基于压渗试验的城郊煤矿深部二水平区域底板岩层阻渗性能研究

王 伟，戴 磊，段李宏

(河南能源化工集团永煤集团股份有限公司，河南 永城 476600)

水害事故是煤矿五大灾害之一[1-2]，严重威胁煤矿安全生产，特别是近两年水害事故多发[3]，给煤矿造成了严重的损失。岩溶高承压水突水是煤矿水害事故中较为常见的类型，随着煤矿开采深度的延伸，煤层底板承受的岩溶承压含水层水压及地应力持续增大，矿井受水害威胁程度越来越严重。从采动底板突水的力学机制角度考虑[4-7]，当煤层底板受岩溶承压水影响时，工作面能否安全回采主要取决于构造条件、有效隔水厚度、有效隔水能力，同时与隔水层岩层组合、完整程度及其隔水性能等关系密切。防治底板突水的关键研究对象是底板安全隔水层，其阻渗能力是评价水害防治效果的重要指标，因此确定煤层底板岩层阻渗能力具有重要的意义。

目前，煤矿开展了大量煤层底板承压水突水的研究[8-9]，主要有相对隔水层、突水系数法、“下三带”和“下四带”理论、“关键层”理论等。其中，多数矿井采用突水系数来反映水压和安全隔水层厚度的比值，并以此作为评价工作面底板水害治理效果的量化指标。《煤矿防治水细则》指出：对构造扰动底板区域的临界突水系数为0.06 MPa/m，正常区域的临界突水系数为0.10 MPa/m，该临界突水系数取值是基于国内大水矿山底板突水实例统计、分析所得到的一个经验数据。城郊煤矿由于尚未开展煤层底板岩层阻水能力的试验，阻渗性能多使用该经验数据进行评价，技术上存在可靠性不足的问题。因此，研究城郊煤矿深部二水平煤层底板岩层的阻水能力，获取其阻渗性评价的实测数据[10-15]，可为矿井水害治理效果评价提供更为准确的依据。

1 现场压渗试验

1.1 压渗试验方法

采用双孔法进行现场压渗测试，其原理及装置如图1所示。

图1 钻孔压渗测试原理及装置图

在矿井深部二水平合适地点施工2个平行钻孔，分别作为注水钻孔和水压测试孔，通过测试岩层形成的低阻渗流的水压力条件，得到天然水动力场条件下底板岩层的渗透率及岩层单位厚度的抗渗透破坏强度，为底板阻渗性评价提供量化依据。注水过程中，通过观测注水压力、注水流量及测渗水压值等参数，可换算获得底板不同深度岩组的阻渗强度和渗透系数等量化参数。

1.2 压渗试验渗透系数基本原理

根据压渗试验收集到的注水钻孔水压、测压孔水压等数据计算每段岩层导渗状态下的渗透系数[16-17]，假定测试段的渗透性各向同性，且压渗过程水流近似为径流。压渗试验原理如图2所示。压渗过程在流量和压力达到相对稳定状态时，任意过水断面上的总流量均相等，例如对于距离压水孔r和R的2个过水断面有QR=Qr。

(a)平面图

根据达西定律有：

2πrkIrL=2πRkIRL

(1)

(2)

距离压水孔r处的压力增量为：

dHp=Irdr

(3)

对于压水孔和测渗孔之间有：

(4)

将式(2)代入式(4)中得到：

(5)

Hp0-Hp1=RIR(lnR-lna)

(6)

则可得到IR的计算公式：

(7)

将式(7)代入式(1)整理得：

(8)

则可求得渗透系数的计算公式：

(9)

式中：k为测试段渗透系数,cm/s；Q为压水孔流量，cm3/s;R为压水孔、测渗孔间距,m；a为压水孔半径,m；L为测试段长度,m；p0为压水孔水压,MPa；p1为测渗孔水压,MPa；Hp0为压水孔压力水头,m；Hp1为测渗孔测试压力水头,m。

1.3 压渗试验方案

现场压水试验选择在城效煤矿二水平南翼胶带大巷西段进行，根据邻近的补8钻孔资料显示，煤层底板主要由细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、灰岩组成，其中太原组上段灰岩承压含水层上距二水平二2煤底板的平均距离为45.45 m。本次主要对二2煤与太原组上段L11灰岩含水层间的隔水岩层开展现场压渗试验，收集相关数据,计算相关岩层阻渗性能的准确数据，为城郊煤矿深部二采区煤层水害治理效果评价提供依据。

根据煤层底板岩层发育情况分成3段进行测试，测试岩组划分如表1所示。

表1 二水平南翼胶带大巷底板阻渗性能测试岩组划分

现场测试深度为距煤层底板垂深29 m左右，即进入第3测试岩组砂质泥岩6 m左右。为此，本次在SYP21测点两侧布设2个测试钻孔，其中C4#孔与该测点距离2.7 m，C5#孔与该测点距离2.0 m。压渗试验钻孔布置如图3所示，钻孔设计参数如表2所示。

(a)平面图

表2 城郊煤矿完整底板阻渗性能测试钻孔设计参数

1.4 试验步骤

1)第1、第2测试段岩层压渗测试。在C5#孔分别距孔口15、32 m位置安装水压力探头一个，量程为6 MPa，然后安装法兰盘进行密封；在C4#孔施工至15、32 m处分别进行压水，C5#孔作为测压孔进行水压观测。压水先采用恒定压力注水，压力等级依次为0.5、1.5、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 MPa等。在低压恒定压力试验完成后，采用变换流量的方法，逐级增加流量至最大，再逐级减小流量至0。每一压力梯度及流量阶梯压水持续时间20 min左右，连续记录压水的流量、C4#孔的压力及C5#孔的感应压力。

2)第3测试段岩层压渗测试。完成第1、第2测试段试验后，在C5#孔内下入ø89 mm的孔口管36.5 m，然后在固管凝固后钻进至45 m。首先在C4#孔中距孔口42 m处安装水压力探头一个，然后采用特制的法兰盘进行密封。将C5#孔与压水泵连接压水，利用C4#孔进行水压观测。与前2个测试段相同，连续记录C5#孔的压力、压水的流量、C4#孔监测水压。全部试验结束后，将C4#孔中的水压力探头取出，对2个测试孔进行注浆封孔即可。

2 压渗试验结果

2.1 第1段细砂岩测试结果

根据观测数据绘制第1测试段初次和重复压渗过程中注水水压、注水流量、测压孔水压随时间变化关系曲线，如图4所示。由于测压孔水压数据相对压水孔水压过小，制图时将测试水压数值放大10倍。

(a)初次压渗

由图4可知，在初次压渗整个过程中，由于套管存在密封不良部分，导致压水水压不能持续升高。虽然注水水压、流量有较大波动，但对应的测压孔水压基本呈非常缓慢的增长态势，最大值仅为0.10 MPa；重复压渗期间测压孔水压比初次压渗增长速度还慢，而且最大值仅为0.086 MPa，较初次压渗更小，但流量的变化幅度有了明显升高。总体表现出该段细砂岩的阻渗性很强，2次压渗都没有导通现象发生。

2.2 第2段粉砂岩测试结果

第2测试段初次和重复压渗过程中注水水压、注水流量、测压孔水压随时间变化关系曲线如图5所示。

(a)初次压渗

由图5可知，第2测试段前49 min压渗过程中的注水水压、注水流量出现较大波动，但测压孔水压增长非常缓慢，最大值仅为0.07 MPa；49 min之后，测压孔水压明显增大，在60.7 min时增大到最大值1.64 MPa，水压增大了1.57 MPa，表明岩层并未形成渗流通道。重复压渗期间，压渗11.7 min后测压孔水压开始明显变化，水压变化时间明显缩短，压水流量基本呈同步增大的变化规律，测压孔水压最大值仅为1.72 MPa，说明经过初次压渗后钻孔间岩体裂隙发生了一定的扩张，但监测水压变化很小，说明岩层仍具有较强的阻渗能力。

2.3 第3段砂质泥岩测试结果

第3测试段初次和重复压渗过程中注水水压、注水流量、测压孔水压随时间变化关系曲线如图6所示。

(a)初次压渗

由图6可知，在初次压渗过程中，虽然注水水压、注水流量均波动较大，但测压孔水压基本呈非常缓慢的增长态势，20 min后明显增大，最大值达到2.50 MPa，表明岩层尚未形成连通通道；重复压渗时测压孔水压从压渗22.5 min开始呈跨越式增大，当注水压力增大至11.02 MPa时，监测孔水压最高达到9.62 MPa，表明测试段被压裂导通。

从以上3段测试岩层的压渗过程来看，与初次压渗相比，重复压渗过程测压孔水压变化时间明显提前，说明初次压渗后测试段岩层的阻渗能力有一定的降低；细砂岩、粉砂岩测试段经2次压渗后仍具有较强的阻渗能力，岩层具有较强的隔水能力，但砂质泥岩在重复压渗后被压裂导通。

2.4 岩层导渗参数特征

为量化评价测试段的起始渗透条件，取测渗孔水压和压渗流量明显随注水压力同步变化的点作为起始渗透特征点，将该点对应的注水压力定义为起始导渗水压pw0。并由此确定完整底板3个测试段的起始导渗水压和表征各测试段渗透条件的相关参数，如表3所示。

表3 实测获得的底板3个不同深度压渗段起始导渗条件参数

由表3可知，煤层底板岩层阻渗性相对较强，起始导渗水压达到7.50 MPa，测压孔水压均仅有0.30 MPa，说明岩层以微细裂隙网络为主要渗流通道，表现出岩层渗流不畅和渗流阻力较大的特点。

在压渗试验过程中，当持续提高测试段起始导渗水压后，岩层裂隙产生一定的扩展，测压孔水压、压渗流量逐渐保持相对稳定。3个测试段初次压渗过程稳态渗流状态的导渗条件参数如表4所示。

表4 实测获得的完整底板3个测试段初次压渗过程稳态渗流条件参数

煤层底板岩层处于稳态渗流并不能说明岩层被压通，有可能是因为局部压裂损伤而形成导通性渗流。由表4可见，原始状态下煤层底板岩层不导渗，3个测试段的起始导渗水压为8.50～11.00 MPa，但测压孔水压依然远低于压水孔的水压，表明有新的导水裂隙产生，但是规模和导水能力均较小，仅以微小裂隙的渗流为主，此时渗流通道的贯通程度仍相对较低，需要在更高的水压梯度下才能形成实际的渗流通道。

3 压渗试验结果分析

3.1 渗透系数结果分析

根据3段测试期间的实测数据，计算对应测试段的渗透系数，不同阶段的压渗渗透系数最大值统计如表5所示。

由表5可以看出，第3段砂质泥岩最大渗透系数仅为8.94×10-6cm/s，根据岩土渗透性分级标准，其属于微透水(10-6≤k<10-5)。从煤层底板岩层渗透系数变化曲线来看，原始状态下岩层的渗透性很差，随着注水压力的持续增大渗透性明显增强，但幅度不大，阻渗性能仍然较强。

3.2 阻渗强度

通过压渗试验获得阻渗强度参数，对底板岩层阻水能力的抗渗阻力系数[18-20]进行量化，即为每米岩柱所能抵抗的渗透水压。根据3段测试水压发生突变对应的导渗压力计算抗渗阻力系数，结果如表6所示。

表6 实测获得的完整底板3个测试段稳态渗流条件参数

由表6可以看出，3个测试段初次压渗过程中，岩层抗渗阻力系数为1.60～2.45 MPa/m，重复压渗时阻力系数为1.38～2.23 MPa/m。对比3个测试段的阻渗系数，可以看出粉砂岩阻渗能力最强，细砂岩次之，砂质泥岩最低；另外，3个测试段的原始结构状态岩层裂隙均不发育，具有很强的阻渗能力。

4 结论

1)城郊煤矿深部二水平试验区二2煤层底板的3段岩层在原始状态下隔水能力良好，阻渗能力较强。

2)煤层底板岩层起始导渗水压为7.50～11.50 MPa，但测压孔水压均相对较小，表明渗流通道主要是微裂隙，岩层的渗流阻力较大、渗流不畅。

3)重复压渗过程中，监测孔水压变化时间较初次压渗时间明显缩短，说明岩层的阻渗能力经初次压渗后有一定的降低。细砂岩、粉砂岩测试段经2次压渗后仍具有较强的阻渗能力，岩层具有很强的隔水能力，但砂质泥岩重复压渗后被压裂导通。

4)岩层在原始状态下渗透率很低，随着注水压力的持续增大，渗透性明显增强，但幅度不大，阻渗能力仍然较强。

5)可根据抗渗阻力系数评价煤层底板岩层阻渗能力的强弱，根据现场压渗试验数据，计算结果显示粉砂岩阻渗能力最强，其次是细砂岩，最弱的是砂质泥岩。