煤層底板斷層抗?jié)B性能“三孔”原位測試與評價

戴磊， 段李宏

（河南能源化工集團 永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600）

0 引言

深部煤層在強烈開采擾動下會形成底板擾動破壞裂隙，一旦溝通下部高承壓含水層，易發(fā)生采煤工作面突涌水災害，嚴重制約深部煤炭資源安全、高效開采。采動條件下煤層底板突涌水災害評價受多方面因素的影響，從煤層底板突涌水災害發(fā)生的力學角度分析，影響因素主要有底板巖性組合、安全隔水層厚度與完成程度、底板構(gòu)造裂隙發(fā)育程度及導水能力等。

不同構(gòu)造期次下的斷層發(fā)育不僅破壞了煤層圍巖的完整性，降低了巖體的變形模量和剪切強度，且極大地降低了煤層圍巖綜合隔水能力，增大了發(fā)生底板突涌水災害的潛在威脅。通過對我國大量煤礦底板突涌水事故的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)資料分析可知，大多數(shù)煤層底板突涌水災害的發(fā)生與底板斷層發(fā)育密切相關[1-4]。煤層底板鉆孔壓水試驗是測試底板巖層滲透性和隔水能力的可靠方法，可為煤炭開采提供可靠的原位測試數(shù)據(jù)，為后續(xù)底板突涌水危險性預測和評價提供重要的基礎數(shù)據(jù)[5-10]。

許多學者采用鉆孔壓水試驗對煤層底板的抗?jié)B性進行了大量的理論和實踐研究。孫曉倩等[11]在某煤礦深部煤層底板采用雙孔測滲技術(shù)進行了原位現(xiàn)場壓水試驗，表明兩測試段巖層在原始狀態(tài)下均不導滲，抗?jié)B性較強，對比初次和重復2個壓水過程可知，初次壓水后巖層的抗?jié)B能力降低，易形成導滲。劉瑞新等[12]采用雙孔測滲技術(shù)對兗州礦區(qū)16個底板巖層進行壓滲測試，結(jié)果表明厚層砂巖測試段的起始導滲水壓相對較高，互層測試段較低，厚層泥巖的起始導滲水壓介于二者之間。邵明喜等[13]在兗礦能源集團股份有限公司楊村煤礦采用雙孔測滲技術(shù)對底板F5斷層進行現(xiàn)場壓水試驗，結(jié)果表明斷層在原始狀態(tài)下滲流能力較差，抗?jié)B能力較強，重復壓水導致斷層帶明顯滲透破壞。Qian Ziwei等[14]在兗礦能源集團股份有限公司興隆莊煤礦底板一條近NS向、傾角約70°的正斷層不同位置進行了高壓壓水試驗，通過連續(xù)采集的注水流量和監(jiān)測孔內(nèi)水壓數(shù)據(jù)，得到了斷層破碎帶內(nèi)部不同位置的導水能力，并分析了采動條件下斷層導水活化的力學和水動力機理。以上試驗主要采用“雙孔”法現(xiàn)場壓滲測試技術(shù)，未考慮巖層裂隙的方向和各向異性特點，單一方向的壓滲測試與復雜巖層多向受壓的實際情況有較大差異?！叭住狈ìF(xiàn)場壓滲試驗采用雙向壓滲測試技術(shù)，通過反向壓水對正向壓水期間發(fā)生的巖層劈裂裂隙進行檢驗，獲取的試驗數(shù)據(jù)更接近巖層壓滲變化真實情況。因此，本文采用“三孔”法現(xiàn)場壓滲試驗方法，以河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦為例，在二水平煤層開展了斷層帶滲透性的壓水試驗，研究構(gòu)造發(fā)育處底板巖層的阻水能力，以期為礦井深部二水平煤層帶壓開采水害評價提供量化依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

城郊煤礦位于河南省永城市，屬于永夏礦區(qū)，2009年經(jīng)河南省煤炭工業(yè)管理局核定礦井生產(chǎn)能力為5.0 t/a，礦井采用立井多水平開拓，一水平煤層的開采標高為?495 m，二水平煤層的開采標高為?800 m。礦井采用分區(qū)上行開采，目前開采一水平煤層北翼采區(qū)和二水平煤層東翼采區(qū)。由于一水平煤層的煤炭資源量即將枯竭，目前采用暗斜井的開拓方式，逐漸由一水平煤層向二水平煤層過渡。二水平煤層最大埋深為1 000 m，煤層底板存在石炭系太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r2個區(qū)域性的強含水層，且水壓均較高。

礦井二水平煤層底板下伏奧陶系灰?guī)r頂界面距二水平煤層底板的平均厚度為200 m，通過對城郊煤礦歷年來水文觀測數(shù)據(jù)分析可知，奧陶系灰?guī)r含水層與上覆各含水層之間基本無水力聯(lián)系。然而，二水平煤層底板下伏的石炭系太原組灰?guī)r含水層自建井開采以來發(fā)生了2次突涌水災害，最大瞬時突水量為300 m3/h。因此，對二水平煤層水害威脅最大的是太原組灰?guī)r含水層。

目前，礦井二水平煤層南翼和東翼采區(qū)均處于大面積開拓和部分采掘階段，預計太原組灰?guī)r水壓可達6～7 MPa，突水系數(shù)大于《煤礦防治水細則》推薦值（正常地段0.1 MPa/m）。太原組上段L11灰?guī)r含水層厚度為 0.23～3.26 m，平均厚度為 1.64 m，上距二水平煤層底板 13.50～85.61 m，平均距離為 50.36 m，厚度差異較大，必然存在局部綜合隔水能力薄弱的地段，特別是構(gòu)造裂隙和斷層較為發(fā)育的部位。

2004年3月29 日，2205工作面由于斷層導水，發(fā)生太原組灰?guī)r含水層突涌水事故，最大涌水量為80 m3/h，導致工作面距終采線 55 m提前回撤；2008年6月24日，二水平煤層南翼軌道運輸大巷施工至測點SYG12點前40 m處發(fā)生突水，初始涌水量為 80 m3/h，最大涌水量為 300 m3/h，后逐漸穩(wěn)定到230 m3/h，突水原因為巷道左幫揭露了一條落差為10～32 m的隱伏FN?5正斷層，深部太原組灰?guī)r含水層沿斷層面潰入開采工作面。隨著煤層開采深度的不斷增加，城郊煤礦二水平煤層的突涌水影響因素越來越復雜，尤其是主采煤層底板的太原組灰?guī)r含水層水壓不斷增高，構(gòu)造裂隙和隱伏導水斷層較為發(fā)育，深部煤層開采期間底板擾動變形程度不斷加大，城郊煤礦二水平煤層開采的水害防治難度及不確定性越來越大，已成為制約礦井深部煤層安全、高效開采的主要隱患。

2 二水平煤層底板斷層原位壓水試驗

2.1 鉆孔壓水試驗方法

在巷道內(nèi)相隔一定距離布設3個鉆孔。在其中1個鉆孔孔口安裝壓力表和流量監(jiān)測儀，用于壓水，稱為壓水孔；在其他2個鉆孔安裝水壓傳感器，用于檢測鉆孔內(nèi)部水壓變化規(guī)律，稱為水壓檢測孔。鉆孔壓水試驗裝置與原理如圖1所示。試驗采用2ZBQ?3/21高壓氣動壓水泵，實現(xiàn)無級變速，可調(diào)節(jié)的流量為 5～80 L/min，額定泵壓為 22 MPa；注漿管路耐壓不低于15 MPa。采用振弦式水壓傳感器采集頻率，連接GSJ?2A型智能檢測儀轉(zhuǎn)換為水壓，可直接顯示檢測到的水壓值，計數(shù)精度為±0.5%，監(jiān)測壓力P取值為 0～40 MPa。

圖1 鉆孔壓水試驗裝置與原理Fig.1 Drilling water pressure test device and principle

2.2 鉆孔壓水試驗評價原理

鉆孔壓水試驗采用“三孔”法現(xiàn)場壓滲測試技術(shù)，第1次壓水試驗為正向壓水試驗，第2次壓水試驗為反向壓水試驗。為量化評價測試段的起始滲透條件，將水壓監(jiān)測孔水壓和壓滲流量明顯隨注水水壓同步變化的點作為起始滲透特征點，對應的注水水壓為起始導滲水壓。注水水壓按照設計值持續(xù)增大，若測滲水壓較注水水壓小且保持穩(wěn)定，注水流量相對穩(wěn)定，則表明在原始狀態(tài)下，現(xiàn)場巖層的抗?jié)B能力極強，將巖層評價為隔水層，反之評價為導水裂隙。

2.3 鉆孔壓水試驗方案

綜合考慮城郊煤礦二水平煤層場地環(huán)境及鉆孔施工條件、測試條件等因素，在二水平煤層南翼膠帶大巷西段揭露的落差H為10.3 m的FN?6正斷層進行現(xiàn)場原位壓水試驗。二水平煤層南翼膠帶大巷西段距離太原組上段L11灰?guī)r含水層45 m。為了探究FN?6正斷層上部的阻水能力，減小太原組下部灰?guī)r含水層對壓水試驗結(jié)果的影響，各試驗鉆孔在穿越FN?6正斷層破碎帶時必須與太原組上段L11灰?guī)r含水層保留一定距離，且各試驗鉆孔的開孔位置與FN?6正斷層在暗斜井的揭露點保留一定距離。測試鉆孔布設如圖2所示。本次壓水試驗共布設3個鉆孔C1，C2，C3，當其中1個為壓水孔時，其他2個即為水壓監(jiān)測孔。鉆孔C1距測點SYP23水平間距為1.6 m，3個鉆孔水平間距均為6.3 m，開孔直徑為127 mm，終孔直徑為 89 mm，傾角為?30°，與巷道間夾角為23°，C1，C2，C3孔深分別為 30，36，42 m。

圖2 斷層原位壓水試驗鉆孔布設Fig.2 Hole layout in fault in-situ pressurized water test

壓水孔注水水壓分別為 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 MPa，壓水時間為 20 min。在壓水試驗過程中連續(xù)記錄流量、水壓及2個監(jiān)測孔內(nèi)的響應水壓變化。某一注水水壓下監(jiān)測孔檢測到明顯的水壓響應，壓水孔和水壓監(jiān)測孔間形成優(yōu)勢導水通道，該注水水壓為臨界導滲水壓，在臨界導滲水壓的基礎上再增加0.5 MPa，即可停止壓水試驗。之后進行不同注水流量下的壓水試驗，流量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 L/min，先逐級增大注水流量至4.0 L/min，再逐級降低至0。各級流量下的壓水時間為20 min，連續(xù)記錄流量、水壓和響應水壓變化。完成1個鉆孔的注水試驗后，轉(zhuǎn)換壓水孔和水壓監(jiān)測孔再次進行同樣的壓水及測滲過程。

3 壓水試驗結(jié)果與分析

3.1 正向壓水試驗結(jié)果與分析

正向壓水試驗采用鉆孔C2作為壓水孔，鉆孔C1和C3作為水壓監(jiān)測孔，試驗得到的壓滲曲線如圖3所示?？煽闯鰤核囼為_始后約1 min，壓水孔水壓為 10 MPa，注水流量為 3.45 L/min，水壓監(jiān)測孔C1和 C3測得的水壓響應值分別為 0.042，0.045 MPa，表明在初始狀態(tài)下FN?6正斷層上段的導水能力極其微弱，屬于隔水層。隨著注水水壓升高，壓水孔和水壓監(jiān)測孔間的巖體密集發(fā)生微小的劈裂現(xiàn)象，產(chǎn)生新的裂隙，當壓水試驗持續(xù)至約30 min時，水壓監(jiān)測孔C3監(jiān)測到水壓發(fā)生較小變化，表明新產(chǎn)生的裂隙發(fā)生導水現(xiàn)象，但是導水能力較弱，此時注水流量在3.05～3.85 L/min內(nèi)波動。當壓水試驗持續(xù)至約35 min時，壓水孔和水壓監(jiān)測孔間巖體裂隙發(fā)生較大規(guī)模的擴張，壓水孔C2的水壓瞬間突降0.5 MPa，短暫持續(xù)后，又突降2 MPa，此時水壓監(jiān)測孔C3監(jiān)測到水壓明顯升高，但是響應值依然遠低于壓水孔水壓，表明有新的導水裂隙產(chǎn)生，但是規(guī)模較小，導水能力較弱，僅以微小裂隙的滲流為主。綜上可知，F(xiàn)N?6正斷層的上段隔水能力較強，滲流較差。

圖3 正向壓水試驗的壓滲曲線Fig.3 Pressure-permeability curves of forward water pressure test

3.2 反向壓水試驗結(jié)果與分析

反向壓水試驗采用鉆孔C3作為壓水孔，鉆孔C1和C2作為水壓監(jiān)測孔，試驗得到的壓滲曲線如圖4所示。壓水試驗開始后約2.5 min，壓水孔水壓為 7 MPa，壓水流量為 4.05 L/min，水壓監(jiān)測孔 C1和C2測得的響應水壓分別為 0.06，0.25 MPa，較正向壓水試驗值有所升高，表明正向壓水階段產(chǎn)生了微小的導水裂隙。當壓水試驗持續(xù)至約23 min時，水壓監(jiān)測孔C2的響應水壓逐漸增大至0.65 MPa，表明在反向壓水試驗過程中導水通道數(shù)量較正向壓水試驗時有所增加，導致壓水孔和水壓監(jiān)測孔間的壓差降低。此時，注水流量在0.25～4.55 L/min內(nèi)波動，說明巖體產(chǎn)生裂隙，且裂隙內(nèi)開始充水。在23 min時進行一次升壓，注水水壓從 7 MPa 迅速增大至 11 MPa，此時水壓監(jiān)測孔C2的響應水壓迅速升高至1.3 MPa，瞬時注水流量達到峰值9.55 L/min后降低到0.55 L/min，表明在水壓監(jiān)測孔C2和壓水孔C3間形成了優(yōu)勢導水通道，F(xiàn)N?6正斷層的臨界導滲水壓為11 MPa。若在穩(wěn)壓情況下繼續(xù)注水，優(yōu)勢導水通道通過擴展和形成微裂隙網(wǎng)絡來滿足其卸掉高壓水勢能的需求，故其流量在波動中減小，測得的響應水壓繼續(xù)增大直至基本穩(wěn)定。注水流量降至0.55 L/min，說明處于穩(wěn)態(tài)滲流并不意味著測滲段巖層發(fā)生了結(jié)構(gòu)性的破壞，而是由局部壓裂損傷導致導通性滲流。

圖4 反向壓水試驗的壓滲曲線Fig.4 Pressure-permeability curves of reverse water pressure test

4 結(jié)論

（1） 正向壓水試驗結(jié)果表明，F(xiàn)N?6正斷層上段的隔水能力較強、滲流較差，屬于隔水層，在目前的采動條件下未發(fā)生明顯的導水活化現(xiàn)象。通過壓滲曲線可看出斷層帶在高水壓作用下會逐漸劈裂產(chǎn)生微裂隙，但規(guī)模較小，導水能力較弱，僅以微小裂隙的滲流為主。

（2） 反向壓水試驗結(jié)果表明，反向壓水過程中導水通道數(shù)量較正向壓水時有所增加，降低了壓水孔和水壓監(jiān)測孔間的壓差。FN?6正斷層的臨界導滲水壓為11 MPa，當微裂隙相互貫通后注水流量明顯上升，成為優(yōu)勢導水通道，只有超過臨界導滲水壓后才能進入實際的滲流狀態(tài)，但處于穩(wěn)態(tài)滲流并不意味著測滲段巖層發(fā)生了結(jié)構(gòu)性的破壞，而是由局部壓裂損傷導致導通性滲流。