煤层开采对顶板含(隔)水层的影响探查

吕品田，田刚军

(陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

关于综放工作面煤层开采对顶板含(隔)水层影响的研究成果，主要表现为对顶板导水裂隙带发育规律的探查与分析[1-5]，大都旨在查明矿井充水因素与研究顶板涌突水机理，为矿井防治水与保水开采提供科学依据和有效途径[6-9]。为此，基于对含(隔)水层与煤岩层空间组合及覆岩特征分析，结合工作面水文地质钻探、钻孔抽水试验、井下电视、地球物理测井及采样测试等精细探查结果，以期查证煤层开采对顶板含(隔)水层结构、强度、富水性等水文地质与工程地质特征的影响。

1 含(隔)水层与煤岩层组合特征

1.1 地质特征

覆岩特征：研究区属于鄂尔多斯中生界承压水盆地西南缘。盆地主体为白垩系下统、侏罗系及三叠系各粒级碎屑岩。含水层以砂岩为主，松散层次之。地下水主要赋存于白垩系孔隙～裂隙含水层和侏罗系及三叠系裂隙含水层之中，分属于白垩系承压水向斜与侏罗系、三叠系承压水单斜2类储水构造。区内地表沟谷中零星出露有白垩系下统洛河组，其上新近系及第四系广泛覆盖。含(隔)水层与煤岩层的空间组合及覆岩特征如图1所示。

图1 地层倾向剖面示意(1∶20 000)

空间组合：侏罗系中统直罗组砂岩含水层(J2z)与延安组煤层及其顶板砂岩含水层(J2y)为煤层开采顶板直接充水含水层，其埋藏深、裂隙不甚发育、补给条件差、富水性弱，井巷充水易于疏排，对煤层开采影响不大[10-12]。白垩系下统洛河组砂岩含水层(K1l)虽为煤层顶板间接充水含水层，但其厚度大、分布广、富水性好，且与区域强含水层相联，为矿区主要含水层。矿井建设及生产中曾发生多起K1l涌突水事故，严重威害矿井安全开采。安定组泥岩隔水层(J2a)位于矿井主要含水层与顶板直接充水含水层之间，其厚度大、层位稳定、连续性好、隔水性强，为矿区关键隔水层。

含水层富水性、水头高度和水质类型、矿化度等水文地质特征，均显示白垩系砂砾岩地下水与侏罗系煤系地下水为2个互不相通的地下水系统；主要含水层与顶板直接充水含水层之间在天然状态下没有明显水力联系。

1.2 主要含水层

主要含水层零星出露于区内较大河谷中。岩性上部以巨砾岩-粗砾岩为主，中下部为中粗粒砂岩夹砾岩薄层，底部为一层中-粗粒砂岩。厚度为20.55～362.00 m，平均241.36 m。含水层主要为棕红色各粒级砂岩，如图2所示，井田西部和中部厚度较大，自西向东，由中部向边缘，逐渐变薄。西部煤层富集区厚度大于140 m，局部达180 m以上；中部100～140 m，向北向南60～100 m，至井田东北及西南边部厚度小于60 m。

图2 洛河组砂岩含水层厚度等值线

含水层富水性受岩性、厚度，地形地貌，地质构造等多种因素综合控制。地下水主要赋存于中-粗粒砂岩之中，河谷地段及向斜轴部富水性较好，为相对富水区；粱峁区与砂岩含量少的地段，富水性较弱，水资源相对贫乏。以中-粗粒砂岩为主要含水层段，钻孔及水井抽水试验结果：单位涌水量0.009 476～0.128 0 L/(s·m)，渗透系数0.002 446～0.129 3 m/d，属富水性不均一的弱-中等含水层。水质类型HCO3-Na·Mg、SO4·HCO3-Na·Mg，矿化度0.512～1.055 g/L，水温14～15 ℃。

1.3 关键隔水层

关键隔水层区内无出露。岩性以紫红色泥岩、砂质泥岩为主，夹中-粗粒砂岩与含砾粗砂岩，含少量钙质结核，底部常为一层厚度较大的灰紫色含砾粗粒砂岩。厚度28.65～147.03 m，平均101.54 m。泥岩及砂质泥岩主要分布于中上部，团块状、松软，含砂岩薄层、条带、包裹体；一般呈4～5层展布，单层厚度7～20 m；由上往下单层厚度变薄，砂岩条带及包裹体减少，致密度和脆性增强。如图3所示，泥岩-砂质泥岩隔水层分布总体上表现为与煤层赋存呈正相关，在井田西部富煤区厚度大，中东部无煤区厚度小。厚煤-特厚煤区发育厚度60～80 m，局部达100 m以上。

图3 安定组泥岩隔水层厚度等值线

1.4 主要可采煤层

研究区为掩盖式煤田，煤系地层为侏罗系中统延安组，处于太峪背斜与遥远背斜之间古隆起控煤的含煤凹陷区。地层走向近EW，倾向NW，倾角3°～12°，整体分布平缓。3煤层位于延安组第1段中部，为区内主要可采煤层，属深埋厚-特厚煤层。如图4所示，煤层沉积规律为古隆起部位沉积薄或缺失，凹陷部位沉积厚；煤层厚度0.35～34.20 m，平均煤厚16.89 m，可采面积29.95 km2；埋深314.42～777.03 m，一般500 m以上；底板标高+626.10～+970.00 m。

图4 3煤分布及厚度等值线

2 探查工程布置

2.1 探查工程布置

为进一步查证煤层开采对洛河组砂砾岩主要含水层及安定组泥岩关键隔水层的影响，在21301、21302等工作面布置探查钻孔，进行了水文地质钻探、钻孔抽水试验、井下电视、地球物理测井及采样测试等精细探查工作。工作面钻孔布置如图5所示，G1孔为采后孔，在工作面推过7个月后施工；G2及G3为采前孔，在工作面回采前完成各项测试，并进行了回采期间及采后观测。

图5 工作面与钻孔布置平面图

2.2 岩体强度及结构变化

采后岩石强度降低：①洛河组砂岩及砾岩采动前后岩石物理力学指标见表1。由表1可知，砂岩天然抗压强度采后降低19.5%～40.0%，饱和抗压强度降低56.1%～66.8%，抗拉强度降低14.5%～40.9%，抗剪强度降低15.8%～28.9%，软化系数降低45.3%～46.3%，孔隙率增加33.2%～52.7%；砾岩天然抗压强度采后降低46.3%～54.5%，饱和抗压强度降低55.6%～60.8%，抗拉强度降低48.8%～58.9%，抗剪强度降低36.3%～38.4%，软化系数降低12%～13.7%，孔隙率增加36.6%～74.4%。说明煤层顶板洛河组砂砾岩主要含水层采动后骨架结构发生改变，主要表现为孔隙率增大、强度锐减。砂砾孔隙率采后增加30%以上，且砾岩增幅高于砂岩，饱和抗压强度下降50%～60%；②安定组岩层采动前后岩石物理力学指标对比见表2。由表2可知，砂质泥岩天然抗压强度采后降低34.8%～67.7%，饱和抗压强度降低42.9%～77.3%，抗拉强度降低24.4%～62.3%，抗剪强度降低18.8%～54.2%，软化系数降低6.5%～17.1%，孔隙率增加16.6%～24.9%；粗粒砂岩天然抗压强度采后降低69%～73.8%，饱和抗压强度降低80.7%～82.1%，抗拉强度降低67.6%～72.1%，抗剪强度降低62.2%～65.3%，软化系数降低30.6%～37.5%，孔隙率增加19.9%～27.4%。说明煤层顶板关键隔水层采动后主要变化为岩石强度降低和软化系数减小，孔隙率增大而结构松弛。砂质泥岩饱和抗压强度降低42.9%～77.3%，软化系数降低6.5%～17.1%，孔隙率增加16.6%～24.9%。

表1 洛河组岩石采动前后物理力学指标

表2 安定组岩石采动前后物理力学指标

采动覆岩结构松弛：采动覆岩结构松弛主要表现为岩石弹性模量及强度指标下降。总体而言，洛河组砾岩及安定组砂质泥岩采动后强度及结构变化最大，安定组砂岩次之，洛河组砂岩变化较小。由表1及表2可知，洛河组砾岩采后弹性模量降低42.6%～54.8%，中粒砂岩降低6.9%～12.4%；安定组砂质泥岩采后弹性模量降低13.8%～19.3%，粗粒砂岩降低10.9%～13%。

2.3 主要含水层与关键隔水层变化

富水性增大：主要含水层与关键隔水层采前及采后钻孔抽水试验成果见表3。由表3可知，受采后含水层骨架变化影响，采动后与采前主要含水层(K1l)单位涌水量之比为3.13～6.60，其富水性明显增大，增幅达3～6倍。采动后与采前关键隔水层(J2a)单位涌水量之比为39.59～59.25，富水性突变，增幅达39～59倍。采动前主要含水层(K1l)与关键隔水层(J2a)单位涌水量相比为14.81～20.86，采后钻孔单位涌水量相比为1.65。表明采动后主要含水层和关键隔水层结构变化、相互导通，洛河砂砾岩地下水对安定组补给，关键隔水层富水性明显增大。

表3 主要含水层与关键隔水层采动前后抽水试验成果

水力联系增强：从水位动态曲线图,如图6所示。可以看出，洛河组(K1l)水位总体呈波浪状下降而安定组(J2a)地下水位总体呈波浪状上升，出现的波谷对应井下13次工作面涌突水。从2013年2月至2014年2月，K1l平均降幅20.45 m，J2a平均上升幅度24.12 m。洛河组水位下降、安定组水位上升、工作面涌突水，说明采后关键隔水层失效，主要含水层地下水涌入采场；随工作面推进及观测时间延续，K1l与J2a水位及其变化幅度趋于一致，水力联系增强，形成洛河-安定含水层组。

图6 G3长观孔地下水位动态曲线

形成复合含水层组：采后主要含水层与关键隔水层(J2a+K1l)抽水试验结果(表3)。水位埋深168.02 m，与主要含水层水位166.69 m接近；单位涌水量0.033 361 L/(s·m)，与关键隔水层单位涌水量0.031 96 L/(s·m)基本一致，水位与富水性介于主要含水层(K1l)与关键隔水层(J2a)之间。K1l+J2a水位接近K1l，显示其与主要含水层水力联系密切，具联动效应；单位涌水量与J2a基本一致，且比K1l减小36.73%，对煤层开采具有积极意义。

3 结论

(1)综放开采条件下，煤层顶板洛河组砂砾岩含水层采动后骨架结构发生改变，主要表现为孔隙率增大、强度降低和结构松弛。砂砾孔隙率采后增加30%以上，且砾岩增幅高于砂岩，饱和抗压强度下降50%～60%，弹性模量降低40%～50%。受采后含水层骨架变化影响，其富水性明显增大，增幅达3～6倍。

(2)煤层顶板关键隔水层采动后主要变化为岩石强度降低和软化系数减小，孔隙率增大而结构松弛。砂岩饱和抗压强度降低80.7%～82.1%，软化系数降低30.6%～37.5%，孔隙率增加19.9%～27.4%。受采后隔水层结构变化影响，其富水性巨增，增幅达39～59倍。

(3)采动后主要含水层(K1l)和关键隔水层(J2a)结构变化、相互导通，形成具有水力联系的含水层组(K1l+J2a)。K1l+J2a水位接近K1l，显示其与主要含水层水力联系密切，具联动效应；单位涌水量与J2a基本一致，且比K1l减小36.73%，对煤层开采具有积极意义。