依兰矿区古近系岩层结构特征及综合隔水性能研究_吕德.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 依兰矿区古近系岩层结构特征 及综合隔水性能研究 吕德 1， 谢玉祥2 （1.中天合创能源有限责任公司 门克庆煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017300； 2.中煤能源黑龙江煤化工有限公司， 黑龙江 哈尔滨 154854） 摘要 为了解依兰矿区岩层隔水性能， 基于依兰矿区古近系软岩、 构造复杂、 多煤层开采深度 大等地质采矿条件， 采用统计分析和实验室试验的方法， 研究了上1煤层覆岩的岩性组合特征、 岩石力学强度、 水理性质， 并确定了煤层覆岩的类型， 评价了综合隔水性能。结果表明 上1煤层 上覆岩层类型属于中硬类型、 综合隔水性能良好。 关键词 古近系软岩； 覆岩类型； 水理性质； 隔水性能； 覆岩类型 中图分类号 P641文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0044-04 Study on Paleogene Rock Structure Characteristics and Integrated Water-resistance Perance in Yilan Mining Area LYU De1, XIE Yuxiang2 （1.Menkeqing Coal Mine, Zhongtian Hechuang Energy Co., Ltd., Ordos 017300, China;2.China Coal Energy Heilongjiang Coal Chemical Co., Ltd., Harbin 154854, China） Abstract To understand the integrated water -resistance perance of rock in Yilan Mining Area, based on the geological mining conditions of Paleogene soft rock, complex structure, multiple coal seams and large mining depth in Yilan Mining Area, the s of statistical analysis and laboratory tests were used to study the comprehensive characteristics, mechanical strength and water chemistry properties of overburden of the upper 1 and middle coal seams, and the type of overburden in coal seams were determined, and the comprehensive water-resistance perance was uated. The results show that the type of overburden of the upper 1 and middle coal seams belongs to the medium hard type, and the integrated water-resistance perance is good. Key words Paleogene soft rock; type of overburden rock; hydraulic properties; water-resistance perance; type of overburden 煤层开采后， 顶板岩层发生破断失稳， 形成采动 应力，采动应力向上传递在覆岩一定范围内产生了 不同程度的采动裂隙，覆岩破坏高度范围内的岩层 原有隔水性能和地下水流场发生改变，采动裂隙成 为上覆含水层向采掘空间充水的导水通道。而覆岩 的综合隔水能力一般取决于隔水层的厚度、岩性组 合关系和岩石强度因素[1]， 因此， 分析覆岩结构特征 及其隔水性能是开展水体下开采安全可靠性研究的 基础性工作。依兰矿区浅部主要露天开采，深部尚 未开发，缺乏对覆岩的综合隔水性能、覆岩破坏规 律以及顶板砂泥岩含水层充水规律的研究[2]。基于 此，以依兰矿区地质资料为依据，通过对钻孔取样 试验， 开展古近系软岩地层综合隔水性能研究。 1矿井概况 依兰煤田位处方正断陷北部边缘斜坡带，方正 断陷总体上为 NE 向展布的负向构造单元，表现为 受东西向 2 条大断裂控制的双断式断陷。受内部断 裂控制， 依兰煤田可进一步分为北部、 中部、 南部 3 个区，依兰矿区位于南部凹陷区，矿区东南至盆缘 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.009 吕德， 谢玉祥.依兰矿区古近系岩层结构特征及综合隔水性能研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 44-47. LYU De, XIE Yuxiang. Study on Paleogene Rock Structure Characteristics and Integrated Water-resistance Perance in Yilan Mining Area ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 44-47.移动扫码阅读 44 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 断裂 F2断层， 西至松花江， 北部为煤层露头开采区 域。含煤地层为古近系始新统达连河组，自上而下 为砂泥岩段、 油页岩段、 砂砾岩段 （局部缺失） 和含 煤段。矿区整体呈倾向南的单斜构造，发育次一级 的向、 背斜， 地层倾角一般 16左右， 深部区倾角变 缓， 为 5～10。区内断层发育， 主要有 NE 向、 NW 向 2 组断层， NE 向断层发育， 区内以正断层为主， 逆断 层次之。现已查明含煤 3 个层组， 5 层煤 （上1、 上1- 上2、 上2、 中、 下） ， 纯煤厚度最大 36.85 m， 最小 4.57 m， 平均 10.04 m， 含煤系数平均 27。其中上1-上2 号煤层仅存在零星可采见煤点，为不可采煤层， 其 余均为可采煤层。 含水层自地表以下依次为第四系含水层、砂泥 岩段含水层、 砂砾岩段含水层 （局部缺失） 和煤层基 底海西期花岗岩含水层。影响煤层开采的直接充水 含水层为砂泥岩段含水层和砂砾岩段含水层。 2煤层覆岩结构特征与力学性能分析 2.1上1煤层覆岩结构特征 覆岩岩性结构及组合特征决定着隔水层的性 能、 隔水能力及导水断裂带的发育高度[3]。通过对依 兰矿区内揭露上1煤层的 29 个钻孔的上1煤层上覆 岩层 （上1煤顶板以上 20 m 和 40 m 范围内） 结构特 征统计分析。主要为砂岩类岩层和泥岩类岩层 2 大 类， 其中砂岩类岩层包括粉砂岩、 细砂岩、 中砂岩和 粗砂岩， 泥岩类岩层包括炭质泥岩、 泥岩和页岩。 上1煤顶板 20 m 以上的岩性构成具有以下特 征泥岩类岩层厚度为 4.85～20.00 m，平均厚度 14.78 m， 平均含量达 73.92， 砂岩类岩层平均含量 为 26.08， 远低于泥岩。 从泥岩含量的分布看， 各钻 孔之间差异明显， 介于 24.25～100。在井田大部 分区域， 上1煤顶板以上 20 m 范围内泥岩类岩层厚 度均在 15 m 以上， 相对均匀； 在上1煤层厚度较薄 的南部区域， 泥岩类岩层厚度均在 10 m 以内， 泥岩 含量小于砂岩。 上1煤层顶板以上 40 m 范围内， 泥岩类岩层厚 度为 12.45～40.00 m， 平均厚度 31.97 m， 砂岩类岩层 平均厚度仅为 7.37 m， 从上1煤顶板以上 40 m 范围 内的基岩柱构成上看，泥岩类岩层厚度占绝对优 势，从岩性上看，泥类岩层主要以砂质泥岩和泥岩 形式存在；对比上1煤层顶板以上 20 m 范围，上1 煤顶板以上 40 m 范围的泥岩平均含量达 79.94， 上升约 6，顶板上 20～40 m 范围内的泥岩含量明 显增加。 在研究区大部分区域泥岩类岩层含量均稳定在 25 m 以上， 且有明显的南薄北厚的特征， 这一特征 与顶板以上 20 m 范围内泥岩类岩层分布规律是一 致的， 根据钻孔揭露， 矿区北部上1煤层明显厚于南 部， 泥岩含量较高是实现上1煤层开采的有利条件。 2.2上1煤层覆岩力学性能 根据矿区依兰第三煤矿建井期间井检孔全岩段 煤岩层自然状态的物理力学试验结果，该井检孔揭 露的上1煤埋深 713.70 m，选取上1煤层顶板以上 40 m 范围内的岩心取样测试结果， 井检孔岩石取样 物理力学测试结果表见表 1。 在矿井水文长观孔 G1、 G2、 G3 施工期间， 对岩心 进行了全孔取样测试，摘选上1煤顶板 40 m 范围内 （590～550 m ） 覆岩物理力学测试结果 （25 个 ） ， 获得了 覆岩单轴抗压强度、 天然密度、 弹性模量、 泊松比层物 理力学参数， 水文补勘长观孔取心物理力学测试成果 表见表 2。 序号原样编号采样深度/m岩石名称抗压强度/MPa 1S109674.65～693.90含砾粗砂岩14.30 2S110693.90～695.10粉砂岩31.80 3S111695.10～699.45含砾粗砂岩25.90 4S112699.45～701.05泥岩32.80 5S113701.05～708.27细砾岩7.89 6S116747.07～751.92油页岩20.60 表 2水文补勘长观孔取心物理力学测试成果表 Table 2Results of physical and mechanical tests of coring of long view hole by hydrologic supplementary exploration 序 号 岩样 编号 取样深度 /m 岩性 天然密度 ρ0/ （g cm-3） 单轴压缩试验 单轴抗 压强度 σc/MPa 弹性模 量 E /GPa 泊松 比 μ 1 1-36-1550～557细砂岩2.3859.905.590.10 2 1-36-2550～557细砂岩2.4035.905.470.10 33-9-1555.94～558.44粗砂岩2.53107.8024.50 0.18 43-9-3555.94～558.44粗砂岩2.5073.6019.12 0.25 53-9-2555.94～558.44粗砂岩2.2843.108.710.27 61-8-1558.44～564.24粗砂岩2.4449.1013.04 0.11 71-8-3558.44～564.24砂砾岩2.4556.1011.15 0.24 83-8-2558.44～564.24砂砾岩2.9379.0018.71 0.21 9 1-43-1564～569粉砂岩2.3987.508.44 0.17 10 3-19-1570.94～576.84粗砂岩2.3847.009.950.34 11 3-19-3570.94～576.84砂砾岩2.3326.904.090.12 12 3-19-2570.94～576.84砂砾岩2.4036.105.87 0.19 13 3-1-2576.84～582.84粗砂岩2.4242.907.810.24 14 3-1-1576.84～582.85粗砂岩2.4151.908.440.12 15 3-1-3576～582砂砾岩2.4560.709.270.22 平均2.4557.1710.68 0.19 表 1井检孔岩石取样物理力学测试结果表 Table 1Physical and mechanical test results of rock sampling in well inspection holes 45 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 由表 1 可知， 上1煤层顶板以上 40 m 范围的岩 层单轴抗压强度为 7.89～32.8 MPa， 其中油页岩和含 砾粗砂岩强度较低，可见砂岩胶结性较差。由前述 钻孔资料统计分析结论，矿区上1煤层覆岩岩性以 泥岩类岩层含量占绝对优势，顶板以上 40 m 范围 内平均含量近 80， 因此泥岩类岩层的力学强度反 映了覆岩整体力学强度，综合考虑上1煤层覆岩结 构， 上1煤层覆岩综合强度应在 30 MPa 左右。 分析表 2 可知， 上1煤层顶板以上 40 m 范围内 的岩层单轴抗压强度为 26.90～107.80 MPa，平均强 度为 57.17 MPa， 因泥岩类岩层强度相对较低， 易风 化破碎，未能加工呈标准样，测试样品岩性均为砂 岩类岩层，而泥岩类岩层含量在覆岩中占绝对优 势， 因此， 其覆岩综合强度应小于 57.17 MPa； 由覆 岩强度分布变化趋势图可知， 上1煤层顶板 20 m 范 围内的岩体强度相对较低， 平均约为 40 MPa， 而顶 板以上 20～40 m 之间的覆岩平均强度则达 50 MPa 以上， 具有下软上硬的特点。 参考 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规范 中煤层覆岩分类标准， 综合上1煤 层顶板岩性结构与物理力学测试结果，上1煤层覆 岩综合强度应在 40 MPa 以内， 判定矿区上1煤覆岩 类型应属于中硬类型[4]。 3覆岩含隔水性能试验 3.1泥岩类岩层水理性质 在本次测试的 43 个岩石样品中有 25 个泥质 岩， 占 58， 其中泥岩 9 个， 占 21， 其余为粉砂质 泥岩和泥质粉砂岩， 占 37。按照干燥岩块浸水后 性状，几乎全部都发生碎裂化现象，但按照干燥饱 和吸水率指标， 微膨胀性样品 6 个， 占泥质岩 24， 中 （弱） 偏微膨胀性样品 10 个， 占 40。其膨胀势高 低，主要与有机质含量密切相关，富含有机质的黑 色、褐色泥质岩均为非膨胀性，并不因蒙脱石含量 高低、比表面积之大小而有明显差别。油页岩类泥 岩并不属于膨胀岩类， 但具碎胀特点[5]。 黏土矿物的含量和黏土矿物类型是影响和控制 其工程性质，尤其是膨胀性，崩解性的最主要因素 之一。6 个不同泥质岩黏土矿物 XRD 法定量测试结 果表明， 其主要黏土矿物为高岭石、 蒙脱石、 高岭石 与伊利石/蒙脱石混层黏土矿物， 即非膨胀性黏土矿 物 （K） 与膨胀性黏土矿物 （S、 I/S） 的组合， 且前者含 量太多明显高于后者，这是矿区泥质岩膨胀性不高 的原因之一，这种组合形成的原因可能与此种沉积 物沉积和成岩过程中在有机酸影响下，发生了蒙脱 石、 伊利石/蒙脱石混层矿物向高岭石的转化 （即脱 硅富铝化作用） 有关，造成活性即膨胀性降低和硅 质胶结作用加强[6]。膨胀性黏土矿物测试结果还表 明， 埋深＜212 m 的泥质岩为单矿物蒙脱石， 而埋深 415～582 m 泥质岩为中高混层比的 I/S 混层矿物。 在 25 个泥质岩中除 7 个岩样外， 绝大多数泥岩均属劈 理化泥岩， 其岩石强度极低， 易碎裂[7]。 3.2砂岩类岩层水理性质 在本次测试的 43 个岩石样品中有 18 个砂岩样 品 （包括粗砂岩、 含砾粗砂岩 4 个、 中粒砂岩， 中粗 砂岩 6 个， 细砂岩 1 个， 粉砂岩 7 个） ， 占 42。 在 18 个砂岩样品中没有发现岩石极为疏松、手捏易碎或 浸水崩解的疏松砂岩，因此矿山施工运营中不会出 现涌砂溃砂等工程问题。 根据砂岩软硬程度的判别指标，矿区的砂岩 61为软岩类， 中硬岩石占 33， 硬质岩仅 1 个样， 为中粒砂岩占 5.6； 还有 1 个极软质砂岩， 饱和吸 水率 13.14，这与此砂岩黏土含量高， CaCO3含量 低有关。矿区的砂岩， 由于 CaCO3含量普遍较低， 钙 质胶结作用不强， 因此， 强度很高水稳定很强的坚硬 砂岩极少， 由于砂岩中泥质胶结物很少， 有的灰色深 灰色粉砂岩因有机质胶结作用、饱和吸水率 5～ 10的软质砂岩占 49.9； 吸水率 3～5中硬质砂 岩占 38.9； 吸水率＞10极软质砂岩占 5.6， 总之 作为软岩和极软岩的砂岩占 55.5，即一半以上砂 岩属于软岩。这次试验砂岩样品，没有发现易造成 溃砂破坏的疏松砂岩[8]。 总之， 矿区砂岩的软硬度和水稳定性中等， 这与 该矿砂岩泥质胶结物含量低、 CaCO3胶结物不多 （1～3） 密切相关。 4覆岩类型及隔水性能分析 综合钻孔资料统计分析和覆岩物理力学测试结 果，上 1 煤层覆岩岩性以泥岩类岩层含量占绝对优 势，平均含量近 80， 20 m 范围内的岩体强度相对 较低， 平均约为 40 MPa， 而 20～40 m 之间的覆岩平 均强度则达 50 MPa 以上， 具有下软上硬的特点， 确 定上1煤覆岩类型应属于中硬类型[9]。 通过矿区含煤地层覆岩岩性及组合特征分析可 知， 矿区煤层顶板隔水岩层岩性属泥岩为主型， 泥岩 类岩层平均含量在 65以上，砂岩类含量相对较 少， 含量在 35以内， 其中上 1 煤层顶板以上 40 m 范围内的泥岩类岩层平均含量达 80。从井田范围 46 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 内不同钻孔的横向比较来看，泥岩类岩层，尤其是 厚层油页岩层，隔水性好，沉积稳定，全区均有揭 露， 是覆岩隔水性能的重要影响因素[10]。 从补勘钻孔的取心情况看，泥岩类岩层完整性 相对较好，抗渗透能力较强，但采出后较易风化崩 解， 基岩段的砂岩类岩层普遍松软， 胶结较差， 隔水 抗渗透能力弱。因此，总体上来说该类型的覆岩岩 性结构有利于抑制导水断裂带的发育，砂岩胶结较 差， 但含量较低， 泥岩类岩层胶结性好， 含量大， 隔 水性能优良。 5结论 1） 上1煤层覆岩岩性以泥岩类岩层含量占绝对 优势，平均含量近 80， 20 m 范围内的岩体强度相 对较低， 平均约为 40 MPa， 而 20～40 m 之间的覆岩 平均强度则达 50 MPa 以上， 具有下软上硬的特点， 确定上1煤覆岩类型应属于中硬类型。 2） 上1煤层的覆岩岩性结构有利于抑制导水断 裂带的发育， 砂岩胶结较差， 但含量较低， 泥岩类岩 层胶结性好， 含量大， 综合隔水性能优良。 参考文献 ［1］ 武强， 赵苏启， 孙文洁， 等.中国煤矿水文地质类型划 分与特征分析 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38 （2） 901-905. ［2］ 康红普.深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 41 （9） 12-17. ［3］ 许延春， 刘世奇.水体下综放开采的安全煤岩柱留设 方法研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2011， 39 （11） 1-4. ［4］ 王文波.海域覆岩岩性结构特征及隔水性能研究 ［J］ . 煤矿开采， 2010， 15 （3） 10-13. ［5］ 宋振骐， 郝建， 汤建泉， 等.断层突水预测控制理论研 究 ［J］ .煤炭学报， 2013， 38 （9） 1511-1515. ［6］ 檀双英， 康永华， 刘治国， 等.祁东煤矿综采覆岩破坏 特征 ［J］ .煤炭科学技术， 2006， 34 （9） 1-4. ［7］ 张巍， 尚彦军， 曲永新， 等.泥质膨胀岩崩解物粒径分 布与膨胀性关系试验研究 ［J］ .岩土力学， 2013， 34 （1） 66-72. ［8］ 孙建， 王连国， 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