矿层上段隔水性能及水文地质结构特征分析

郭 晋

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

矿山矿层上段突水是矿山开采水工环地质灾害的主要形式之一，其严重威胁着矿山开采安全，在矿山开采过程中由于受到开采活动的影响，矿山矿层上段岩石应力性能和隔水性能发生变化，在外力作用下很容易发生矿山矿层上段突水事故，一旦发生矿层上段突水事故，不仅会对矿区水资源和地质环境造成严重的污染和破坏，还会严重威胁到开采人员的生命安全[1]。据有关统计数据显示，2017年矿层上段突水事故发生的数量占全国矿山开采总事故数量的五分之一，造成的经济损失高达2642万元。目前矿层上段突水事故已经成为矿山开采安全主要问题之一，该事故的发生与矿层上段隔水性能和水文地质结构特征有直接关系，为此提出矿层上段隔水性能及水文地质结构特征分析，此次研究为矿山水工环地质灾害预防及治理通过理论依据。

1 矿层上段隔水性能分析

矿层上段隔水性能的好与坏与矿层上段岩体特征有直接关系，并且隔水性能可以通过岩体渗透系数的大小直接表示出来，因此此次为了更好的分析出矿层上段隔水性能，采用测试的方法对其进行分析，通过对矿层上段岩体渗透系数的求取，了解到矿层上段隔水性能，以下将对该过程进行详细描述。

1.1 矿层上段岩石选取

矿层上段无论何种岩石，其岩石粒径的大小是不同的，此次分别选取粒径范围在0.01mm~0.10mm的岩石作为矿层上段隔水性能测试样本，每种规格的岩石各选取1kg，平均分为10小份矿层上段矿体样本，岩石种类涉及砂岩、页岩、石灰岩、碳酸盐、花岗岩等多种。

1.2 矿层上段隔水性能测试

此次对矿层上段隔水性能测试装置主要采用柱浸装置，该装置是由一个直径为105mm的圆柱形PVG管、底板、滤纸以及供水管所组成，PVG管的底部用螺纹连接一个开口盖子，用于安装底板，底板选用金属材质，在地板上钻一个直径为1.55mm的小孔，并且在底板与PVG管连接处以及PVG管顶端各方一层滤纸，为了避免硫酸铵溶液腐蚀PVG管及底板，下图为矿层上段隔水性能测试示意图。

图1 矿层上段隔水性能测试示意图

矿层上段隔水性能测试分为室内和室外两种，就可靠度来说，室内测试更加方便，测试结果不会受到外界因素影响，可靠性更高，因此此次采用室内测试。首先将不同粒径的矿层上段矿体分别填装到各自的测试装置中，采用分层填装的方式，每次填装完后需要进行压实，直到PVG管中填满矿体为止，填装完后要对表面进行查看，压实的矿体不得出现表面抓毛现象，避免矿体样本出现的土层分界现象。当填装完矿体样本之后，向水管中注入清水，清水经过水管进入到矿体中，开始稳定渗流，向矿体中注水的时间为24小时[2]。然后向矿体中注入硫酸铵溶液，硫酸铵溶液注入时间为12小时，硫酸铵溶液注入的目的是为了破坏矿体的内部结构，实现瞬时置换，这样可以更好地测试矿层上段隔水性能。硫酸铵在注入之前需要对其进行配置，在实际浸矿过程中注入的硫酸铵溶液浓度为4.5%，因矿层上段隔水性能测试过程中注入的硫酸铵溶液浓度也为4.5%，在100蒸馏水中加入4.5克硫酸铵结晶，将溶液进行均匀搅拌，静置15min后将其注入到矿体中。

在清水注入阶段，矿体的渗流量和水头高度可以反映出矿体在水的作用下矿层上段隔水性能的变化，而注入硫酸铵溶液阶段，矿体的渗流量则直接反映出矿层上段岩体内部结构发生变化是渗透性的变化，因此在矿层上段隔水性能测试过程中需要记录不同粒径范围的矿层上段矿体渗流量、水头高度等参数。在试验装置底部开始出水的前30min~45min内，矿层上段矿体隔水性能是处于不稳定阶段，该时间段不进行数值记录；在之后的60min~180min时间段，矿层上段矿体隔水性能逐渐趋于稳定，此时每2.5min进行一次数值记录，每15min测一次矿层上段岩体渗流量。根据记录的数据计算出矿层上段矿体在渗流过程中水力梯度，其计算公式如下：

公式（1）中，i表示矿层上段矿体的水利梯度；Δh表示水头高度，即矿层上段矿体顶部水面与矿体底部水头的差值；L为矿层上段矿体渗流路径长度[3]。矿层上段矿体底部水头计算公式如下：

公式（2）中，dh表示矿层上段矿体底部水头；u为矿层上段水流速度；g为水体的重力加速度；p为水管的水压；r为水体的重度；q为基准面的高程。矿层上段矿体渗流量的计算公式为：

公式（3）中，f为矿层上段矿体的渗流量；w为流入到矿层上段矿体的水的体积；t表示渗流时间。最后根据测量和记录的渗流数据，计算出矿层上段矿体的渗透系数，其计算公式如下：

公式（4）中，为矿层上段矿体的渗流系数，渗流系数是反应矿层上段矿体隔水特性的数据，单位为cm/s；为PVG管的横截面积。利用上述测试方法对不同粒径大小的矿体渗透特性进行测试，计算出渗透系数，为后续矿层上段隔水性能分析提供依据。

1.3 矿层上段隔水性能分析

根据上述测试方法完成对矿层上段隔水性能测试，运用公式（4）计算出不同粒径大小的矿层上段矿体的渗透系数，其结果如下表所示。

表1 矿层上段隔水性能测试数据

从表1中可以看出，矿层上段矿体的渗透系数大小与矿体的粒径大小有直接关系，整体呈正比关系，矿层上段矿体粒径越小，渗透系数也大，当矿层上段矿体粒径达到一定数值时，矿体的渗透性能反而降低，即0.08mm粒径的矿层上段矿体渗透性能最好。而渗透系数与隔水性能有直接关系，矿体渗透系数值越大，则说明矿体隔水性能越差，反之矿体渗透系数值越小，则矿体的隔水性能越好，这主要是因为小粒径的矿体孔隙率较低，在渗流过程中不利于水体的流经，存水的空间比较小，不容易注水，所以水利梯度比较小，渗透性能比较差,隔水性能比较高；而大粒径的矿体具有较大的孔隙率，在渗流过程中有充足的空间利于水体流过，所以粒径比较大的矿体水利梯度比较大，渗透性能比较好，隔水性能比较差。而据有关地质资料显示，矿层上段岩体粒径主要在0.02mm~0.03mm区间，属于小粒径岩体，按照表1中数据矿层上段岩体渗透系数在1.365cm/s~1.412cm/s之间，该区域渗透系数值比较小，因此说明矿层上段岩体水利梯度比较小，岩体与岩体之间的孔隙率比较小，不利于含水层中水资源流通，因此矿层上段隔水性能比较好，以此完成矿层上段隔水性能分析。

2 矿层上段水文地质结构特征

根据以上对矿层上段隔水性能分析，以及矿层上段水工环地质资料，分析矿层上段含水岩组与地表水之间水力联系如下：矿层上段切割砂质粘土层，含水岩组质为卵石，部分区域有亚粘土夹碎石层，厚度大约在2米左右，透水性较好，由此推测矿层上段含水岩组与地表水的水力联系较密切。但又因地表水是多数为海拔至低地带，因此矿层上段含水岩组与地表水之间的水力联系主要是第四系含水岩组地下水补给矿层上段含水层。第四系松散岩类孔隙含水岩组主要分布在矿层上段四周，空间分布比较分散，岩性为第四系冲、洪积之砂砾石层和砂质亚粘土，接近河谷地带常具二元结构，含水岩组上部分为砂质页岩，厚度为0.5～2米，不含水；含水岩组下部为亚粘土，厚2～5米，富水性弱。另在中间区域分布有粘土层，持水性好，透水性好，但因其面积较小，分布不均，不具有区域上的隔水能力，故矿层上段渗透性能较好，与下伏地层水力联系密切。

矿层上段的基岩裂隙含水岩组主要由浅部的基岩风化带和深部的碎屑基岩组成。基岩风化带岩性是砂质页岩、英安玢岩的风化蚀变岩石组成，地表面裂隙率1.32%～1.75%，裂隙呈微张～张开状，为泥质、铁质充填堵塞。弱富水，透水性强。碎屑基岩由新鲜的砂质页岩组成，承压性弱。岩层顺层裂隙较发育，裂隙率可达10条/米，由于岩层产状较陡，故裂隙产状同时较陡，中轴角平均在20°～30°之间。根据矿层上段裂隙发育情况判断，矿层上段岩组的透水性较差，但由于矿层上段侵入岩较发育，致使矿层上段的基岩裂隙含水岩组的空间分布极不均匀、不连续，呈透镜状为主。侵入岩的透水性差，为相对隔水层。因此导致矿层上段含水岩组的总体透水性并不好。因此可见，矿层上段基岩裂隙含水岩组本身的透水性普遍较好，含水岩组之间的水力联系密切，但受到侵入岩的影响，加之含水岩组的富水性弱、极弱，导致矿层上段的总体水力联系并不十分畅通，以此完成矿层上段水文地质结构特征分析，进而完成了矿层上段隔水性能及水文地质结构特征分析。

3 结束语

本文对矿层上段隔水性能以及水文地质结构特征进行了分析，主要结论如下：矿层上段岩体颗粒较小，矿石整体孔隙率较低，导致矿层上段隔水性能较好；矿层上段含水岩组与地表水之间的联系比较密切，此次研究对矿层上段地质结构研究具有一定的借鉴意义。