井田采空区覆岩离层区水工环地质特征及发育规律研究

王天文

（中国煤炭地质总局第四水文地质队，河北，邯郸 056700）

门克庆矿煤层埋深大，煤层具有冲击倾向，11采区3101综采工作面（11-3101）开采过程中发生过多次冲击矿压现象。门克庆11-3101综采工作面为门克庆煤矿首采工作面，位于门克庆井田3-1煤11采区，工作面长度为260.4m，推进长度为3904.3m，埋深693～721m，煤层倾1～4°，煤层厚度3.85～5.45m，平均4.92m。11-3101综采工作面上覆岩层赋存多层厚硬岩层，最大厚度达318m，且含水层发育，矿井冲击矿压现象频发，试验段上方为铁路环岛及炸药库，随着上覆岩层的破断，出现了矿震、离层水、冲击地压、地表沉陷等灾害。为探测离层发育状况，故开展探查孔施工，采用钻探、测井等手段，研究离层发育状况及发育规律可为离层注浆控制地面工程设计及施工提供依据。

1 地层特征

根据钻孔揭露、地质填图及以往数据、岩芯录井取芯及测井资料，将钻孔钻遇地层由新到老叙述如下。

1.1 第四系（Q4）

该地层主要为风积砂（Q4），广泛分布于井田内。岩性以风积砂、细砂为主，见半月形或波状砂丘，揭露地层厚度56.80m。

1.2 白垩系下统志丹群（K1zh）

井田内无出露。揭露地层厚度56.80～384.40m。岩性上部以紫红色中、细粒砂岩及粗粒砂岩为主，下部为深红色粉砂岩、砂质泥岩夹细粒砂岩、泥岩。与下伏安定组（J2a）呈不整合接触。

1.3 侏罗系中统安定组（J2a）

该组地表无出露，揭露地层厚度78.45m。岩性上部为暗紫红色、紫褐色、灰绿色砂质泥岩，夹薄层灰绿色、杂色粉、细砂岩，下部为灰绿色、紫褐色中、粗粒砂岩，局部夹粉砂岩、砂质泥岩。与下伏直罗组（J2z）呈整合接触。

1.4 侏罗系中统直罗组（J2z）

该组为井田内含煤地层的直接上覆地层，地表无出露。根据目前钻孔深度，暂揭露地层厚度128m，总体上在井田的东南部地层厚度较大，在西北部厚度变小。岩性下部为浅黄、青灰色中、粗粒砂岩，局部夹粉砂岩、砂质泥岩；上部岩性主要为紫红色、杂色砂质泥岩、泥岩与灰绿、黄绿色砂岩及粉砂岩互层夹中砂岩。目前孔深590m。

2 主要含水层及其特征

依据含水介质、空隙类型、富水性以及含水特征等，井田内主要含水层自上而下可分为松散岩类孔隙潜水含水层；碎屑岩类裂隙承压水含水层。

2.1 松散岩类孔隙潜水含水层

广布井田区，覆盖于下伏白垩系志丹群之上，即与基岩裂隙地层直接接触。据钻探揭露，井田区第四系全新统（Q4）地层沉积厚度为23.20～58.80m，仅局部地段在其底部见厚度较薄的砂质黏土，因此该含水层与其下伏白垩系志丹群之间没有稳定的隔水层。含水层岩性以粉细砂、中细砂为主，成分较纯，微含少量泥质，结构疏松，孔隙发育，为大气降水入渗及地表水的间歇性渗漏补给创造了有利条件，即有利于孔隙水的补给、贮存与聚集。因而该含水层地下水的补、蓄条件良好，赋存有较丰富的孔隙潜水。据该区SQ1第四系抽水孔勘探资料得知：在钻探施工过程中，因地层结构松散，易发生孔壁掉块、坍塌，地层极不稳定；钻井冲洗液消耗较为明显；据抽水试验资料，含水层厚度为33.48m，水位埋深4.44m，水位标高1300.463m，抽水水位降深1.82m，涌水量22.16L/s，单位涌水量12.176L/s，含水层富水性极强。水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，矿化度252.84mg/L。

2.2 碎屑岩类裂隙承压水含水层

白垩系下统志丹群（K1zh）裂隙承压水含水层该含水层在井田区没有出露，普遍隐伏于第四系松散层之下。层位较为稳定、连续，其顶板埋深326.50～460.95m。据区域资料，志丹群下部地层为河流相沉积，岩石胶结程度与上部相比较差，因此结构相对疏松，裂隙、孔隙亦较发育。从地层组合结构看，地层岩性虽为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及中粗砂岩等含、隔水层相互叠置结构，但据隔水层统计，该区志丹群地层平均厚度约347.67m，其中隔水层的平均累计厚度约21.61m，仅占地层总厚度的6.22%，加之地层结构较为松散，这就为井田外局部裸露区大气降水入渗及地表水的间歇性渗漏补给、邻区含水层中地下水侧向径流补给以及上覆第四系松散层孔隙水下渗越流补给创造了有利条件。

白垩系志丹群含水层的富水性全井田差异不大，仅反映为井田中西部及西南部富水性较强。但总体而言，志丹群地层位于侏罗系地层之上覆，地下水的补给条件要好于其下伏，加之志丹群属河流相沉积，其本身的地层结构亦较为松散，使得裂隙及孔隙较为发育，有利于地下水的补给作用。因而，志丹群含水层的富水性与其下侏罗系相比，显示出富水性相对略强的水文地质特征。

2.3 侏罗系安定组裂隙承压水含水层

该含水层隐伏于白垩系志丹群之下，其顶界埋深为362.5～460.95m，平均埋深390.41m，属中深埋区。地层分布较为连续、稳定，主要由砂质泥岩、泥岩、粉砂岩与中细粒砂岩等互层组成。其中，含水层是以其碎屑岩中的细粒砂岩及局部所夹薄层中粒砂岩为主，砂质结构，块状构造，矿物成分以石英长石为主，含量约占80%左右，以泥质为次。据钻探岩芯鉴定并结合测井解释资料分析，安定组以泥质岩即隔水层为主，含水层约占地层总厚度的33.58%左右，在含水层段局部岩石较为破碎，一般较为完整，因岩石颗粒较细，结构致密，泥质成分偏高，因此裂隙发育程度一般较差，且多泥砂质充填，胶结程度较好，裂隙的开启程度相对不佳，连通性不好，从总体上看，反映为弱含水层的发育特征。

安定组裂隙含水层系侏罗系延安组下统上段（J2y3）2#煤组开采矿井间接充水含水层。由于含水层粒度较小，多以细粒或局部中粒砂岩为主，裂隙发育程度相对较差，且含水层累计厚度相对较薄，以及地下水补给条件及其径流条件等限制，因此使得安定组含水层的发育程度和富水性相比其上覆及下伏裂隙水含水层明显变差。从矿井防治水角度出发，可有效抑制上覆志丹群裂隙水的下身越流补给作用。由此分析可知，安定组含水层富水性弱，对减小2#煤组开采地板用水及矿井防治水是有利的。

3 离层发育规律

根据采深、采厚、岩性、地层结构及采煤方法与顶板管理方法等的不同，裂缝带以上的岩层，如以坚硬、中硬和坚硬、中硬、软弱岩层相间为主时，可能会表现为由下而上地逐层的弯曲变形。由于坚硬岩层与软弱岩层的弹性模量差距较大，因此常常表现为不同步的变形，软岩的变形大，而硬岩变形小，软硬岩不同步变形的空间即为离层，具体见图1。

图1 主关键层破断前后覆岩运动特征

如新LY-1孔312～334m为厚层中砂岩，岩性坚硬，往下334～351m有多层泥岩、砂质泥岩，在两种弹性模量相差较大的岩层之间，由于变形不同，而形成离层。在全孔钻进中，根据岩性、钻井液漏失情况、井下电视、超声成像测井等综合分析，在砂岩与泥岩等软硬岩交界处，多形成离层，钻井液全漏，裂隙发育。

关键层理论主要阐述了覆岩中厚而坚硬岩层的破断失稳特征及其对覆岩移动的影响机制。明确了亚关键层和主关键层对岩层移动控制的影响范围，揭示了关键层对离层产生、扩展的影响规律。关键层理论认为对其上部分岩层起控制作用的岩层称为亚关键层，对其上直至地表全部岩层起控制作用的岩层称为主关键层，亚关键层可以存在多层，主关键层只有一层。采动覆岩离层主要出现在各关键层下面，且离层的最大发育高度止于主关键层下方。

关键层下离层量的大小与煤层采高、冒落岩体碎胀特性、关键层距煤层顶板高度及关键层承载变形特性相关。关键层运动对采动覆岩离层的形成、发展和时空分布起控制作用。在关键层初次破断前，关键层下方的离层量随工作面的推进不断增大，最大离层位于采空区中部。当亚关键层发生初次破断后，该层位下的部分离层空间将会向上传递并主要位于上一层亚关键层下方，随工作面推进已发生过初次破断的亚关键层下方只在采空区四周保存部分离层空间。主要离层空间位于还未发生初次破断的亚关键层下方，直至工作面继续推进至该层关键层破断，离层空间继续向上传递，当主关键层发生破断后，离层空间将传递到地表形成地表塌陷。为此，控制上覆岩层中的主关键层不发生破断是确保地表不发生沉降的关键。

而采用对覆岩离层区进行注浆的技术，其原理是通过设计合理的工作面采宽使主关键层或目标关键层初采期稳定，合理留设一定宽度的区段隔离煤柱，控制相邻两工作面覆岩的联通移动并均处于非充分采动状态，通过地面钻孔对采动覆岩离层区进行注浆充填，在采空区中部范围形成一定宽度的注浆充填压实承载区，并保持主关键层或目标关键层的采中稳定，形成覆岩关键层结构-充填区压实承载层-区段隔离煤柱复合支撑承载结构对地表进行控制，从而实现采空地表塌陷的有效控制。同时，离层注浆保持目标关键层稳定，可以解决大面积顶板不下沉可能形成的矿震；同时由于空间守恒原理，消除离层空间，因此也消除了离层水的威胁；对其下部的关键层、老顶等在连续不断的高压注浆力的作用下，变周期性破断为随采随注随冒落，消除了能量积蓄，使原来的周期性剧烈破断的运动形式为柔性均匀连续下沉，从根本上显著减弱甚至消除了冲击地压。

4 结束语

综上所述，通过对门克庆煤矿的地层及水文特征分析，井田内主要含水层主要为松散岩类孔隙潜水含水层和碎屑岩类裂隙承压水含水层，在开采过程中需要采取措施干预上覆岩层的破断，减弱矿压显现，提前干预地层塌陷过程，控制地表塌陷下沉，这对覆岩离层覆岩离层区进行注浆减沉技术的实施具有重要意义。