煤层底板断层抗渗性能“三孔”原位测试与评价

戴磊， 段李宏

（河南能源化工集团 永城煤电控股集团有限公司，河南 永城 476600）

0 引言

深部煤层在强烈开采扰动下会形成底板扰动破坏裂隙，一旦沟通下部高承压含水层，易发生采煤工作面突涌水灾害，严重制约深部煤炭资源安全、高效开采。采动条件下煤层底板突涌水灾害评价受多方面因素的影响，从煤层底板突涌水灾害发生的力学角度分析，影响因素主要有底板岩性组合、安全隔水层厚度与完成程度、底板构造裂隙发育程度及导水能力等。

不同构造期次下的断层发育不仅破坏了煤层围岩的完整性，降低了岩体的变形模量和剪切强度，且极大地降低了煤层围岩综合隔水能力，增大了发生底板突涌水灾害的潜在威胁。通过对我国大量煤矿底板突涌水事故的水文地质及工程地质资料分析可知，大多数煤层底板突涌水灾害的发生与底板断层发育密切相关[1-4]。煤层底板钻孔压水试验是测试底板岩层渗透性和隔水能力的可靠方法，可为煤炭开采提供可靠的原位测试数据，为后续底板突涌水危险性预测和评价提供重要的基础数据[5-10]。

许多学者采用钻孔压水试验对煤层底板的抗渗性进行了大量的理论和实践研究。孙晓倩等[11]在某煤矿深部煤层底板采用双孔测渗技术进行了原位现场压水试验，表明两测试段岩层在原始状态下均不导渗，抗渗性较强，对比初次和重复2个压水过程可知，初次压水后岩层的抗渗能力降低，易形成导渗。刘瑞新等[12]采用双孔测渗技术对兖州矿区16个底板岩层进行压渗测试，结果表明厚层砂岩测试段的起始导渗水压相对较高，互层测试段较低，厚层泥岩的起始导渗水压介于二者之间。邵明喜等[13]在兖矿能源集团股份有限公司杨村煤矿采用双孔测渗技术对底板F5断层进行现场压水试验，结果表明断层在原始状态下渗流能力较差，抗渗能力较强，重复压水导致断层带明显渗透破坏。Qian Ziwei等[14]在兖矿能源集团股份有限公司兴隆庄煤矿底板一条近NS向、倾角约70°的正断层不同位置进行了高压压水试验，通过连续采集的注水流量和监测孔内水压数据，得到了断层破碎带内部不同位置的导水能力，并分析了采动条件下断层导水活化的力学和水动力机理。以上试验主要采用“双孔”法现场压渗测试技术，未考虑岩层裂隙的方向和各向异性特点，单一方向的压渗测试与复杂岩层多向受压的实际情况有较大差异。“三孔”法现场压渗试验采用双向压渗测试技术，通过反向压水对正向压水期间发生的岩层劈裂裂隙进行检验，获取的试验数据更接近岩层压渗变化真实情况。因此，本文采用“三孔”法现场压渗试验方法，以河南省正龙煤业有限公司城郊煤矿为例，在二水平煤层开展了断层带渗透性的压水试验，研究构造发育处底板岩层的阻水能力，以期为矿井深部二水平煤层带压开采水害评价提供量化依据。

1 研究区概况

城郊煤矿位于河南省永城市，属于永夏矿区，2009年经河南省煤炭工业管理局核定矿井生产能力为5.0 t/a，矿井采用立井多水平开拓，一水平煤层的开采标高为−495 m，二水平煤层的开采标高为−800 m。矿井采用分区上行开采，目前开采一水平煤层北翼采区和二水平煤层东翼采区。由于一水平煤层的煤炭资源量即将枯竭，目前采用暗斜井的开拓方式，逐渐由一水平煤层向二水平煤层过渡。二水平煤层最大埋深为1 000 m，煤层底板存在石炭系太原组灰岩和奥陶系灰岩2个区域性的强含水层，且水压均较高。

矿井二水平煤层底板下伏奥陶系灰岩顶界面距二水平煤层底板的平均厚度为200 m，通过对城郊煤矿历年来水文观测数据分析可知，奥陶系灰岩含水层与上覆各含水层之间基本无水力联系。然而，二水平煤层底板下伏的石炭系太原组灰岩含水层自建井开采以来发生了2次突涌水灾害，最大瞬时突水量为300 m3/h。因此，对二水平煤层水害威胁最大的是太原组灰岩含水层。

目前，矿井二水平煤层南翼和东翼采区均处于大面积开拓和部分采掘阶段，预计太原组灰岩水压可达6～7 MPa，突水系数大于《煤矿防治水细则》推荐值（正常地段0.1 MPa/m）。太原组上段L11灰岩含水层厚度为 0.23～3.26 m，平均厚度为 1.64 m，上距二水平煤层底板 13.50～85.61 m，平均距离为 50.36 m，厚度差异较大，必然存在局部综合隔水能力薄弱的地段，特别是构造裂隙和断层较为发育的部位。

2004年3月29 日，2205工作面由于断层导水，发生太原组灰岩含水层突涌水事故，最大涌水量为80 m3/h，导致工作面距终采线 55 m提前回撤；2008年6月24日，二水平煤层南翼轨道运输大巷施工至测点SYG12点前40 m处发生突水，初始涌水量为 80 m3/h，最大涌水量为 300 m3/h，后逐渐稳定到230 m3/h，突水原因为巷道左帮揭露了一条落差为10～32 m的隐伏FN−5正断层，深部太原组灰岩含水层沿断层面溃入开采工作面。随着煤层开采深度的不断增加，城郊煤矿二水平煤层的突涌水影响因素越来越复杂，尤其是主采煤层底板的太原组灰岩含水层水压不断增高，构造裂隙和隐伏导水断层较为发育，深部煤层开采期间底板扰动变形程度不断加大，城郊煤矿二水平煤层开采的水害防治难度及不确定性越来越大，已成为制约矿井深部煤层安全、高效开采的主要隐患。

2 二水平煤层底板断层原位压水试验

2.1 钻孔压水试验方法

在巷道内相隔一定距离布设3个钻孔。在其中1个钻孔孔口安装压力表和流量监测仪，用于压水，称为压水孔；在其他2个钻孔安装水压传感器，用于检测钻孔内部水压变化规律，称为水压检测孔。钻孔压水试验装置与原理如图1所示。试验采用2ZBQ−3/21高压气动压水泵，实现无级变速，可调节的流量为 5～80 L/min，额定泵压为 22 MPa；注浆管路耐压不低于15 MPa。采用振弦式水压传感器采集频率，连接GSJ−2A型智能检测仪转换为水压，可直接显示检测到的水压值，计数精度为±0.5%，监测压力P取值为 0～40 MPa。

图1 钻孔压水试验装置与原理Fig.1 Drilling water pressure test device and principle

2.2 钻孔压水试验评价原理

钻孔压水试验采用“三孔”法现场压渗测试技术，第1次压水试验为正向压水试验，第2次压水试验为反向压水试验。为量化评价测试段的起始渗透条件，将水压监测孔水压和压渗流量明显随注水水压同步变化的点作为起始渗透特征点，对应的注水水压为起始导渗水压。注水水压按照设计值持续增大，若测渗水压较注水水压小且保持稳定，注水流量相对稳定，则表明在原始状态下，现场岩层的抗渗能力极强，将岩层评价为隔水层，反之评价为导水裂隙。

2.3 钻孔压水试验方案

综合考虑城郊煤矿二水平煤层场地环境及钻孔施工条件、测试条件等因素，在二水平煤层南翼胶带大巷西段揭露的落差H为10.3 m的FN−6正断层进行现场原位压水试验。二水平煤层南翼胶带大巷西段距离太原组上段L11灰岩含水层45 m。为了探究FN−6正断层上部的阻水能力，减小太原组下部灰岩含水层对压水试验结果的影响，各试验钻孔在穿越FN−6正断层破碎带时必须与太原组上段L11灰岩含水层保留一定距离，且各试验钻孔的开孔位置与FN−6正断层在暗斜井的揭露点保留一定距离。测试钻孔布设如图2所示。本次压水试验共布设3个钻孔C1，C2，C3，当其中1个为压水孔时，其他2个即为水压监测孔。钻孔C1距测点SYP23水平间距为1.6 m，3个钻孔水平间距均为6.3 m，开孔直径为127 mm，终孔直径为 89 mm，倾角为−30°，与巷道间夹角为23°，C1，C2，C3孔深分别为 30，36，42 m。

图2 断层原位压水试验钻孔布设Fig.2 Hole layout in fault in-situ pressurized water test

压水孔注水水压分别为 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 MPa，压水时间为 20 min。在压水试验过程中连续记录流量、水压及2个监测孔内的响应水压变化。某一注水水压下监测孔检测到明显的水压响应，压水孔和水压监测孔间形成优势导水通道，该注水水压为临界导渗水压，在临界导渗水压的基础上再增加0.5 MPa，即可停止压水试验。之后进行不同注水流量下的压水试验，流量分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 L/min，先逐级增大注水流量至4.0 L/min，再逐级降低至0。各级流量下的压水时间为20 min，连续记录流量、水压和响应水压变化。完成1个钻孔的注水试验后，转换压水孔和水压监测孔再次进行同样的压水及测渗过程。

3 压水试验结果与分析

3.1 正向压水试验结果与分析

正向压水试验采用钻孔C2作为压水孔，钻孔C1和C3作为水压监测孔，试验得到的压渗曲线如图3所示。可看出压水试验开始后约1 min，压水孔水压为 10 MPa，注水流量为 3.45 L/min，水压监测孔C1和 C3测得的水压响应值分别为 0.042，0.045 MPa，表明在初始状态下FN−6正断层上段的导水能力极其微弱，属于隔水层。随着注水水压升高，压水孔和水压监测孔间的岩体密集发生微小的劈裂现象，产生新的裂隙，当压水试验持续至约30 min时，水压监测孔C3监测到水压发生较小变化，表明新产生的裂隙发生导水现象，但是导水能力较弱，此时注水流量在3.05～3.85 L/min内波动。当压水试验持续至约35 min时，压水孔和水压监测孔间岩体裂隙发生较大规模的扩张，压水孔C2的水压瞬间突降0.5 MPa，短暂持续后，又突降2 MPa，此时水压监测孔C3监测到水压明显升高，但是响应值依然远低于压水孔水压，表明有新的导水裂隙产生，但是规模较小，导水能力较弱，仅以微小裂隙的渗流为主。综上可知，FN−6正断层的上段隔水能力较强，渗流较差。

图3 正向压水试验的压渗曲线Fig.3 Pressure-permeability curves of forward water pressure test

3.2 反向压水试验结果与分析

反向压水试验采用钻孔C3作为压水孔，钻孔C1和C2作为水压监测孔，试验得到的压渗曲线如图4所示。压水试验开始后约2.5 min，压水孔水压为 7 MPa，压水流量为 4.05 L/min，水压监测孔 C1和C2测得的响应水压分别为 0.06，0.25 MPa，较正向压水试验值有所升高，表明正向压水阶段产生了微小的导水裂隙。当压水试验持续至约23 min时，水压监测孔C2的响应水压逐渐增大至0.65 MPa，表明在反向压水试验过程中导水通道数量较正向压水试验时有所增加，导致压水孔和水压监测孔间的压差降低。此时，注水流量在0.25～4.55 L/min内波动，说明岩体产生裂隙，且裂隙内开始充水。在23 min时进行一次升压，注水水压从 7 MPa 迅速增大至 11 MPa，此时水压监测孔C2的响应水压迅速升高至1.3 MPa，瞬时注水流量达到峰值9.55 L/min后降低到0.55 L/min，表明在水压监测孔C2和压水孔C3间形成了优势导水通道，FN−6正断层的临界导渗水压为11 MPa。若在稳压情况下继续注水，优势导水通道通过扩展和形成微裂隙网络来满足其卸掉高压水势能的需求，故其流量在波动中减小，测得的响应水压继续增大直至基本稳定。注水流量降至0.55 L/min，说明处于稳态渗流并不意味着测渗段岩层发生了结构性的破坏，而是由局部压裂损伤导致导通性渗流。

图4 反向压水试验的压渗曲线Fig.4 Pressure-permeability curves of reverse water pressure test

4 结论

（1） 正向压水试验结果表明，FN−6正断层上段的隔水能力较强、渗流较差，属于隔水层，在目前的采动条件下未发生明显的导水活化现象。通过压渗曲线可看出断层带在高水压作用下会逐渐劈裂产生微裂隙，但规模较小，导水能力较弱，仅以微小裂隙的渗流为主。

（2） 反向压水试验结果表明，反向压水过程中导水通道数量较正向压水时有所增加，降低了压水孔和水压监测孔间的压差。FN−6正断层的临界导渗水压为11 MPa，当微裂隙相互贯通后注水流量明显上升，成为优势导水通道，只有超过临界导渗水压后才能进入实际的渗流状态，但处于稳态渗流并不意味着测渗段岩层发生了结构性的破坏，而是由局部压裂损伤导致导通性渗流。