带压开采时隔水层的隔水能力研究.pdf

带压开采时隔水层的隔水能力研究 刘汉湖 裴宗平 郑世书 中国矿业大学 江苏徐州 221008 郭敬波 冯赞尧 田振洪 邢台矿务局 河北邢台 054021 黄小敏 广东顺德市新德业房产集团公司 顺德 528300 摘要 煤层底板隔水层隔水能力是影响带压开采安全性的重要因素。以往, 人们偏重于对隔水层岩性、 厚度 及组合情况等宏观特征研究。文中从微观研究入手, 结合宏观研究探讨隔水层隔水能力研究方法, 关键词 隔水层 隔水能力 带压开采 作者简介 刘汉湖 男 讲师 水文地质工程地质 引言 广义上讲, 带压开采是指开采煤层底板岩溶 含水层中承压水头高度高于回采工作面水平条件 下的回采; 狭义上讲, 是指开采有底板突水危险的 工作面时, 采用特殊措施保证安全采煤〔 1〕。据统 计, 我国有 60的煤矿不同程度地受到底板岩溶 承压水的威胁, 如焦作、 峰峰、 邯郸、 邢台、 开滦、 淄 博、 肥城、 新汶、 枣庄、 徐州、 淮南、 淮北等矿区。 煤层底板至岩溶承压含水层间隔水层的隔水 能力是影响带压开采安全性的重要因素, 前人从 不同角度作了大量分析研究。国内研究多是从隔 水层岩性, 厚度大小及组合关系入手〔 2〕, 煤炭科研 研究总院在现场采用压水试验方法确定不同岩性 抗水压裂能力 〔 3〕 ; 国外以匈牙利人韦格弗伦斯 提出的岩石质量等值系数为代表, 将不同岩性厚 度折算后确定阻水能力。 笔者认为, 这些研究存在下列不足 方法偏重于隔水层的宏观特征研究; 现场压水试验需动用一定人力物力; 岩石质量等值系数物理意义不甚明确。 随着现代科学技术发展, 各种新测试技术方 法的出现给我们提供了从微观方面研究隔水层隔 水能力的可能性, 本文正是基于上述出发点, 探讨 采用微观方法结合宏观研究对隔水层隔水能力进 行综合研究。 1 隔水层岩石结构构造 及矿物成分测试 实践证明, 同一种岩性, 由于结构类型和胶结 类型的差异, 其隔水性能会表现出一定差异。另 外, 据研究, 煤系地层中的页岩、 泥岩、 砂质页岩、 铝土岩等岩层, 由于沉积环境不同, 往往含有不同 性质的粘土矿物; 不同类型的粘土矿物, 具有不同 的吸水膨胀性, 其中以蒙脱石为主的粘土矿物, 吸 水膨胀性强, 具有比较高的 pH 值, 阳离子交换量 和比表面积, 遇水软化膨胀后, 可堵塞或密实隔水 层内部的节理、 裂隙、 封闭含水通道, 阻止下伏含 水层的水向上运移。因而有必要在现场取样基础 上, 采用传统的岩石薄片光学显微镜和现代化的 透射电子显微镜, 扫描电子显微镜, X射线衍射 分析、 差热分析等多种手段对岩石的结构、 构造和 矿物成分进行综合测试。 其中, 岩石薄片鉴定的重 点是结构和胶结类型, X射线衍射分析, 差热分 析、 透射电子显微镜可以定性、 定量确定矿物成 分, 尤其粘土岩的分析测试对于带压开采更具有 实际意义。 2 隔水层岩石空隙结构特征测试 岩石的渗透性与岩石空隙大小和空隙度两个 因素有关。据有关资料, 50～100L m 的空隙在一 般压力下可透水, 10L m几十个 L m 的空隙在深 部高压下可透水。 采用美国Micromeritics 公司生 1998 年 6 月 第 10 卷第 2 期 COAL GEOLOGY OF CHINA 中 国 煤 田 地 质 Jun. 1998 Vol. 10 No. 2 产的 9310 型微孔结构分析仪, 系统测定隔水层中 各种岩性的空隙尺寸及所占比例, 根据平均空隙 直径和有效空隙度大小确定空隙结构类型, 结合 现场钻探岩石 RQD 值测定, 全面评价原岩状态 下隔水层完整性。 3 隔水层岩石抗水压裂能力的确定 煤炭科学研究总院采用现场压水试验确定底 板隔水层抗水压裂能力〔 3〕, 它具有准确性高特点, 但需耗用一定人力、 物力。 试图找到一种室内模拟 试验方法来达到同样的目的, 我们采用伺服机试 验方法作探讨。 图 1 渗透试验原理图 实验采用美国 MT S 公司 81502 型电液伺服 岩石力学试验系统, 该系统为当今世界上最先进 的室内岩石力学性质试验设备。它具有多种试验 功能, 其中渗透实验是其基本功能之一。 本实验测定渗透率采用瞬态法, 基本原理是 先施加一定的轴压 P1, 围压 P2和孔压P3, 然后降 低试件下端的孔压至P4, 在试件两端形成渗透压 差 P P3- P4, 从而引起水体通过试件渗流 图 1 。渗流过程中, P 不断地减少。 P 减少的 速率, 与岩石种类、 岩石组构、 试件长度、 试件截面 尺寸、 流体粘度与密度以及应力状态和应力水平 等因素有关。根据试验过程中计算机自动采集的 数据, 可计算岩石渗透率 K 的值。 我们用取自邢台矿务局三组岩样作了渗透率 测试, 试验方案如表 1。 表 1 岩石渗透试验方案 岩 性样 品围压MPa 孔压MPa 伊利石、 高 岭石泥岩 ZC- 5- 3- 143. 0 ZC- 5- 3- 243. 5 石英砂岩 ZC- 7- 6- 143. 5 ZC- 7- 6- 243. 0 本溪灰岩 ZC- 9- 7- 143. 0 ZC- 9- 7- 243. 5 其中, 围压的选取依据应力计算和实测数据。 各样 品的渗透率应变曲线及全应力应变曲线见图 2图 4。 通过岩石的渗透率试验, 可以得到如下结论 岩石的渗透 率与岩石的应力状态 或应变 密切相关; 岩石在全应 力应变过程中渗透率 变化的总体规律是在 弹性段渗透率随应力 增大而降低, 进入弹 塑性段后渗透率转而 增大 幅度不大 , 进 入峰后区后渗透率一 般急剧增大, 之后随 应变增大, 渗透率可 能继续剧增, 可能平缓增加, 也可能略有减少。 分析比较所有曲线, 发现具有二个明显 特征, 在围压相同条件下 4MPa , 随着孔压增大 3. 0MPa 3. 5MPa , 渗透率普遍增大 1～4 倍。 第二个特征是 同样的岩性, 孔压力 3. 0MPa 时 , 应力峰值后渗透率都按一定斜率降低; 孔压为 3. 5MPa, 应力峰值后渗透率都以一定斜率升高 ZC- 9- 7- 2 例外 。 究其原因。 室内试验岩块, 随着应力增大, 变形从弹性段进入到弹塑性段, 在 应力峰值处岩石发生破裂, 这时岩样就变成由岩 块和结构面组成的岩体, 在孔隙水压力作用下, 水 对结构面 剪切裂隙 产生契张作用, 类似于现场 压水试验条件。 在孔隙水压力为3. 0MPa 作用下, 岩体没有完全压裂, 故峰后区渗透率逐渐降低; 当 孔隙水压力增至3. 5MPa时, 水对剪切裂隙充分张 开, 岩体完全压裂, 故渗透逐渐增大。 据此, 我们可 以得到如下认识 在原岩应力状态下, 伊利石高岭 石泥岩、 石英砂岩的初始抗水压裂压力为 3. 0～ 3. 5MPa, 本溪灰岩抗水压裂压力大于 3. 5MPa。 结论 采用宏观特征和微观研究相结合方法, 可以全面评价底板隔水层隔水能力; 宏观特征研究内容包括隔水层岩性、 厚 度及组合情况; 在宏观特征研究基础上, 采用薄片鉴定、 41 2期 刘汉湖等 带压开采时隔水层的隔水能力研究 图 2 伊利石、 高岭石泥岩全应力- 应变曲线渗透曲线 图 3 石英砂岩全应力- 应变曲线渗透率曲线 图 4 本溪灰岩全应力- 应变曲线及渗透率曲线 X衍射、 透射电镜、 压汞试验、 伺服机试验等方 法从微观上进一步研究隔水层隔水能力是一种有 益的探索。 参考文献 1 王作宁, 刘鸿泉. 承压水上采煤. 北京 煤炭工业出版 社, 1993 2 李金凯. 矿井岩溶水防治. 北京 煤炭工业出版社, 1990 3 周万芳等. 岩溶煤矿床防护层的防护效应评价. 中国 岩溶, 19921 1997- 12- 12 收到 42 中 国 煤 田 地 质 10 卷 THE RESEARCH OF SEPARTING WATER ABILITY OF AQUICLUDE WHEN MINING WITH PRESSURE Liu Hanhu , Pei Zongping, Zhen Shishu China university of mining and technology, Xuzhou, 221008 Guo jingpo, fengZanyao, Tian Zhenhong Xingtai Coal mining Bureau, Xingtai, 054021 Huang Xiaamin Xindeye House Property Group Corporation, Shunde, 5283000 Abstract Separating Water ability of coal floor aquialude is one of the most imporeance factors in flu- enting mining safety. In the past , focal point of the work is on rock thickness and lithology and combi- nation and so on of macroscopic aquiclude characteristics. This paper discusses the research of aquiclude characteristics in viewpoint of combining macroscopic with microscopic property. Keywords aquiclude, separating ability, mining with pressure. 上接 39 页 岩, 岩心破碎, 岩溶发育, 呈蜂窝状, 寿阳范村 S 8 孔, 孔深 600. 15m, 揭露中奥陶统灰岩, 岩溶发 育。 说明透水边界附近岩溶发育, 具有良好的岩溶 地下水径流条件。 2. 5 东山岩溶水对娘子关泉域补给量概算 娘子关泉域面积 4500km 2, 灰岩裸露区面积 1803km 2, 多年平均降水量 490mm, 参照 娘子关 泉域岩溶水资源评价及其开发利用科研报告 , 入 渗系统取 0. 35, 则娘子关泉域接受大东山岩溶水 补给量为 Q补 Q排 Q采 Q潜- Q降- Q非 12. 58 1. 002 0. 555 - 9. 805 - 3. 050 1. 282m 3/ s 结束语 山西省寿阳地区一直被认为是贫水地区, 大 量的煤炭资源因缺水而未能开发利用, 因而制约 了当地工农业的发展。经过对娘子关泉域边界的 重新划分, 发现寿阳盆地是娘子关泉域的一部分, 寿阳盆地岩溶水与娘子关泉域岩溶水有统一的地 下水动力场。且寿阳盆地是东山岩溶水补给娘子 关泉域的径流区, 因而在寿阳盆地内有利地段, 如 背斜轴部、 向斜构造边缘或地层产状变化较大地 段、 张性断裂、 弧形褶皱的弧顶部位和构造复合部 位, 开发岩溶地下水有着广阔的前景, 从而改变了 传统的山西省寿阳地区贫水的看法, 为阳寿矿区 西移找到了理想的水源, 对该地区工农业发展有 一定的促进作用。 参考文献 1 山西省娘子关泉域岩溶水研究领导组. 山西省娘子关 泉域岩溶水资源评价及其开发利用科研报告, 1993 2 中国地质学会岩溶地质专业委员会. 中国北方岩溶和 岩溶水. 地质出版社, 1981 1997- 11- 20 收到 43 2期 刘汉湖等 带压开采时隔水层的隔水能力研究