深部矿井底板岩体阻水性高压注水试验

姜春露，张胜军，丁亚恒

(1.安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601；2.河南能源化工集团永煤公司，河南 永城 476600)

随着矿井往深部延伸，煤炭开采受下伏高承压水威胁越来越严重。煤层底板岩层是阻隔下部岩溶水进入采掘空间的一道屏障，其阻水性能成为底板水害防治的关键问题[1-2]。因此，研究深部岩体阻水性具有重要的工程意义。高压注水试验不仅真实反映岩体渗透特性，还可以评价各类岩体抵抗水力劈裂破坏临界压力值大小，并为评价工程的安全性提供依据[3-4]，在水利工程得到一定的应用[5-7]。近几年来，高压注水试验应用到深部矿井，如在兖州矿区开展了断层岩体和完整底板岩体渗透性测试，获得了较好的结果，有效指导了煤底板水害防治工作[8-12]653-657。到目前为止，永城矿区尚未开展底板岩体阻水性测试工作，尤其是深部岩体阻水性尚无现场实测资料。鉴于此，本文以永城某矿深部二2煤层底板三个层位岩体为研究对象，开展了分段高压重复注水试验，其目的研究底板岩体的导渗参数和渗透性特征，为矿井水害防治提供一定依据。

1 现场注水测试

1.1 地质背景

研究矿井位于永城境内，主采二2煤层，位于二叠系下统山西组中部。随着矿井生产能力的提高和服务年限增加，矿井的开采范围不断扩大，矿井开采水平逐渐由一水平向二水平过渡，主采煤层埋深最大将超过850m。测试地点位于该矿二水平南翼胶带大巷西段，底板为二叠系底部和石炭系地层，主要岩性为粉细砂岩、砂质泥岩和灰岩。胶带大巷北部21105对拉工作面实测结果表明，底板破坏深度不超过27m[13]。本次底板岩体阻水性测试深度控制在二2煤层底板垂深43m左右，测试点位置如图1所示。

图1 测试孔布置

1.2 测试方案

结合底部岩层结构，将二2煤底板岩层分成3个测试层段，岩组划分如图2所示。本次测试共布设C1和C2两个钻孔，两孔水平间距为4.7m，分别开展第一、第二和第三测试段岩体注水试验。

图2 注水测试层位及顺序

钻孔施工时，首先大口径开孔，钻至设计深度后停钻安装孔口管，用水泥水玻璃双液浆固管并进行耐压测试，确保10MPa压力下无泄漏和破坏现象。满足要求后钻进至设计孔深。成孔后，安装水压表、水压传感器和流量记录仪，并用高压水管连接注水泵。完成以上步骤后，启动注水泵对C1孔进行注水，并对C2孔进行水压监测。

第一和第二段注水时，C1孔为注水孔，C2孔为监测孔；第三段注水时，C2孔为注水孔，C1孔为监测孔。每段注水时均进行了初次注水和重复注水试验，注水时，采用不同压力梯度稳压注水的方法进行注水，数据采集仪30s采集一次数据。测试过程中，对注水压力、注水流量及监测水压进行观测记录。

2 试验过程与结果分析

2.1 注水试验过程

1)第一段注水试验。在初始注水过程中，虽然注水水压和流量均波动较大，但监测孔水压增加却非常缓慢，且最大值仅为0.10MPa。重复注水时该段监测孔水压比初次压渗增长还慢，而且最大值更小，仅为0.086 MPa，但流量的变化幅度比初次注水时明显升高。从整个注水过程中注水孔和监测孔水压变化来看，该段细砂岩的阻水性很强，两次注水过程中基本都没有产生裂隙贯通现象(见图3)。

(a) 初次注水

2)第二段注水试验。本段注水水压最大达12MPa。在初次注水前49min，注水水压和流量均波动较大，但监测孔水压基本稳定，最大值仅为0.07MPa；49min后，监测孔水压明显增加，在60.7min左右增加到最大值0.16 MPa。重复注水时也具有类似的变化规律，但监测孔水压明显变化时间提前，在前11.7min就明显增加，注水流量也呈同步增加的变化规律。从整个注水过程曲线来看，本段粉砂岩比第一段细砂岩阻水能力要强(见图4)。

(b) 重复压水图4 第二段注水过程曲线

3)第三段。在初始注水过程中，虽然注水水压和流量均波动较大，但监测孔水压基本呈非常缓慢的增长，一直到近20min后才发生明显增加的变化趋势，且最大值为2.50MPa。重复注水时该段监测孔水压比初次注水增长迅速，从22.5min开始呈阶梯式增加，而且最大值更大，达9.62MPa，且流量的变化幅度比初次明显升高。从注水过程曲线来看，本段砂质泥岩比前两段细砂岩和粉砂岩阻水能力稍弱，且在重复注水条件下阻水能力降低明显(见图5)。

(a) 初次压水

(b) 重复压水图5 第三段注水过程曲线

2.2 岩体阻水参数特征

1)起始导渗条件。为量化评价测试段岩体的起始渗透条件，取初次注水时监测孔水压和注水流量明显显现随注水压力变化的点作为起始渗透特征点(见图3～图5)，将该点对应的注水压力定义为起始导渗水压Pw0(简称为起始水压)。由此可以确定底板三个测段岩体的起始导渗水压力，并据其能够确定表征各测试段渗透条件的阻水参数(见表1)。由表1可明显看出底板不同层位岩体阻水性均较强，起始导渗水压在7.5MPa以上，而监测孔水压均相对较小，反映出渗流通道以微细裂隙网络为主，由此导致测试岩体渗流阻力较大和渗流不畅。

2)稳态导渗条件。在初次注水试验过程中，测试段起始导渗后继续提高泵压至一定水平，测试段裂隙产生一定的扩展后，监测孔水压和注水流量会随之相对保持稳定(见图3～图5)。如将此过程考虑为稳态渗流，所对应的最大稳定水压定义为稳态水压，则稳态水压与相应的测试孔水压、注水流量的关联特点能够反映测试段在这一压力水头下的导渗条件。表2所列为底板三个测试段岩体初次注水过程稳态渗流状态的阻水参数。

处于稳态渗流并不意味着测渗段岩体发生了结构性的破坏，而是由局部压裂损伤而导致的导通性渗流。测试结果表明，完整底板岩体原始状态不导渗，三个测试段的起始导渗水压均较高，在7.50MPa以上，抗渗阻力在2.50MPa/m以上。以形成稳态渗流的水压条件对比，三个测试段仍比较接近。表明在相应的注水压力下，此时的渗流通道的贯通程度仍相对较低，需要在较高的水压梯度下才能形成实际的渗流状态。

表1 岩体起始渗流参数

表2 岩体稳态渗流参数

2.3 岩体渗透性特征

可以利用注水流量达到稳定状态时注水孔压力和测试孔水压的关系来计算岩层的渗透系数，具体计算公式为[11]654

(1)

式中：Q为注水流量，m3/h，R为注水孔与测试孔间距，m；a为注水孔半径，m；L为测试段长度，m；HP0为注水孔内的水头高度，m；HP为测试孔内的水头高度，m。

利用公式(1)计算出本次高压注水试验过程中底板岩体渗透系数(见图6)。

(a) 第一段

(b) 第二段

(c)第三段图6 煤层底板岩体渗透性随时间动态变化

二水平深部煤层底板三个测试段岩体初次注水和重复注水过程中渗透系数变化曲线如图6所示。总体反映出重复注水的渗透系数比初次注水时偏大，符合高压注水的一本规律。各次注水渗透系数最大值统计如表3所示。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-2008)附录F岩土渗透性分级标准[14]，表3中最大值为8.936×10-6cm/s，均属于微透水及以上级别。渗透系数计算结果反映出该矿二2煤底板岩体阻水能力均比较强。

表3 底板岩体渗透系数极值统计

3 结论

1)该矿二2煤层底板三个测试段岩体均具有较强的阻水能力，在起始渗流条件下，抗渗阻力在2.50～3.83MPa/m；稳态渗流条件下阻水能力在2.83～3.67MPa/m，且稳态渗流仅仅是微细裂隙渗流，渗流通道的贯通程度仍相对较低。

2)从渗透系数来看，初次注水和重复注水时，细砂岩和粉砂岩变化不明显，高压水扰动并未显著改变该层位岩体渗透性；而砂质泥岩段在重复注水时渗透性有一定程度的增强，但在10MPa以上的高压注水条件下，渗透系数仍属微渗范围，岩体仍具有一定的阻水性。

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