隔水层再造——西北保水采煤关键隔水层N2红土工程地质研究

李文平，王启庆，李小琴

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

隔水层再造
——西北保水采煤关键隔水层N2红土工程地质研究

李文平，王启庆，李小琴

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

西北干旱-半干旱区浅表层水(河流湖泊水、沟谷径流水、第四系砂层潜水等)，是维系区域生态地质环境(生态层)的珍贵水源，是煤层开采水资源保护的主体。根据区域浅表层水含隔水层地质结构，西北煤田煤层覆岩之上广泛分布新近系N2红土，为浅表层水底部的直接隔水层或沟谷径流的下垫层，对区域保水采煤、生态环境保护，起到至关重要的作用，是关键隔水层。在分析N2红土区域分布特征、基本物理-水理-力学性基础上，采用N2红土采动破裂钻孔原位压水试验、蠕变渗透性测试、水-土相互作用试验等，对N2红土不同程度采动破裂前后及其采后应力恢复蠕变的隔水性能变化特征进行了深入研究分析，发现N2红土隔水性能受采动破坏后，具有很好的自我恢复功能，并从其地质结构组成、水-土相互作用及其流变特性方面，解释了隔水性自然恢复机理；由此提出隔水层再造及其应具备的主要工程地质属性。

浅表层水；N2红土；采动破裂；水-土相互作用；蠕变；隔水性；隔水层再造

西北是我国煤炭的主要产区，属于干旱-半干旱地区，区域生态环境脆弱；浅表层水(河流湖泊水、沟谷径流水、第四系砂层潜水等)是维系区域生态地质环境(生态层)的珍贵水源，是煤层开采水资源保护的主体。据区域地质资料，西北大型煤田区主要开采浅埋煤层[1]，普遍发育有新近系上新统N2红黏土层，为浅表层水之下的直接隔水层，对实现区域保水采煤及生态环境保护具有至关重要的作用[2]，为关键隔水层(图1)。

图1 N2红土区域分布及其关键隔水作用示意

N2红土是一种主要分布在我国西北地区的区域性特殊土，目前总体上停留在地层学研究范畴。关于其成因，就有风成说[5-7]、水成说[8-9]、残积土[10-11]等不同观点。在工程界，由于西北N2红土，特别是陕北、甘肃等地N2红土大都隐伏于地下，仅部分沟壑区出露，以往大型工程揭露较少，对其基本工程地质性质的研究还不多，只有少量局部性成果。曲永新、李滨等通过对西北典型黄土滑坡的调查，认为N2红土与黄土性质不同，是区域上一些重大黄土滑坡的滑动带[12-13]；李文平等对陕北神南矿区部分矿井N2红土的工程地质性质进行了测试，并初步探讨了采动后其隔水性变化及其环境灾害效应[14]；郭乐等对吕梁山西麓N2红土物理力学特性及红土巷道围岩分级进行了研究[15]。

进入21世纪以来，随着我国西北侏罗纪煤田开发规模加大，煤层开采浅表层水资源破坏及次生灾害不断出现，已有不少学者对“保水采煤”技术进行了研究并取得了一些重要进展。李文平、叶贵钧等最早对陕北榆神府矿区保水采煤含隔水层结构进行了研究，将其划分为“砂-土-基”等5种类型[16-17]；范立民等研究了黏土隔水层的工程地质性质[18-19]。黄庆享首次将黏土层作为隔水关键层，研究黏土隔水层模拟相似材料配比[20-21]，进行采动变形破坏相似材料模拟试验，提出“上行裂隙”和“下行裂隙”及其发育规律，发现黏土层裂隙具有“弥合性”特征[22]；给出了隔水层稳定性判据，建立了保水开采的分类指标[23]。王双明、黄庆享、范立民等提出了基于生态水位保护下煤层开采理念，建立了保水开采分区[24-25]。还有一批地质、矿业工程学者们针对西部煤层开采矿压、覆岩破断、导水断裂带高度、水位变化等方面也进行了大量的研究[26-32]；目前，保水采煤的实践主要通过改进采煤方法，控制导水断裂带高度发育，包括充填开采、分层开采、限高综(放)采、条带开采、短壁房柱开采等采煤法。而对导水断裂带之上区域关键隔水层N2红土的基础研究，特别是其区域地质结构组成、采动隔水性恢复及“隔水层再造”的研究很少。

本文基于野外调查、室内外试验等，分析N2红土区域分布特征、基本物理-水理-力学性质，研究N2红土采动破裂前后及其采后应力恢复蠕变的隔水性能变化特征，解释N2红土隔水性自然恢复机理，提出“隔水层再造”及其应具备的主要工程地质属性。研究成果对西北保水采煤、生态地质环境保护具有重要意义。

1 N2红土地质组成及基本工程地质性质

1.1 沉积特征、物质组成

N2红土层指新近纪上新世沉积的位于黄土之下的一套黄棕-红棕色沉积组合，N2红土主要由粉质黏土、黏土组成，夹有多条褐红色团块状黏土，N2红土层中富含不规则的钙质结核，呈层状或星散状分布，结构面上覆有铁锰质薄膜。西北各地点N2红土在垂向与横向上岩性变化较小，特征相似；晋中南、豫西等地黄土低山丘陵斜坡地带出露较多，陕北、甘肃等地主要出露于河谷阶地、冲沟底部，总体上厚度较稳定，一般在数10 m，如陕北厚30～100 m(现场钻孔揭露)，蓝田段家坡厚62 m，关中西部厚50～70 m，山西(晋中南、保德等地)厚20～60 m，豫西一带略薄一些，陇东个别地点厚度超过100 m[33]。通过对山西石楼、陕北榆林及甘肃庆阳等地N2红土野外观察、采样分析(图2)，石楼出露的红土颜色鲜艳，为深棕红色，榆林地区红土的颜色次之，为浅棕红色，庆阳地区红土的颜色为棕黄-浅棕红色，这主要是沉积过程中环境短暂变化造成的。三地剖面上覆均有第四系黄土，黄土顶部已受人为扰动，石楼、榆林剖面底部未见红土层底界，N2红土剖面土性见表1。

图2 N2红土野外宏观结构照片

表1 N2红土剖面土性对比

1.2 基本工程地质性质

通过钻孔、探槽取样，进行室内土工试验，得到山西石楼、陕北榆林、甘肃庆阳代表性N2红土样粒度组成、物理力学性质、水理性质等参数(表2～4)。

表2 N2红土粒度组成

Table 2 Grain-size composition of N2laterite %

地区样品编号砂粒>0.250.250～0.075粉粒<0.0750.075～0.0500.05～0.010.010～0.0050.075～0.005黏粒<0.0050.005～0.002<0.002S111.089.017.948.99.876.612.45.66.8山西S23.396.713.543.816.874.122.611.611.0石楼S316.383.718.441.77.467.516.25.910.3Y114.086.020.135.810.366.219.88.011.8陕西Y213.586.521.938.810.070.715.87.38.5榆林Y315.684.423.540.111.475.09.46.23.2Q112.187.919.823.525.168.419.59.110.4甘肃Q218.581.526.832.315.274.37.25.61.6庆阳Q310.289.823.441.211.576.113.77.46.3

注：砂粒、粉粒、黏粒的粒径单位均为mm。

表3 N2红土基本物理力学性质指标

Table 3 Basic physical properties of N2laterite

地区含水率W/%比重GS密度ρ/(g·cm-3)干密度ρd/(g·cm-3)孔隙率n/%黏聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)压缩系数a1-2/MPa-1压缩模量Es/MPa山西石楼15.0～17.72.741.541.3336.41.9430.230.214.32陕北榆林7.8～20.62.52～2.731.80～2.181.40～1.7435.8～48.20.82～2.2524.63～33.190.13～0.513.79～12.35甘肃庆阳12.4～14.52.241.631.2430.10.9026.21——

表4 N2红土基本水理性质指标

Table 4 Basic hydrophysical properties of N2laterite

地区塑限WP/%液限WL/%塑性指数IP液性指数IL饱和度Sr/%自由膨胀率/%渗透系数/(m·d-1)山西石楼16.0～18.435.1～38.019.1～20.1-0.14～-0.034260.20.0067陕北榆林11.6～16.529.0～39.416.5～23.8-0.20～0.6743.0～93.070.3～80.00.0086～0.0140甘肃庆阳15.1～17.227.3～29.812.2～13.2-0.22～0.1451——

影响黏土膨胀性的因素有许多，如粘粒含量、黏土矿物类型、有机质含量及交换性阳离子组成等，其中起主要作用的是粘粒含量及其中的黏土矿物类型。采用D/Max-3B型X-Ray衍射仪对N2红土样进行黏土矿物成分相对定量分析，相关的测定结果如表5、图3所示。

表5 N2红土矿物成分及黏土矿物成分相对定量分析结果

Table 5 Mineral composition of N2laterite and relative quantitative analysis results of clay mineral

%

图3 N2红土X射线衍射光谱

上述测试结果表明，N2红土为粉质黏土、黏土，天然可塑、硬塑至坚硬，黏土矿物中亲水性矿物蒙脱石、伊利石/蒙脱石混层含量高，亲水性强，具有较强的膨胀性，据“水利水电工程地质勘察规范”中岩土体渗透性分级[34]，N2红土天然情况下渗透性等级属弱透水～微透水，天然情况下隔水性能良好。

2 残余隔水层N2红土隔水性采动影响

2.1 试验方法

煤层回采时上覆岩土层隔水性能受不同程度破坏，在上“三带”的垮落带、断裂带组成的导水断裂带内，岩土层存在大量竖向宏观贯通裂缝，岩土层总体隔水性性能彻底破坏，渗透性等级可达强透水～极强透水。位于导水断裂带以上的岩土层(整体移动带，即残余隔水层)，虽总体上未有宏观竖向贯通裂缝，但隔水性能也会受不同程度影响；大量“三带”实测钻孔已揭露了这一事实，即在钻进至接近导水断裂带顶界面前，冲洗液有不同程度漏失、水位也有一定波动下降(图4)。目前，对于岩土层不同程度采动受损隔水性能原位测试还较困难，开展的也少。本次采用室内三轴卸载试验及现场钻孔压水试验，针对导水断裂带以上N2红土隔水性釆动影响进行试验研究。

图4 N2红土典型釆动剖面示意

2.2 三轴卸载渗透试验

与一般土的三轴加载试验不同，位于整体移动内的N2红土层，煤层开采时的变形破坏是近似竖向应力不变、卸除围压的三轴卸载过程。利用SJ-1A应变式土工三轴剪切仪作为试验平台，对原状N2红土样进行卸载应力路径下渗透性变化研究。

(1)试验过程

试样取自陕北神南矿区钻孔原状土样，试样尺寸为φ39.1 mm × 80 mm。试样卸载过程渗透系数的测定是在土样轴向压力σ1保持原始土应力的条件下，水头压力p亦保持不变的前提下，对围压σ3从原始土应力逐级卸载直至土样的水头压力；根据陕北N2红土埋深及上覆砂层含水层水头现场代表值，确定试验中取σ1=0.65 MPa，p=0.15 MPa。

(2)试验结果分析

对原状土样还原其原始应力状态下的三轴卸载试验中，随着土样从原始围压至土样的水头压力的逐步卸载，围压与渗透系数的相关曲线如图5所示，当土样围压低于水压时，包裹黏土样的橡皮套出现漏水现象，试验终止，试验终止之前原状土样仍然保持完整性未发生卸载破坏。

由图5可知，卸载的N2红土样渗透系数增加1个数量级以上，渗透性等级由微透水～弱透水变为弱透水～中等透水。原状N2红土样渗透系数变化总体随围压的减小而增加，且围压较低时渗透系数增加幅度变小。出现这种现象的原因是由于N2红土层埋深较浅，对应的轴向压力较小，初始的σ1-σ3值趋于0，卸载的过程虽然σ1-σ3逐渐变大，但σ1不大且保持不变，此时土体的变形以弹性变形和侧向膨胀为主，因此土体孔隙度不但没有减小反而有所增加，即渗透系数增大；随着σ1-σ3值的逐渐变大土体进入塑性变形阶段，此时土体的孔隙度趋于平稳，即渗透系数趋于稳定。

图5 模拟采动三轴卸载 N2红土样围压-渗透系数测试曲线

2.3 原位钻孔压水试验

利用三级五段式压水试验方法，对陕北神南矿区N2红土(残余隔水层)煤层开采前后进行原位钻孔压水试验，开采前钻孔水压依次加减压0.3，0.6，1.0，0.6，0.3 MPa。采后钻孔水压加减压时，为避免采前对红土的压水试验升压至1.0 MPa时表现出的强烈冲蚀作用，将红土采后压水试验最高压力降至0.8 MPa。分别在不同水压下观测流量，计算其渗透系数。其试验部分成果如图6所示。

图6 采前、采后N2红土层(残余隔水层)钻孔原位压水试验结果

由图6可知，开采前压水试验过程中，红土加水压至1.0 MPa时漏水量稳定，无返水现象，说明天然条件下，红土隔水性能良好。试验区上覆基岩和土层较厚，试验段位于导水断裂带以上，压水试验显示无贯通性裂隙产生，但渗透性仍有较明显增加，采后残余隔水层N2红土渗透系数较采前增加约1个数量级，渗透性等级达到中等透水级别。

3 残余隔水层N2红土釆动应力恢复蠕变渗透性

利用双联动软岩(土)渗流-应力耦合流变仪，对预制裂缝N2红土样(模拟残余隔水层采动微裂隙)进行不同应力水平(反映不同埋深N2红土层)三轴蠕变渗透性变化试验，研究煤层开采后、采动应力恢复过程中，微裂缝N2红土发生蠕变变形、渗透性变化的过程。

3.1 试验过程

本试验所用N2红土试样取自陕北神南矿区，取样深度为70～85 m，进行重塑制样，含水率约15%，试样尺寸为φ38 mm × 76 mm。裂隙位于试样中间，共制成带裂隙的试样3组，裂隙宽度分为1.0，1.5和2.5 mm，裂隙的长度28 mm，如图7所示。将试验土样以载荷等级(1.5，2.5，3.5及4.5 MPa)进行分级加载，每级荷载持续约24 h，待试样变形基本稳定后，保持围压及轴压不变情况下，采用稳态法测其渗透系数；在试验过程中进行应力和变形的监测。

图7 试样照片

3.2 试验结果分析

裂隙宽度为1.0,1.5,2.5 mm的N2红土试样应变变化曲线如图8所示。

由图8可知，N2红土样每级荷载加载轴向应变、径向应变及体应变都有瞬时变形，其后为流变变形；随着荷载的增大，每级荷载下的瞬时变形量呈减少趋势，同等荷载增量作用下产生的流变变形量逐渐增大，流变现象越来越明显，说明采动裂隙N2红土在应力恢复初期变形量较大，即裂隙闭合程度较明显，而后期变形量会越来越小直到稳定。另外，在同等荷载作用下，同种土样裂隙宽度越大，瞬时变形量越大，说明采动裂隙宽度越大，土层应力恢复过程中，裂隙闭合程度也越大。

N2红土蠕变渗透性与蠕变围压关系曲线如图9所示。结果表明：① 裂隙红土蠕变渗透系数均随着蠕变应力水平增加(土埋深加大)逐渐变小；② 相同蠕变应力、相同蠕变时间下，土裂隙越小，渗透系数越小；③ 随着采动应力恢复、蠕变持续，中等透水的裂隙红土(残余隔水层)渗透系数可逐渐减小至微透水，隔水性能逐渐恢复为良好的隔水层。

图8 N2红土试样应变变化曲线

图9 N2红土渗透系数-围压关系曲线

4 导水断裂带N2红土水-土相互作用渗透性变化

4.1 试验过程

对于位于采动导水断裂带内的N2红土，采动破裂瞬间隔水性能全部丧失，发生突水；但随着突水过程延续，裂缝宽度是否变化？隔水性能是否也逐渐恢复？笔者主要从采动破裂N2红土突水过程水土相互作用及其渗透性演化过程，采用自制试验装置(图10)进行试验研究。

装置以水箱、试验箱为主体，其中水箱上方通过预留出水孔保持试验水头恒定，水箱与试验箱间设置控制阀，试验箱内部设置裂缝N2红土，试样底部与透水钢板间垫有滤网，装置底部通过与漏斗连接的量筒测定试验过程中渗漏量。以神南矿区红柳林矿N2红土地面采动裂缝现场调查为原型，裂缝宽度一般5～15 cm，相邻裂缝最小间距约60 cm。根据N2红土常规物理参数进行试样重塑(含水率w=8.18%，容重γ=20 kN/m3)；按照几何相似比αl=10对试样进行预制裂缝，试样尺寸200 mm×200 mm×100 mm，试样预制裂缝2条(间距约6 cm，模拟现场最小间距约60 cm邻近裂缝的影响)。共制成带裂缝的试样3组，裂缝宽度分为5.0，10.0和15.0 mm。试验水头为700 mm,试验中数据采集间隔为1 min。

图10 试验装置

4.2 试验结果分析

图11，12为裂缝随时间变化过程。裂隙宽度10.0 mm组土样在突水过程持续100 min后裂隙宽度减小至约3.2 mm，减小约68%；裂隙宽度在试验前25 min内快速减小，减小量约占总减小量的85%，试验75 min后基本趋于稳定。

图13为模型试验过程中N2红土渗透系数随时间变化曲线。釆动破裂不同宽度裂缝的N2红土发生水土相互作用渗透系数均随时间逐渐变小，釆动破裂N2红土渗透性等级由强透水逐渐变为中等透水，渗透系数的变化可分为3个阶段:初期快速下降阶段、中期缓慢下降阶段和后期稳定阶段。第1阶段，渗透系数的降幅较大，这是因为初期釆动破裂N2红土层及裂缝表面松散土颗粒被水流冲刷带入裂缝内，裂缝边缘土体结构较松散甚至存在细小裂缝，在与水的接触相互作用下逐渐溃塌至裂缝内，致使裂缝闭合程度较大；第2阶段，渗透系数的降幅较小，主要原因为釆动破裂N2红土吸水膨胀，裂缝闭合进一步较小；第3阶段，渗透系数基本保持不变，说明釆动破裂N2红土水土相互作用使裂缝闭合基本稳定。同时可知，裂缝宽度越大水土相互作用渗透性的变化过程中前2个阶段持续时间越长，即突水稳定时间越长。

图11 模拟导水断裂带N2红土裂缝随突水历时变化过程

图12 裂缝宽度随时间变化曲线

图13 渗透系数与时间的关系

5 隔水层再造及其工程地质属性特征

隔水层是含水构造中相对不透水的岩土层，对含水层中地下水储存起到关键的“兜底”作用。不同岩性组成、不同物理力学性及水理性的隔水层，受采动破坏后，其隔水性能都会受到不同程度的破坏。隔水层再造是指隔水层(岩土层)的隔水性能遭受工程活动破坏后，在自然条件下，其隔水性能随时间延续能较快自我恢复的性质和现象。隔水层再造的本质是自然条件下工程应力恢复蠕变、水-土(岩)相互作用等，产生的隔水层组成结构恢复过程。所以，并非所有隔水层都具有隔水性再造功能。

隔水层再造应具备的工程地质属性主要包括：① 物质组成应包含有大量的泥质成分，主要为粘性土、泥岩层，且黏土矿物中含有一定量的蒙脱石(蒙脱石含量≥7%)、伊利石、伊/蒙混层矿物；② 应具有较强的膨胀性(自由膨胀率FS≥40%)，亲水性强；③ 力学强度低(单轴饱和抗压强度Rc≤15 MPa)，且具有低应力水平下明显的流变性。

基于前面的试验研究和理论分析，N2红土具备隔水层再造的工程地质属性，是西北地区煤炭大规模开采浅表层水保护的可再造隔水层。区分隔水层是否具有再造属性，深入研究隔水层再造与水资源和生态环境保护之间的定量关系和内在规律，是西北保水采煤需要继续深化研究的重要课题。

6 结 论

(1)N2红土为粉质黏土、黏土组成，夹有多条褐红色团块状黏土，富含不规则的钙质结核，呈层状或星散状分布，结构面上覆有铁锰质薄膜；N2红土天然可塑、硬塑至坚硬，黏土矿物中亲水性矿物蒙脱石、伊利石/蒙脱石混层含量高，亲水性强，具有较强的膨胀性，天然情况下N2红土渗透性等级属弱透水～微透水，隔水性能良好。

(2)三轴卸载渗透试验及钻孔压水试验表明，残余隔水层N2红土(导水断裂带以上)虽无宏观贯通性裂缝，但受釆动影响(存在微观采动裂隙)隔水性有不同程度下降，渗透系数增加约1个数量级，渗透性等级由天然微透水～弱透水变为弱透水～中等透水。

(3)残余隔水层N2红土随采后应力恢复蠕变性明显，采动微裂隙因蠕变渗透性逐渐变小，裂隙宽度越小、应力水平(埋深)越大，蠕变后渗透性越接近天然渗透性，隔水性能恢复越好。

(4)位于导水断裂带内的N2红土，在突水过程中，因水土相互作用较剧烈、且膨胀性强，贯通性裂缝伴随突水过程逐渐闭合，渗透性等级由强透水逐渐变为中等透水，其完全受损的隔水性能也呈现逐渐恢复的趋势。

(5)隔水层再造是指隔水层(岩土层)的隔水性能遭受工程活动破坏后，在自然条件下，其隔水性能随时间延续能较快自我恢复的性质和现象，由固有工程地质属性所致；研究表明，N2红土具备隔水层再造的工程地质属性，是西北地区煤炭大规模开采浅表层水保护的可再造隔水层。

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Reconstruction of aquifuge:The engineering geological study of N2laterite located in key aquifuge concerning coal mining with water protection in northwest China

LI Wen-ping，WANG Qi-qing，LI Xiao-qin

(SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

In the arid-semiarid area of northwest China,the shallow water such as the water of rivers and lakes,valley runoff water,the phreatic water of Quaternary in sand-layer and so on are precious water resources which maintain regional ecological geological environment and the body of water resource protection in coal mining.According to the regional geological structure of the shallow water aquifer-aquifuge,the N2laterite,distributed widely above coal seam in northwest coal field of China,as the direct aquifuge bottom of regional shallow water or valleys runoff cushion,playing a crucial role to the coal mining with water protection and ecological environment protection,is the key aquifuge soil.In this paper,based on the analysis of regional distribution features,the basic physical,hydro-physical and the mechanical properties of N2laterite,the impermeability of post-mining stress recovery creep,before mining crack and post mining was deeply studied and analyzed by the water pressure test before and after mining,the test of creep permeability and the experiment of soil-water interaction and so on.The results show that the N2laterite has a good capacity of self-recovery after the impermeability was broken by mining crack.The mechanism of impermeability self-recovery was explained from the perspective of geological structure,soil-water interaction and rheological properties;and according to this finding,the reconstruction of aquifuge and major engineering geological properties included was proposed.

shallow water;N2laterite;mining crack;soil-water interactions;creep;impermeability;reconstruction of aquifuge

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5020

2016-10-05

2016-11-17责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金重点资助项目(41430643)；国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2015CB251601)

李文平(1965—)，男，湖南常德人，教授，博士生导师。Tel:0516-83590289，E-mail:wpli1688@126.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0088-10

李文平，王启庆，李小琴.隔水层再造——西北保水采煤关键隔水层N2红土工程地质研究[J].煤炭学报,2017,42(1):88-97.

Li Wenping，Wang Qiqing，Li Xiaoqin.Reconstruction of aquifuge:The engineering geological study of N2laterite located in key aquifuge concerning coal mining with water protection in northwest China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):88-97.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5020