分成“巖溶類、斷層類、其他成因類”3種類別。20世紀60年代以來，我國即開始在東部厚松散層、河湖下采煤試驗，開展煤炭開采突水、突泥潰砂機理及防治技術研究，編制了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》。研究表明，采動突泥潰砂應具備3個基本條件：① 具有物源，即松散破碎的泥砂，如松散土層、基巖中的陷落柱充填物、斷層泥等；② 突泥潰砂通道，即采動裂隙；③ 一定水壓作用，如承壓水和水頭較高的潛水。鄂爾多斯盆地巨厚白堊系覆蓋下的侏羅系煤層開采礦井，由于埋深大、基巖厚度大(300～600 m)、完整(大都為厚層狀、整體狀結構)且強度較高(白堊系巖石天然單軸抗壓強度一般20～40 MPa，侏羅系巖石30～60 MPa)，目前發(fā)生突泥潰砂事故的礦井，其泥砂來源一般可以排除地表松散層和斷層破碎帶物質。最近的一些研究認為，泥砂來源主要有2種：一是侏羅系煤層頂板導高之內存在遇水泥化的巖層(安定組泥巖)；二是認為來源于白堊系采動離層裂隙(離層裂隙發(fā)育時是否一定產生泥砂？還有待進一步研究)。但筆者認為，這2種情況是在白堊系下侏羅系煤層開采較為普遍存在的共同條件，很難解釋為何只在一些礦井或同一礦井的部分工作面發(fā)生采動突泥潰砂。

筆者通過現場工程地質調查、室內試驗和理論分析等，認為鄂爾多斯盆地巨厚白堊系覆蓋下煤層開采突泥潰砂還有新的物質來源，即白堊系與侏羅系不整合接觸帶的古風化殼(以下簡稱K/J古風化殼)破碎巖體；試驗測試了古風化殼的物理力學性質，分析了發(fā)生突泥潰砂的地質工程條件，建立了K/J古風化殼下采煤突泥潰砂的工程地質模型。

1 K1/J2古風化殼突泥潰砂物源的地質成因

1.1 K1/J2古風化殼地層結構

根據鄂爾多斯盆地區(qū)域地質勘探資料，鄂爾多斯盆地腹部白堊系厚度0～1 200 m(圖1)。白堊系主體地層K(盆地北部命名為志丹群，南部細分為洛河組K和宜君組K)與下伏中侏羅系安定組J呈平行(或小角度)不整合接觸；上侏羅統(tǒng)沉積普遍缺失，僅在西緣卓子山東麓等地區(qū)存在(圖2)，沉積間斷1 850萬～2 000萬a，且由于鄂爾多斯盆地整體為克拉通盆地，白堊系底部應該保存有K/J接觸帶古風化殼(J頂部巖層古風化層)的存在。

圖1 鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋及主要礦井分布(據文獻[3]修改)Fig.1 Cretaceous coverage and distribution of main mines in Ordos Basin (modified according to Reference [3])

圖2 鄂爾多斯盆地K1/J2接觸帶地層結構Fig.2 Stratigraphic structure of K1/J2 contact zone in Ordos Basin

1.2 K1/J2古風化殼典型露頭巖性結構特征

在區(qū)域地層地質資料分析的基礎上，筆者團隊進行了K/J古風化殼露頭工程地質調查。目前主要針對鄂爾多斯盆地K/J接觸帶露頭的東部區(qū)域，開展了為期近半年的野外露頭調查工作。在近南北約1 000 km的K/J接觸帶露頭地段(河流溝谷、線狀工程開挖處等)，已探明多個K/J古風化殼露頭點，這里給出5個典型的古風化殼露頭位置點(圖3)。

通過古風化殼露頭調查，認識到K/J古風化殼巖體結構有如下特征：① K/J古風化殼巖體破碎，呈碎裂狀和散體狀結構(與碎石土類似)，與上部的白堊系底部巖層厚層狀結構差異明顯；② 古風化殼因巖性不同，風化破碎程度有差異，泥巖為主的古風化殼(神木縣、靖邊縣)頂部有古土壤層，砂巖為主(甘泉縣、安塞區(qū))的則沒有古土壤層；③ 古風化殼自上而下有較明顯的垂直分帶，依次為全風化土壤層(泥巖為主的風化殼)、強風化的碎石層、中-弱風化的裂隙塊石層，最下為未風化的原巖；風化殼厚度(包括全風化、強風化和中風化)厚20～30 m。K/J古風化殼、特別是全風化和強風化古風化殼的上述巖體結構特征，與松散土層結構類似，具備了突泥潰砂的巖體結構特征。

圖3 鄂爾多斯盆地K1/J2古風化殼典型露頭Fig.3 Typical outcrops of K1/J2 paleoweathered crust in Ordos Basin

2 K1/J2古風化殼的物理力學性質

2.1 粒度組成和礦物成分

從典型露頭點取回全風化和強風化的K/J古風化破碎巖塊，顆粒篩分結果見表2，并繪制了粒徑級配累計曲線(圖4)。由表2可以看出，天然狀態(tài)下K/J古風化破碎巖塊粒度組成差別不大，整體以不規(guī)則的角礫(>2 mm)為主，占總質量分數的72.51%～92.2%，平均為78.34%；砂粒質量分數占比7.26%～26.85%，平均為20.75%；粉、黏粒質量分數約為1%，占比極少；按粒徑組成可以將其命名為碎石土的“含砂角礫土”。均勻系數和分選系數可以用來描述粒度組成均勻性和分選性的好壞，計算公式為=，=； 其中，，，可以由圖4取值。計算出天然狀態(tài)下K/J古風化破碎巖塊均勻系數在6.00～47.14，平均為22，說明粒度組成很不均勻；分選系數在2.03～3.37，平均為2.82，說明分選性好。

采用X射線衍射儀(型號X-Ray Diffraction，D8 Advance)對露頭點K/J古風化殼的礦物成分及含量進行了測試分析。首先將K/J古風化殼樣品制成粒度為細粉狀態(tài)，過325目(48 μm)篩分，每份樣品質量不少于0.5 g；然后將樣品放入X射線衍射儀進行分析得到衍射數據；再采用MDI-Jade6衍射分析軟件對衍射數據進行定性和半定量礦物學分析。K/J古風化殼的礦物成分及含量的測試結果見表3。

表2 K1/J2古風化殼粒度組成

圖4 K1/J2古風化殼粒徑級配累計曲線Fig.4 Grain size gradation cumulative curves of K1/J2 paleoweathered crust

表3 K1/J2古風化殼礦物成分及黏土礦物成分相對定量分析結果

由表3可明顯看出所有露頭點的古風化殼均含有石英，這是因為在檢測到的礦物類型中石英是最穩(wěn)定的礦物，同時石英也是地球表面上最穩(wěn)定的礦物之一。檢測到的其余礦物(方解石、白云石、鈉長石、白云母、高嶺石、伊利石、蒙脫石和綠泥石)隨取樣地點不同而產生變化性分布。比如神木和安塞區(qū)露頭點K/J古風化殼未檢測到方解石，可能已經全部風化分解為其他次生礦物。從黏土礦物成分相對含量分析可知，靖邊縣露頭點K/J古風化殼黏土礦物以伊利石為主，而調查的其他4處露頭點K/J古風化殼黏土礦物以蒙脫石為主。采用掃描電子顯微鏡(SEM)對K/J古風化殼黏土礦物的微觀結構進行了圖像采集(圖5)，圖5(a)為以蒙脫石礦物為主的微觀結構，整體主要呈片狀結構，部分片狀凝聚在一起呈相對較大的塊狀體；圖5(b)為以伊利石礦物為主的微觀結構，整體為較大的彎曲薄片和絲狀單晶，聚合后呈蜂窩狀和絮團狀。

圖5 K1/J2古風化殼黏土礦物掃描電鏡圖像Fig.5 Scanning electron microscope image of K1/J2paleoweathered crust clay minerals

2.2 水理性質

選取不同露頭點的K/J古風化殼樣品，采用清水浸泡，觀察浸水過程中巖樣的水穩(wěn)性。對比分析5個露頭點不同巖性K/J古風化殼巖樣浸水試驗結果，有如下特征規(guī)律：第1種，巖性以泥巖為主：巖樣浸水后表面迅速產生氣泡，表層顆粒自動脫落，邊角部分隨即軟化，在幾分鐘到半小時內巖塊逐漸泥化，塊體結構分解為土狀的泥砂顆粒(圖6(a))；泥巖浸水泥化后的粉、黏粒含量占比超過一半(表2)。第2種，巖性以砂質泥巖為主：巖樣浸水后表面持續(xù)有氣泡產生，在浸水幾分鐘后巖塊開始出現裂縫，但其巖塊結構保持相對完整；在浸水半小時以后，巖塊出現縱橫交錯的裂縫，表層顆粒開始在浸水的作用下脫落，邊角部分有軟化現象；在浸水幾小時以后，巖塊表層顆粒脫落數量明顯增加，塊體結構崩解為小碎塊狀和部分泥砂顆粒(圖6(b))；砂質泥巖浸水崩解后的粉、黏粒含量遠高于天然狀態(tài)下的含量(表2)。第3種，巖性以泥質砂巖和泥灰?guī)r為主：巖樣浸水后表面緩慢間斷性出現氣泡，在浸水幾十分鐘后才出現裂紋，巖塊結構保持完整，隨著浸水時間增加，氣泡逐漸消失；在浸水十幾個小時后，巖塊表面的裂紋逐漸擴張為貫穿巖塊的裂縫，幾乎看不到砂泥質顆粒脫落(圖6(c))。第4種，巖性以砂巖為主：巖樣浸水后偶爾出現小氣泡，巖塊幾乎不發(fā)生結構性變化，在浸水1 d后仍然保持穩(wěn)定的原狀結構(圖6(d))。

2.3 力學性質

..點荷載試驗

圖6 不同巖性K1/J2古風化殼巖樣浸水24 h水穩(wěn)性狀態(tài)Fig.6 Water stability of K1/J2 paleoweathered crust samples with different lithology for 24 hours

圖7 巖石點荷載試驗儀Fig.7 Rock point load tester

圖8 JB-1組巖樣關系曲線 relationship curve of JB-1 group rock samples

根據《工程巖體分級標準》可知，實測的巖石點荷載強度指數與巖石飽和單軸抗壓強度之間的換算公式為

(1)

按照式(1)可以換算出每組巖樣的飽和單軸抗壓強度。然后運用Hoek-Brown強度準則將巖塊飽和單軸抗壓強度進行折減修正來估算巖體強度指標，以滿足工程需要。露頭點處K/J古風化殼力學參數測試結果見表4。

表4 K1/J2古風化殼力學參數測試結果

..原位剪切試驗

(1)試驗地點及試體布置。根據K/J古風化殼露頭點調查情況，按巖性分布和場地合適性，確定泥灰?guī)r、砂巖和砂質泥巖巖組原位剪切試驗在榆林市靖邊縣典型露頭點開展；泥巖巖組原位剪切試驗在榆林市神木縣典型露頭點進行。每種巖性巖組原位剪切試驗布置4個試體，每個試體間距不小于50 cm，試體尺寸為50 cm×50 cm×30 cm；試體開挖采用人工方式，盡量減少對試體產生擾動和破壞。

(2)試驗儀器及設備。剪切框1個：尺寸為50 cm×50 cm×25 cm(內凈距)，采用12 mm厚的鋼板加工制作。鋼板4塊：滾排上鋼板和垂向千斤頂上鋼板各1塊，尺寸為50 cm×50 cm×2 cm；水平千斤頂上鋼板2塊，尺寸為50 cm×30 cm×2 cm，均采用20 mm厚的鋼板加工制作。加載千斤頂2套：最大量程分別為50 t和10 t，配有壓力表。變形觀測百分表2個：百分表量程50 mm，精度0.01 mm。其他工具：電鎬、切割機、發(fā)電機、鋼梁、鐵鍬、編織袋、水平尺等。

(3)試驗步驟及結果。K/J古風化殼原位剪切試驗過程中試驗場地清理，試坑開挖和試體修整，以及剪切框、千斤頂、百分表、鋼梁和堆載裝置等安裝，垂直荷載和剪切荷載施加等步驟參考《工程巖體試驗方法標準》執(zhí)行。根據現場試驗條件，法向載荷設置為4個等級，分別為20.8，41.7，62.5和83.3 kPa。K/J古風化殼原位剪切試驗裝置如圖9所示。

圖9 K1/J2古風化殼原位剪切試驗裝置Fig.9 In situ shear test device for K1/J2 paleoweathered crust

根據不同法向應力條件下的原位剪切試驗數據，繪制了每組試體剪切應力-剪切位移曲線(圖10)。由圖10可以看出,在較低的正應力條件下，加載初期曲線呈線性趨勢，隨著剪應力增大有短暫的屈服軟化階段，過了剪應力峰值后，剪應力迅速降低；而在較高的正應力條件下，過了初期線性加載階段后，隨著剪應力增大，持續(xù)長時間非線性屈服軟化階段，過了剪應力峰值后，剪應力降低不是很明顯，沒有明顯的屈服強度。

圖10 K1/J2古風化殼剪切應力-剪切位移曲線Fig.10 Shear stress-shear displacement curves of K1/J2 paleoweathered crust

根據庫侖定理：=tan+c，圖11繪制了每組試體的剪切應力-法向應力曲線，采用最小二乘法進行線性回歸擬合,求出抗剪強度指標；K/J古風化殼黏聚力和內摩擦角原位測試結果見表5。

圖11 K1/J2古風化殼剪切應力-法向應力擬合曲線Fig.11 Shear stress-normal stress fitting curves of K1/J2 paleoweathered crust

通過分析K/J古風化殼的物理力學性質，認識到古風化殼巖性以砂質泥巖、泥巖為主，巖體結構在垂向上總體分為全風化土壤層、強風化碎石層和中-弱風化裂隙塊石層，巖石浸水呈現泥化、崩解、碎裂和穩(wěn)定4種狀態(tài)，巖體強度低，總體屬于軟弱破碎巖

表5 K1/J2古風化殼黏聚力和內摩擦角測試結果

體。認為全風化和強風化的古風化巖，以及中等風化的泥巖，浸水呈現泥化和崩解狀態(tài)的古風化巖，容易成為突泥潰砂的物源。

3 突泥潰砂物源的識別

上述理論和試驗測試研究表明，K/J古風化殼的存在，是鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋下侏羅系煤層開采突泥潰砂的主要物質來源。由于古風化殼受后期構造抬升剝蝕的影響，K/J不整合接觸在空間分布上，并不一定普遍存在。對于鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋的目前開采礦井區(qū)(圖1)，由于以往的礦井地質勘探工作，沒有關注K/J古風化殼的存在，加之勘探鉆孔難以取到埋深數百米的古風化殼軟弱破碎巖心；因此，如何判別埋深數百米K/J古風化殼的存在？即K/J古風化殼識別評價方法，是必須首先要解決的問題。

對于鄂爾多斯盆地白堊系覆蓋區(qū)目前開采礦井，前期各類勘探鉆孔都有一定數量的鉆孔測井資料，可以利用鉆孔波速測井曲線，結合鉆孔地層巖性分界位置，在K/J地層界面下部，是否存在低波速帶及其段長，來確定K/J古風化殼的存在及其厚度。圖12為某礦鉆孔在K/J接觸帶處的測井曲線變化情況?？梢钥闯鰪陌讏紫档捉缑孢M入侏羅系安定組上部后，出現雙收時差曲線呈增大突變趨勢，表明此段巖層孔隙、裂隙相對發(fā)育；密度曲線呈減小突變趨勢，也證明了此段巖層相對較高的孔隙率。自然伽瑪對沉積巖中的泥質含量十分敏感，K/J界面處自然伽瑪曲線也呈增大突變趨勢，表明此段巖層泥質含量相對較高。長期的風化作用會導致巖石中的原生礦物向次生礦物轉變，內部結構逐漸松散化；從而出現低波速、低密度和高泥質含量的現象。分析測井曲線證明了鉆孔處K/J接觸帶存在古風化殼。

圖12 據鉆孔測井曲線劃分K1/J2接觸帶古風化殼Fig.12 Divide the paleoweathering crust of the K1/J2 contact zone according to the borehole logging curve

巖石的風化程度可以根據《工程地質手冊》巖石風化程度分類表中的波速比來判斷。前文總結出全風化、強風化K/J古風化殼具備突泥潰砂結構組成條件，那么滿足的波速比條件為：=<06(為古風化殼巖層波速；為古風化殼下新鮮基巖層波速)；則在雙收時差曲線上滿足的條件為：1>1(06)。按照此方法即可求出全風化、強風化K/J古風化殼的厚度。分析鄂爾多斯盆地某礦的鉆孔測井曲線資料，繪制出了K/J古風化殼中全風化和強風化厚度等值線圖(圖13)。

圖13 某礦K1/J2古風化殼全風化和強風化厚度等值線Fig.13 Thickness contour map of the K1/J2 paleoweathered crust in a mine with full weathering and strong weathering

4 K1/J2古風化殼下采動突泥潰砂工程地質模型

K/J古風化殼的存在，為侏羅系煤炭開采突泥潰砂提供了主要物源組成。但是否一定發(fā)生突泥潰砂，還受到煤層開采厚度、煤層與古風化殼間距及其間的巖層巖性組成、古風化殼上覆白堊系含水層水壓大小等關鍵條件因素影響?；谒缮⒑畬痈采w下煤層開采突泥潰砂的已有研究，可以建立K/J古風化殼下煤層開采突泥潰砂的工程地質模型(圖14)。

圖14 K1/J2古風化殼下煤層開采突泥潰砂工程地質模型Fig.14 Engineering geological model of mud-sand inrush in coal seam mining under K1/J2 paleoweathered crust

判斷古風化殼下采動能否發(fā)生突泥潰砂，關鍵在于煤層頂板距古風化殼底界的間距是否小于采動垮落帶高度和臨界保護厚度之和(圖14，式(2))。臨界保護層厚度值與白堊系水柱高度、K/J古風化殼厚度以及保護層(垮落帶之上的侏羅系煤層頂板采動裂隙)的臨界水力梯度值有關(式(2))。目前，在沒有侏羅系煤層頂板垮落帶之上采動裂隙層臨界水力梯度實測值時，可以參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》松散含水砂層(全厚大于采厚)下中硬頂板(侏羅系煤層頂板大多屬于此類)保護層厚度2(為采厚)來確定，若侏羅系煤層開采垮落帶厚度按4倍采厚計算，則可大致得到判斷突泥潰砂的判據為≤6。

(2)

式中，為煤層頂板距古風化殼底界距離，m；為垮落帶高度，m；為臨界保護層厚度，m；為古風化殼厚度，m；為白堊系含水層水柱高度，m；為保護層臨界水力梯度。

圖15 某礦工作面突泥潰砂處覆巖地質條件Fig.15 Geological conditions of the overlying rock where the mud-sand inrush in a mining face

以黃隴煤田某礦突水潰砂事故為例，開采工作面發(fā)生突水潰砂處的覆巖地質條件如圖15所示。按照式(2)分析，綜放開采煤層厚度9.7 m，即=9.7 m，保護層厚度取2=19.4 m，垮落帶厚度取4=38.8 m。則突泥潰砂的判據為：=54.1 m≤6=58.2 m，滿足突泥潰砂的判據條件；故工作面回采推進到此處時，發(fā)生突泥潰砂事故。

5 結 論

(1)區(qū)域野外地質露頭調查，認識到鄂爾多斯盆地侏羅—白堊系不整合接觸帶(K/J)存在古風化殼，發(fā)育在中侏羅系頂部，巖性以泥質砂巖、泥巖為主。

(2)K/J古風化殼與上部白堊系和下部未風化的中侏羅系厚層狀和整體狀結構存在明顯差異，垂向上總體分為全風化土壤層、強風化碎石層和中-弱風化裂隙塊石層，厚度20～30 m。

(3)K/J古風化殼全風化和強風化層粒度組成很不均勻，主要以角礫為主，砂粒質量分數平均約21%,粉、黏粒質量分數約1%；黏土礦物主要以蒙脫石和伊利石為主，巖石浸水以泥化、崩解和碎裂為主；巖體強度低，總體屬軟弱破碎巖體；是巨厚白堊系覆蓋下侏羅系煤層開采頂板突泥潰砂的主要物質來源。

(4)利用各類鉆孔波速測井曲線，結合鉆探巖芯、巖性變化等特征，識別確定K/J古風化殼的位置和厚度；提出了K/J古風化殼下侏羅系煤層開采突泥潰砂的工程地質模型，并給出了古風化殼下采動突泥潰砂的初步判據。

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