伊犁礦區(qū)頂板軟巖隔水性能研究

張盼杰

（新汶礦業(yè)集團(tuán)（伊犁）能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 一礦，新疆 伊犁 835000）

1 研究背景

近年我國(guó)陸續(xù)建成投產(chǎn)了大批開(kāi)采弱膠結(jié)地層煤炭資源的礦山，西部弱膠結(jié)地層巖石物理力學(xué)性能與中東部巖石有一定的差別，新疆伊犁地區(qū)煤層埋藏淺、厚度大、層數(shù)多，地層成巖年代晚、強(qiáng)度低、膠結(jié)性差，在這種地層條件下進(jìn)行開(kāi)采，工作面垮落帶的變化受弱膠結(jié)巖層物理力學(xué)性質(zhì)的影響，易引起工作面發(fā)生大面積冒頂、支架壓死、潰沙、潰水等事故[1-3]。

本文以伊犁礦區(qū)四號(hào)礦井為研究對(duì)象，該礦井現(xiàn)階段主采煤層為21-1、23-2煤，區(qū)域內(nèi)主要分布4種地下水類型，包括第四系松散巖類孔隙水、古近系碎屑巖類孔隙水、中生界侏羅系碎屑巖類孔隙—裂隙水和燒變巖空洞裂隙水，在不同區(qū)域其富水性有較大的差異。礦井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，21102、21105、21109工作面均發(fā)生多次不同程度的涌水現(xiàn)象，這些特殊的地質(zhì)條件給整個(gè)礦區(qū)的煤層開(kāi)采帶來(lái)了巨大的安全隱患。由于該地區(qū)煤田缺乏對(duì)弱膠結(jié)巖石的隔水性能、覆巖裂隙活化程度、阻水性能演變及地下水運(yùn)移規(guī)律的研究，給礦井水害防治帶來(lái)了難度。

采煤實(shí)踐表明，水體和開(kāi)采空間之間有無(wú)足夠厚度的隔水層或者能否保證有足夠的隔水性能是實(shí)現(xiàn)水體下安全開(kāi)采的關(guān)鍵[4]。隔水性能通常會(huì)受到隔水層厚度、巖性組合關(guān)系和巖石強(qiáng)度等因素的影響[5-8]。針對(duì)巖層的隔水性能，許多學(xué)者從力學(xué)強(qiáng)度、巖石成分以及滲流特征等方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，進(jìn)行了一系列的研究[9-13]，為礦區(qū)水災(zāi)害防治提供了工作依據(jù)。

2 頂板軟巖隔水性能影響因素分析

伊犁礦區(qū)煤系地層以侏羅紀(jì)泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，由于成巖年代較晚、巖石膠結(jié)程度低，屬于典型的弱膠結(jié)巖層。弱膠結(jié)巖層普遍具有膠結(jié)松散，力學(xué)強(qiáng)度低和水軟化作用等特點(diǎn)。本文從頂板巖石巖性組合關(guān)系，水理性質(zhì)和巖石強(qiáng)度等因素綜合研究其隔水性能。

2.1 頂板軟巖巖性及組合特征分析

通過(guò)對(duì)伊犁礦區(qū)不同層位的巖石取樣，分別對(duì)泥巖、砂巖、粘土成分及其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。查閱資料及結(jié)合圖1對(duì)比分析可知，泥巖和粘土為該礦的主要隔水巖層，2種巖石內(nèi)含有大量的高嶺土、伊利石和蒙脫石粘土礦物，遇水易膨脹。砂巖內(nèi)所含的物質(zhì)比較復(fù)雜，基本上以SiO2為主，部分含有長(zhǎng)石和白云母等物質(zhì)。

圖1 巖石的X衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of rocks

選取ZK201、ZK303、ZK301、ZK1208、ZK12 06、ZK1203等10余個(gè)鉆孔粘土、砂巖、泥巖巖樣，分別在掃描電鏡1 000、4 000、8 000倍下觀察巖樣的微觀結(jié)構(gòu)，巖石的掃描電鏡測(cè)試顯示（圖2），粘土表面有細(xì)小晶體分布，晶體粒徑不均勻，彼此之間存在空隙，當(dāng)放大到4 000～8 000倍時(shí)可見(jiàn)孔洞發(fā)育，且孔洞內(nèi)壁粗糙不光滑，內(nèi)部充填有未膠結(jié)的晶體。砂巖放大到1 000倍時(shí)可見(jiàn)其表面凹凸不平，4 000倍時(shí)晶體之間存在較大空隙，且粒徑大小不均，孔洞較發(fā)育，孔洞周圍及試件表明均有粒徑不均的晶體分布，晶體之間彼此分離，膠結(jié)較差，當(dāng)放大到8 000倍時(shí)，可見(jiàn)部分晶體成絮狀發(fā)育。泥巖放大到1 000倍時(shí)，泥巖表面凹凸不平，分布相對(duì)較均勻的晶體或顆粒，部分可見(jiàn)孔洞發(fā)育，4 000～8 000倍時(shí)，可以看到晶體膠結(jié)程度明顯變好，粒徑大小不一，晶體之間存在較大空隙，較小粒徑的晶體“散落”在粒徑較大晶體之間。與粘土和砂巖相比，泥巖膠結(jié)程度明顯變好，晶體之間有充填物存在。

圖2 不同巖樣掃描電鏡圖Fig.2 different rock samples scanning electron microscope diagram

2.2 煤層頂板軟巖的滲透性特性實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 巖樣的全應(yīng)力—應(yīng)變—滲透曲線測(cè)試

從煤層頂板軟巖隔水層取樣，通過(guò)瞬態(tài)滲透法試驗(yàn)分析巖樣全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的滲透性，砂巖和泥巖三軸壓縮過(guò)程中，在起始階段、彈性階段、彈塑性階段、峰值和殘余強(qiáng)度階段，通過(guò)位移控制測(cè)試滲透性，得到全應(yīng)力應(yīng)變曲線和滲透率變化曲線，并對(duì)試件壓縮前后拍照記錄破壞情況，如圖3、圖4所示。

圖4 不同巖樣全應(yīng)力—應(yīng)變—滲透性曲線Fig.4 Total stress-strain-permeability curves of different rock samples

由圖3、圖4可知，砂巖試件的峰值軸壓為20.22 kN，飽水三軸抗壓為10.58 MPa，泥巖試件的峰值軸壓為31.14 kN，三軸飽水強(qiáng)度為15.87 MPa。對(duì)比2種巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，泥巖峰值載荷大于砂巖，即泥巖的三軸飽水強(qiáng)度高于砂巖。砂巖經(jīng)過(guò)應(yīng)力峰值后的塑性較強(qiáng)，應(yīng)力峰值后緩慢過(guò)度到殘余強(qiáng)度階段，曲線接近于水平。泥巖脆性較大，經(jīng)過(guò)應(yīng)力峰值后，幾乎呈直線下降到殘余強(qiáng)度階段，在峰值應(yīng)力處巖樣發(fā)生突然的脆性斷裂，通過(guò)滲透率隨軸向位移的變化曲線可以明顯的看出巖樣裂隙擴(kuò)展的跡象。說(shuō)明在全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中，巖石的膠結(jié)類型對(duì)巖石的三軸壓縮強(qiáng)度有一定的影響，砂巖孔洞較發(fā)育，晶體之間膠結(jié)較差，粒徑差距也較大，所以強(qiáng)度低且峰后強(qiáng)度變化小。而泥巖膠結(jié)性較好且晶體之間有充填物存在，強(qiáng)度高且發(fā)生脆性斷裂。

對(duì)比2種巖石的滲透率變化曲線可以看出，砂巖起始階段滲透率大于屈服階段滲透率，而泥巖正好相反。由此說(shuō)明，砂巖飽水三軸壓縮過(guò)程中，原生裂隙和新生裂隙隨軸向位移的增大逐漸被壓實(shí)，孔隙率逐漸減小導(dǎo)致滲透率下降。泥巖進(jìn)入彈塑性階段以后，新生裂隙開(kāi)始增加，但無(wú)法閉合，隨軸壓增大，滲透率逐漸上升。然而，泥巖滲透率變化范圍在10-15～10-14cm2，砂巖在10-13～10-12cm2，砂巖比泥巖大2個(gè)數(shù)量級(jí)，即砂巖的滲透率遠(yuǎn)大于泥巖。泥巖和粘土為該礦的主要隔水層，2種巖石內(nèi)含有大量的高嶺土、伊利石和蒙脫石粘土礦物，遇水易膨脹。砂巖內(nèi)所含的物質(zhì)比較復(fù)雜，基本上以SiO2為主，部分含有長(zhǎng)石和云母等物質(zhì)，晶體粒徑較大，相互之間空洞較大，膠結(jié)性較差，三軸壓縮過(guò)程相當(dāng)于把試件壓實(shí)的過(guò)程，不會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂，峰后殘余強(qiáng)度變化不大，滲透率緩慢下降。

2.2.2 滲透率變化規(guī)律擬合

隔水層中泥巖應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中的滲透率變化規(guī)律為彈性階段滲透率下降，屈服階段后滲透率上升，殘余強(qiáng)度階段滲透率保持穩(wěn)定。砂巖滲透率變化規(guī)律為彈性階段急劇下降，彈塑性階段基本保持不變，峰值應(yīng)力后有所增加，殘余階段又逐漸減小。根據(jù)隔水層2種主要巖性巖樣滲透率變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，泥巖曲線與Gauss函數(shù)基本吻合，而砂巖更接近ExpAssoc函數(shù)，滲透率變化擬合曲線如圖5所示。

圖5 泥巖和砂巖滲透率變化曲線擬合Fig.5 Permeability variation curve fitting of mudstone and sandstone

2.3 頂板軟巖采動(dòng)滲透性變化規(guī)律

基于隔水層弱膠結(jié)軟巖體積應(yīng)變-滲透率函數(shù)關(guān)系，采用FLAC3D模擬軟件對(duì)伊犁四礦綜采工作面進(jìn)行采動(dòng)覆巖滲透性演化規(guī)律數(shù)值計(jì)算與分析，研究滲透性變化規(guī)律。

依據(jù)工作面煤層覆巖的綜合柱狀圖和水文地質(zhì)條件，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采范圍內(nèi)構(gòu)造條件、覆巖性質(zhì)、邊界條件等因素，設(shè)計(jì)模型尺寸為X=300 m、Y=1 500 m、Z=145 m，煤層和頂?shù)装鍘r層網(wǎng)絡(luò)細(xì)化，其他區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏，建立后的數(shù)值模型如圖6所示。

圖6 模型結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Model structure

由于工作面回采，造成圍巖拉伸、剪切破斷，空隙壓力改變，產(chǎn)生壓差，致使水從四面八方流向采空區(qū)。采空區(qū)正上方基巖底部滲流速度最大，達(dá)到1.399×10-7m/s，兩端頭圍巖的滲流速度大于中部圍巖的滲流速度，中部覆巖下沉并被壓實(shí)，導(dǎo)致滲透率下降。上覆巖層由下向上滲流速度逐漸變小，且出現(xiàn)滲流方向?yàn)橛芍胁肯騼蛇叄@是因?yàn)橹胁扛矌r下沉，導(dǎo)致空隙壓力上升?？傮w而言，地表礫石層和古近系砂礫層滲流矢量箭頭較密集，上部泥巖和基巖上部巖層則較稀疏，與巖石的隔水性能有關(guān)（圖7）。

圖7 固液耦合模擬滲流矢量圖Fig.7 Solid and liquid coupling simulation seepage vector diagram

3 結(jié) 論

（1）伊犁礦區(qū)四號(hào)礦井頂板主要隔水層巖性為粘土、泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖等，此巖石內(nèi)含有大量的高嶺土、伊利石和蒙脫石粘土礦物，砂巖含有主要物質(zhì)為SiO2，含有微量長(zhǎng)石和白云母等物質(zhì)。砂巖和粘土裂隙表面不規(guī)則并附著大量晶體，晶體之間膠結(jié)較差，泥巖膠結(jié)程度相對(duì)較好，晶體之間有充填物存在。

（2）砂巖起始階段滲透率大于屈服階段滲透率，而泥巖正好相反。砂巖飽水三軸壓縮過(guò)程中，原生裂隙和新生裂隙隨軸向位移的增大逐漸閉合，孔隙率逐漸減小導(dǎo)致滲透率下降。泥巖進(jìn)入彈塑性階段以后新生裂隙開(kāi)始增加且無(wú)法閉合，滲透率逐漸上升。泥巖和粘土其滲透率比砂巖小2個(gè)數(shù)量級(jí)。

（3）綜上，通過(guò)從礦井頂板巖層礦物成分、原巖滲透率及受開(kāi)采擾動(dòng)后滲透率等方面綜合分析研究，礦井頂板巖層隔水性能較好，對(duì)礦井頂板含水層防治提供了基礎(chǔ)保障。