礦區(qū)深部煤層開采水文工程地質(zhì)測(cè)試與條件探討

馮波 佟波

摘要：基于煤炭資源需求的大幅度增大，以及開采技術(shù)的日益完善化，個(gè)別區(qū)域煤田的淺部煤炭資源數(shù)量越來越少，針對(duì)礦區(qū)深部實(shí)施有效的開采操作具有的意義和作用越來越重要。本文主要圍繞礦區(qū)深部煤層開采水文工程地質(zhì)測(cè)試與條件展開了探討，希望可以為有關(guān)人員的研究提供一些參考和幫助。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)；深部煤層；開采；水文工程；地質(zhì)測(cè)試

引言

深部開采操作本身存在水壓較高、地溫較高等特點(diǎn)，且水文工程的條件比其他淺部具有的復(fù)雜性更高，在具體實(shí)施深部煤層進(jìn)行水文工程開采操作時(shí)，煤系地層中巖層的水文工程地質(zhì)條件勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生變化，進(jìn)而必須針對(duì)開采過程中，巖層巖石強(qiáng)度以及水文地質(zhì)特性等加以深入研究，以確保開采的效率及安全性。

1礦區(qū)地質(zhì)條件概述

研究區(qū)域主要受到新生界松散層的覆蓋，具有較高的隱蔽性，基于鉆孔可以得知的是，該區(qū)域的地層從老到新出現(xiàn)：新太古界-中原古界、新近系及第四系。其中，新太古界-中原古界的地孔揭露情況為21-2孔揭露明龍山斷層上盤，厚度為160.92米，巖性特征為：片麻構(gòu)造，節(jié)理存在鈣質(zhì)填充；新近系及第四系的地孔揭露情況為21個(gè)鉆孔完整性揭露，厚度大約在83.3到276.7之間，巖性特征為：褐黃色粉細(xì)砂中夾帶粗砂，部分為砂碩層。其中，二疊層從上至下可以分成山西組、孫家溝組，其中，山西組及上石盒子組是該區(qū)域的含煤地層，整合在石炭系太原組的地層之上，并將太原組一灰頂當(dāng)做底界。同時(shí)，山西組作為第一含煤段，通常含兩層可采煤層，包括1、3煤層。

2礦區(qū)深部煤層開采水文工程地質(zhì)測(cè)試與條件研究

頂板具有的穩(wěn)定性高低主要依靠頂板巖體結(jié)構(gòu)特征及構(gòu)造應(yīng)力場等體現(xiàn)，為了對(duì)煤層頂板的巖體特性實(shí)施更為有效、全方位的分析，針對(duì)煤層頂板的力學(xué)特征加以深入的探討就顯得愈發(fā)重要起來。如下實(shí)驗(yàn)主要以工程地質(zhì)為中心，針對(duì)煤層頂板巖體的基本力學(xué)性質(zhì)及水理性質(zhì)等進(jìn)行了研究。

2.1煤層底板隔水巖層性特征

煤層底板具有的隔水性能高低主要受隔水層的巖性組合影響，存在差異性的巖性組合的隔水層具有的隔水性能均存在較大的不同，通常來講，底板中存在的泥巖較多，則其隔水性能相對(duì)較高，反之，底板中存在的泥巖較少，那么其隔水性能相對(duì)較低。

為了充分了解各種巖性組合的底板隔水層存在的隔水能力高低，我們將巖石性質(zhì)存在差異的巖層依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別換算成等效的泥巖厚度。其中，煤底板到太原組一灰頂部間可以當(dāng)做隔水層，以粉砂巖及泥巖等為主要構(gòu)成部分，個(gè)別低段中存在砂泥巖互層?；谙嚓P(guān)鉆孔資料顯示，所統(tǒng)計(jì)到的揭露到一灰的鉆孔共47個(gè)。同時(shí)，3煤底至1灰板頂板間的平均距離約為20米，通過對(duì)1灰鉆孔的統(tǒng)計(jì)可以得知的是，其砂巖率大致在0.04到0.95之間。基于砂巖率等值線圖，砂巖率最高的區(qū)域多在研究區(qū)域西部位置處。

2.2煤層頂?shù)装鍘r石工程地質(zhì)測(cè)試

2.2.1力學(xué)參數(shù)測(cè)試

第一，基于已經(jīng)掌握的資料，針對(duì)鉆孔取樣煤層頂板中存在的各巖石的樣本實(shí)施單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，巖體工程的地質(zhì)特征并非單純依靠巖體力學(xué)的性質(zhì)影響，但其作為重要的影響因素之一，對(duì)促使所實(shí)施的工程地質(zhì)特征研究的實(shí)效性大幅度提升具有至關(guān)重要的意義。在針對(duì)煤層頂板工程地質(zhì)特征及穩(wěn)定性加以研究的過程中，需重點(diǎn)針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中巖石樣本表現(xiàn)出來的變形特征實(shí)施相關(guān)的研究操作，即探討應(yīng)力及應(yīng)變變化的關(guān)系。經(jīng)由應(yīng)變、應(yīng)力變化的曲線圖，將巖石由于受力而變形再到破壞過程中的變形特征良好的反映出來，對(duì)其應(yīng)變軟化及強(qiáng)化的特征加以有效分析。

據(jù)有關(guān)研究顯示，在具體實(shí)施應(yīng)力施加操作時(shí)，巖石主要需要經(jīng)歷的階段包括三個(gè)，即彈性變形、塑性變形以及破壞階段。其中，彈性變形階段中的巖體樣本由于受力產(chǎn)生初荷載，應(yīng)變和應(yīng)力呈現(xiàn)出顯著的線性關(guān)系。該階段中，消除應(yīng)力的瞬間，應(yīng)變也會(huì)完全恢復(fù)。塑性變形階段：隨著應(yīng)力繼續(xù)提升，在其照比巖體樣本本身的應(yīng)力最大值大時(shí)，其變形特征主要體現(xiàn)為：由于應(yīng)力的加大，應(yīng)變?cè)龃螅移湓黾拥姆日毡葟椥噪A段大，在應(yīng)力消除的瞬間，恢復(fù)的僅為其中的一部分。破壞階段。該階段的變形特征主要表現(xiàn)為：在上述階段的基礎(chǔ)上，應(yīng)力繼續(xù)提升，導(dǎo)致巖體樣本產(chǎn)生破裂，應(yīng)變無法恢復(fù)，且會(huì)具有一部分的殘余應(yīng)力存在。

具體實(shí)施相關(guān)操作的過程中，基于巖石的結(jié)構(gòu)與成分均不同，且會(huì)受到實(shí)驗(yàn)誤差的影響，巖石樣本的應(yīng)變過程的復(fù)雜性遠(yuǎn)大于理論情況。即使利用的為同一層的巖石樣本，但基于其微型結(jié)構(gòu)面形態(tài)及位置等均的差異性，相應(yīng)的應(yīng)變過程中也會(huì)體現(xiàn)出較為顯著的不同。所以，由于上述原因，其他國家中的專家、學(xué)者等多是經(jīng)由對(duì)大量巖石樣本實(shí)施單軸實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)巖石應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2巖石強(qiáng)度分析

在具體對(duì)巖石的強(qiáng)度實(shí)施分析操作的過程中，應(yīng)重視對(duì)3種巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則加以對(duì)比，并需要根據(jù)其巖性差異性擇選出平均標(biāo)準(zhǔn)擬合差強(qiáng)度最小的準(zhǔn)則。其中，直線型準(zhǔn)則為：

（1）

其中， 表示為正應(yīng)力。同時(shí)，倘若應(yīng)用的為主應(yīng)力，則應(yīng)表示為：

（2）

其中， 分別表示為主應(yīng)力的最大及最小值。

由于巖石單軸壓縮表現(xiàn)為的非線性特征，利用直線型準(zhǔn)則無法將其精準(zhǔn)的描述出來，所以，本文采取的為Bieniawski強(qiáng)度準(zhǔn)則，優(yōu)先將巖石的單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算出來，再應(yīng)用擬合計(jì)算法對(duì)公式中的各種參數(shù)加以確定，有助于提升擬合精度，減少誤差出現(xiàn)的幾率。

2.2.3深部巖體巖層阻水性能分析

出于地質(zhì)條件的復(fù)雜性較高，深部巖層較淺部位的巖層表現(xiàn)出的特征均具有較大的差異性，基于深部條件的層面加以分析，可將起特征表現(xiàn)概述為如下幾個(gè)方面：第一，巖溶水水壓提升。深部存在的應(yīng)力較高，使得巖層的微型構(gòu)造發(fā)育及斷層活化的效率提升，底板承壓水導(dǎo)升帶由于水壓的提升出現(xiàn)向上導(dǎo)升的情況，相應(yīng)的作用范圍也不斷不擴(kuò)大，導(dǎo)致煤層底板中具備較高隔水能力的巖層厚度減小，致使突水事故出現(xiàn)的幾率大幅度提升。第二，深部巖體的巖性致密性更高。深部巖體的沉積時(shí)間相對(duì)較長，埋藏的深度也相對(duì)較深，基于地質(zhì)作用以及多種其他因素的影響，巖性更為均勻和致密。

結(jié)語

綜上所述，第一，倘若推進(jìn)的距離相同，深部較淺部位的底板破壞深度上限會(huì)出現(xiàn)一定程度的提升，具體是基于推進(jìn)距離的增大而提升，最后不斷趨于穩(wěn)定化；第二，可對(duì)巖石樣本的滲透率產(chǎn)生影響的因素包括巖石內(nèi)部孔隙及列席的連通及發(fā)育等；第三，基于高地應(yīng)力的影響，峰值會(huì)隨著巖體中心主應(yīng)力的加大而減小。

參考文獻(xiàn)

[1]靳德武，劉英鋒，劉再斌，程建遠(yuǎn).煤礦重大突水災(zāi)害防治技術(shù)研究新進(jìn)展[J].煤炭 科學(xué)技術(shù)，2013（01）

（作者單位：1.山東省棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司；

2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司）