薄基巖下開(kāi)采的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)特征研究

張 麗，許昕鵬，王 龍

(江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002)

0 引 言

煤炭依然是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中所使用的最主要的能源物質(zhì)，隨著工業(yè)的發(fā)展對(duì)能源的需求日益提高，因此要不斷提高煤礦的生產(chǎn)效率。影響煤礦生產(chǎn)效率的因素有很多，最為重要的還是水文地質(zhì)情況和工程地質(zhì)情況，因此在正式開(kāi)采之前要詳細(xì)地掌握這兩項(xiàng)因素，這樣才能夠更好地保證開(kāi)采的順利。

1 薄基巖水文地質(zhì)特征

1.1 薄基巖風(fēng)化帶巖石的含水性

煤礦在進(jìn)行開(kāi)采之前要對(duì)其水文地質(zhì)進(jìn)行研究，由于整個(gè)礦場(chǎng)所包含的巖石種類比較多，受到外界影響的程度也不同，在開(kāi)采的時(shí)候也需要按照不同的方式來(lái)進(jìn)行。例如，有部分的礦區(qū)主要是以泥巖、花斑泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主。這些巖石成分在礦場(chǎng)當(dāng)中遭受過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)化作用，范圍廣，風(fēng)化深度大，風(fēng)化帶厚度為20～40 m。這是老的巖石界面，而新的巖石界面還沒(méi)有進(jìn)行沉積，這樣就會(huì)在開(kāi)采的時(shí)候帶來(lái)一定的影響。此外，有很多基巖面受過(guò)強(qiáng)烈的流水沖刷、剝蝕作用，導(dǎo)致巖石層面的風(fēng)化程度加大。但是對(duì)于整個(gè)礦場(chǎng)而言，大部分的基巖面都是沒(méi)有受到更大程度的影響的，這些巖石層面的風(fēng)化殘積物和風(fēng)化殼得以相對(duì)完整地保留，而這些完整保留的巖石就會(huì)形成風(fēng)化軟巖，這樣在進(jìn)行開(kāi)采的時(shí)候也會(huì)更加的方便。風(fēng)化軟巖比較容易發(fā)生塑性形變，不容易發(fā)生脆性形變，在遇到強(qiáng)大的力量的時(shí)候就比較容易出現(xiàn)軟化、膨脹等現(xiàn)象。這就是礦場(chǎng)工程地質(zhì)的主要特點(diǎn)，而這一點(diǎn)是比較有利于抑制煤層開(kāi)采破壞裂隙在整個(gè)巖石層中的產(chǎn)生和發(fā)展的。

而當(dāng)?shù)V場(chǎng)當(dāng)中的巖石經(jīng)歷風(fēng)化之后，其巖石的基本形貌等也還會(huì)發(fā)生變化，大部分的巖石經(jīng)歷風(fēng)化之后，巖性就會(huì)變化，而且這些風(fēng)化之后的巖石主要由褐紅色、土黃色和淺綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖組成。在風(fēng)化的過(guò)程當(dāng)中，巖石當(dāng)中會(huì)形成一定的風(fēng)化帶，而這樣形貌的巖石，風(fēng)化帶厚度一般都不是很高，并且還會(huì)形成強(qiáng)風(fēng)化帶，它們的厚度也會(huì)逐漸降低。對(duì)于風(fēng)化之后的巖石，除了會(huì)產(chǎn)生風(fēng)化帶之外，還會(huì)產(chǎn)生泥質(zhì)化，也就是說(shuō)這一類的巖石對(duì)于水有一層隔膜。巖石本身不含水分，并且也不會(huì)導(dǎo)水，有一層比較好的隔水層。這樣的情況在進(jìn)行開(kāi)采時(shí)會(huì)遇到一定的問(wèn)題，如果說(shuō)在不了解這些情況下就直接對(duì)礦場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)采，那么就會(huì)對(duì)礦場(chǎng)造成很大的影響。

1.2 淺部煤層頂板富水性

礦場(chǎng)當(dāng)中還存在二疊系煤巖層，在二疊系煤巖層當(dāng)中，局部地方會(huì)存在比較厚的砂巖，這些砂巖會(huì)組成砂巖裂隙含水層，在進(jìn)行開(kāi)采時(shí)會(huì)對(duì)開(kāi)采的進(jìn)度造成一定的影響。同時(shí)，煤系地層的富水性主要受砂巖裂隙的發(fā)育程度及其開(kāi)裂、開(kāi)展的規(guī)模所影響，而且礦場(chǎng)中的砂巖裂隙還會(huì)受到礦場(chǎng)的構(gòu)造影響。每個(gè)礦場(chǎng)的地形地貌等都是存在一定的差異的，所以在產(chǎn)生裂隙的時(shí)候，還會(huì)形成不同種類的裂隙，這些裂隙之間最大的差別就是含水量。如果裂隙的含水量高，那么會(huì)對(duì)煤礦的開(kāi)采產(chǎn)生較大的影響。裂隙的含水量還會(huì)對(duì)井田的產(chǎn)生造成影響。

礦區(qū)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)還會(huì)受到構(gòu)造擠壓，煤礦系頂板砂巖裂隙發(fā)育比較緩慢，而且在發(fā)育的過(guò)程當(dāng)中還會(huì)受到新生界底部隔水層的阻擋，這時(shí)煤系砂巖裂隙水以靜儲(chǔ)量形式存在。在對(duì)煤礦進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中，需要用到一定的水，而煤礦的水源主要是砂巖裂隙水。但是隨著時(shí)間的推延，砂巖裂隙水的出水量會(huì)逐漸減少，這會(huì)對(duì)礦井的生產(chǎn)造成嚴(yán)重的危害。不過(guò)，在局部上，處于富水區(qū)的礦井的采掘活動(dòng)還是不會(huì)出現(xiàn)較大的問(wèn)題的。

2 薄基巖工程地質(zhì)特征研究

在對(duì)煤礦場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中，其實(shí)會(huì)出現(xiàn)下降風(fēng)巷、上風(fēng)巷等多處出水現(xiàn)象，所出的水一部分來(lái)自砂巖裂隙水，隨著時(shí)間的推延會(huì)逐漸衰減，這表明頂板砂巖裂隙水以靜儲(chǔ)量的形式存在。而且有些煤礦的頂部還有炭質(zhì)頁(yè)巖或炭質(zhì)泥巖，其形狀主要呈現(xiàn)為透鏡狀，但是這種情況一般都有一定的變化規(guī)律，而且其裂縫還會(huì)再一次進(jìn)行發(fā)育。

在進(jìn)行煤礦開(kāi)采的時(shí)候，首先就是要保證其頂部是完整的，這樣才能夠保證開(kāi)采人員的生命安全，所以對(duì)于煤層底板條件的研究是現(xiàn)在巖石工程地質(zhì)研究的主要內(nèi)容。煤層頂板巖石性質(zhì)和類型是確定巷道支護(hù)密度、支護(hù)形式、液壓支架選型和頂板管理的重要依據(jù)，因?yàn)樵谶M(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中頂部和底板是非常重要的，煤層頂部主要影響巖石開(kāi)采的順利程度，煤層底板巖石強(qiáng)度直接影響支架的支護(hù)性能。因此在正式開(kāi)采之前需要先了解不同地區(qū)的主采煤層頂、底板特點(diǎn)，研究其巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，這點(diǎn)是非常重要的。在巖石強(qiáng)度方面，巖性不同，強(qiáng)度差別較大，其中泥巖、粉砂巖類的強(qiáng)度比較低，砂巖類強(qiáng)度比高風(fēng)化帶3強(qiáng)度低，非風(fēng)化帶巖性強(qiáng)度相對(duì)較高。除了要對(duì)他們的強(qiáng)度有一定的研究之外還需要對(duì)他們的抗拉輕度、抗剪強(qiáng)度以及彈性模量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，而最終的測(cè)試結(jié)果，同樣顯示出不同巖性的風(fēng)化產(chǎn)物，其物理力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出風(fēng)化泥巖類力學(xué)強(qiáng)度最低、粉砂巖類其次、砂巖類相對(duì)較高的特征。

2.1 風(fēng)化帶巖石的力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)具體的勘探結(jié)果可知，不同地區(qū)的礦區(qū)的巖石中以風(fēng)化泥巖、風(fēng)化粉砂巖為最多，尤其是在薄基巖地質(zhì)下最為明顯。在外地探查時(shí)，對(duì)巖石的物理力學(xué)指數(shù)計(jì)算可知，風(fēng)化泥巖的抗壓強(qiáng)度為0.8～16 MPa，但風(fēng)化粉砂巖力學(xué)性能往往更好，更有利于后續(xù)的工程施工。進(jìn)一步的勘查可知礦區(qū)內(nèi)部的風(fēng)化粉砂巖的內(nèi)部凝聚力在5.05～7.78 MPa，內(nèi)部摩擦力中的摩擦角為32°，彈性模量在1.03～2.81 GPa，而風(fēng)化泥巖內(nèi)聚力在1.21～6.34 MPa，彈性模量為0.35～0.60 GPa，泊松比為0.34～0.50。經(jīng)過(guò)全面的勘探可知，風(fēng)化泥巖的彈性形變量更弱，因此風(fēng)化泥巖本身的變形問(wèn)題的發(fā)生概率是比較大的。加之會(huì)受到多種類別的作用影響，風(fēng)化泥巖的膨脹概率大，很容易降低防水煤柱。只有結(jié)合對(duì)應(yīng)的勘查結(jié)果，保證礦區(qū)通過(guò)補(bǔ)孔的模式提升工程施工的穩(wěn)定性以及安全性。

2.2 煤層頂板的力學(xué)性質(zhì)

不同地區(qū)的煤礦礦區(qū)的煤層本身存在著偽頂巖性，其本身只是以砂質(zhì)泥巖為主體。通過(guò)物理力學(xué)指標(biāo)的合理計(jì)算，可知道巖石的抗壓強(qiáng)度與膠結(jié)物之間有著一定的聯(lián)系性。通過(guò)有效計(jì)算可知，區(qū)域內(nèi)部的抗壓強(qiáng)度與礦區(qū)自身的情況有密切聯(lián)系，此時(shí)需要根據(jù)礦區(qū)的特征進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果。比對(duì)不同區(qū)域的巖石抗壓強(qiáng)度，重點(diǎn)是增強(qiáng)礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程中的安全性，只有這樣才能夠利用礦區(qū)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行資源開(kāi)采，使工程開(kāi)采效率以及安全性達(dá)標(biāo)，規(guī)避潛在的風(fēng)險(xiǎn)，保證各項(xiàng)工作一一落地。

3 薄基巖下開(kāi)采的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘查分析

3.1 地下水位變化導(dǎo)致的危害

若是某地區(qū)的地下水位出現(xiàn)變化，其一般包括三個(gè)層面的內(nèi)容，即為地下水位的小幅度下降、地下水位的小幅度上升以及地下水位的變化。地下水位上升一般是受到外在因素的影響，其很容易導(dǎo)致建筑物的表面濕潤(rùn)。例如，大連地鐵中頻頻出現(xiàn)的滲水情況，直接影響了施工建筑物的耐久性。地下水位下降則會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)施工建筑物有非常不利的影響。地下水位頻頻出現(xiàn)變化，會(huì)導(dǎo)致建筑物的地基基礎(chǔ)出現(xiàn)形變，甚至導(dǎo)致建筑物形變或者損毀，這會(huì)給予建筑物使用增添一些安全隱患，致使后續(xù)工作無(wú)法一一開(kāi)展。

3.2 動(dòng)水壓力變化導(dǎo)致的工程危害

在自然條件下，地下水的動(dòng)水壓力變動(dòng)很小，并不會(huì)對(duì)工程建筑或者其他巖石造成任何影響，但一旦人為介入直接改變地下水位的平衡點(diǎn)，那么會(huì)直接導(dǎo)致地下水動(dòng)水壓力出現(xiàn)明顯波動(dòng)，致使巖土層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)意外影響，甚至?xí)苌隽魃?、管涌和地基塌陷等意外情況，致使出現(xiàn)巖土工程危害，會(huì)對(duì)周邊區(qū)域的建筑物造成十分負(fù)面的影響，致使建筑物質(zhì)量意外情況屢屢出現(xiàn)。因此，加大對(duì)地下水的動(dòng)水壓力的綜合檢測(cè)以及控制是十分重要的，要盡量避免由于動(dòng)水壓力本身存在的不穩(wěn)定性致使建筑物出現(xiàn)意外情況。

3.3 地下水位變化對(duì)巖土的危害

地下水位的經(jīng)常出現(xiàn)變化會(huì)在一定基礎(chǔ)上引起巖土結(jié)構(gòu)的膨脹，致使其出現(xiàn)不均勻情況而出現(xiàn)多種狀態(tài)下的地質(zhì)形變情況，嚴(yán)重的時(shí)候甚至還會(huì)出現(xiàn)地裂情況，對(duì)于建筑物的底層甚至是整個(gè)建筑物造成更大的影響或者是危害。而在水文地質(zhì)勘查過(guò)程中，更需要對(duì)膨脹性巖土進(jìn)行勘查和控制，將其作為特殊的巖土結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)勘查地下水位幅度變化方面上，合理掌握地下水位的變化規(guī)律，只有這樣才能夠合理分析地基的深度。

4 薄基巖下開(kāi)采的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘查

4.1 工程勘查水文地質(zhì)參數(shù)測(cè)定

在工程的勘查過(guò)程中，必須要加強(qiáng)對(duì)水文地質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行綜合測(cè)定，尤其是對(duì)地下水位進(jìn)行重點(diǎn)勘查。一旦施工中發(fā)現(xiàn)含有水底層結(jié)構(gòu)，那么需要對(duì)新發(fā)現(xiàn)的地下水位進(jìn)行綜合測(cè)定，做到一一跟蹤。在地下水位測(cè)定中，需要明確地下水的參數(shù)的穩(wěn)定性和可靠性。應(yīng)用抽水試驗(yàn)法中，必定要根據(jù)工程施工范圍以及施工條件進(jìn)行有效操作。精確掌握地下水位的參數(shù)，對(duì)其基本情況做出分析，以保證水文地質(zhì)勘查結(jié)果的精確性，為后續(xù)工作提供資料。

4.2 增強(qiáng)基礎(chǔ)條件的了解

通過(guò)與相關(guān)單位進(jìn)行合作，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)開(kāi)展工作面的水文條件、地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)等的綜合分析，根據(jù)頂板風(fēng)化情況及頂板壓力確定防砂結(jié)構(gòu)，明確巖石層的賦存條件及富水性。加強(qiáng)對(duì)煤礦礦井結(jié)構(gòu)的觀測(cè)分析，綜合做好資料收集，將采集到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)實(shí)際揭露情況調(diào)整安全煤巖柱的尺寸。而在薄基巖開(kāi)采中，必須要強(qiáng)化工作面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)管理工作，防止由于局部頂板軟弱松脆而出現(xiàn)意外情況。只有強(qiáng)化水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)，才能夠構(gòu)建起煤礦水文動(dòng)態(tài)觀測(cè)及報(bào)警體系，綜合分析水文參數(shù)。除此以外，更需要做好工作面排水情況，加大排水力度，構(gòu)造合理的自流排水體系，避免由于出水惡化而影響到最終的工作環(huán)境，從而影響工作的開(kāi)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，煤炭依然是我國(guó)的主要能源和重要原料，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中仍占據(jù)一半以上，所以現(xiàn)在仍有必要對(duì)煤礦場(chǎng)的情況進(jìn)行詳細(xì)分析，尤其是對(duì)于關(guān)乎煤礦安全生產(chǎn)的有關(guān)制度、設(shè)備等進(jìn)行改進(jìn)完善。首先，要對(duì)煤礦場(chǎng)的頂部和底板進(jìn)行勘查分析，因?yàn)檫@會(huì)涉及相關(guān)人員的安全問(wèn)題；其次，要對(duì)整個(gè)礦石的風(fēng)化程度進(jìn)行勘查分析，如果其風(fēng)化程度會(huì)影響到開(kāi)采，那么就需要制定好相應(yīng)的方案。