渦北礦淺埋煤層基巖工程及水文地質(zhì)特征研究

孫林 李慧穎

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

0 引言

淺埋煤層基巖風(fēng)化帶分布特征、風(fēng)化帶巖石物理性質(zhì)、水理性質(zhì)等方面因素，很大程度上決定了煤層基巖隔水能力的強(qiáng)弱和富水性能的優(yōu)劣，因此礦井在進(jìn)行煤炭開(kāi)采的同時(shí)，為了預(yù)防礦井水害，對(duì)煤層基巖風(fēng)化帶水文、地質(zhì)特征的調(diào)查與研究也是非常重要的工作。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基巖風(fēng)化帶的富水性和隔水性問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究，部分學(xué)者認(rèn)為基巖風(fēng)化有阻水作用，部分學(xué)者認(rèn)為富水性增強(qiáng)的風(fēng)化基巖是礦井涌突水的主要含水層之一。楊帆［1］以張家岇井田二盤區(qū)風(fēng)化基巖為例，分析風(fēng)化基巖厚度及分布、富水性、補(bǔ)徑排特征、水化學(xué)特征，結(jié)合煤層開(kāi)采揭露情況，為后續(xù)安全回采提供保障；許延春等［2］基于趙固一礦采用了點(diǎn)荷載、干燥飽和吸水率等試驗(yàn)，重點(diǎn)討論了基巖對(duì)留設(shè)防砂煤柱的影響，實(shí)現(xiàn)礦井的可持續(xù)安全生產(chǎn)；古瑤等［3］以小保當(dāng)井田為例，對(duì)風(fēng)化帶厚度、巖性進(jìn)行探討，重點(diǎn)在于基巖風(fēng)化帶富水異常區(qū)的圈定，對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程的疏放水工作有一定的指導(dǎo)作用。

然而在渦北礦區(qū)，暫時(shí)還沒(méi)有系統(tǒng)開(kāi)展關(guān)于基巖工程、水文地質(zhì)特征的具體研究。故以渦北礦為研究對(duì)象，對(duì)基巖風(fēng)化帶的巖性特征、礦物成分、物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)及含隔水性等方面進(jìn)行分析，在一定程度上提高煤炭的回采率，降低礦井水害的發(fā)生率［5］。

1 研究區(qū)概況

淮北礦業(yè)股份有限公司渦北煤礦在淮北平原的西部，位于安徽省亳州市渦陽(yáng)縣，渦北煤礦中心向南距縣城4 km。主、副井和回風(fēng)井3個(gè)井筒，其井口坐標(biāo)（1980坐標(biāo)系統(tǒng)）為X=714 399.972，Y=39 425 315.022；回風(fēng)井的井口坐標(biāo)是X=3 714 507，Y=39 425 235。渦北煤礦在形狀上近似矩形，從南部的F9斷層開(kāi)始到北部的劉樓斷層結(jié)束，距離長(zhǎng)約6 km，東部從太原組的第一層灰?guī)r頂面的隱伏露頭線開(kāi)始到西部的32煤層?1 000 m水平等高線的地面投影線結(jié)束，距離長(zhǎng)約3.2 km。渦北煤礦處于周圍斷裂帶所圍成的一個(gè)菱形內(nèi)，礦井構(gòu)造主要被區(qū)域構(gòu)造所制約。

2 基巖風(fēng)化帶分布特征

2.1 8煤層風(fēng)化帶分布特征

本次研究通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出，渦北礦風(fēng)化帶厚度為1.43~50.00 m，平均厚度為22.13 m，其中最厚為50 m，最薄為1.43 m。另外，礦井西北部基巖風(fēng)化帶較厚，南部風(fēng)化帶厚度較薄，總體上可以看出本礦內(nèi)基巖風(fēng)化帶厚度分布不均勻。

統(tǒng)計(jì)淺部（100 m以上）鉆孔揭露的基巖風(fēng)化帶厚度，如表1所示。從表1可以看出，淺部共有19個(gè)鉆孔揭露風(fēng)化帶，厚度為8.18~34.28 m，平均厚度為21.36 m，其中5（3）孔最厚，為34.28 m，2015觀1孔最薄，為8.18 m。另外，淺部區(qū)風(fēng)化帶巖性主要為粉砂巖和泥巖，風(fēng)化帶厚度為8.18~34.28 m，風(fēng)化類型一般為強(qiáng)風(fēng)化。

同時(shí)根據(jù)8201外工作面附近的鉆孔4?1和4?4統(tǒng)計(jì)分析，得出工作面風(fēng)化帶垂直深度一般為15.58 m。從表1可以看出，8201外工作面風(fēng)化帶巖性主要為粉砂巖和泥巖，風(fēng)化類型同樣為強(qiáng)風(fēng)化。根據(jù)對(duì)8201外工作面風(fēng)化帶分析可知，該工作面內(nèi)基巖風(fēng)化帶厚度呈現(xiàn)西北部較厚，向南逐漸變薄的規(guī)律。

表1 淺部區(qū)風(fēng)化帶厚度統(tǒng)計(jì)表

2.2 風(fēng)化帶巖性及礦物成分特征

2.2.1 巖性特征。礦井內(nèi)風(fēng)氧化帶內(nèi)基巖地層為石炭二疊系，其巖性主要有泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，風(fēng)化帶巖石一般呈土黃色、灰黃色，巖芯破碎，裂隙發(fā)育，水浸蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，泥巖風(fēng)化嚴(yán)重時(shí)呈高嶺土狀，砂巖風(fēng)化嚴(yán)重時(shí)呈疏松狀。

2.2.2 風(fēng)化帶巖性礦物成分。在透水性方面，風(fēng)化泥巖比風(fēng)化砂巖差，強(qiáng)風(fēng)化巖石比弱風(fēng)化巖石的含水、透水能力弱，即巖石的風(fēng)化程度和其含水、透水能力成反比。此次研究采集了2020?11孔的巖石樣品采用X光衍射（見(jiàn)表2）及電鏡掃描進(jìn)行分析［6?7］。

表2 風(fēng)化帶樣品XRD定性分析結(jié)果表

①風(fēng)化帶巖石質(zhì)地均勻、致密、細(xì)膩，含水時(shí)強(qiáng)度較低、極易變形，干燥時(shí)較堅(jiān)硬。巖石類型主要為黏土質(zhì)粉砂巖、黏土巖，其中的含碎屑物相較于尋常砂巖較少，黏土礦物占大多數(shù)，含量較多，一般為中等到多。

②巖石中碎屑礦物以石英為主要成分，碎屑粒度較細(xì)。

③巖石中存在的黏土礦物大多是高嶺石和蒙脫石，高嶺石和蒙脫石顆粒多為細(xì)鱗片晶體集合體，顆粒細(xì)小。

綜上，泥巖和粉砂巖風(fēng)化后主要礦物成分為高嶺石以及一定量的蒙脫石，以極細(xì)顆粒黏土礦物為主，礦物顆粒多呈細(xì)鱗片晶體集合體，表明巖石風(fēng)化后隔水性能較好。

3 風(fēng)化帶物理力學(xué)及水理性質(zhì)

3.1 物理力學(xué)性質(zhì)

取渦北礦2020?11孔8煤頂板巖石樣進(jìn)行了風(fēng)化巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試［8］，其步驟如下。

3.1.1 試樣的制備。本次研究采用了渦北礦2020?11孔中取芯的巖石，采用了單軸壓縮、巴西劈裂兩種試驗(yàn)方法，巖石試樣的試驗(yàn)在安徽理工大學(xué)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

表3 單軸抗壓試驗(yàn)方案

表4 巴西劈裂試驗(yàn)方案

3.1.2 試驗(yàn)儀器。采用巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，該系統(tǒng)具有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能，分別用垂直向1 000 kN的力傳感器測(cè)試件垂直力、垂直向50 mm的行程傳感器測(cè)試件垂直變形以及兩個(gè)水平向2.5 mm的位移傳感器測(cè)試件橫向變形，采用位移控制時(shí)，加載速率為0.01 mm/s，試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示，自動(dòng)采集時(shí)間、載荷和變形。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示，從表5、表6可以看出：煤層露頭風(fēng)化帶內(nèi)直接頂板多為泥巖及粉砂巖，頂板抗壓強(qiáng)度為5.682~18.818 MPa，為軟巖。位于基巖風(fēng)化帶內(nèi)部的巖石有著較大的抗壓強(qiáng)度降幅，抗壓強(qiáng)度經(jīng)過(guò)降低后，黏結(jié)力變小，內(nèi)摩擦角變小，塑性增強(qiáng)。

表5 單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果

表6 單軸抗拉試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水理性質(zhì)

本次對(duì)風(fēng)化帶巖樣進(jìn)行了水理性質(zhì)試驗(yàn)［9］，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，試驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)化后的巖石特點(diǎn)為增強(qiáng)的膨脹性能和增大的吸水量；風(fēng)化帶巖石的隔水性和再生隔水能力良好；試驗(yàn)中巖石的膨脹特點(diǎn)表現(xiàn)為：初期膨脹較快，持續(xù)時(shí)間短，而后則變得較緩慢；泥巖及粉砂巖膨脹性較大，說(shuō)明風(fēng)化帶的隔水性能較好。

表7 風(fēng)化帶巖石水理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，風(fēng)化巖石孔隙比為0.09～0.12，處于密實(shí)狀態(tài)，同時(shí)塑性指數(shù)一般大于10，表明風(fēng)化后的巖石泥化程度得到一定程度的增強(qiáng)且具有一定的可塑性，風(fēng)化帶巖石的隔水性和再生隔水能力良好。

3.3 風(fēng)化巖的粒度分析

強(qiáng)風(fēng)化巖石浸水泥化或松散，為分析其粒度特征，采集自2020?11和2020奧灰觀3兩個(gè)孔的強(qiáng)風(fēng)化巖石樣品，兩孔均位于淺部，具有一定的代表意義，共4個(gè)強(qiáng)風(fēng)化帶類樣品，進(jìn)行篩分試驗(yàn)，求得所有樣品的風(fēng)化帶砂層的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8，風(fēng)化帶細(xì)粒含量約占37.33%，砂粒含量約占59.01%，礫粒含量約占3%。四含砂層滿足土的級(jí)配不均勻系數(shù)Cu≥5，且級(jí)配曲率系數(shù)大部分符合Cc=1~3的條件，屬于級(jí)配良好的土。

表8 強(qiáng)風(fēng)化巖石粒徑分析表

3.4 含砂粒粒徑分維及孔隙分維

本次處理的數(shù)據(jù)來(lái)自2020?11和2020奧灰觀3三個(gè)鉆孔，共有4個(gè)風(fēng)化帶砂土類樣品，利用上述方法對(duì)樣品進(jìn)行計(jì)算，求得所有樣品的粒徑分維值和孔隙分維值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。由表9及各樣品的分形特征圖可知，在不同深度所取的4個(gè)樣品中，分維值最小為2.812，最大為2.808，平均為2.810 4，相關(guān)系數(shù)最小為0.792 4，最大為0.793 4，這種強(qiáng)相關(guān)關(guān)系說(shuō)明本次采集的樣品具有明顯的分形特征。

表9 風(fēng)化帶砂土粒徑分維與孔隙分維

強(qiáng)風(fēng)化巖石粒徑分維值計(jì)算結(jié)果如圖1所示，根據(jù)強(qiáng)風(fēng)化巖石粒徑分維值計(jì)算結(jié)果可知，試驗(yàn)樣品的平均分維值為2.810 4，是因?yàn)楸敬螛悠芳?xì)顆粒含量較高，導(dǎo)致分維值偏高。因此，本礦井風(fēng)化帶分維值大，實(shí)際是風(fēng)化帶沉積物顆?；祀s、分選性差、黏粒含量高的綜合體現(xiàn)，和風(fēng)化帶粒徑分析的測(cè)試結(jié)果一致。

另外，風(fēng)化帶樣品中孔隙分維介于0.792 4~0.793 4，同時(shí)越大的粒徑分維會(huì)導(dǎo)致越小的孔隙分維。所測(cè)樣品孔隙分維值均較小，這些強(qiáng)風(fēng)化帶巖石具有浸水后泥化程度高、滲透性差的特點(diǎn)。

4 風(fēng)化帶的含隔水性分析

由表1數(shù)據(jù)可得，研究區(qū)風(fēng)化帶巖性組成主要是風(fēng)化泥巖，剩下的鉆孔中少部分巖性是細(xì)砂巖和粉砂巖，此現(xiàn)象為含水層下采煤提供了十分有利的條件。礦井淺部風(fēng)化帶巖性組成中泥巖和粉砂巖這兩種巖性較多，試驗(yàn)表明，風(fēng)化帶抗壓強(qiáng)度為5.682~18.818 MPa，為極軟巖及軟巖。在正常情況下，風(fēng)化帶對(duì)新生界松散層底部含水層與煤系砂巖水起相對(duì)隔水作用，當(dāng)?shù)V井開(kāi)采造成煤系砂巖含水層水位下降時(shí)，新生界下部含水層地下水可能通過(guò)風(fēng)化砂巖局部地段滲透補(bǔ)給。同時(shí)風(fēng)化巖石浸水試驗(yàn)表明，風(fēng)化巖石容易崩解，存在一定的流變特性，浸水泥化程度較高。故風(fēng)化帶巖石的隔水性良好，再生隔水能力良好。

5 結(jié)論

通過(guò)以上研究，對(duì)渦北礦淺埋煤層基巖工程與水文地質(zhì)特征研究得出以下結(jié)論。

①渦北礦風(fēng)化帶厚度為1.43~50.00 m，平均厚度為22.13 m，淺部共有19個(gè)鉆孔揭露風(fēng)化帶，厚度為8.18~34.28 m，平均厚度為21.36 m，礦井西北部基巖風(fēng)化帶較厚，南部風(fēng)化帶厚度較薄，總體上可以看出本礦內(nèi)基巖風(fēng)化帶厚度分布不均勻。

②煤層露頭風(fēng)化帶內(nèi)直接頂板多為泥巖及粉砂巖，頂板抗壓強(qiáng)度為5.682~18.818 MPa，為軟巖。

③風(fēng)化帶巖石通過(guò)礦物組分及微觀組分分析可知，在風(fēng)化帶的巖石中，巖性是黏土礦物的含量較大，有較好的隔水性，同時(shí)由風(fēng)化巖石浸水試驗(yàn)表明，風(fēng)化巖石容易崩解，存在一定的流變特性，浸水泥化程度較高。

綜上所述，對(duì)淺埋煤層基巖風(fēng)化帶巖性特征、礦物成分、物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)及含隔水性等進(jìn)行研究，可為研究安全煤巖柱開(kāi)采水文工程地質(zhì)問(wèn)題及成災(zāi)機(jī)理等提供可靠的基礎(chǔ)資料，為煤礦實(shí)現(xiàn)綠色安全開(kāi)采提供一定的保障。