台格庙矿区基岩孔隙裂隙发育规律及富水性分区研究

马红卫

(中国煤炭地质总局 第四水文地质队,河北 邯郸 056001)

水害是影响煤矿安全生产的五大自然灾害之一[1]。煤矿建设、生产过程中,经常受到水的威胁,且发生过多次较大的涌突水事故。目前,华北石炭-二叠纪煤田浅部资源枯竭、开采深部下组煤层,主要遭受底板下伏强富水性奥灰岩溶水的突水威胁[2];作为我国未来重要的煤炭基地、正大规模开采的鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田,开采侏罗系中统延安组煤层,则主要受到顶板上覆砂岩孔隙裂隙含水层的涌水影响[3]。

顶板水害已成为煤矿安全生产中的巨大挑战[4]。工作面煤层回采情况下,围岩应力重新分配和再平衡,垮落带和导水裂隙带内的顶板岩层产生新的裂隙或裂隙性质向拉张性改变,导致更多顶板水进入矿井,对开采造成更大威胁。二叠纪、侏罗纪煤层的顶板水主要是砂岩孔隙裂隙水,矿井充水含水层以静储水量为主,动态补给量有限[5]。王晓亮[6]分析了矿井含水层主要特征、隔水层特征、地下水补径排条件、矿井充水条件,提出了治理顶板水、奥灰水的具体方案。张彪[7]以水文地质条件精细探查和含水层分层研究、导水通道探测、采动裂隙发育规律研究为基础,提出了减水技术对策。杨建等[8]开展了顶板水可疏降性等研究,建立了工作面预疏放标准。吕扬等[9]分析了曹家滩煤矿首采工作面煤层的地质概况,确定了影响工作面发生水害事故的充水因素, 综合论证分析了首采工作面煤层顶板富水性特征及分区。王洋等[10]分析了含(隔)水层的空间展布规律与含水层富水性分布规律,提出了符合深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水风险分区评价方法。张国斌[11]采用井下钻探对工作面顶板含水层进行探放,有效减少了工作面回采后的涌水量。梁向阳[12]采用综合物探工程探测顶板富水异常区,布置钻探工程进行顶板水疏放,最终确定划分工作面顶板富水区。薛建坤[13]提出了基于分形理论的富水性指数法,进行了不连沟煤矿砂岩含水层富水性评价应用。

以台格庙矿区各井田为例,在开展专项水文地质勘探工作查明矿井水文地质条件的基础上,采用层次结构分析法(简称AHP)对地质构造、岩性厚度、裂隙特性、冲洗液消耗量等因素进行深入分析和归纳总结,研究砂岩孔隙裂隙发育特征、分布规律及地下水赋存规律,结合钻孔抽水试验进行富水性分区预测,为矿井设计及煤矿防治水提供可靠的安全技术保障措施。

1 矿井概况

位于东胜煤田西南部的台格庙矿区规划7个井田,先期进行1号、2号、3号、4号井设计及建井,规划首采2煤层(2-1、2-2上、2-2)或3煤层(3-1、3-1下)。

据区域地层和钻探揭露成果,井田地层由老至新发育有:三叠系上统延长组(T3y),侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a),白垩系下统志丹群(K1zh)和第四系全新统(Q4)。

据区内钻孔揭露控制,煤系地层构造形态为一向西倾斜的单斜构造,倾角1°～3 °,发育宽缓的波状起伏。未发现断层、褶皱及岩浆侵入等,构造复杂程度属简单类。

首采煤层顶板砂岩裂隙含水层岩性以粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩为主,粒径变化较大,以0.05～0.5 mm 居多,小于0.05 mm 的颗粒一般小于 10%,大于 0.5 mm(粗砂-砾)的分布不很普遍。碎屑以次圆-次棱角状为主、分选性一般,接触式胶结为主,泥质胶结为主,含水介质以次生溶蚀孔隙为主,偶见原生孔隙,普遍可见方解石溶解和沉淀结晶现象,连通性好。砂岩累计厚度24.35～105.55 m(由西南向东北渐厚),分布不均匀。据本次勘查抽水试验成果,煤层顶板砂岩含水层水位标高+1 219.74～+1 326.64 m,单位涌水量0.009 1～0.128 8 L/(s·m),渗透系数0.01～0.38 m/d,富水性弱-中等,水化学类型以HCO3·SO4-Na、HCO3-Na·Ca、SO4-Na型为主。

2 岩层裂隙发育特征

岩层裂隙的发育,与岩性及其组合、孔隙率、完整性、脆塑比有着密切的关系。通过对这些相关因素的分析,可以从侧面反映裂隙的发育特征及规律。

构造裂隙的发育,与岩石性质与岩层组合情况、构造应力的强度与作用方式、岩体受力的边界条件等因素有关,与岩石性质(主要是力学强度)及岩层组合条件的关系非常密切。

2.1 裂隙发育相关因素分析

2.1.1 裂隙发育与岩石性质及岩层组合的关系

1) 裂隙发育与岩石性质的关系。①弹脆性岩石传递应力的能力很强,力学强度很大,抗剪强度远大于抗拉强度。岩石受力后,主要以脆性破裂的形式释放应力。应力超过弹性极限后,岩石即破裂。其破裂方式以脆性拉张为主[14]。在同样的作用力和边界条件下,弹脆性岩石要比黏塑性岩石容易产生裂隙,裂隙较长、较宽、分布较稀,裂隙切穿性较大,泥质充填物一般较少。因此,弹脆性岩石裂隙的导水性较好。②黏塑性岩石传递应力的能力较弱,力学强度低。岩石受力后,主要以塑性变形的形式释放应力。很快超过弹性极限,破裂前已产生很大的塑性变形。其破坏方式以黏性剪断为主,产生大量隐裂隙和闭裂隙,裂隙较窄、较短、分布较密,常被破碎的泥质产物充填。因此,黏塑性岩石裂隙的导水性一般较弱。③过渡性岩石的力学性质和裂隙发育特征,介于典型的弹脆性岩石和黏塑性岩石之间。

2) 岩层组合条件对裂隙发育的影响。层状岩石中,如果相邻各层岩石的力学性质差别较大,则构造运动中,黏塑性较强的岩石主要表现为塑性变形,构成相对隔水岩层;弹脆性岩石主要表现为脆性破裂,构造裂隙发育,形成裂隙含水层。本次勘探范围内构造不发育,一般情况下,地球物理测井成果资料中的砂泥比,可视为地层岩石的脆塑比。根据本次水文地质勘探57个钻孔目的层段岩石测井资料的砂泥比值,绘制脆塑比专题图(图1)。

此外,在弹脆性岩层和黏塑性岩层互层的地层中,弹脆性岩层所占的厚度百分比对裂隙发育及含水性也有影响。弹脆性与黏塑性互层的岩层组合,受垂直于层理方向的挤压力作用,黏塑性岩层将产生塑性变形,沿层理方向流展。由于层间摩阻作用,弹脆性岩层将被黏塑性岩层带动,同时沿层面产生很大的张应力。在它的作用下,弹脆性岩层终将被拉断,破碎成单独的岩块。

2.1.2 裂隙发育与岩石强度的关系

裂隙发育指数是表征岩石不完整性的定量指标,与岩石的强度之间必然存在着相关性。而岩石的RQD及岩心采取率可以反映岩石的完整性。

1) 岩体完整程度。RQD是衡量岩石质量的定量指标,一定程度上能反映岩体裂隙发育程度。一般情况下,RQD值低,裂隙较发育。据本次水文地质勘探钻孔每个回次大于10 cm的柱状岩心累计长度与回次进尺之比的统计资料,绘制RQD值专题图(图2)。

图2 首采煤层顶板含水层RQD专题图

2) 岩心采取率。岩心采取率是反映岩体完整程度和岩体裂隙交切程度的指标。一般情况下,岩心采取率低,裂隙交切程度高,存在开启性裂隙的可能性高,反之则可能是非开启性裂隙。根据本次水文地质勘探钻孔的各回次钻探岩心采取长度与相应钻探进尺的比值,绘制岩心采取率专题图(图3)。

图3 首采煤层顶板含水层采取率专题图

鄂尔多斯盆地侏罗系地层的裂隙发育特征:①以直立裂隙(节理)最发育,70%以上的裂隙面倾角均在70°以上,倾斜裂隙和水平裂隙均不发育;②在某一地区裂隙带成对出现,并相互交切,共同组成X型共轭剪节理;③野外观察两组裂隙,通常一组为压剪性质,另一组多为张剪性质(研究区NE、NNE向裂隙多张剪性质);④砂泥岩互层的地层,厚层砂岩中普遍发育X型共轭剪节理,而砂岩之间的泥、页岩层中节理消失,表明裂隙主要发育于脆性岩层当中。

2.2 裂隙发育指数

岩石裂隙的发育程度,由一定范围内所有裂隙的面积之和、不同尺度的裂隙所占的比重两个因素决定。岩石裂隙反映到岩石表面,则是我们观测到的所有裂隙的长度之和以及不同长度的裂隙所占的比重。

岩体的富水性主要取决于岩体裂隙的发育情况,因此可利用孔隙率来划分岩层的富水程度。综合地球物理测井成果解释孔隙率:利用伽玛测井曲线反算岩石密度;视电阻率分析岩石孔隙率及胶结程度:孔隙率越大、胶结程度越差,视电阻率越小;自然电位用于判断岩层渗透性:孔隙率越大,自然电位表现低值异常。为提高准确度,采用加权平均法计算砂岩的平均孔隙率。

岩层的密度是决定地层声速的重要因素:岩石的密度越大,声速越大,即时差Δt越小;对于相同岩性的岩石来说,岩层的密度是其孔隙率的函数。因此,可根据声速测井资料(声波时差Δt)确定地层的孔隙率。

对于岩石骨架成分不变、胶结均匀、粒间孔隙分布均匀的地层,当岩石骨架成分(岩性)和孔隙流体性质一定时,可得到声波时差Δt与岩石孔隙率φ的线性方程式:

Δt=Aφ+B

(1)

式中:A=Δtf-Δtam,B=Δtam,Δt为声波时差曲线的读数,μs/m;φ为地层的孔隙率,%;Δtf、Δtam分别为岩石孔隙流体和岩石骨架的声波时差,μs/m.

对不含泥质的岩石,绝对孔隙率可以看作有效孔隙率;否则,须对孔隙率进行泥质含量影响校正后得到有效孔隙率。根据本次勘探水文测井利用式(1)计算各含水层的孔隙率,并进行汇总分析。根据计算的岩石孔隙率,绘制含水层孔隙率专题图(图4)。

图4 首采煤层顶板含水层孔隙率专题图

2.3 砂岩裂隙分区

按式(2)对砂岩裂隙发育各主控地学信息的数据进行归一化处理,消除各物理量量纲不同的限制,使各地学信息在层次结构分析中具有可比性。

(2)

式中:Ai为归一化处理后的数据;a、b分别为归一化范围的极值(取0和1);xi为归一化前的初始数据;max(xi)、min(xi)分别为各主控因素量化值的极值。

再将归一化多元地学信息专题图进行相互叠加,产生一个能够综合反映裂隙发育规律的专题图。

根据层次结构分析法得到的不同权重值,与归一化后的多元地学信息数据进行叠加,得到一个能够反映裂隙发育程度相对大小的指数,即裂隙发育指数。可表示为:

(3)

式中:CI为裂隙发育指数;n为多元信息个数(取值4);k为因素序号;Wk为第k个地学信息的权重;fk(x,y)为第k个地学信息归一化后的值;x、y为地理坐标。

由此得出,台格庙井田煤层顶板充水含水层裂隙发育规律评价模型为:

= 0.232 8f1(x,y) +0.179 1f2(x,y)+0.432 7f3(x,y)+0.155 4f4(x,y)

由图5可以看出,煤层顶板砂岩孔隙裂隙发育不均匀,砂岩赋存受地层沉积影响,勘查区西北部、一井田南部为孔隙裂隙发育区,中部相对较弱。

图5 首采煤层顶板裂隙发育分区图

3 地下水富水性分区预测

3.1 富水性主控因素

通过对矿井水文地质条件的分析,以含水层厚度、单位涌水量、渗透系数、岩心采取率、冲洗液消耗量作为煤层顶板充水含水层富水性的主控因素。

1) 含水层厚度。在其它因素一定的情况下,含水层的富水性与其厚度呈近似正比的关系。以本次勘探含水层细、中、粗粒砂岩的厚度之和作为充水含水层厚度。整理、统计本次勘探各钻孔砂岩含水层厚度资料,再利用Surfer强大的插值功能,生成含水层厚度专题图(图6)。

图6 首采煤层顶板砂岩含水层厚度专题图

2) 单位涌水量。按《煤矿防治水细则》(2018年9月1日),把不同孔径、不同降深的单位涌水量统一换算成孔径91 mm、降深10 m的单位涌水量。根据本次勘探各水文钻孔换算后的单位涌水量,生成单位涌水量专题图(图7)。

图7 首采煤层顶板含水层单位涌水量专题图

3) 渗透系数。根据本次勘探充水含水层渗透系数的统计资料,生成充水含水层渗透系数专题图(图8)。

图8 首采煤层顶板含水层渗透系数专题图

4) 冲洗液消耗量。冲洗液消耗量反映岩层岩溶或裂隙的发育程度,进一步反映岩层的透水性。冲洗液消耗量越大,说明该岩层段的岩溶或裂隙发育较好,透、导水性较强,储水性能较好。砂岩中地下水赋存极不均匀,裂隙发育地段往往富水,受裂隙发育程度控制,钻进时常有漏失现象发生。

据本次勘探钻孔冲洗液消耗量资料,把所有涉及钻孔按最大消耗量分为0～0. 3 m3/h、0. 3～0. 6 m3/h、0. 6～0. 9 m3/h、0. 9～1. 2 m3/h和>1. 2 m3/h五个等级区域,得到各钻孔的冲洗液消耗量值。根据冲洗液消耗量值,生成冲洗液消耗量专题图(图9)。

图9 首采煤层顶板含水层冲洗液消耗量专题图

3.2 富水性指数模型

同上,按式(2)对各地学信息的数据进行归一化处理,再将归一化后的多元地学信息专题图进行相互叠加,产生一个能够综合反映含水层富水性的专题图。

综合叠加图中,根据层次结构分析法得到的不同权重值,与归一化多元地学信息数据进行叠加,得到一个能够反映充水含水层富水性相对大小的指数,即富水性指数。同上用式(3)表示,其多元信息个数n取5.

由此得出,台格庙井田煤层顶板充水含水层富水性评价模型为:

=0.391 9f1(x,y) +0.208 1f2(x,y)+0.073 8f3

(x,y)+0.225 6f4(x,y) +0.100 6f5(x,y)

由图10可以看出,勘查区首采煤层顶板含水层勘查区中部的富水性强-较强,周边的富水性较弱-弱(图10)。

图10 首采煤层顶板含水层富水性分区图

4 防治水措施

1) 矿井巷道掘进和工作面回采前,建好井下排水系统,保证足够的排水能力;

2) 富水性较好、突水危险的区域进行超前疏排,提前分阶段、多钻孔、长时间疏放,实现安全疏干;

3) 白垩系、侏罗系含水层水力联系较好地段,进行合理的排供结合,疏水降压;

4) 6煤回采时,查明首采工作面的积水情况,对首采煤层采空区积水进行合理探查和预疏放;

5) 加强封闭不良钻孔的启封和重新封闭工作;加强隐伏断层等构造及其含、导水性探查工作。

5 结 语

1) 应用层次结构分析法,对影响裂隙发育和地下水赋存的主要因素进行统计和分析。勘查区基岩裂隙的发育,主要受岩石性质、强度、空间分布特征影响。

2) 整体看,勘查区基岩孔隙裂隙发育不均一,局部地段较发育。首采煤层顶板勘查区西北部、一井田南部为孔隙裂隙发育区,中部发育相对较弱。

3) 进行了含水层富水性分区。勘查区中部首采煤层顶板含水层的富水性强-较强,周边的富水性较弱-弱。

4) 提出了有针对性的防治水措施和建议。