*陈晓奇 闫凯敏
(1.山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局 山西 030045 2.沁和能源集团有限公司 山西 048200)
候村煤矿位于晋城市沁水县,地处太行山南段西侧,沁水煤田南部边缘,煤系地层主要为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组,其3号煤层可采资源即将枯竭,15号煤层为下一步开采的主要煤层,开采面临的最大问题是来自煤层基底奥灰岩溶含水层的威胁,全井田范围内15号煤层都处于奧灰水带压状态,且煤层底板距奥灰顶面在17-35m之间,隔水层厚度薄;煤层底板承受水压值在1.69-2.47MPa之间,带压水头压力大。而候村煤矿在水文地质单元上位于延河泉域北部径流区,井田内奥陶系含水层富水性变化较大,平面上具有富水不均一性,垂向上有“上弱下强”的分布规律,可分为峰峰组、上马家沟组、下马家沟组三个层段,峰峰组岩溶裂隙不发育,富水性弱,上、下马家沟组富水性强,因此,为了尽早实现矿区15号煤层带压安全开采,当务之急是对候村煤矿奥陶系中统峰峰组相对隔水层段进行研究。
候村煤矿奥陶系中统峰峰组分为上下两段,峰峰组上段主要为硬质石灰岩,渗透性较差,可以构成奥陶系灰岩中的相对隔水层;峰峰组下段主要为中厚层状石灰岩,含泥质石灰岩,可溶性较好。为了了解峰峰组上部岩性渗透特性,测定岩体透水率,候村煤矿补充地质勘探HC51、HC62号钻孔对峰峰组上部进行了分段压水试验,选择水压式双段止水栓塞,在同一钻孔取固定厚度孔段作为一个压水试验段,取得岩层随试段变化的透水率和渗透系数,对峰峰组上部相对隔水层段的划分具有重要意义。
压水试验是根据岩体吸水量计算了解岩体裂隙发育情况和透水性的一种原位试验,用专门的止水设备把一定长度的钻孔试验段隔离出来,然后用固定的水头向这一试验段压水,水通过孔壁周围的裂隙向岩体内渗透,最终渗透的水量会趋于一个稳定值,根据压力水头、试段长度和稳定渗入水量,可以判定岩体透水性的强弱。
HC51与HC62号孔压水试验压力采用五点法进行,调节回水阀门使压力尽可能接近每一个阶段设计压力,每2min记录一个流量,每一个压力阶段不少于5个数据,当连续四个流量达到5次计数的相对流量差不大于10%,或绝对差不大于1L/min,即可进行下一级压力的试验。同时填写压水试验记录表并进行岩体透水率计算,绘制P-Q(即压力-流量)曲线并判断曲线类型,从而分析试验的准确性。
透水率计算:
试段透水率采用第三阶段的压力值(P3)和流量值(Q3)计算:
式中,q—试段的透水率(Lu);Q3—第三阶段计算流量(L/min);L—试段长度(m);P3—第三阶段试段压力(MPa)。
渗透系数计算:
对渗透性较小,假设含水层为层流型时可用计算公式如下:
式中:K—岩体渗透系数(m/d);Q—压入流量(m3/d);H—试验段水头值(m);L—试段长度(m);r—钻孔半径(m)。
止水栓塞:采用水压式双段止水栓塞,栓塞长度0.8m。
供水设备:采用水泵作为试段供水设备,其压力稳定,出水均匀。
量测设备:压力表采用量测范围为6MPa压力表;流量表采用最大承受压力为6MPa电子流量表,其反应灵敏,质量可靠。
其他设备:止水栓塞打压采用手动式液压泵;止水栓塞连接打压泵采用专用水管,可承受较大压力;使用钻杆作为栓塞的工作管,钻杆内径与接头内径一致;供水设备与钻杆采用高压水管相连接。
试段钻孔孔径:HC51、HC62号钻孔试段孔径均为127mm。
压力阶段:HC51号钻孔采用五点法进行,其值分别为0.3MPa-0.6MPa-1.0MPa-0.6MPa-0.3MPa五个阶段。
HC62号钻孔采用五点法进行,其值分别为1.0MPa-1.5MPa-2.0MPa-1.5MPa-1.0MPa五个阶段。
试段压力值:采用安设在进水管的压力计测压,试段压力计算公式为:
P—试段压力(MPa);Pp—压力计指示压力(MPa);Pz—压力计中心至压力计算零线的水柱压力(MPa);Ps—管路压力损失(m)。
HC51号钻孔压水试验时水位埋深115m,故其Pz值为1.15MPa。HC62号钻孔压水试验时水位埋深68m,故其Pz值为0.68MPa,
由于钻杆内径与接头内径一致,计算的管路压力损失值在10-3级,故Ps值采用0。
试段长度:采用水压式双段止水栓塞,上下两个止水栓塞中间止水段为5.85m。
HC51、HC62号钻孔绘制了各试段P-Q曲线,确定了P-Q曲线类型及计算了试段透水率和渗透系数。
HC51号钻孔355.64m-384.98m段压水试验成果如下:
表1 HC51号钻孔透水率计算结果表
表2 HC51号钻孔渗透系数计算结果表
由以上成果得出,HC51号钻孔355.64m-380.29m试段P-Q曲线类型可近似看做层流型,379.14-384.89m试段P-Q曲线类型为扩张型。证明HC51号钻孔从约379m以下岩石渗透特性发生变化,随着压力的增大,流量呈几何倍数增加,而HC51号钻孔盐化测井成果峰峰组含水层位于373-399.70m,钻进过程中该段消耗量也明显增大,与其结果互相验证,证明HC51号钻孔约373m-379m以下相对隔水性能较差,373m-379m以上相对隔水性能较好。
HC62号钻孔283.29m-316.04m段压水试验成果如下:
表3 HC62号钻孔透水率计算结果表
表4 HC62号钻孔渗透系数计算结果表
由以上成果得出,HC62号钻孔283.29-316.04m试段P-Q曲线类型基本均为层流型,随着试段深度的加深,305.79m之后渗透系数明显增大,钻进过程中该段消耗量也明显增大,与其结果互相验证,证明HC62号钻孔约305m以下相对隔水性能发生改变。
通过在候村煤矿补充地质勘探中压水试验方法的应用,证明该方法不仅适用于水利水电、坝基、桥梁隧道等工程地质勘查中,同时,也可以在煤炭地质勘查中对其进行应用,压水试验简单易行,适应性强,在地下水位以上和以下均可进行,也可应用于较深的孔段,通过压水试验能了解岩体透水性在空间的分布变化,对判断相对隔水层的分界具有重要意义。