煤层底板岩层的渗透特征

尚衍峰,　狄艳丽,　曹思文

(兖州煤业股份有限公司 杨村煤矿, 山东 兖州 272118)



煤层底板岩层的渗透特征

尚衍峰,狄艳丽,曹思文

(兖州煤业股份有限公司 杨村煤矿, 山东 兖州 272118)

为探明不同岩类的岩组渗透性对煤层底板阻水性能产生的影响，通过对16煤层底板主要层位进行伺服渗透试验,分析各底板主要层位的应力-应变、渗透率-应变曲线,研究不同岩石的渗透变化规律，确定了临界抗渗强度和起始渗透率两个重要参数。结果表明：16煤底板泥质岩组、砂岩岩组、灰岩岩组的平均阻水能力换算系数分别为0.031、0.029和0.017。

煤层底板; 底板突水; 临界抗渗强度; 起始渗透率

0　引　言

随着下组煤开采深度增加和强度的增大,水文地质条件也日趋复杂,煤层底板突水的危险性也日益增大[1-2]。多年开采实践证明,煤层底板突水是地质构造、矿山压力、水压和底板隔水层共同影响的结果,其中底板隔水层对于底板突水起到一定的控制作用。煤层开采过程中导致煤层底板隔水层的应力状态发生改变,其渗透状态也随之改变,笔者以杨村煤矿16煤为例,通过对煤层底板主要层位进行伺服渗透试验,分析隔水层的渗透性,对其煤层底板岩层渗透特征进行研究,为今后评价底板突水做了前期准备。

1　矿井概况

杨村井田处于兖州向斜的西部边缘地带,是一个自南而北,由走向北北西至北北东又转为近南北向的单斜构造,煤岩层总体倾向向东,倾角为 3°～10°,最大在15°左右。井田地层系统自上而下分别为:第四系Q、侏罗系J、二叠系P、石炭系C和奥陶系O。主要含煤地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组,煤系和煤层沉积稳定,为华北型含煤建造。含煤地层在井田内起伏不大,小断层发育,在局部区发现岩浆侵入体。矿井主采山西组的3煤和太原组的16煤和17煤。

对矿井开采有影响的含水层主要有第四系下组砂及砂砾层,二叠系山西组3煤顶底砂岩,石炭系太原组第三、十灰岩与本溪组第十三～十四灰岩及奥陶系灰岩。影响下组煤开采的含水层为十灰、十三～十四灰岩及奥陶系灰岩。十灰为16煤的直接顶板,含水性差,对矿井影响较小。第十三～十四灰岩距奥陶系灰岩较近,在断层发育地段,两者间距变小或对接,易通过断层带发生水力联系。奥灰为区域性强含水层,在露头区直接接受大气降水和地表水补给,在隐伏区接受第四系下部水补给,补给来源充分,对煤矿威胁较大。

2　16煤层底板的岩层种类

16煤底板主要有粉砂岩、铝质泥岩、泥岩、薄层中细砂岩、薄层灰岩和煤层等组成,见图1。从力学性质和水稳性特征角度,可将煤层底板岩层划分为为泥质岩类、砂岩类和灰岩类等3个工程地质岩组。其中,泥质岩类主要为粉砂质泥岩、铝质泥岩、铁质泥岩和泥质粉砂岩;砂岩类主要为粉砂岩、细砂岩和中砂岩。

图1　井田下组煤地层柱状简图

3　伺服渗透实验

伺服渗透试验结果表现了岩块由完整到破坏整个变形过程的相应渗透特点,反映了岩石的裂隙发育程度与渗透性的关系。图2a～i为16煤底板主要层位岩块的伺服渗透试验所得全应力-应变过程的应力-应变、渗透率-应变关系曲线;图3a～i为16煤底板主要层位岩块的伺服渗透试验所得全应力-应变过程的渗透率-应力耦合关系曲线。

3.1岩块渗透性-应变关系几何特征

渗透率-应变关系曲线反映了岩块全应力-应变过程渗透性[3-6]随变形变化的基本特点。由图1a～i可以看出,渗透性随变形的变化表现有三个特征段。

① 初期,k-ε曲线呈下降趋势,渗透率达到最低点k0。从岩块变形特点角度来看,最低点k0所对应的应变是岩块由压密变形过渡为剪裂变形的转换点;

② 从最低点开始,渗透率-应变曲线开始由降变升,一直达到渗透率峰值点;在达到峰值前,渗透性随变形增强,且变化幅度较大;达到峰值后,渗透性多表现有随变形呈下降的趋势。全应力-应变过程岩块的渗透率多出现有峰值,渗透率峰值多出现于应变的软化变形阶段,是渗透性变化的分界点。另外,渗透率峰值往往滞后于应力峰值,反映出岩块破坏后渗透贯通通道才出现;

③ 稳定渗透阶段:到了峰值以后,渗透率-应变曲线出现下降并稳定在一定数值水平;这一阶段表现了岩块破坏后的塑性流变阶段,渗透性随变形的变化幅度很小,渗透率基本趋于稳定,反映了破碎岩块在残余强度下的渗透性。

3.2岩块渗透性-应力关系

由图3a～i可看出,不同性质的试验岩样破坏前的渗透率-应力关系曲线在几何形态上相近,其差异主要反映于数值关系上,并且测试过程中个别测点存在测试误差的情况下,所引起的离散对曲线的基本形态不存在影响,渗透率-应力关系的基本模式如图4所示。

由图4可看出,软岩破坏前的渗透率-应力关系的共同特点为:在较低的应力水平时渗透性略微下降,而后渗透性随应力提高而增强。在渗透性增强的过程存在一明显的突变点,其前后渗透性差异较明显,反映在渗透率-应力曲线上,该突变点(km,σm)前后曲线斜率发生明显变化,之后的渗透率-应力近似于线性关系。另外,(k0,σ0),(km,σm)为渗透率随应力变化的2个重要特征点,由此可以界定出岩块破坏前的3个变形—渗透阶段。

图2　应力-应变/应变-渗透率关系曲线

阶段Ⅰ:(σ1-σ3)<σ0,岩块主要产生压密变形,随着应力的增大,原始裂隙范围变小,有的出现闭合,空隙性降低,渗透性下降,岩块阻水能力稍微增强;

阶段Ⅱ:σ0<(σ1-σ3)<σm,剪切变形导致岩块内部产生剪张裂隙性,原生裂隙张开,出现新裂隙,但裂隙之间的联通性相对较差,因此,渗透性虽然显现增强趋势,但渗透强度相对较弱,渗透率表现较低值。与阶段Ⅰ相比,岩块阻水能力稍微减小,但变化幅度不大;总的来说阶段Ⅰ、Ⅱ的岩块阻水能力与岩块原始阻水能力相比无太大变化;

阶段Ⅲ:(σ1-σ3)>σm,从σm开始,渗透率—应力曲线斜率值较前两阶段增大许多,表明剪切裂隙发展增大并相互贯通形成裂隙性渗流通道,最后岩块遭到破坏,裂隙性渗流通道达到最大。岩块阻水能力大幅度减小直到丧失阻水能力。

3.3临界抗渗强度与起始渗透率

临界抗渗强度σm和起始渗透率km是描述岩块变形过程渗透率-应力关系的两个重要参数。其物理意义可表述为导致岩块开始形成裂隙性渗流的临界压力及相应的渗透强度。对于临界压力后的渗透性-应力关系,则可近似描述为

(1)

式中:σ=σ1-σ3、k0、σ0意义见图3。

图3　渗透率-应力耦合关系

图4　渗透率-应力关系曲线一般模式

Fig. 4General pattern of penetration-stress relationship curve

根据杨村井田16、17煤底板不同层位取样进行的伺服渗透试验结果按岩组统计的临界抗渗透强度见表1。

表1煤层底板岩层伺服渗透试验结果

Table 1Servo penetration test results of main rock stratums belong to lower coal seam floor

3.4岩层平均抗渗强度换算系数α

岩层平均抗渗强度换算系数的物理意义为实际条件下每m岩柱能够阻抗的极限水压与伺服渗透试验相应结果的比值:

α=P0/σm,

(2)

式中:P0——底板岩层平均抗渗强度,MPa/m;

σm——岩块的临界抗渗强度,由伺服渗透试验确定,MPa。

为了合理确定岩层平均抗渗强度换算系数,对国内部分矿区底板突水资料进行了系统的收集整理,对比分析了相关压力水头与岩层厚度、岩石力学强度的关系特点,确定16煤底板不同岩组的平均阻水能力换算系数:泥质岩组为0.031,砂岩岩组为0.029,灰岩岩组为0.017。

4　结　论

(1)根据杨村煤矿16煤层底板主要岩层伺服渗透试验所得的渗透率-应变关系曲线,分析了各岩层在应力作用下的渗透特征,表现了岩块由完整到破坏整个变形过程的相应渗透特点,反映了岩石的裂隙发育程度与渗透性的关系。

(2)确定了杨村煤矿临界抗渗强度和起始渗透率两个重要参数,岩块渗透性达到应力σm时发生突变反映出其内部结构出现了质的变化,剪切裂隙相互贯通,裂隙性渗流通道基本形成,岩块阻水能力也随之发生突变。

(3)确定16煤底板不同岩组的平均阻水能力换算系数为:泥质岩组0.031,砂岩岩组0.029,灰岩岩组0.017。

[1]施龙青, 韩进. 煤层底板突水机理研究[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2004: 6-12.

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[3]尹会永, 魏久传, 徐建国, 等. 应力作用下煤层底板关键隔水层渗透性分析[J]. 煤炭工程, 2009(10): 74-76.

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(编辑李德根)

Analysis on seepage features of rocks from coal floor

SHANGYanfeng,DIYanli,CAOSiwen

(Yangcun Coal Mine, Yanzhou Mining Group Company, Yanzhou 272118, China)

Aimed at addressing the different effect on resistance ability of coal floor water-inrush produced by different seepage of various kinds of rocks, this paper studies the law governing the changes in seepage on different rock layer of the coal floor by analyzing the curve relation between stress and strain and that between penetration coefficient and strain, based on the test of seepage on rock under the 16th coal layer in Yangcun coalmine and offers the two crucial parameters, such as critical strength of anti-seepage and the initiative penetration coefficient. The results show that mudstone, sandstone, and limestone have the average conversion coefficient of resistance ability of water-inrush of 0.031 , 0.029 , and 0.017 respectively.

coal floor; water-inrush; critical strength of anti-seepage; initiative penetration coefficient

2013-05-30

尚衍峰(1969-),男,山东省兖州人,高级工程师,研究方向:矿井地质及水文地质,E-mail:syf3454115@126.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.020

TQ018

1671-0118(2013)04-0394-04

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