壓水試驗在煤礦峰峰組相對隔水性研究中的應用

＊陳曉奇 閆凱敏

（1.山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局 山西 030045 2.沁和能源集團有限公司 山西 048200）

引言

候村煤礦位于晉城市沁水縣，地處太行山南段西側，沁水煤田南部邊緣，煤系地層主要為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，其3號煤層可采資源即將枯竭，15號煤層為下一步開采的主要煤層，開采面臨的最大問題是來自煤層基底奧灰?guī)r溶含水層的威脅，全井田范圍內(nèi)15號煤層都處于奧灰水帶壓狀態(tài)，且煤層底板距奧灰頂面在17-35m之間，隔水層厚度?。幻簩拥装宄惺芩畨褐翟?.69-2.47MPa之間，帶壓水頭壓力大。而候村煤礦在水文地質(zhì)單元上位于延河泉域北部徑流區(qū)，井田內(nèi)奧陶系含水層富水性變化較大，平面上具有富水不均一性，垂向上有“上弱下強”的分布規(guī)律，可分為峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組三個層段，峰峰組巖溶裂隙不發(fā)育，富水性弱，上、下馬家溝組富水性強，因此，為了盡早實現(xiàn)礦區(qū)15號煤層帶壓安全開采，當務之急是對候村煤礦奧陶系中統(tǒng)峰峰組相對隔水層段進行研究。

候村煤礦奧陶系中統(tǒng)峰峰組分為上下兩段，峰峰組上段主要為硬質(zhì)石灰?guī)r，滲透性較差，可以構成奧陶系灰?guī)r中的相對隔水層；峰峰組下段主要為中厚層狀石灰?guī)r，含泥質(zhì)石灰?guī)r，可溶性較好。為了了解峰峰組上部巖性滲透特性，測定巖體透水率，候村煤礦補充地質(zhì)勘探HC51、HC62號鉆孔對峰峰組上部進行了分段壓水試驗，選擇水壓式雙段止水栓塞，在同一鉆孔取固定厚度孔段作為一個壓水試驗段，取得巖層隨試段變化的透水率和滲透系數(shù)，對峰峰組上部相對隔水層段的劃分具有重要意義。

1.壓水試驗原理及方法

壓水試驗是根據(jù)巖體吸水量計算了解巖體裂隙發(fā)育情況和透水性的一種原位試驗，用專門的止水設備把一定長度的鉆孔試驗段隔離出來，然后用固定的水頭向這一試驗段壓水，水通過孔壁周圍的裂隙向巖體內(nèi)滲透，最終滲透的水量會趨于一個穩(wěn)定值，根據(jù)壓力水頭、試段長度和穩(wěn)定滲入水量，可以判定巖體透水性的強弱。

HC51與HC62號孔壓水試驗壓力采用五點法進行，調(diào)節(jié)回水閥門使壓力盡可能接近每一個階段設計壓力，每2min記錄一個流量，每一個壓力階段不少于5個數(shù)據(jù)，當連續(xù)四個流量達到5次計數(shù)的相對流量差不大于10%，或絕對差不大于1L/min，即可進行下一級壓力的試驗。同時填寫壓水試驗記錄表并進行巖體透水率計算，繪制P-Q（即壓力-流量）曲線并判斷曲線類型，從而分析試驗的準確性。

透水率計算：

試段透水率采用第三階段的壓力值（P3）和流量值（Q3）計算：

式中，q—試段的透水率（Lu）；Q3—第三階段計算流量（L/min）；L—試段長度（m）；P3—第三階段試段壓力（MPa）。

滲透系數(shù)計算：

對滲透性較小，假設含水層為層流型時可用計算公式如下：

式中：K—巖體滲透系數(shù)（m/d）；Q—壓入流量（m3/d）；H—試驗段水頭值（m）；L—試段長度（m）；r—鉆孔半徑（m）。

2.壓水試驗設備

止水栓塞：采用水壓式雙段止水栓塞，栓塞長度0.8m。

供水設備：采用水泵作為試段供水設備，其壓力穩(wěn)定，出水均勻。

量測設備：壓力表采用量測范圍為6MPa壓力表；流量表采用最大承受壓力為6MPa電子流量表，其反應靈敏，質(zhì)量可靠。

其他設備：止水栓塞打壓采用手動式液壓泵；止水栓塞連接打壓泵采用專用水管，可承受較大壓力；使用鉆桿作為栓塞的工作管，鉆桿內(nèi)徑與接頭內(nèi)徑一致；供水設備與鉆桿采用高壓水管相連接。

3.壓水試驗參數(shù)

試段鉆孔孔徑：HC51、HC62號鉆孔試段孔徑均為127mm。

壓力階段：HC51號鉆孔采用五點法進行，其值分別為0.3MPa-0.6MPa-1.0MPa-0.6MPa-0.3MPa五個階段。

HC62號鉆孔采用五點法進行，其值分別為1.0MPa-1.5MPa-2.0MPa-1.5MPa-1.0MPa五個階段。

試段壓力值：采用安設在進水管的壓力計測壓，試段壓力計算公式為：

P—試段壓力（MPa）；Pp—壓力計指示壓力（MPa）；Pz—壓力計中心至壓力計算零線的水柱壓力（MPa）；Ps—管路壓力損失（m）。

HC51號鉆孔壓水試驗時水位埋深115m，故其Pz值為1.15MPa。HC62號鉆孔壓水試驗時水位埋深68m，故其Pz值為0.68MPa，

由于鉆桿內(nèi)徑與接頭內(nèi)徑一致，計算的管路壓力損失值在10-3級，故Ps值采用0。

試段長度：采用水壓式雙段止水栓塞，上下兩個止水栓塞中間止水段為5.85m。

4.壓水試驗成果

HC51、HC62號鉆孔繪制了各試段P-Q曲線，確定了P-Q曲線類型及計算了試段透水率和滲透系數(shù)。

(1)HC51號鉆孔

HC51號鉆孔355.64m-384.98m段壓水試驗成果如下：

表1 HC51號鉆孔透水率計算結果表

表2 HC51號鉆孔滲透系數(shù)計算結果表

由以上成果得出，HC51號鉆孔355.64m-380.29m試段P-Q曲線類型可近似看做層流型，379.14-384.89m試段P-Q曲線類型為擴張型。證明HC51號鉆孔從約379m以下巖石滲透特性發(fā)生變化，隨著壓力的增大，流量呈幾何倍數(shù)增加，而HC51號鉆孔鹽化測井成果峰峰組含水層位于373-399.70m，鉆進過程中該段消耗量也明顯增大，與其結果互相驗證，證明HC51號鉆孔約373m-379m以下相對隔水性能較差，373m-379m以上相對隔水性能較好。

(2)HC62號鉆孔

HC62號鉆孔283.29m-316.04m段壓水試驗成果如下：

表3 HC62號鉆孔透水率計算結果表

表4 HC62號鉆孔滲透系數(shù)計算結果表

由以上成果得出，HC62號鉆孔283.29-316.04m試段P-Q曲線類型基本均為層流型，隨著試段深度的加深，305.79m之后滲透系數(shù)明顯增大，鉆進過程中該段消耗量也明顯增大，與其結果互相驗證，證明HC62號鉆孔約305m以下相對隔水性能發(fā)生改變。

5.結語

通過在候村煤礦補充地質(zhì)勘探中壓水試驗方法的應用，證明該方法不僅適用于水利水電、壩基、橋梁隧道等工程地質(zhì)勘查中，同時，也可以在煤炭地質(zhì)勘查中對其進行應用，壓水試驗簡單易行，適應性強，在地下水位以上和以下均可進行，也可應用于較深的孔段，通過壓水試驗能了解巖體透水性在空間的分布變化，對判斷相對隔水層的分界具有重要意義。