华北型矿区顶板巨厚低渗透含水层水害区域治理模式研究

黄澎涛

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

0 引言

顶板巨厚弱渗透性砂岩水的危害在华北煤田西部鄂尔多斯侏罗系煤田的彬长矿区，黄龙矿区，神东矿区更为严重。煤层顶板巨厚的白垩系和古近系富水性强且难以疏干，巨大的水量使得矿井涌水量随开采面积增大而剧增[1-2]。这些坐落于西部干旱半干旱地区的矿井(如涌水量大于4 200m3/h的陕西高家堡煤矿和5 000m3/h的神东锦界煤矿)成为国内外涌水量最大的矿井：巨大的涌水量造成了约14 630亿t的煤炭资源开采困难[3-4]，还伴随着冲击地压，对矿井安全也构成了重大的威胁，因此必须加以治理。

煤层顶板水严重地影响着矿井生产，威胁着采矿人员的生命安全，一直受到国内外技术人员的重视；其研究重点主要集中在安全性评价、涌水量计算和治理技术方面。安全的评价方面，美国、加拿大和南非等国家一直沿用着Bieniawski,Z.T.的岩体分级理论[5]和脆性破裂机理[6]。日本的评价主要考虑到了时间因素，采用了疲劳和蠕变理论[7]。我国对顶板管理也非常重视，国家标准化委员会多次出台或修订了顶板分类标准[8]；广大地质科技工作者为解决矿井涌水量随着开采面积的增大而增大[9问题，主要围绕着裂隙带高度的探查和评价展开研究[10],其中微地震就是最近应用较为广泛的一种方法[11]；有科技工作者以红柳煤矿为例提出了“砂岩控水”的观点[12]，采取针对性的疏干措施，取得了良好的效果。但这些研究的重点都是顶板管理和渗透性好的岩层，所用参数多为岩石的弹性模量和抗压强度等，对于与安全至关重要的含水层厚度和渗透系数的改变基本不涉及；而对顶板巨厚低渗透性砂岩含水层治理，目前采用的是井下预疏干和帷幕注浆相结合的方法，但因渗透性差疏干效果不理想，帷幕注浆也因渗透系数低浆液扩散半径太小而难以奏效。究其原因，笔者研究认为是地质条件研究不足[13]。因此，开展顶板巨厚低渗透含水层水害治理技术的研究，对解放西部矿区巨大的受困煤储量具有重大的意义。本文根据采煤学理论和水文地质学理论研发了一套治理模式，试图对此类水害治理的方法提供一种新的思路。

1 顶板变形对含水层渗透系数影响模型

顶板含水层涌水量大多采用传统的裘布依公式或泰斯公式进行评价，但计算的涌水量都远远小于实际涌水量。有人认为，这是因为导水的滑移缝使得大井的实际半径大于计算半径所造成的[14]。笔者认为半固结成岩的含水层是顶板垮落后岩层的水平位移造成孔隙率增加所造成的[15]，符合公式：

(1)

式中：n为孔隙率；Eϖ为水的压缩模量；Δεθ为孔隙比的变化量；ΔP液为水压变化量(降深)。

根据李守巨等人[16]对多孔材料渗透系数与孔隙率关系的模拟，渗透系数与孔隙率呈线性关系：

(2)

式中：k为渗透系数；n为孔隙率。

由上式可以看出，渗透系数和孔隙率成正比，或和水的压缩模量和含水层孔隙比变化量的乘积呈正比，和水压降深成反比。

岩土工程中常用的K-C公式[17]也显示渗透系数与孔隙度呈正相关的关系。

(3)

式中：Deff为沙土的平均有效粒径。

在工作面的边缘，因为塌陷角的存在，岩层将受到破坏，此处的孔隙率必然大幅增加，进而渗透系数也将大增。

对于成岩程度较高的顶板含水层，开采造成的水平位移对顶板含水层的渗透系数将会有很大影响[18]，符合公式：

(4)

(5)

式中：K为渗透系数；g为重力加速度；μk为水的动力粘滞性系数；S为裂隙间距；B为裂隙开口宽度；Δε为岩石的应变变化量。

上式表明，渗透系数与裂隙的总开口宽度的立方成正比，与裂隙间距成反比。在工作面的边缘，因为塌陷角的存在，裂隙的开口宽度必然增大，因此此处的裂隙的渗透系数必然急剧增加。

导水裂隙带范围内，工作面顶板可简化为悬臂梁，梁端的应变可用下式表示：

(6)

式中：εmax为应变；q为分布荷载；l为量的长度；E为杨氏模量。

工作面顶板也可以视为周边固定的，受上覆地层重力荷载的薄板，应力的表达式为：

(7)

(8)

应变可以按照下式求解：

εx=E(σx+μσy)

(9)

εy=E(σy+μσx)

(10)

式中：σx为x方向的应力；σy为y方向的应力；E为弹性模量；Z为板的厚度；μ为泊松比；A11为艾力常数；a为工作面的长度；b为工作面的宽度；εx为x方向的应变；εy为y方向的应变。

将式(9)和(10)带入分别式(4)和(5)，可以得到渗透系数的变化。显然在端点，即工作面的四边，x=a，y=0时σx有最大值，对应地Kx有最大值；σy=0对应地Ky=0。当y=b，x=0时，σy有最大值力，对应地Ky也有最大值；σx=0，对应地Kx=0。即裂隙沿着煤柱分析发育，垂直于煤柱分析裂隙不发育。

2 顶板巨厚低渗透系数含水层水害的区域治理模式

2.1 根据沉积相对含水层精细探查

砂岩含水层多为河流相成因，其次为风积相成因。巨厚的砂岩含水层往往都具有显著的沉积旋回结构，每个旋回都具有从粗粒沉积开始，到细粒沉积结束的特征，而细粒沉积层往往都是良好的隔水层，同时不同沉积相的同一岩石其渗透性不同。据此可以通过隔水层将巨厚含水层分成若干段，对不同的含水层采用不同的治理方案。

例如陕西长武矿区高家堡煤矿是顶板巨厚低渗透含水层的典型矿区，主采侏罗系延安组4#煤层，厚度0.80～17.80m，平均9.20m，顶板隔水层厚度约为100m。其上覆地层为白垩系下统洛河组砂岩层段，厚度为318.00～509.93m，平均399.54m，由不同粒级砂岩、砂砾岩和粉砂岩组成，以中-粗粒砂岩为主。根据黄龙矿区23.07裂采比推测该矿顶板导水裂隙带高度为117.95～277.98m，平均200.23m，裂隙带进入洛河组巨厚含水层内18～178m。

据勘探报告，洛河组可以划分为上段和下段。上段厚度约320m，岩性主要为细砂岩、中砂岩、粗砂岩和泥质岩，细砂岩-粗砂岩的平均孔隙度为15.44%。渗透系数为0.92～1.552m/d，单位涌水量为1.305～2.248 13 L/(s·m)，地下水径流条件相对较好，为强富水；下段厚度约60m，岩性主要为细粒砂岩、中粒砂岩和泥质岩，平均孔隙度为6.65%，渗透系数为0.027～0.049 m/d，单位涌水量为0.013～0.084 3 L/(s·m)，为弱富水性。在以往的研究中，将上、下段各视为一个孔隙-裂隙承压性质的含水体。

图1 隔水层天窗注浆弥补示意Figure 1 A schematic diagram of aquifuge “clearstory” grouting remediation

根据粒度分析，洛河组下段砂岩呈现粒径具有下粗上细的多韵律变化，从粗粒开始，以粉砂岩或泥岩结束，显示出典型的河流相二元结构；上段地质资料中尽管没有做沉积分析，但从为陆相沉积和砂岩中间夹有若干泥岩层的情况分析，也应该具有沉积旋回结构。据此，在300多m厚的上段内是否存在稳定的隔水层，是否存在分层，笔者认为应根据沉积相分析和分层抽水试验、流量测井，对上段岩层做精细化的描述，细划含、隔水层，特别是要分析认识靠近导水裂隙带顶端空间内的隔水层，正确认识上段各含水层水力联系、充水机理，从而达到对巨厚含水层做进一步分割、限制矿井充水含水层的空间范围、制定正确合理防治水方案的目的。

2.2 修补天窗完整化或再造隔水层

陆相沉积的特征之一是相变濒繁，因此隔水层可能存在天窗(隔水相岩层缺失)，使得上下含水层发生水力联系，无法减小矿井涌水量，因此需要寻找并弥补天窗，其方法是：

1)根据岩心鉴定和测井资料进行沉积相划分，找到河漫滩沉积相或湖泊相岩层，为含隔水层划分提供依据。

2)对地震资料再处理和解释，获得隔水层天窗的位置。

3)进行多点、单孔、各含水层水位检测，进一步定位天窗位置——建立水流场模型，根据水位检测数据，反演寻源，定位天窗位置。

4)施工地面定向钻孔对天窗进行注浆弥补，完整化隔水层，使得上下含水层彻底分割，阻断其水力联系，如图1所示。如果因渗透系数低而难以注入，则可以水力压裂后再进行注浆。

5)再造隔水层。如果巨厚含水层在导水裂隙带的上方不存在隔水层，则寻找渗透系数好的强含水层，将其改造为隔水层，形成再生顶板隔水层，隔断上下含水层的水力联系。

2.3 帷幕注浆

在顶板巨厚含水层被分割为上下两部分以后，再在采空区周边的下部含水层内注浆形成隔水帷幕。帷幕的位置为煤柱上方的剪切滑移裂缝带。此处煤层顶板受力状态犹如悬臂梁的固定端，断裂后渗透系数必定大为增加，变原来地层的不可注性为可注性。根据山东科技大学在新汶矿区的研究[19]，斑裂纹(滑移缝)是导水裂纹，对该新生导水通道进行注浆是有效的：

1)滑移缝带结构疏松，可注性强；

2)位于顶板垮塌区的边缘，顶板岩层发生破裂，但没有向工作面内部顶板那样垮塌，因此可以形成隔水帷幕。如果因为钻孔没有打准滑移缝，则应水力压裂增渗，再注浆形成隔水帷幕。

从“大井法”计算涌水量的角度看，通过分隔含水层和帷幕注浆，不仅减少了含水层的厚度，而且部分或全部隔离了工作面或采区顶板含水层与区外含水层的水力联系。如果仅在工作面的两边滑移缝带注浆，形成帷幕，则工作面这个大井的过水断面减少了一半；顶板隔水层的天窗治理后，含水层的厚度又减少了1/2；如果注浆隔水率为75%，这样工作面的总涌水量则减少50%；如果对工作面3边滑移缝带注浆，形成帷幕，则涌水量减少的更为显著；如果形成四周帷幕、顶板加盖的密封箱体，则帷幕范围内顶板含水层的动储量变为和外界没有水力联系的静储量，矿井涌水量将大幅度减少。

2.4 后期监测

后期监测的目的是弥补注浆效果和导水裂隙带高度检测,其方法是：在治理钻孔内安装传感器，在回采期间检测水压和微地震物理量，如果再造的隔水层上部含水层内的水压不发生变化，则认为效果显著，否则，为不显著。微地震检测的是对顶板裂隙带高度，其意义是：

图2 顶板巨厚含水层治理流程Figure 2 Roof mega-thick aquifer governance flow chart

1)如果测得的裂隙带高度峰值区集中，则可为采后的注浆治理提供依据。

2)检测离层区顶板垮落发生冲击性能量释放信号，可以确定其位置。如果存在多离层区，则暂定义最上部离层区的高度为导水裂隙带的高度。根据资料，离层区的底板都为隔水层，当检测到显著的能量发射时，则离层区底板遭受破坏，失去隔水作用。如果被破坏的离层带底板为被弥补的隔水层，则表明隔水层失效，应在最近的上方隔水层的天窗内注浆形成完整的隔水层。微地震法对天窗的定位可为以后的治理提供依据，治理模式的模型如图2所示。

3 总结

在确定了开采对顶板巨厚含水层滑移缝带的渗透系数具有增强作用的理论依据和顶板低渗透系数含水层的可注性的基础上，本文论证了此类含水层水害地面区域注浆的治理模式：首先根据对矿区煤层顶板岩层的沉积环境分析，对含隔水层精细化划分，进而对巨厚含水层进行划分，并确定出导水裂隙带上方的隔水层。其次对矿区的地震资料进行再处理和解释，并综合运用沉积相分析和含水层水压水质效应定位，发现隔水层内的天窗，对天窗进行弥补注浆，使隔水层完整化，以阻断上下含水层的水力联系，达到减小充水含水层厚度的目的；如果导水裂隙带上方一定空间内缺失隔水层，而存在渗透性强的薄层含水层，则应对其注浆，形成再生隔水层。再次对采空区顶板隔水层之下部分的滑移缝带进行注浆，形成隔水帷幕，达到减小含水层向矿井充水的过水断面的目的。最后为了确保顶板隔水层的稳定性和天窗的弥补效果，模式设计了注浆钻孔微震传感器和水压传感器最上覆含水层的监测，如果隔水层被导水裂隙带破坏，则应对导水裂隙带上方的隔水层进行天窗确定和注浆弥补。通过上述工作，实现大幅度降低矿井涌水量，使受水困的煤层得以开采的目的。