宁东侏罗系煤层顶板粗粒含水砂岩特性研究

姚强岭，陈 田，李学华，王 傲

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

宁东侏罗系煤层顶板粗粒含水砂岩特性研究

姚强岭1,2，陈 田1,2，李学华1,2，王 傲1,2

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

相似模拟实验研究一直是保水开采的主要实验手段之一，其中相似材料与岩石之间力学参数的相似度尤为关键。宁东煤田属于我国典型的生态脆弱矿区，该区域主采煤层为侏罗系煤层，其顶底板广泛分布着成岩程度低且富含黏土矿物的一类特殊砂岩，该层砂岩在采动、吸水-失水动态循环作用下呈现软岩力学特征。选取其中的一类含水砂岩为研究对象，通过分析该含水砂岩岩石成分和结构特征确定其为粗粒泥质长石砂岩，并分析认为其形成于快速堆积的沉积环境；利用X衍射仪定量分析其矿物组分，发现该含水砂岩主要由黏土矿物、石英和长石组成，其中黏土矿物富含蒙脱石、伊蒙混层及绿泥石等吸水易膨胀组分；利用MTS伺服控制试验机研究了该类砂岩三轴抗压强度及渗透特性，发现其具有明显的塑性破坏特征；且饱水含水砂岩渗透率有突变点存在，突变点后渗透率大致恒定直至试件破坏时渗透率增至最大值；进一步研究了含水率对该含水砂岩单轴压缩变形特征的影响规律，发现含水砂岩单轴抗压强度、弹性模量与含水率负线性相关。

生态脆弱矿区；含水砂岩；相似模拟；保水开采

煤炭开采引起的覆岩破断、变形和运移，将会造成采动影响区域内覆岩隔水层、含水层结构的破坏和地表变形下沉等，导致地下水流失、河流枯竭等一系列的水环境问题[1]，进而加剧煤炭开发区域内生态系统失衡。我国煤炭资源的战略重心在中西部[2]，而该地区地表生态系统十分脆弱，煤炭资源的大规模开发如果造成水资源的破坏，将会严重影响到该地区的生态系统。针对该问题，我国学者率先提出了“保水采煤”[3-6]和“地下水库储水或含水层再造储水”[7-9]的学术思想，并得到了诸多学者的响应，结合实验室实验、理论分析及现场实测等多种手段研究了生态脆弱矿区煤水共采的理论与技术[10-14]。其中，相似模拟实验和数值计算是研究该问题的重要方法之一，为我国生态脆弱矿区煤水共采提供了理论和技术支持[15-19]。宁东煤田为我国大型煤炭基地之一，也是典型的生态脆弱矿区，煤水共采已成为开采该区域煤炭资源开采的首选技术。该区域广泛发育侏罗系煤层，该煤系顶底板含水砂岩在受采动、吸水-失水动态循环作用下呈现典型的软岩特征，与常见的煤系顶底板砂岩特性存在显著差异。宁东煤田鸳鸯湖矿区按含煤组、岩性组合、含水层水力性质及埋藏条件等，由上而下划分为2个主要含水层组：第四系孔隙潜水含水岩组、侏罗系含水层组。其中侏罗系含水层组又分为4个含水层：直罗组砂岩裂隙孔隙层间承压含水层、2～6煤间砂岩裂隙孔隙层间承压含水层、6～18煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层组和18煤以下至底部分界线砂岩含水层组。

本文选取宁东煤田鸳鸯湖矿区梅花井矿2～6煤间砂岩裂隙孔隙层间承压含水层砂岩为研究对象展开相关研究，以期掌握其物理力学特性，为后续煤水共采相关研究提供基础数据，进一步促进我国生态脆弱矿区煤水共采理论与技术的发展。

1 含水砂岩鉴定

砂岩一般由砂级陆源碎屑、胶结物、杂基及孔隙等4部分组成，陆源碎屑又包括岩石碎屑和碎屑矿物；充填在岩石格架中的物质称为填隙物，包括杂基及胶结物。宁东煤田鸳鸯湖矿区梅花井矿2-2煤顶板含水砂岩试样实物和实验薄片如图1所示。

图1 含水砂岩试样

通过对该含水砂岩的鉴定分析，发现该含水砂岩具有如下特征：① 含水砂岩岩石由57%碎屑物质和43%填隙物组成；② 碎屑物质主要由石英、长石及少量的岩屑组成，其中石英以单晶石英为主，并含有燧石岩屑和变质岩型多晶石英；长石以正长石为主，其次为微斜长石、斜长石及少量条纹长石；而岩屑为长石和石英的集合体；③ 43%的填隙物中杂基占42.5%，单偏光下浅褐红色，泥质结构，主要成分为高岭石，内部夹杂伊利石类黏土；胶结物占0.5%，为方解石，分散晶粒，粒度0.05～0.10 mm；④ 含水砂岩粒径组成：0.50～1.00 mm占75%，0.25～0.50 mm占20%，1.00～2.00 mm占5%；颗粒磨圆度以次棱角状为主、分选度较好；粒间孔隙式胶结、点状接触；成岩作用特征为压实-重结晶作用；⑤ 形成于快速堆积的沉积环境，杂基含量高达40%。

结合张鹏飞[20]提出的砂岩分类方法，最终确定该含水砂岩为粗粒泥质长石砂岩。

2 含水砂岩组分及微结构分析

2.1 含水砂岩组分分析

含水砂岩在采动应力扰动下吸水-失水时，易于膨胀、崩解，明显区别于常见煤系沉积岩砂岩特征。为掌握引起其吸水-失水膨胀、崩解的原因，利用D/Max-3B 型X射线衍射仪，研究了该含水砂岩组分，如图2所示。

由图2可知：粗粒泥质长石砂岩中黏土矿物、石英和长石分别占39.2%，29.6%和28.2%；同时，黏土矿物中高岭石、伊利石、蒙脱石及伊蒙混层、绿泥石分别占24.8%，5.5%，4.8%和4.1%。粗粒泥质长石砂岩富含黏土矿物，尤其是黏土矿物中蒙脱石、伊蒙混层及绿泥石吸水后呈现很强的膨胀性[21]，这也是一般砂岩不具有的特性。在开采宁东煤田侏罗系煤层时需重视该类岩层在吸水-失水过程中呈现出的特殊性[22-23]；同时，研究该区域煤水共采问题，所涉及的相似模拟、数值计算参数等均应考虑该类富含黏土矿物粗粒泥质长石砂岩影响作用，使得计算结果更加切合工程实际[24]。

图2 粗粒泥质长石砂岩矿物组分

2.2 含水砂岩微结构特征

由岩石鉴定结果可知，该粗粒泥质长石砂岩形成于快速堆积的沉积环境，该沉积类型对于岩石的孔隙发育有重要影响，且其水力通道发育情况对于水岩作用的发生及发展进程至关重要。本文利用Quanta200环境扫描电子显微镜研究了粗粒泥质长石砂岩微结构特征，结果如图3所示。

由图3(a)～(c)可以看出，粗粒泥质长石砂岩颗粒间孔隙，原生孔洞均较为发育，颗粒间连通性好，具有较好的导水性。图3(d)，(e)的岩石微结构显示了粗粒泥质长石砂岩在水-岩作用下颗粒表面溶蚀现象明显，且颗粒之间胶结物为伊蒙混层，与岩石鉴定及矿物组分测试结果一致。由图3(f)可知，颗粒间孔洞多角状孔隙通道，粗粒颗粒间没有形成很好的胶结，具有明显的通道效应。

3 含水砂岩全应力-应变曲线及渗透特性

目前实验室研究“保水采煤”的主要手段为相似模拟和数值计算，这两类实验结果是否具有参考价值在于其所选取的相似模拟材料属性和岩层参数是否与研究对象具有相似的物理力学性质，特别是是否具有类似的全应力-应变曲线、压缩变形特性等[15-17]，这也是目前国内外评价相似模拟和数值计算是否可行与科学的判断标准之一。

图3 粗粒泥质长石砂岩电镜扫描

3.1 含水砂岩饱水实验设计

根据对粗粒泥质长石砂岩鉴定分析、矿物组分及微结构特征研究可知，该含水砂岩富含黏土矿物，且孔隙裂隙发育，水岩作用下易于膨胀和崩解(图4)。而如果试件不饱和或不充分饱和会引起渗流过程不畅，进而可能导致渗透压差局部升高，在开展渗透试验前有必要先使试件充分饱和。

为避免试件饱水时试样崩解提出如下饱水实验方法，具体步骤如下：

图4 含水砂岩崩解

(1)将渗透压头放置在试件两端，渗透压头上均匀布置有渗水孔(图5(a))；

(2)使用不透水胶带将试件和渗透压头缠绕一起，以减少试件遇水后在环向上的变形量，提高实验数据的精度；

(3)使用塑料密封试样最外部(吹风机加热)，以确保试件不向外渗水，并将塑料在渗透压头的上部做成一个渗水容器(图5(b))。

图5 粗粒泥质长石砂岩饱水

(4)通过渗水容器对试样进行渗水直至饱和，这样可以避免含水砂岩直接浸水而引起的崩解破坏。同时，在试样底部放置干燥纸巾以随时观察水是否渗透至底部，并判定试件饱水状态；

(5)试样饱水后剪除渗水容器，利用胶带重新缠绕试件，至此完成渗透试验前试件的饱水准备工作(图5(c))。

3.2 含水砂岩三轴压缩及渗透试验

3.2.1 三轴压缩试验

实测粗粒泥质长石砂岩饱水状态下三轴压缩特性，试件加工尺寸为49.80 mm×101.68 mm；围压5.0 MPa，三轴全应力-应变曲线如图6所示。

图6 粗粒泥质长石砂岩全应力-应变曲线

由图6可知：① 试件轴向位移达到一定数值后，主应力差(σ1-σ3)亦达到了一个峰值，该值大小为13.76 MPa，对应的σ1为18.76 MPa；② 主应力差值非常平缓，且随着轴向位移的增加，主应力差略有降低后又慢慢增大，直至轴向应变达到0.058 3(轴向位移为5.930 mm)时，主应力差增至13.81 MPa，且还有进一步增大的趋势。粗粒泥质长石砂岩三轴试验呈现出明显的塑性破坏特征，其破坏形态如7所示。

图7 粗粒泥质长石砂岩三轴压缩破坏形态

3.2.2 含水砂岩饱水试件的渗透试验

根据3.2.1节粗粒泥质长石砂岩三轴压缩试验结果，可以初步确定渗透试验时渗透率测试点的位移值，以此为参考实测粗粒泥质长石砂岩饱水试件渗透特性，该试件加工尺寸为49.10 mm×102.80 mm。

测试步骤如下：① 加载1.0 kN轴向力，以确保试件与压头充分接触；② 逐渐加围压至5.0 MPa；③ 开展不同点渗透试验。设置试件上下端头水压值分别为3.0 MPa和2.0 MPa，即初始渗透压差为1.0 MPa。50号粗粒泥质长石砂岩全应力应变过程应变-渗透率曲线如图8所示。

图8 粗粒泥质长石砂岩应变-渗透率曲线

由图8可知：粗粒泥质长石砂岩渗透率在应力较低水平时相对较低，为109.6×10-19m2；而当轴向应变达到2.43×10-3时，渗透率增至186.5×10-19m2，但之后随应力应变增加而变化不大，直到试件破坏时渗透率达到最大值249.0×10-19m2。

3.3 含水砂岩不同含水率单轴压缩特性

煤炭开采过程中，上覆岩层含水率动态变化而并非一个定值。为了更好地掌握含水砂岩不同含水率时其力学特性变化规律，开展了不同含水率单轴压缩实验。

粗粒泥质长石砂岩不同含水率全应力-应变曲线及单轴抗压强度、弹性模量与含水率关系曲线如图9所示。

由图9可知：① 含水砂岩单轴抗压强度、弹性模量与含水率负线性相关，随着含水率增加，粗粒泥质长石砂岩单轴抗压强度、弹性模量等均下降明显；② 不同含水率时，其全应力-应变曲线变化趋势大致相同，具有类似的变化规律；③ 相对干燥试样(含水率为0)，含水率为2.25%，3.84%时，其单轴抗压强度、弹性模量分别下降了56.8%，80.6%和50.0%，79.1%。

图9 全应力-应变及单峰值强度、弹性模量与含水率关系曲线

4 结 论

(1)研究了宁东煤田侏罗系煤层顶板一类含水砂岩组分及微结构特征。根据岩石鉴定结果，将该含水砂岩命名为粗粒泥质长石砂岩；粗粒泥质长石砂岩中黏土矿物、石英和长石分别占39.2%,29.6%和28.2%；同时，该含水砂岩矿物富含黏土矿物，其中蒙脱石及伊蒙混层、绿泥石等吸水易于膨胀矿物分别占4.8%和4.1%；同时，含水砂岩微结构特征表明其内部原生裂隙发育、导水性强。

(2)探讨了粗粒泥质长石砂岩三轴压缩和渗透特性。粗粒泥质长石砂岩主应力差达到较大值后增加趋势缓慢；从试样破坏形态来看，其呈现出明显的塑性破坏特征；试件渗透率达到一定值后稳定，直至试件压缩破坏时渗透率达到最大值。

(3)当含水率在一定范围内时，粗粒泥质长石砂岩单轴抗压强度、弹性模量与含水率呈负线性相关。

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Experimental study on coarsely water-bearing sandstone in roof of Jurassic coal seam

YAO Qiang-ling1，2,CHEN Tian1，2,LI Xue-hua1，2，WANG Ao1，2

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

The similar simulation experiment has always been an essential method to study water-preserved mining,during which the similarity between simulation materials and rock properties is the most significant issue.Ningdong coalfield is a typically ecological-fragile mining area where a special sandstone contains a large amount of low maturity and clay minerals.This sort of sandstone represents the soft-rock properties under mining influence and water absorb-drying process.It was confirmed that this is coarsely argillaceous arkose which is formed in quickly emerging sedimentary environment in accordance with its composition and structure.The sandstone is comprised of clay,quartz and feldspar by the quantified analysis of X-ray diffraction.The clay incorporates enormous mont-morillonite,illite smectite mixed layer and chlorite and all of these materials are water swelling.The study of triaxial compressive strength and permeability of the sandstone by MTS Servo demonstrates that the sandstone samples have plastic-failure characteristics.The permeability of water-saturated sandstone has mutational points,after which it is approximately constant before increasing to the maximum at failure.In addition,the uniaxial compressive strength and elastic modulus have a negative relation with moisture content.

ecological-fragile mining area;water-bearing sandstone;similar simulation experiment;water-preserved mining

10.13225/j.cnki.jccs.2017.5031

2016-07-02

2017-12-20责任编辑:张晓宁

国家自然科学基金资助项目(51674248，51304208)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

姚强岭(1982—)，男，河南兰考人，教授，博士。E-mail:yzqiangling@126.com。通讯作者：陈 田,E-mail：tianchen_cumt@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0183-06

姚强岭，陈田，李学华，等.宁东侏罗系煤层顶板粗粒含水砂岩特性研究[J].煤炭学报,2017,42(1):183-188.

Yao Qiangling,Chen Tian,Li Xuehua，et al.Experimental study on coarsely water-bearing sandstone in roof of Jurassic coal seam[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):183-188.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.5031