奥陶系灰岩顶部作为煤层底板隔水层的可利用性研究

王 皓 罗安昆 董书宁 刘其声

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077； 2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西省西安市，710077)

目前,我国华北型煤田已进入下组煤开采阶段。华北石炭—二叠系煤田基底为奥陶系岩溶含水层，煤层底板距离奥陶系顶部较近，在煤矿开采过程中，常因为断层与陷落柱的导通而造成突水。同时，奥陶系岩溶水作为华北地区重要的供水水源，总储量大，补给条件好，应用传统的疏水降压进行安全回采难以实现，且从水资源保护角度考虑，这样也造成严重破坏。为贯彻落实“增加煤层底板隔水层厚度”的奥灰水防治技术思路，实现华北下组煤安全开采，学者们开展了相关研究，白海波等人通过分析各岩层的渗透特征和富水性差异论证了奥灰顶部相对隔水层的存在；李文平等人利用东滩煤矿揭露奥灰的地质钻探资料和地质水文试验，确定奥灰顶部隔水层的厚度。尽管学者们论证了奥灰顶部相对隔水层的存在，但对于奥灰顶部相对隔水层的可利用性未做深入研究，基于此，在收集和整理大量资料的基础上，进行室内试验和现场测试，得出了相关结论。

1 奥灰顶部风化充填带地层的形成与演化

华北地区从奥陶系中统开始沉积之后，到中石炭统本溪组地层沉积之前，在大约一亿年的地质年代中，受构造运动影响，奥陶系地层被抬升至地面，在长期风化剥蚀作用下，地层顶部古风化岩溶裂隙逐渐发育，并形成古剥蚀面。通过兖州等矿区奥陶系灰岩顶面等高线所反映的趋势可以看出，奥灰顶部溶蚀、剥蚀面起伏不平，如图1所示。

图1 兖州矿区奥灰顶界面埋深等值线图

在奥陶系地层被抬升至地面形成古风化岩溶裂隙的同时，又遭受灰岩风化物及后续沉积的本溪组铝土泥岩等泥质成分充填，在上覆地层的重力作用下逐渐压密填实。在这些充填区域中，被灰岩风化物或者粗碎屑充填而形成相对富水的充填体，而被本溪统铝质泥岩充填则富水性较弱。

通过对华北型煤田各矿区奥灰顶部资料收集、分析，认为充填物成分与上覆地层岩性有密切关系，在埋藏岩溶区，上覆地层若为第三系红粘土，在灰岩表面溶隙与坑槽中多为红土充填；上覆地层若为本溪组铝土岩时，下部灰岩溶隙和坑槽中则被铝土岩充填。方解石充填一般在灰岩上部0～50 m之间的坑槽和溶隙中；石膏多充填在裂隙中，沿垂直、顺层裂隙进行充填，石膏结晶体为白色纤维状，峰峰组下部较多，以全充填为主；铁质充填在中奥陶统顶部古岩溶接触带，沿裂隙及古漏斗洼地充填，以全充填为主。从充填物成分看，垂直变化有如下规律：古岩溶面以下多为粘土或上部沉积的碎屑物所充填，如济宁煤田A6-10号孔灰岩顶界面以下为绿色泥岩，与上覆地层有关。随着深度和地下水运动条件的变化，填充物亦有所不同，深度越大或地下水运动滞缓地带，充填物多为方解石晶体。通过对钻孔资料和充填物成分的分析，绘制了奥灰顶部风化带厚度等值线图，如图2所示。

图2 奥灰顶部风化带厚度等值线图

由图2可以看出，华北型煤田普遍存在奥灰顶部风化充填带，厚度一般在20～70 m，相对稳定。奥灰顶部风化充填带的稳定厚度是其作为华北型煤田底板隔水层可利用的先决条件。

2 岩石强度和渗透系数试验研究

将奥灰顶部风化充填带作为隔水层加以利用，除了具有稳定厚度外，还必须满足两个条件。第一，该层段应具有抵抗底板奥灰水压冲击的性能，即强度；第二，该层段应具有一定的抗渗性，即阻水能力。

为定量化研究煤层底板奥灰顶部风化充填带岩层的可利用性，本次研究通过在典型矿区山西省晋城矿区奥陶系顶部风化带采取灰岩岩样，测试其岩石力学强度及渗透特性，并与该矿区煤层底板太原组粉砂岩及本溪组泥岩隔水层进行对比研究。试验采用国际领先的MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统进行岩样测试，岩石试件是采用完整岩块经钻、切、磨等方法制备成的ø50 mm×100 mm标准试件，见图3。通过对岩石试件施加不同的围压、轴压及渗透水压，测试岩体强度与渗透性能。

图3 岩石试样实物图

2.1 岩石强度试验

岩石强度采用三轴压缩试验方法，测试了不同围压条件下三类岩石试件的三轴抗压强度，测试结果见表1。

表1 不同围压条件下三类岩石试件三轴抗压强度测试结果

将围压为10 MPa条件下太原组粉砂岩、本溪组泥岩及奥陶系顶部灰岩的抗压强度进行了对比，结果如图4所示。

图4 围压为10 MPa条件下不同岩性抗压强度对比

由图4可见，在围压相同的条件下，奥陶系顶部灰岩的三轴抗压强度为175 MPa，略低于太原组粉砂岩的189.2 MPa，但明显高于本溪组泥岩的85.2 MPa。

奥陶系顶部灰岩试样三轴抗压强度与围压的关系如图5所示。

图5 奥陶系顶部灰岩试样三轴抗压强度与围压的关系

由图5可知，在奥陶系顶部灰岩试样三轴抗压强度测试过程中，抗压强度随围岩压力的增加而显著增加。当围压由5 MPa增加至30 MPa时，灰岩试样的抗压强度由120.98 MPa增加至283.52 MPa。由于围压的大小受地层埋深影响，可以推断，随着奥灰顶部埋深的增大，奥灰顶部地层阻抗水压的能力也将进一步增强。

2.2 岩石渗透性试验

岩石渗透性测试主要包括稳态和瞬态两大类方法。其中稳定法主要依据达西定律中的渗透性原理，利用岩体中渗流速度的试验数据计算岩体渗透性，通常用于渗透性较强的岩体；瞬态法是一种非稳定条件下岩体渗透性的测试方法，当岩体渗透性较低时，常选用瞬态法进行试验。本次研究采用瞬态法，通过试验系统配套的渗透压力加压、测量及控制装置，可以精确地测试和控制试件两端的渗透压力，进而测算出岩块的渗透系数。渗透系数测试成果见表2。

表2 不同岩性岩样渗透性测试结果

本次研究将围压在10 MPa条件下太原组粉砂岩、本溪组泥岩及奥陶系顶部灰岩试验测得的渗透系数进行了对比分析,结果如图6所示。

图6 围压为10 MPa条件下不同岩性渗透性对比

由图6可见，在围压均为10 MPa的条件下，奥陶系顶部灰岩的渗透系数为1.44×10-5m/d，尽管渗透性高于太原组粉砂岩的5.65×10-6m/d及本溪组灰岩的6.65×10-7m/d，但根据岩体透水性等级划分，仍属于极微透水，如表3所示，可见奥灰顶部风化充填带地层与其上方的煤系砂岩及泥岩隔水层均具有较好的阻水性能。

表3 岩体透水性等级划分表

奥陶系顶部灰岩试样渗透系数与围压的关系见图7。由图7可知，在奥陶系顶部灰岩试样渗透性测试过程中，试样的渗透性随围岩压力的增加而显著降低。当围压由5 MPa增加至30 MPa时，灰岩试样的渗透系数由7.22×10-5m/d降低至9.51×10-7m/d。可以推断，随着奥灰顶部埋深的增大，奥灰顶部地层的阻水能力也将进一步增强。

图7 奥陶系顶部灰岩试样渗透系数与围压的关系

通过对奥陶系顶部灰岩试样与煤系隔水层中粉砂岩和泥岩的岩石强度、渗透系数的测试对比，验证了奥灰顶部风化充填带在沉积及充填作用下，作为华北型煤田底板隔水层的可利用性。

3 现场试验研究

为了进一步证实室内试验所得的结果，验证奥灰顶部风化充填带作为隔水层的可利用性，在华北型煤田典型煤矿区晋城成庄煤矿开展奥灰顶部风化充填带渗透性能现场原位测试，针对该矿奥灰顶部40 m范围进行压水试验，测试各段压水量，以计算其透水率及渗透系数。

透水率由下式计算：

(1)

式中：q——试验段的透水率，Lu；

Q——压入流量，m3/d；

P——作用于试段内的全压力，MPa；

L——试段长度，m。

渗透系数计算公式如下：

(2)

式中：K——岩体渗透系数，cm/s；

H——试验段水头值，m；

r——钻孔半径，m。

压水试验计算成果如表4。

表4 峰峰组顶部压水试验段渗透系数计算表

图8 奥灰顶部压水试验段渗透系数计算图

经总结，奥灰顶部前40 m地层的透水率为0.031292～0.079809 Lu，渗透系数为3.96×10-7～8.49×10-7cm/s。参照表3的岩体透水性等级划分标准，本钻孔进入奥灰顶部40 m测试段属极微透水。从计算的结果来看，该段渗透系数很小，考虑到水压力在管路中具有一定的损耗，但即便将其考虑在内，渗透系数的数量级依然在10-4，可见测试段岩层的总体渗透系数极其微弱。

4 结论

(1)奥灰顶部风化充填带地层的形成演化规律及分布状况，是作为相对隔水层应用的重要依据，针对华北型煤田调研结果绘制了奥灰顶部风化带厚度等值线图，表明该层位普遍存在且厚度稳定，为开采下组煤的防治水规划和设计提供了支撑。

(2)通过室内试验对奥陶系顶部灰岩试样与煤系隔水层中粉砂岩和泥岩试样的定量化测试，结果表明奥陶系顶部灰岩岩石强度和渗透系数指标均不逊于煤系隔水层中粉砂岩和泥岩，且当深度增加、围压增大时，奥陶系顶部灰岩岩石强度随之增大，渗透系数随之减小，证实该层位可以作为相对隔水层加以利用。

(3)在华北型煤田典型煤区晋城成庄煤矿，针对奥灰顶部风化充填带进行压水试验，岩体透水性测试结果为极微透水，进一步验证了奥灰顶部作为隔水层的可利用性。

[1] 董书宁,刘其声. 华北型煤田中奥陶系灰岩顶部相对隔水段研究[J]. 煤炭学报,2009(3)

[2] 武强,张志龙,马积福. 煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ——主控指标体系的建设[J]. 煤炭学报,2007(1)

[3] 白喜庆,白海波,沈智慧. 新驿煤田奥灰顶部相对隔水性及底板突水危险性评价[J]. 岩石力学与工程学报,2009(2)

[4] 白海波. 奥陶系顶部岩层渗流力学特性及作为隔水关键层应用研究[J]. 岩石力学与工程学报,2011(6)

[5] 张乐中. 煤矿深部开采底板突水机理研究[D].长安大学,2013

[6] 中华人民共和国行业标准编写组．水利水电工程钻孔压水试验规程(SL31-2003) [S].北京:水利电力出版社,2003