弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

李 江 华

（1.煤炭科学技术研究院有限公司, 北京 100013；2.煤矿灾害防控全国重点实验室, 北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心, 北京 100013；4.山西省矿井地球物理勘探技术创新中心, 山西 晋城 048006）

0 引 言

我国侏罗纪煤田地质储量约占总量的60%，主要集中分布于西北地区。在我国规划的14 个大型煤炭基地中有4 个处于蒙、陕、甘、宁四省交界处，随着“一带一路”战略的实施及我国煤炭主要生产区逐步西移，鄂尔多斯盆地侏罗纪煤炭资源开发已成为我国煤炭工业可持续发展的重要支撑[1]。其中安新煤田位于鄂尔多斯盆地西南缘，主要开采侏罗纪煤层，受顶板白垩系志丹群巨厚弱胶结砂砾岩含水层的威胁。开采范围内巨厚砂砾岩含水层均为弱富水区、胶结程度低，且煤层埋深大，由于主采煤层顶板砂砾岩含水层物理力学性质的特殊性，曾引起多个工作面发生突水。

采动覆岩破坏特征是矿井突水机制研究的基础，煤层开采后引起围岩变形、移动和破坏，采动覆岩破坏具有分带性。刘天泉院士[2]提出了覆岩破坏学说，将覆岩破坏划分为“三带”；高延法[3]基于“三带”模型，将弯曲带下部单独划分出离层带，提出了“四带”模型的观点，为离层注浆施工设计和离层水害防治提供了依据；张玉军等[4]研究了鄂尔多斯盆地侏罗系煤层开采导水裂缝带发育规律；许延春、李星亮等[5-6]统计了大采高及综放开采覆岩裂隙发育高度特征，建立了适用于综放开采工作面的“两带”高度经验公式。近些年随着煤炭资源开发向西部转移，煤层埋深增大，顶板水害事故显现，尤其离层水害、弱胶结砂岩含水层突水增多[7-8]。董书宁等[9]研究了鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田4 类典型顶板水害，针对厚基岩采场弱胶结岩层动力溃砂灾害，提出了硬岩超前预裂和弱胶结地层注浆改性的防控思路；范立民等[10]针对鄂尔多斯盆地北部直罗组含水层赋存特征及突水特点，提出了水害防治与保水开采建议；吕玉广等[11]揭示了侏罗系软岩顶板弱含水层高强度水-沙混合型突水机制。我国学者认为离层水形成有3个基本条件：岩层物理力学性质差异产生可积水的离层（地层条件）、离层周边存在补给水源（物源条件）、离层空间持续时间足够长（采动条件）。离层水在其上覆岩层载荷、内部静水压和下部破断岩层协同作用下，沿着导水裂隙通道涌入工作面，形成采动覆岩离层涌水，离层积水水体和隔水层被导水裂隙贯通是离层突水发生的必要条件[12-14]。此外，张文忠[15]提出了离层动水压突水、静水压突水和重复扰动突水3 种离层突水模式；乔伟等[16-17]基于顶板离层水突水实例，提出了采动覆岩“动力突水”和“突水离层带”的概念，研究了不同顶板突水类型的形成机制和力学条件；陈维池等[18]获得了鄂尔多斯盆地采动离层扩容对白垩系含水层的扰动规律，并将水压变化划分为4 个阶段。

笔者围绕安新煤田开采区的工程与水文地质特点，通过研究隔水保护层岩石物理力学性质、阻隔水特性及岩层分布特征，结合弱胶结巨厚砂砾岩含水层采动演变过程，建立了采动弱胶结砂砾岩突水水文地质结构模型，揭示了弱胶结巨厚砂砾岩含水层突水机制，并根据现场突水特点，提出了弱胶结砂砾岩含水层发生突水的工程判据。

1 研究区概况

1.1 安新煤田矿区概况

安新煤田位于鄂尔多斯盆地西南缘，甘肃省平凉市华亭、崇信两县境内，属于国家规划的14 个大型煤炭基地的黄陇基地。北以煤5 露头线为界，西以煤2 尖灭线为界，南以陕西、甘肃省界为界，东以F8 断层为界。南北长约18 km，东西宽1～10 km，含煤面积64 km2。呈北西分布向南倾伏不对称的向斜构造，煤层结构比较复杂，煤田内共有3 个主采煤层，属近距离煤层。其中主要可采煤层平均厚度8.8 m，遍布于整个煤田。目前安新煤田有6 座生产矿井，研究区涵盖新柏、新窑和大柳煤矿（图1）。

图1 安新煤田矿井分布Fig.1 Distribution of mines in Anxin coal field

1.2 研究区水文地质特征

20 世纪初，国内学者对鄂尔多斯盆地白垩系地层进行了大量的野外调查和地质勘探工作，将志丹群自下而上划分为宜君组、洛河组、华池组、环河组、罗汉洞组、泾川组。鄂尔多斯盆地西南缘下白垩统志丹群主要分布在盆地的边缘地带，分布广泛，被新生代地层所覆盖。

研究区位于区域水文地质单元的中南部，可划分为5 个含水层和3 个隔水层（图2），新柏和大柳煤矿白垩系志丹群上部隔水层厚度大，可阻隔上部含水层及地表水的补给，而新柏煤矿该层较薄，甚至北部缺失，直接受大气降水的补给。侏罗系延安组中部含水层距开采煤层近，是矿井开采直接充水水源，但富水性弱，对矿井影响小。而白垩系志丹群砂砾岩含水层分布整个区域，岩性为紫红色、黄绿色砾岩、砂砾岩，具有近源的山前冲洪积扇相的沉积特征。砾石成分以石英为主，粒径一般在0.2～6.8 cm，大者达20 cm。砂砾岩含水层厚度65.24～327.0 m，平均160.48 m，本区北部厚度相对较大。该含水层单位涌水量为0.002～0.355 L/(s·m)，富水性弱～中等，仅在矿区东部边界附近富水性中等，开采区均为弱富水性，但该区砂砾岩含水层泥质胶结，胶结程度弱，岩芯破碎，采取率仅30%左右，基本为砾石块。由于其厚度大，地下水静储量丰富，是威胁矿区安全生产的主要含水层。砂砾岩含水层厚度及富水性分区特征如图3 所示。

图2 含（隔）水层综合柱状图Fig.2 Composite histogram of aquifers (aquicludes)

图3 砂砾岩厚度和富水性分区特征Fig.3 Thickness and water-rich characteristics of glutenite

2 顶板隔水层物理力学特性分析

2.1 顶板岩层矿物质特征

通过X 衍射试验和扫描电镜对顶板泥岩、砂质泥岩及粉砂岩的矿物质组成成分和微观组构特征进行测试[19-20]。X 衍射测试结果表明顶板隔水层矿物质组成以石英、黏土矿物为主，根据X 射线衍射图谱中特征峰强度与矿物含量的正相关性，得出黏土矿物中高岭石和伊利石占比达80%以上，其中泥岩的黏土矿物含量达到59.6%，而砂质泥岩和粉砂岩接近40%（表1），表明煤层顶板安定组和直罗组隔水层亲水性较好，遇水后易膨胀泥化，有利于阻水。隔水层对上部巨厚砂砾岩含水层向工作面涌水起着关键阻隔作用。

表1 岩石矿物含量测试成果Table 1 Test results for rock mineral content

2.2 煤层顶板岩石力学测试

白垩系砂砾岩为弱胶结地层，其下部岩层由侏罗系安定组和直罗组泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及延安组砂岩组成，厚度平均110.09 m。通过岩石力学测试，单轴抗压强度小于40 MPa，属于中硬岩层[21]。

采用三轴声发射测试对顶板隔水层泥岩、砂质泥岩、粉砂岩岩样进行力学特性分析，设置围压为2.0、5.0 和7.5 MPa，轴向连续加载至试样完全破坏。采用声发射能量E、累计能量∑E分析岩石变形破坏过程中的声发射特征[20,22]，三轴声发射结果如图4 所示。初始加载阶段随着轴向应力的增大，岩石裂隙逐渐闭合、压密，发生一些声发射事件，主要是由于较低应力作用下岩样内部原始裂隙首先闭合，岩样体积随着载荷增加不断减小，但闭合后裂隙之间发生滑移，粗糙面咬合啃齿会产生一定的声发射事件[23]。随着轴向应力的持续增大，弹性至塑性阶段声发射能量呈增大趋势，应力峰值前后声发射能量出现异常跳动。同围压（2.0 MPa）条件下，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩的抗压强度与声发射能量依次增大，粉砂岩的累计能量为泥岩的近5 倍。泥岩释放能量主要集中在残余变形阶段，且岩石破裂角较小，而粉砂岩在屈服阶段释放能量最大。表明泥岩在应力作用下破坏之前岩体的裂隙发育较小，能有效起到隔水保护作用。

图4 三轴声发射测试结果Fig.4 Test results of triaxial acoustic emission

不同围压条件下（2.0、5.0 和7.5 MPa）砂质泥岩声发射结果表明，围压越大声发射能量和岩石强度越大，并且随着围压的增大，累计能量呈2 的几何倍数增加，泥岩和粉砂岩具有同样的规律[20]。煤层开采时，采空区上方顶板岩体处于卸压拉伸状态，两端岩体处于卸压剪切状态。随着采矿范围的增大，裂隙带向上发育，采动顶板处于应力卸荷状态，根据声发射能量特征，该过程具有一定的时间累计过程，岩体破断失稳前发生损伤累计效应。同时，导水裂隙带附近隔水层岩体卸压后围压减小，使岩体抗压强度将明显降低，促进岩体的破坏。但导水裂隙带上部存在厚层岩体时，远离导水裂隙带岩体卸压相对较小，基本能保持岩体的原有特性。

从物理力学性质角度表明砂砾岩含水层下安定组和直罗组泥岩、砂质泥岩具有良好隔水性的属性，但隔水层厚度较薄时难以支承上部岩层载荷和砂砾岩含水层静水压力，在采动应力-渗流作用下将发生破坏，成为良好的导水通道。因此隔水层厚度是砂砾岩含水层突水的主要影响因素之一。

3 采动巨厚弱胶结砂砾岩突水机制

3.1 煤层顶板厚度分布特征

通过本区钻孔揭露地层结构特征，绘制砂砾岩层上部基岩厚度等值线图（图5），矿区东北部砂砾岩上部基岩厚度薄，局部甚至缺失，上部直接覆盖松散层，而矿区中南部厚度逐渐增大。

图5 砂砾岩含水层上下基岩厚度分布特征Fig.5 Thickness characteristics of bedrock upper and lower the glutenite aquifer

通过钻孔电视和冲洗液漏失量法对综放开采工作面砂砾岩含水层下煤层顶板破坏两带高度进行现场观测（图6），LD-1 与LD-2 钻孔在稳定基岩段320.4 m 和362.1 m 时完全不返水，冲洗液全部漏失，循环终止，结合钻孔岩心和钻孔电视判断进入裂隙带。经计算，观测位置煤层采厚10 m，导水裂隙带高度为128.4～132.6 m，裂采比为12.84～13.26。根据开采区钻孔煤层厚度统计，采用裂采比13.26 对各钻孔导水裂隙带发育高度进行预计，并与砂砾岩含水层下基岩厚度进行对比，绘制等值线图，得出矿区新窑井田东北部、新柏井田西部及大柳井田中部区域砂砾岩含水层下基岩厚度小于导水裂隙带高度。

图6 覆岩破坏现场观测成果Fig.6 Field observation results for overburden failure

3.2 弱胶结砂砾岩离层力学分析

本区东北部与中南部地层结构差异较大，选取位于东北部的X1302 钻孔和中部618 钻孔，基于地层结构对离层发育位置进行力学分析。根据关键层理论[24]，组合梁中n层岩层对第k层所传递的载荷为：

式中：Ei为第i（i=k，k+1，···，n）层岩层弹性模量，GPa；hi为第i层岩层厚度，m；γi为第i层岩层体积力，kN/m3。

当顶板组合梁岩层中(qn+1)k<(qn)k，且Ln+1>Lk，第k层硬岩与第n+1 层岩层均为关键层，而Ln+1

表2 关键层层位统计分析Table 2 Statistical analysis of key layers

3.3 巨厚弱胶结砂砾岩突水机制

根据研究区地质条件及两带高度观测钻孔数据建立相似模拟试验模型[20]，相似材料模拟试验平台尺寸为3 000 mm×300 mm×1 250 mm（长×宽×高）。模拟地层厚度500 m，其中煤层厚度为10 m，模拟比为1∶400。模型从左往右逐步开挖，步距为40 m，相似模拟试验结果如图7 所示。随着煤层的开挖，采空区顶板发生拉伸和剪切破坏，并伴随离层的发生，离层发育高度随开挖长度增大而增大。受采动影响导水裂隙带与砂砾岩含水层间的隔水保护层处于卸压状态，根据上述三轴应力测试结果，卸压后降低了其抗压强度，有助于采动裂隙的发育。开挖至440 m 时，导水裂隙带高度达最大128 m，离层发育高度为218 m；开挖至520 m 时，离层发育达到最大高度258 m。当砂砾岩含水层上方存在主关键层时，可支撑上部岩层的载荷，其下方的砂砾岩含水层发生拉伸变形，孔隙裂隙增大。随着继续开挖至640 m 时，上覆岩层发生破断，引起下部离层闭合。

图7 相似模拟试验结果Fig.7 Test result of similar simulation experiment

本区开采范围内砂砾岩含水层均为弱富水区，但多个工作面发生突水，甚至在导水裂隙带与砂砾含水层之间有隔水保护层仍然发生突水。根据新柏煤矿砂砾岩含水层水文长观孔的水位观测，回采工作面离长观孔较近时，受工作面采动作用影响，砂砾含水层水位降低，初始降低幅度较大，而随着工作面回采远离长观孔后，受采动影响逐渐减小，水位降低幅度逐渐减小，并趋于稳定，水位最大降幅达到22 m。通过相似模拟分析，主要是由于巨厚弱胶结砂砾岩含水层采动后发生拉伸膨胀，孔隙裂隙发育，并产生离层空腔，提供了良好的储水空间，改变了含水层的富水性，成为富水异常区。采动卸压后隔水保护层抗压强度降低，并且在上覆岩层破断后，上覆岩层冲击压力和静水压力的双重作用，导致隔水保护层破坏失稳，从而发生突水。因此砂砾岩含水层上方岩层特征及其下方隔水保护层性质与厚度对突水起着关键作用，并且产生不同的突水机制[20,25]。巨厚砂砾岩采动富水异常演变示意如图8 所示。

图8 巨厚砂砾岩富水演变示意Fig.8 Schematic of water-rich evolution for giant thick glutenite

根据研究区地层结构、厚度分布特征及导水裂隙带发育高度与巨厚砂砾岩的层位关系，构建4 种不同条件下采动砂砾岩含水层富水异常区水文地质结构模型（图9）。I 型：砂砾岩含水层上部赋存厚层基岩，导水裂隙带导通砂砾岩含水层，主要位于研究区中部大柳井田；II 型：砂砾岩含水层上部赋存厚层基岩，导水裂隙带与砂砾岩含水层间有隔水层，位于新柏和大柳井田；III 型：砂砾岩含水层上部赋存薄层基岩或松散层，导水裂隙带导通砂砾岩含水层，位于研究区东北部新窑井田；IV 型：砂砾岩含水层上部赋存薄层基岩或松散层，导水裂隙带与砂砾岩含水层间有隔水层，位于新窑井田。弱胶结砂砾岩含水层发生突水的强度与上部基岩结构、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关。

图9 水文地质结构模型Fig.9 Hydrogeological structure models

I 型水文地质结构突水机制：采动砂砾岩孔隙裂隙发育，并与上覆岩层产生离层，富水强度发生变化，导水裂隙带直接波及到采动富水异常区，易发生突水事故，并且在上覆岩层尤其是关键层破断后，在高应力冲击作用下增大突水量，为典型的拉伸富水挤压突水特征。该类结构发生突水的主要影响因素为砂砾岩拉伸扩容富水程度、上覆岩层破断载荷传递效应。

II 型水文地质结构突水机制：采动导水裂隙带未波及到采动富水异常区，与导水裂隙带间存在隔水保护层，但厚度较薄或缺失时将转变为I 型。该类结构中隔水保护层对突水的发生起关键作用，当隔水层较薄时，在上覆岩层载荷及离层积水静水压力作用下易发生突水，发生突水的主要影响因素为砂砾岩拉伸扩容程度、上覆岩层破断载荷传递效应及隔水保护层厚度。

III 型水文地质结构突水机制：砂砾岩含水层上方为薄层基岩或松散层，采动引起砂砾岩含水层富水性发生变化，导水裂隙带波及到富水异常区易发生突水，当松散含水层富水性较强时，受其补给作用，突水量将增大。该类结构发生突水的主要影响因素为砂砾岩拉伸扩容程度、松散含水层富水程度。

IV 型水文地质结构突水机制：砂砾岩含水层上方为薄层基岩或松散层，采动导水裂隙带未波及到富水异常区，与导水裂隙带间存在隔水保护层，隔水保护层对突水的发生起关键作用，但隔水层较薄或缺少时将转变为III 型。该类结构发生突水的主要影响因素为砂砾岩拉伸扩容程度、松散含水层富水程度及隔水保护层厚度。

4 突水案例分析

4.1 突水点分布特征

自本矿区生产以来，共发生12 次突水（表3），其中最大突水量为420 m3/h，位于本区的中部。新柏煤矿2 次突水均位于工作面初次见方范围内，新窑煤矿的8 次突水均位于背斜轴部附近（图10）。除新窑煤矿4503-2、4504-1、4504-2 和4505 工作面突水位置砂砾岩下基岩厚度大于导水裂隙带高度外，其余突水点均位于导水裂隙带波及砂砾岩含水层范围内。新柏和大柳煤矿的砂砾岩含水层突水机制均为I 型，突水量均较大，最大突水量达到420 m3/h；新窑煤矿北部4 次突水为III 型，突水量相对较小，一般不大于35 m3/h；南部4 次突水为IV 型，4505 突水点砂砾含水层厚度相对较大，采动砂砾岩含水层富水性变化大，导致最大突水量为110 m3/h。

表3 突水点统计情况Table 3 Water inrush points statistic

图10 突水点位置及隔水保护层厚度Fig.10 Location of water inrush points and thickness of water proof protective layer

4.2 砂砾岩含水层突水工程判据

通过以上煤层顶板岩石力学特性、矿物质组成及物理性质测试，表明顶板隔水层具有良好的阻水作用，一定程度上可有效作为采动富水异常区的隔水保护层。根据隔水保护层厚度等值线图（图10）可以看出，本区新柏和新窑煤矿北部及大柳煤矿中部较薄，南部最大可达到300 m。基于隔水保护层厚度、砂砾岩含水层分布特征及煤层开采厚度等因素，结合突水点分布特征，针对采动弱胶结砂砾岩含水层突水提出以下工程判据。

1）I 型突水区：位于矿区西北部新柏煤矿的2 处突水点隔水保护层厚度为0，沿工作面回采方向逐渐增大，之后未发生突水，结合矿区中部大柳煤矿同样的突水特点，在保护层厚度大于30 m 时均未发生突水，提出I 型突水的工程判据为隔水保护层厚度小于30 m。

2）III 型和IV 型突水区：由于受背斜构造的影响，煤层顶板裂隙发育，且III 型突水区煤层开采厚度大，导水裂隙带直接波及到砂砾岩含水层，但突水量相对较小。IV 型突水区导水裂隙带上部均有隔水保护层，但厚度相对较薄，受背斜构造裂隙的影响，有效隔水保护层厚度变薄，在上部岩层载荷和上部富水异常区水压作用下，难以起到良好的阻水作用。根据隔水保护层厚度分布特征，受背斜构造影响时，砂砾岩含水层突水的工程判据为隔水保护层厚度小于60 m。

砂砾岩含水层突水工程判据的提出可为矿区其他工作面的安全开采提供指导，并可作为砂砾岩含水层发生突水的预警指标之一。

5 结 论

1）通过岩石物理力学性质测试，砂砾岩含水层下基岩强度属于中硬类型。顶板泥岩中黏土矿物含量达到59.6%，亲水性较好，遇水后易膨胀泥化，阻隔水性好。但采动作用下顶板岩层卸压，隔水层卸压后围压减小，岩体强度明显降低，促进岩体的破坏，隔水层厚度较薄时难以支承上部岩层载荷和采动富水区静水压力，在应力-渗流作用下将成为良好导水通道。

2）研究区顶板砂砾岩含水层为弱富水性，但多个工作面发生突水。基于关键层理论和相似模拟试验结果，分析主要是由于砂砾岩含水层厚度大，物理力学性质特殊，采动后发生拉伸变形，孔隙裂隙发育，并产生离层，提供了良好的储水空间，改变了含水层的富水性，成为富水异常区，与采动强度、含水层厚度、砂砾岩胶结程度等因素相关。

3）结合研究区突水特点和水文地质结构特征，建立了4 种条件下采动富水异常区水文地质结构模型，揭示了巨厚弱胶结砂砾岩含水层突水机制。巨厚砂砾岩采动富水异常区发生突水的强度与上部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关。通过突水案例分析，提出了不同地质条件下弱胶结砂砾岩含水层发生突水的隔水保护层厚度工程判据。

致谢：论文写作过程中得到了煤炭科学技术研究院有限公司安全分院防治水团队李文博士、黎灵博士、杜明泽博士等提供的帮助，在此表示感谢！