涡北矿浅埋煤层基岩工程及水文地质特征研究

孙林 李慧颖

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

0 引言

浅埋煤层基岩风化带分布特征、风化带岩石物理性质、水理性质等方面因素，很大程度上决定了煤层基岩隔水能力的强弱和富水性能的优劣，因此矿井在进行煤炭开采的同时，为了预防矿井水害，对煤层基岩风化带水文、地质特征的调查与研究也是非常重要的工作。国内外学者对基岩风化带的富水性和隔水性问题进行相关研究，部分学者认为基岩风化有阻水作用，部分学者认为富水性增强的风化基岩是矿井涌突水的主要含水层之一。杨帆［1］以张家岇井田二盘区风化基岩为例，分析风化基岩厚度及分布、富水性、补径排特征、水化学特征，结合煤层开采揭露情况，为后续安全回采提供保障；许延春等［2］基于赵固一矿采用了点荷载、干燥饱和吸水率等试验，重点讨论了基岩对留设防砂煤柱的影响，实现矿井的可持续安全生产；古瑶等［3］以小保当井田为例，对风化带厚度、岩性进行探讨，重点在于基岩风化带富水异常区的圈定，对煤层开采过程的疏放水工作有一定的指导作用。

然而在涡北矿区，暂时还没有系统开展关于基岩工程、水文地质特征的具体研究。故以涡北矿为研究对象，对基岩风化带的岩性特征、矿物成分、物理力学性质、水理性质及含隔水性等方面进行分析，在一定程度上提高煤炭的回采率，降低矿井水害的发生率［5］。

1 研究区概况

淮北矿业股份有限公司涡北煤矿在淮北平原的西部，位于安徽省亳州市涡阳县，涡北煤矿中心向南距县城4 km。主、副井和回风井3个井筒，其井口坐标（1980坐标系统）为X=714 399.972，Y=39 425 315.022；回风井的井口坐标是X=3 714 507，Y=39 425 235。涡北煤矿在形状上近似矩形，从南部的F9断层开始到北部的刘楼断层结束，距离长约6 km，东部从太原组的第一层灰岩顶面的隐伏露头线开始到西部的32煤层−1 000 m水平等高线的地面投影线结束，距离长约3.2 km。涡北煤矿处于周围断裂带所围成的一个菱形内，矿井构造主要被区域构造所制约。

2 基岩风化带分布特征

2.1 8煤层风化带分布特征

本次研究通过统计分析得出，涡北矿风化带厚度为1.43~50.00 m，平均厚度为22.13 m，其中最厚为50 m，最薄为1.43 m。另外，矿井西北部基岩风化带较厚，南部风化带厚度较薄，总体上可以看出本矿内基岩风化带厚度分布不均匀。

统计浅部（100 m以上）钻孔揭露的基岩风化带厚度，如表1所示。从表1可以看出，浅部共有19个钻孔揭露风化带，厚度为8.18~34.28 m，平均厚度为21.36 m，其中5（3）孔最厚，为34.28 m，2015观1孔最薄，为8.18 m。另外，浅部区风化带岩性主要为粉砂岩和泥岩，风化带厚度为8.18~34.28 m，风化类型一般为强风化。

同时根据8201外工作面附近的钻孔4−1和4−4统计分析，得出工作面风化带垂直深度一般为15.58 m。从表1可以看出，8201外工作面风化带岩性主要为粉砂岩和泥岩，风化类型同样为强风化。根据对8201外工作面风化带分析可知，该工作面内基岩风化带厚度呈现西北部较厚，向南逐渐变薄的规律。

表1 浅部区风化带厚度统计表

2.2 风化带岩性及矿物成分特征

2.2.1 岩性特征。矿井内风氧化带内基岩地层为石炭二叠系，其岩性主要有泥岩、粉砂岩、细砂岩，风化带岩石一般呈土黄色、灰黄色，岩芯破碎，裂隙发育，水浸蚀现象严重，泥岩风化严重时呈高岭土状，砂岩风化严重时呈疏松状。

2.2.2 风化带岩性矿物成分。在透水性方面，风化泥岩比风化砂岩差，强风化岩石比弱风化岩石的含水、透水能力弱，即岩石的风化程度和其含水、透水能力成反比。此次研究采集了2020−11孔的岩石样品采用X光衍射（见表2）及电镜扫描进行分析［6−7］。

表2 风化带样品XRD定性分析结果表

①风化带岩石质地均匀、致密、细腻，含水时强度较低、极易变形，干燥时较坚硬。岩石类型主要为黏土质粉砂岩、黏土岩，其中的含碎屑物相较于寻常砂岩较少，黏土矿物占大多数，含量较多，一般为中等到多。

②岩石中碎屑矿物以石英为主要成分，碎屑粒度较细。

③岩石中存在的黏土矿物大多是高岭石和蒙脱石，高岭石和蒙脱石颗粒多为细鳞片晶体集合体，颗粒细小。

综上，泥岩和粉砂岩风化后主要矿物成分为高岭石以及一定量的蒙脱石，以极细颗粒黏土矿物为主，矿物颗粒多呈细鳞片晶体集合体，表明岩石风化后隔水性能较好。

3 风化带物理力学及水理性质

3.1 物理力学性质

取涡北矿2020−11孔8煤顶板岩石样进行了风化岩石物理力学性质测试［8］，其步骤如下。

3.1.1 试样的制备。本次研究采用了涡北矿2020−11孔中取芯的岩石，采用了单轴压缩、巴西劈裂两种试验方法，岩石试样的试验在安徽理工大学进行，试验结果如表3、表4所示。

表3 单轴抗压试验方案

表4 巴西劈裂试验方案

3.1.2 试验仪器。采用岩石力学试验系统进行试验，该系统具有良好动态响应功能，分别用垂直向1 000 kN的力传感器测试件垂直力、垂直向50 mm的行程传感器测试件垂直变形以及两个水平向2.5 mm的位移传感器测试件横向变形，采用位移控制时，加载速率为0.01 mm/s，试验过程中计算机实时显示，自动采集时间、载荷和变形。

3.1.3 试验结果数据处理。试验结果如表5、表6所示，从表5、表6可以看出：煤层露头风化带内直接顶板多为泥岩及粉砂岩，顶板抗压强度为5.682~18.818 MPa，为软岩。位于基岩风化带内部的岩石有着较大的抗压强度降幅，抗压强度经过降低后，黏结力变小，内摩擦角变小，塑性增强。

表5 单轴抗压试验结果

表6 单轴抗拉试验结果

3.2 水理性质

本次对风化带岩样进行了水理性质试验［9］，试验结果见表7，试验结果表明：风化后的岩石特点为增强的膨胀性能和增大的吸水量；风化带岩石的隔水性和再生隔水能力良好；试验中岩石的膨胀特点表现为：初期膨胀较快，持续时间短，而后则变得较缓慢；泥岩及粉砂岩膨胀性较大，说明风化带的隔水性能较好。

表7 风化带岩石水理性质试验结果

测试结果表明，风化岩石孔隙比为0.09～0.12，处于密实状态，同时塑性指数一般大于10，表明风化后的岩石泥化程度得到一定程度的增强且具有一定的可塑性，风化带岩石的隔水性和再生隔水能力良好。

3.3 风化岩的粒度分析

强风化岩石浸水泥化或松散，为分析其粒度特征，采集自2020−11和2020奥灰观3两个孔的强风化岩石样品，两孔均位于浅部，具有一定的代表意义，共4个强风化带类样品，进行筛分试验，求得所有样品的风化带砂层的不均匀系数和曲率系数。计算结果见表8，风化带细粒含量约占37.33%，砂粒含量约占59.01%，砾粒含量约占3%。四含砂层满足土的级配不均匀系数Cu≥5，且级配曲率系数大部分符合Cc=1~3的条件，属于级配良好的土。

表8 强风化岩石粒径分析表

3.4 含砂粒粒径分维及孔隙分维

本次处理的数据来自2020−11和2020奥灰观3三个钻孔，共有4个风化带砂土类样品，利用上述方法对样品进行计算，求得所有样品的粒径分维值和孔隙分维值，计算结果见表9。由表9及各样品的分形特征图可知，在不同深度所取的4个样品中，分维值最小为2.812，最大为2.808，平均为2.810 4，相关系数最小为0.792 4，最大为0.793 4，这种强相关关系说明本次采集的样品具有明显的分形特征。

表9 风化带砂土粒径分维与孔隙分维

强风化岩石粒径分维值计算结果如图1所示，根据强风化岩石粒径分维值计算结果可知，试验样品的平均分维值为2.810 4，是因为本次样品细颗粒含量较高，导致分维值偏高。因此，本矿井风化带分维值大，实际是风化带沉积物颗粒混杂、分选性差、黏粒含量高的综合体现，和风化带粒径分析的测试结果一致。

另外，风化带样品中孔隙分维介于0.792 4~0.793 4，同时越大的粒径分维会导致越小的孔隙分维。所测样品孔隙分维值均较小，这些强风化带岩石具有浸水后泥化程度高、渗透性差的特点。

4 风化带的含隔水性分析

由表1数据可得，研究区风化带岩性组成主要是风化泥岩，剩下的钻孔中少部分岩性是细砂岩和粉砂岩，此现象为含水层下采煤提供了十分有利的条件。矿井浅部风化带岩性组成中泥岩和粉砂岩这两种岩性较多，试验表明，风化带抗压强度为5.682~18.818 MPa，为极软岩及软岩。在正常情况下，风化带对新生界松散层底部含水层与煤系砂岩水起相对隔水作用，当矿井开采造成煤系砂岩含水层水位下降时，新生界下部含水层地下水可能通过风化砂岩局部地段渗透补给。同时风化岩石浸水试验表明，风化岩石容易崩解，存在一定的流变特性，浸水泥化程度较高。故风化带岩石的隔水性良好，再生隔水能力良好。

5 结论

通过以上研究，对涡北矿浅埋煤层基岩工程与水文地质特征研究得出以下结论。

①涡北矿风化带厚度为1.43~50.00 m，平均厚度为22.13 m，浅部共有19个钻孔揭露风化带，厚度为8.18~34.28 m，平均厚度为21.36 m，矿井西北部基岩风化带较厚，南部风化带厚度较薄，总体上可以看出本矿内基岩风化带厚度分布不均匀。

②煤层露头风化带内直接顶板多为泥岩及粉砂岩，顶板抗压强度为5.682~18.818 MPa，为软岩。

③风化带岩石通过矿物组分及微观组分分析可知，在风化带的岩石中，岩性是黏土矿物的含量较大，有较好的隔水性，同时由风化岩石浸水试验表明，风化岩石容易崩解，存在一定的流变特性，浸水泥化程度较高。

综上所述，对浅埋煤层基岩风化带岩性特征、矿物成分、物理力学性质、水理性质及含隔水性等进行研究，可为研究安全煤岩柱开采水文工程地质问题及成灾机理等提供可靠的基础资料，为煤矿实现绿色安全开采提供一定的保障。