鄂尔多斯盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源及成灾模式

李文平，朱厅恩，王启庆，杨玉茹，杨 志

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

鄂尔多斯盆地是目前我国最大的产煤区，煤炭产量约占全国的50%；而且也是我国煤炭保有储量最大的整装煤盆地，埋深小于2 000 m的煤炭地质储量约为20 000亿t，占全国的40%以上，是保障我国煤炭能源持续供给的最主要区域。侏罗系煤层为鄂尔多斯盆地目前的主产煤层，早期建设的生产矿井，主要分布在盆地周边浅埋煤层区(无白垩系覆盖区)。近年来已有一些在建和生产的大型矿井，开始延伸到盆地腹部白垩系覆盖区，生产实践表明，巨厚白垩系含水体下煤层开采，一些矿井涌水量大，而且不少矿井还发生严重的井下突泥溃砂事故(水砂混合涌突或称井下泥石流)，如陕西永陇矿区的崔木煤矿、照金煤矿、西北部的内蒙古上海庙煤矿等(部分突泥溃砂实例见表1)，严重威胁矿井安全生产，有的还造成了重大人员伤亡事故。

表1 部分煤矿突泥溃砂实例

关于风化壳、特别是古风化壳的工程地质性质和工程灾害研究，目前还不够系统和深入。李术才等将交通隧道突水突泥构造分成“岩溶类、断层类、其他成因类”3种类别。20世纪60年代以来，我国即开始在东部厚松散层、河湖下采煤试验，开展煤炭开采突水、突泥溃砂机理及防治技术研究，编制了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》。研究表明，采动突泥溃砂应具备3个基本条件：① 具有物源，即松散破碎的泥砂，如松散土层、基岩中的陷落柱充填物、断层泥等；② 突泥溃砂通道，即采动裂隙；③ 一定水压作用，如承压水和水头较高的潜水。鄂尔多斯盆地巨厚白垩系覆盖下的侏罗系煤层开采矿井，由于埋深大、基岩厚度大(300～600 m)、完整(大都为厚层状、整体状结构)且强度较高(白垩系岩石天然单轴抗压强度一般20～40 MPa，侏罗系岩石30～60 MPa)，目前发生突泥溃砂事故的矿井，其泥砂来源一般可以排除地表松散层和断层破碎带物质。最近的一些研究认为，泥砂来源主要有2种：一是侏罗系煤层顶板导高之内存在遇水泥化的岩层(安定组泥岩)；二是认为来源于白垩系采动离层裂隙(离层裂隙发育时是否一定产生泥砂？还有待进一步研究)。但笔者认为，这2种情况是在白垩系下侏罗系煤层开采较为普遍存在的共同条件，很难解释为何只在一些矿井或同一矿井的部分工作面发生采动突泥溃砂。

笔者通过现场工程地质调查、室内试验和理论分析等，认为鄂尔多斯盆地巨厚白垩系覆盖下煤层开采突泥溃砂还有新的物质来源，即白垩系与侏罗系不整合接触带的古风化壳(以下简称K/J古风化壳)破碎岩体；试验测试了古风化壳的物理力学性质，分析了发生突泥溃砂的地质工程条件，建立了K/J古风化壳下采煤突泥溃砂的工程地质模型。

1 K1/J2古风化壳突泥溃砂物源的地质成因

1.1 K1/J2古风化壳地层结构

根据鄂尔多斯盆地区域地质勘探资料，鄂尔多斯盆地腹部白垩系厚度0～1 200 m(图1)。白垩系主体地层K(盆地北部命名为志丹群，南部细分为洛河组K和宜君组K)与下伏中侏罗系安定组J呈平行(或小角度)不整合接触；上侏罗统沉积普遍缺失，仅在西缘卓子山东麓等地区存在(图2)，沉积间断1 850万～2 000万a，且由于鄂尔多斯盆地整体为克拉通盆地，白垩系底部应该保存有K/J接触带古风化壳(J顶部岩层古风化层)的存在。

图1 鄂尔多斯盆地白垩系覆盖及主要矿井分布(据文献[3]修改)Fig.1 Cretaceous coverage and distribution of main mines in Ordos Basin (modified according to Reference [3])

图2 鄂尔多斯盆地K1/J2接触带地层结构Fig.2 Stratigraphic structure of K1/J2 contact zone in Ordos Basin

1.2 K1/J2古风化壳典型露头岩性结构特征

在区域地层地质资料分析的基础上，笔者团队进行了K/J古风化壳露头工程地质调查。目前主要针对鄂尔多斯盆地K/J接触带露头的东部区域，开展了为期近半年的野外露头调查工作。在近南北约1 000 km的K/J接触带露头地段(河流沟谷、线状工程开挖处等)，已探明多个K/J古风化壳露头点，这里给出5个典型的古风化壳露头位置点(图3)。

通过古风化壳露头调查，认识到K/J古风化壳岩体结构有如下特征：① K/J古风化壳岩体破碎，呈碎裂状和散体状结构(与碎石土类似)，与上部的白垩系底部岩层厚层状结构差异明显；② 古风化壳因岩性不同，风化破碎程度有差异，泥岩为主的古风化壳(神木县、靖边县)顶部有古土壤层，砂岩为主(甘泉县、安塞区)的则没有古土壤层；③ 古风化壳自上而下有较明显的垂直分带，依次为全风化土壤层(泥岩为主的风化壳)、强风化的碎石层、中-弱风化的裂隙块石层，最下为未风化的原岩；风化壳厚度(包括全风化、强风化和中风化)厚20～30 m。K/J古风化壳、特别是全风化和强风化古风化壳的上述岩体结构特征，与松散土层结构类似，具备了突泥溃砂的岩体结构特征。

图3 鄂尔多斯盆地K1/J2古风化壳典型露头Fig.3 Typical outcrops of K1/J2 paleoweathered crust in Ordos Basin

2 K1/J2古风化壳的物理力学性质

2.1 粒度组成和矿物成分

从典型露头点取回全风化和强风化的K/J古风化破碎岩块，颗粒筛分结果见表2，并绘制了粒径级配累计曲线(图4)。由表2可以看出，天然状态下K/J古风化破碎岩块粒度组成差别不大，整体以不规则的角砾(>2 mm)为主，占总质量分数的72.51%～92.2%，平均为78.34%；砂粒质量分数占比7.26%～26.85%，平均为20.75%；粉、黏粒质量分数约为1%，占比极少；按粒径组成可以将其命名为碎石土的“含砂角砾土”。均匀系数和分选系数可以用来描述粒度组成均匀性和分选性的好坏，计算公式为=，=； 其中，，，可以由图4取值。计算出天然状态下K/J古风化破碎岩块均匀系数在6.00～47.14，平均为22，说明粒度组成很不均匀；分选系数在2.03～3.37，平均为2.82，说明分选性好。

采用X射线衍射仪(型号X-Ray Diffraction，D8 Advance)对露头点K/J古风化壳的矿物成分及含量进行了测试分析。首先将K/J古风化壳样品制成粒度为细粉状态，过325目(48 μm)筛分，每份样品质量不少于0.5 g；然后将样品放入X射线衍射仪进行分析得到衍射数据；再采用MDI-Jade6衍射分析软件对衍射数据进行定性和半定量矿物学分析。K/J古风化壳的矿物成分及含量的测试结果见表3。

表2 K1/J2古风化壳粒度组成

图4 K1/J2古风化壳粒径级配累计曲线Fig.4 Grain size gradation cumulative curves of K1/J2 paleoweathered crust

表3 K1/J2古风化壳矿物成分及黏土矿物成分相对定量分析结果

由表3可明显看出所有露头点的古风化壳均含有石英，这是因为在检测到的矿物类型中石英是最稳定的矿物，同时石英也是地球表面上最稳定的矿物之一。检测到的其余矿物(方解石、白云石、钠长石、白云母、高岭石、伊利石、蒙脱石和绿泥石)随取样地点不同而产生变化性分布。比如神木和安塞区露头点K/J古风化壳未检测到方解石，可能已经全部风化分解为其他次生矿物。从黏土矿物成分相对含量分析可知，靖边县露头点K/J古风化壳黏土矿物以伊利石为主，而调查的其他4处露头点K/J古风化壳黏土矿物以蒙脱石为主。采用扫描电子显微镜(SEM)对K/J古风化壳黏土矿物的微观结构进行了图像采集(图5)，图5(a)为以蒙脱石矿物为主的微观结构，整体主要呈片状结构，部分片状凝聚在一起呈相对较大的块状体；图5(b)为以伊利石矿物为主的微观结构，整体为较大的弯曲薄片和丝状单晶，聚合后呈蜂窝状和絮团状。

图5 K1/J2古风化壳黏土矿物扫描电镜图像Fig.5 Scanning electron microscope image of K1/J2paleoweathered crust clay minerals

2.2 水理性质

选取不同露头点的K/J古风化壳样品，采用清水浸泡，观察浸水过程中岩样的水稳性。对比分析5个露头点不同岩性K/J古风化壳岩样浸水试验结果，有如下特征规律：第1种，岩性以泥岩为主：岩样浸水后表面迅速产生气泡，表层颗粒自动脱落，边角部分随即软化，在几分钟到半小时内岩块逐渐泥化，块体结构分解为土状的泥砂颗粒(图6(a))；泥岩浸水泥化后的粉、黏粒含量占比超过一半(表2)。第2种，岩性以砂质泥岩为主：岩样浸水后表面持续有气泡产生，在浸水几分钟后岩块开始出现裂缝，但其岩块结构保持相对完整；在浸水半小时以后，岩块出现纵横交错的裂缝，表层颗粒开始在浸水的作用下脱落，边角部分有软化现象；在浸水几小时以后，岩块表层颗粒脱落数量明显增加，块体结构崩解为小碎块状和部分泥砂颗粒(图6(b))；砂质泥岩浸水崩解后的粉、黏粒含量远高于天然状态下的含量(表2)。第3种，岩性以泥质砂岩和泥灰岩为主：岩样浸水后表面缓慢间断性出现气泡，在浸水几十分钟后才出现裂纹，岩块结构保持完整，随着浸水时间增加，气泡逐渐消失；在浸水十几个小时后，岩块表面的裂纹逐渐扩张为贯穿岩块的裂缝，几乎看不到砂泥质颗粒脱落(图6(c))。第4种，岩性以砂岩为主：岩样浸水后偶尔出现小气泡，岩块几乎不发生结构性变化，在浸水1 d后仍然保持稳定的原状结构(图6(d))。

2.3 力学性质

..点荷载试验

图6 不同岩性K1/J2古风化壳岩样浸水24 h水稳性状态Fig.6 Water stability of K1/J2 paleoweathered crust samples with different lithology for 24 hours

图7 岩石点荷载试验仪Fig.7 Rock point load tester

图8 JB-1组岩样关系曲线 relationship curve of JB-1 group rock samples

根据《工程岩体分级标准》可知，实测的岩石点荷载强度指数与岩石饱和单轴抗压强度之间的换算公式为

(1)

按照式(1)可以换算出每组岩样的饱和单轴抗压强度。然后运用Hoek-Brown强度准则将岩块饱和单轴抗压强度进行折减修正来估算岩体强度指标，以满足工程需要。露头点处K/J古风化壳力学参数测试结果见表4。

表4 K1/J2古风化壳力学参数测试结果

..原位剪切试验

(1)试验地点及试体布置。根据K/J古风化壳露头点调查情况，按岩性分布和场地合适性，确定泥灰岩、砂岩和砂质泥岩岩组原位剪切试验在榆林市靖边县典型露头点开展；泥岩岩组原位剪切试验在榆林市神木县典型露头点进行。每种岩性岩组原位剪切试验布置4个试体，每个试体间距不小于50 cm，试体尺寸为50 cm×50 cm×30 cm；试体开挖采用人工方式，尽量减少对试体产生扰动和破坏。

(2)试验仪器及设备。剪切框1个：尺寸为50 cm×50 cm×25 cm(内净距)，采用12 mm厚的钢板加工制作。钢板4块：滚排上钢板和垂向千斤顶上钢板各1块，尺寸为50 cm×50 cm×2 cm；水平千斤顶上钢板2块，尺寸为50 cm×30 cm×2 cm，均采用20 mm厚的钢板加工制作。加载千斤顶2套：最大量程分别为50 t和10 t，配有压力表。变形观测百分表2个：百分表量程50 mm，精度0.01 mm。其他工具：电镐、切割机、发电机、钢梁、铁锹、编织袋、水平尺等。

(3)试验步骤及结果。K/J古风化壳原位剪切试验过程中试验场地清理，试坑开挖和试体修整，以及剪切框、千斤顶、百分表、钢梁和堆载装置等安装，垂直荷载和剪切荷载施加等步骤参考《工程岩体试验方法标准》执行。根据现场试验条件，法向载荷设置为4个等级，分别为20.8，41.7，62.5和83.3 kPa。K/J古风化壳原位剪切试验装置如图9所示。

图9 K1/J2古风化壳原位剪切试验装置Fig.9 In situ shear test device for K1/J2 paleoweathered crust

根据不同法向应力条件下的原位剪切试验数据，绘制了每组试体剪切应力-剪切位移曲线(图10)。由图10可以看出,在较低的正应力条件下，加载初期曲线呈线性趋势，随着剪应力增大有短暂的屈服软化阶段，过了剪应力峰值后，剪应力迅速降低；而在较高的正应力条件下，过了初期线性加载阶段后，随着剪应力增大，持续长时间非线性屈服软化阶段，过了剪应力峰值后，剪应力降低不是很明显，没有明显的屈服强度。

图10 K1/J2古风化壳剪切应力-剪切位移曲线Fig.10 Shear stress-shear displacement curves of K1/J2 paleoweathered crust

根据库仑定理：=tan+c，图11绘制了每组试体的剪切应力-法向应力曲线，采用最小二乘法进行线性回归拟合,求出抗剪强度指标；K/J古风化壳黏聚力和内摩擦角原位测试结果见表5。

图11 K1/J2古风化壳剪切应力-法向应力拟合曲线Fig.11 Shear stress-normal stress fitting curves of K1/J2 paleoweathered crust

通过分析K/J古风化壳的物理力学性质，认识到古风化壳岩性以砂质泥岩、泥岩为主，岩体结构在垂向上总体分为全风化土壤层、强风化碎石层和中-弱风化裂隙块石层，岩石浸水呈现泥化、崩解、碎裂和稳定4种状态，岩体强度低，总体属于软弱破碎岩

表5 K1/J2古风化壳黏聚力和内摩擦角测试结果

体。认为全风化和强风化的古风化岩，以及中等风化的泥岩，浸水呈现泥化和崩解状态的古风化岩，容易成为突泥溃砂的物源。

3 突泥溃砂物源的识别

上述理论和试验测试研究表明，K/J古风化壳的存在，是鄂尔多斯盆地白垩系覆盖下侏罗系煤层开采突泥溃砂的主要物质来源。由于古风化壳受后期构造抬升剥蚀的影响，K/J不整合接触在空间分布上，并不一定普遍存在。对于鄂尔多斯盆地白垩系覆盖的目前开采矿井区(图1)，由于以往的矿井地质勘探工作，没有关注K/J古风化壳的存在，加之勘探钻孔难以取到埋深数百米的古风化壳软弱破碎岩心；因此，如何判别埋深数百米K/J古风化壳的存在？即K/J古风化壳识别评价方法，是必须首先要解决的问题。

对于鄂尔多斯盆地白垩系覆盖区目前开采矿井，前期各类勘探钻孔都有一定数量的钻孔测井资料，可以利用钻孔波速测井曲线，结合钻孔地层岩性分界位置，在K/J地层界面下部，是否存在低波速带及其段长，来确定K/J古风化壳的存在及其厚度。图12为某矿钻孔在K/J接触带处的测井曲线变化情况。可以看出从白垩系底界面进入侏罗系安定组上部后，出现双收时差曲线呈增大突变趋势，表明此段岩层孔隙、裂隙相对发育；密度曲线呈减小突变趋势，也证明了此段岩层相对较高的孔隙率。自然伽玛对沉积岩中的泥质含量十分敏感，K/J界面处自然伽玛曲线也呈增大突变趋势，表明此段岩层泥质含量相对较高。长期的风化作用会导致岩石中的原生矿物向次生矿物转变，内部结构逐渐松散化；从而出现低波速、低密度和高泥质含量的现象。分析测井曲线证明了钻孔处K/J接触带存在古风化壳。

图12 据钻孔测井曲线划分K1/J2接触带古风化壳Fig.12 Divide the paleoweathering crust of the K1/J2 contact zone according to the borehole logging curve

岩石的风化程度可以根据《工程地质手册》岩石风化程度分类表中的波速比来判断。前文总结出全风化、强风化K/J古风化壳具备突泥溃砂结构组成条件，那么满足的波速比条件为：=<06(为古风化壳岩层波速；为古风化壳下新鲜基岩层波速)；则在双收时差曲线上满足的条件为：1>1(06)。按照此方法即可求出全风化、强风化K/J古风化壳的厚度。分析鄂尔多斯盆地某矿的钻孔测井曲线资料，绘制出了K/J古风化壳中全风化和强风化厚度等值线图(图13)。

图13 某矿K1/J2古风化壳全风化和强风化厚度等值线Fig.13 Thickness contour map of the K1/J2 paleoweathered crust in a mine with full weathering and strong weathering

4 K1/J2古风化壳下采动突泥溃砂工程地质模型

K/J古风化壳的存在，为侏罗系煤炭开采突泥溃砂提供了主要物源组成。但是否一定发生突泥溃砂，还受到煤层开采厚度、煤层与古风化壳间距及其间的岩层岩性组成、古风化壳上覆白垩系含水层水压大小等关键条件因素影响。基于松散含水层覆盖下煤层开采突泥溃砂的已有研究，可以建立K/J古风化壳下煤层开采突泥溃砂的工程地质模型(图14)。

图14 K1/J2古风化壳下煤层开采突泥溃砂工程地质模型Fig.14 Engineering geological model of mud-sand inrush in coal seam mining under K1/J2 paleoweathered crust

判断古风化壳下采动能否发生突泥溃砂，关键在于煤层顶板距古风化壳底界的间距是否小于采动垮落带高度和临界保护厚度之和(图14，式(2))。临界保护层厚度值与白垩系水柱高度、K/J古风化壳厚度以及保护层(垮落带之上的侏罗系煤层顶板采动裂隙)的临界水力梯度值有关(式(2))。目前，在没有侏罗系煤层顶板垮落带之上采动裂隙层临界水力梯度实测值时，可以参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》松散含水砂层(全厚大于采厚)下中硬顶板(侏罗系煤层顶板大多属于此类)保护层厚度2(为采厚)来确定，若侏罗系煤层开采垮落带厚度按4倍采厚计算，则可大致得到判断突泥溃砂的判据为≤6。

(2)

式中，为煤层顶板距古风化壳底界距离，m；为垮落带高度，m；为临界保护层厚度，m；为古风化壳厚度，m；为白垩系含水层水柱高度，m；为保护层临界水力梯度。

图15 某矿工作面突泥溃砂处覆岩地质条件Fig.15 Geological conditions of the overlying rock where the mud-sand inrush in a mining face

以黄陇煤田某矿突水溃砂事故为例，开采工作面发生突水溃砂处的覆岩地质条件如图15所示。按照式(2)分析，综放开采煤层厚度9.7 m，即=9.7 m，保护层厚度取2=19.4 m，垮落带厚度取4=38.8 m。则突泥溃砂的判据为：=54.1 m≤6=58.2 m，满足突泥溃砂的判据条件；故工作面回采推进到此处时，发生突泥溃砂事故。

5 结 论

(1)区域野外地质露头调查，认识到鄂尔多斯盆地侏罗—白垩系不整合接触带(K/J)存在古风化壳，发育在中侏罗系顶部，岩性以泥质砂岩、泥岩为主。

(2)K/J古风化壳与上部白垩系和下部未风化的中侏罗系厚层状和整体状结构存在明显差异，垂向上总体分为全风化土壤层、强风化碎石层和中-弱风化裂隙块石层，厚度20～30 m。

(3)K/J古风化壳全风化和强风化层粒度组成很不均匀，主要以角砾为主，砂粒质量分数平均约21%,粉、黏粒质量分数约1%；黏土矿物主要以蒙脱石和伊利石为主，岩石浸水以泥化、崩解和碎裂为主；岩体强度低，总体属软弱破碎岩体；是巨厚白垩系覆盖下侏罗系煤层开采顶板突泥溃砂的主要物质来源。

(4)利用各类钻孔波速测井曲线，结合钻探岩芯、岩性变化等特征，识别确定K/J古风化壳的位置和厚度；提出了K/J古风化壳下侏罗系煤层开采突泥溃砂的工程地质模型，并给出了古风化壳下采动突泥溃砂的初步判据。

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