煤層底板水文地質(zhì)結(jié)構劃分及阻隔水能力定量評價方法研究

徐智敏，劉栓栓，李劍鋒，陳天賜，駱俊峰，李 鑫，陳 歌

（1.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.徐洲礦務集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

我國幅員遼闊，煤層賦存時代差異大，礦井水文地質(zhì)條件復雜，煤炭開采過程中，礦井突水事故，特別是煤礦底板突水災害時有發(fā)生，給國家財產(chǎn)和人民生命造成了重大損失，預防礦井水害事故發(fā)生是煤礦安全生產(chǎn)工作的重中之重。

目前，已經(jīng)有大量的學者對底板突水機理進行了研究［1-4］。 匈牙利學者REIBIEZC［5］最先提出“底板相對隔水層”的概念；煤科總院西安分院最早提出以突水系數(shù)法來評價煤層底板是否突水，考慮了煤層底板隔水層的厚度與所受承壓水水壓；劉欽等［6］在突水系數(shù)法的基礎上，考慮到各類巖石本身所具有的力學強度和阻水性能，從底板隔水層巖石組合方式及礦壓破壞帶發(fā)育情況入手，將突水系數(shù)公式改進為質(zhì)量比值系數(shù)和強度比值系數(shù)公式；楊善安［7］通過眾多工程實例計算分析了突水系數(shù)法的實質(zhì)以及其在應用中的問題，認為帶壓開采的實質(zhì)問題應該是底板隔水層由于結(jié)合水的存在使得巖層具有阻水減壓的能力問題，由此提出了阻水系數(shù)的概念；武強等［8］綜合考慮了水壓、斷裂構造、隔水層結(jié)構特征、巖溶以及第三系底部黏土隔水層等控制煤層底板突水的脆弱性因素，應用GIS與ANN 耦合技術，建立了煤層底板突水脆弱性分區(qū)評價模型；尹尚先等［9］通過試驗得出水頭壓力損耗隨著介質(zhì)的滲透系數(shù)增大而減小，并通過實際觀測得出：泥巖、粉砂巖、中砂巖、灰?guī)r的阻水性能依次減?。荒擦值龋?0］在研究深部煤層帶壓開采問題時，基于補充勘探數(shù)據(jù)，利用流固耦合數(shù)值模擬，確定奧陶系峰峰組頂部巖層可作為相對隔水層，具備一定的阻水能力，并將此作為深部煤層帶壓開采條件的關鍵因素之一，使得煤層開采條件得到明顯改善。

綜上，對于底板隔水層阻隔水性能的認識從最初的只考慮巖層厚度繼而到對巖性特征、巖層結(jié)構等的考慮，以及開始對單一巖性的阻水性能分析，使得底板隔水層阻隔水能力的評價體系日趨完善，但已有的評價方法只考慮到其中一到兩個因素，缺少一個從巖層組合關系、各巖層厚度及物理性質(zhì)相結(jié)合綜合考慮，并能夠?qū)⒌装甯羲畬幼韪羲芰α炕闹笜恕?基于此現(xiàn)狀，通過對勘探鉆孔資料進行統(tǒng)計分析，概化底板隔水層結(jié)構模型，并借助現(xiàn)場實測、經(jīng)驗公式計算等手段研究隔水層結(jié)構對底板抗破壞能力的影響。 在上述研究的基礎上，綜合了已有底板阻隔水能力評價方法，初步提出能夠定量評價結(jié)構對底板隔水層阻隔水能力影響的結(jié)構比值系數(shù)。

1 礦區(qū)概況

新橋煤礦位于河南省永城市，主采石炭系二2煤層，井田內(nèi)構造較發(fā)育，主要表現(xiàn)為斷層、褶皺及小的波狀起伏。 斷裂構造的展布方向以NE、NNE 向為主，其次為NNE 和EW 向，斷層以高角度正斷層為主。 斷層以錯斷二2、三2煤層為主，但同時也存在錯斷太原組L9灰?guī)r及奧陶系灰?guī)r的斷層。 礦區(qū)內(nèi)部次級構造廣泛分布，自北向南有馬莊向斜、黃樓背斜、王葦坑向斜、楊莊背斜、大曾莊向斜和翟莊背斜，如圖1 所示。

圖1 新橋井田構造綱要Fig.1 Outline of Xinqiao mine field structure

根據(jù)水文地質(zhì)勘察報告，新橋煤礦煤層底板巖層在受到沉積環(huán)境以及大型地質(zhì)構造的影響下，二2煤層底板隔水層巖層結(jié)構在礦區(qū)范圍內(nèi)不同區(qū)域呈現(xiàn)出一定的差異化特征。 從二2 煤底板至太原組上段灰?guī)r含水層頂板，底板隔水層多由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及其互層組成，除了在厚度的平面分布上有所變化外，在垂向主要體現(xiàn)在底板隔水層的巖性及巖性組合結(jié)構特征上。

2 底板水文地質(zhì)結(jié)構劃分

新橋井田范圍內(nèi)由于F216正斷層、F4正斷層、F5正斷層、F10正斷層等大型斷裂構造以及馬莊向斜、黃樓背斜、王葦坑向斜等大型褶曲構造的存在，使得原本完整的地層被切割的不再連續(xù)，呈現(xiàn)出區(qū)塊化特征，不同區(qū)塊的底板隔水層在巖層厚度、巖性特征以及巖層組合關系等方面呈現(xiàn)出差異性。

2.1 “三層段”法

李白英教授［11］在下三帶理論中提出底板隔水層由于受到開采活動以及底板承壓水的影響，呈現(xiàn)出三帶特征，即底板導水破壞帶、完整巖層帶以及承壓水導升帶，而“三層段”法是在下三帶的基礎上，結(jié)合以新橋礦為代表的永城礦區(qū)底板隔水層結(jié)構特征（砂泥巖互層+隔水關鍵層）以及實測采動破壞深度，其次從不同層位應對不同類型的破壞所表現(xiàn)出不同作用的角度出發(fā)，并結(jié)合底板隔水層力學破壞特征［12］以及各個層位在巖層組厚度、巖石力學性質(zhì)［13］方面所表現(xiàn)出的特征提出，包括：頂部層段、中間層段以及底部層段。 頂部層段靠近煤層底板，在煤層開采過程中，頂部層段所面臨的是工作面推進過程中礦山壓力的變化所導致的剪切采動破壞，因此頂部層段為完全破壞的層段；中間層段位于頂部層段下方，又分為上段與下段，上段可由軟硬相間的砂泥巖互層組成，可緩解剪切采動破壞，下段為完整巖層帶，可由巖石強度較高的完整砂巖組成，上段與下段相結(jié)合整體抵抗頂部剪切采動破壞的進一步深入以及阻隔底部承壓水進入剪切采動破壞所形成的裂縫；底部層段位于承壓含水層頂板上方，所面臨的是底板承壓水的滲透破壞以及承壓水的頂托作用，若有一層滲透性較差且?guī)r性致密的泥巖存在，則可大幅降低底板承壓水的滲透破壞作用，泥巖上覆可存在一定厚度的堅硬巖層，抵抗承壓水的頂托作用；底部層段下方為含水層段，由太原組灰?guī)r組成，如圖2 所示。

圖2 底板隔水層“三層段”結(jié)構示意Fig.2 Schematic of “three-layer”structure of bottom water-proof layer

2.2 結(jié)構概化

基于隔水層中間層段多為砂巖、砂質(zhì)泥巖互層的特點，結(jié)合永城礦區(qū)底板隔水層結(jié)構特征（砂泥巖互層+隔水關鍵層）以及實測采動破壞深度（12～35 m），確定“頂部層段（厚度≥10 m）+中間層段+底部層段（厚度≥10 m）”的隔水層結(jié)構劃分方案。 其中，頂部層段和底部層段分別選取10 m 以上厚度以確定其主要巖性或巖性組合結(jié)構。

利用井田內(nèi)100 個勘探鉆孔的地層剖面資料，選取典型鉆孔柱狀，如圖3 所示。

圖3 典型鉆孔柱狀圖Fig.3 Typical drilling histogram

基于“頂部+中部+底部”的“三層段”劃分原則，結(jié)合由巖石單軸抗壓強度界限值的劃分的軟巖與硬巖（參照國際巖石力學委員會建議，軟巖與硬巖單軸抗壓強度界限值為24.5 MPa）的標準，共總結(jié)出4 種典型底板隔水層結(jié)構，如圖4 所示，各模型結(jié)構特征分述如下，并給予相應的定性評價。

圖4 底板隔水層結(jié)構模型Fig.4 Structure model of water-barrier layer of floor

1）a 類結(jié)構（圖4a）。 底板隔水層頂部層段以粉砂巖、厚層細砂巖為主，為堅硬巖層組；中間層段由厚層砂質(zhì)泥巖與炭質(zhì)泥巖組成；底部層段上段為粉砂巖，具有一定的強度，最底層為泥巖，與下伏灰?guī)r直接接觸，泥巖層厚薄不均，但是穩(wěn)定存在于底部層段的最底部，以X25-5 鉆孔為代表。

2）b 類結(jié)構（圖4b）。 底板隔水層頂部層段由薄層細砂巖與厚層粉砂巖互層沉積組成，整體表現(xiàn)為堅硬巖層組；中間層段上部為砂泥巖互層段，下部為厚層強度較大的細砂巖；底部層段厚層砂質(zhì)泥巖，具有良好的抗?jié)B透破壞能力，為軟弱巖層組，以X31-3鉆孔為代表。

3）c 類結(jié)構（圖4c）。 底板隔水層頂部層段上部是由薄層泥巖與砂質(zhì)泥巖組成的軟弱巖層組，下部是由厚層細砂巖組成的堅硬巖層，整體表現(xiàn)為軟+硬巖層組；中間層段上部為砂泥巖互層段，下部為厚層強度較大的細砂巖；底部層段厚層砂質(zhì)泥巖，具有良好的抗?jié)B透破壞能力，為軟弱巖層組，以X24-1鉆孔為代表。

4）d 類結(jié)構（圖4d）。 底板隔水層頂部層段上部是薄層泥巖的軟弱巖層組，下部是由厚層細砂巖組成的堅硬巖層，頂部層段整體表現(xiàn)為軟+硬巖層組；中間層段由砂泥巖互層組成；底部層段上部是由厚層粉砂巖組成的堅硬巖層組，下部由厚層泥巖組成的軟弱巖層組，具有良好的抗?jié)B透破壞能力的同時，具備一定抵抗承壓含水層的頂托作用，以X27-3鉆孔為代表。

綜上，4 類結(jié)構模型中，從頂部抗剪切采動破壞（堅硬巖層組），中部為緩沖層加有效隔水的完整巖層（砂泥巖互層+隔水關鍵層），底部為抗?jié)B透破壞以及頂托破壞（堅硬巖層阻+軟弱巖層組）來定性評價，可得阻隔水能力由大到小為：a＞b ＝d＞c。

3 底板采動破壞規(guī)律

選擇正在開采的2301 工作面作為典型工作面，2301 工作面平均走向長度為1 500 m，傾斜長度為300 m，煤層埋深450 m，傾角平均8°。 增加T2 補勘孔，經(jīng)模型比對（圖5），屬于c 類結(jié)構，對隔水層主要層位取樣并進行底板隔水層巖石成分測試與分析［14］，巖石物理力學強度測試［15］和滲透率試驗［16］。

圖5 T2 鉆孔柱狀圖Fig.5 T2 borehole histogram

根據(jù)巖石成分測試與分析結(jié)果，底板隔水層巖性自上而下為：粉砂質(zhì)泥巖、雜砂巖（Ⅰ）、雜砂巖（Ⅱ）、雜砂巖（Ⅲ）、粉砂質(zhì)泥巖（Ⅳ）；物理力學測試結(jié)果表明，砂巖組中的Ⅲ層雜砂巖具有較高的力學強度，具有良好的抗采動破壞能力；下伏Ⅳ層砂質(zhì)泥巖層滲透性極差，具有良好的抗?jié)B透破壞作用。在此基礎上，綜合采用采動破壞現(xiàn)場實測和經(jīng)驗公式計算2 種方式對結(jié)構抗破壞能力進行定量化研究。

3.1 現(xiàn)場實測

采用網(wǎng)絡并行電法，通過在2301 工作面軌道巷道底板施工鉆孔布設電極，進行地電場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，并對監(jiān)測的電流數(shù)據(jù)進行分析，如圖6 所示。最終分析確定2301 工作面的采動影響破壞深度最大為27 m。

圖6 中巷道電流剖面圖Fig.6 Current profile in middle roadway

3.2 經(jīng)驗公式

在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中［17］，通過對多年開采實踐數(shù)據(jù)和影響底板采動破壞深度因素的歸納和總結(jié)，得出只考慮工作面斜長時，底板破壞深度h計算公式為

式中，L為工作面長度。

考慮采深、煤層傾角和開采工作面長度時，底板破壞深度計算公式為

式中，H為工作面煤體開采平均深度；α為開采煤層平均傾角。

根據(jù)實測資料，工作面煤體開采平均深度H為450 m，開采煤層平均傾角α為8°，工作面長度L為300 m，代入公式（3）計算得底板破壞深度h＝33.16 m。

比較現(xiàn)場實測值和經(jīng)驗公式計算值，發(fā)現(xiàn)后者（33.16 m）比前者（27 m）明顯要大，結(jié)合Ⅲ層雜砂巖層在井田范圍內(nèi)平均賦存深度為25.7 m，表明Ⅲ層雜砂巖層對底板采動裂縫的向下發(fā)育具有明顯的抑制作用，反映了結(jié)構對阻隔水能力的影響。 結(jié)合實驗測試分析，在c 類結(jié)構模型中，Ⅲ層雜砂巖層起到抗采動破壞關鍵層的作用，下伏砂質(zhì)泥巖層可作為抗?jié)B透破壞關鍵層。

3.3 采動破壞規(guī)律分析

建立基于c 類隔水層結(jié)構模型的底板隔水層阻隔水能力評價模型［18］，如圖7 所示。

圖7 評價模型Fig.7 Evaluation model

基于c 類底板隔水層結(jié)構模型，按其受采動影響破壞程度將底板隔水層劃分為4 層，自上而下分別為采動破壞層、采動破壞緩沖層、抗采動破壞關鍵層和抗?jié)B透破壞關鍵層。 各層結(jié)構的組成特點及其采動變形破壞規(guī)律分述如下：

1）采動破壞層。 采動破壞層位于底板淺部，對應于隔水層結(jié)構模型的頂部層段。 根據(jù)底板隔水層結(jié)構模型，該層段主要由“軟弱巖層（組）上+堅硬巖層（組）下”組成，主要由粉砂巖、細砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及其巖組組成，因軟巖層緊鄰底板，且硬巖強度不高，故在采動條件下，采動破壞裂縫直接貫穿整個上部層段。

2）采動破壞緩沖層。 采動破壞緩沖層位于采動破壞層下面，對應于中間層段的上部，是采動破壞層的延續(xù)破壞層，主要由砂巖、泥巖互層組成。 砂、泥巖互層的結(jié)構相比較于采動破壞層的巖層在結(jié)構方面強度更高，其破壞程度遠比其上部采動破壞層要小得多，并能夠?qū)ο虏繋r層起到一定的緩沖保護作用。

3）抗采動破壞關鍵層。 抗采動破壞關鍵層位于采動破壞緩沖層下面，對應于隔水層結(jié)構模型中間層段的下部和底部層段的上部，主要由強度較高、厚度較大的細砂巖、粉砂巖或巖組組成。 因受到上覆緩沖層的保護，且自身力學強度較強，厚度穩(wěn)定，故抑制了采動破壞的進一步深入。

4）抗?jié)B透破壞關鍵層。 抗?jié)B透破壞關鍵層位于隔水層的最底部，對應于結(jié)構模型的底部層段。根據(jù)底板隔水層結(jié)構模型，該層段主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或巖組組成，層厚一般較厚，且層位非常穩(wěn)定，可有效抑制下伏承壓水的導升作用，防止承壓水進一步突破底板。

通過上述定型評價，結(jié)合現(xiàn)場實測與經(jīng)驗公式對比結(jié)果，證實底板隔水層的結(jié)構確實對底板采動破壞有影響，間接影響底板隔水層的阻隔水能力的。

4 底板隔水能力定量評價方法

由上述對c 類結(jié)構的為例分析可得，結(jié)構對底板阻隔水能力確實有影響，但缺少定量的評價方法去評價不同結(jié)構對底板阻隔水能力的影響大小。 針對提出的4 種底板隔水層結(jié)構，通過對每種結(jié)構進行質(zhì)量比值系數(shù)和強度比值系數(shù)與巖層厚度加權計算，分析比較質(zhì)量比值系數(shù)和強度比值系數(shù)［6］結(jié)算結(jié)果的優(yōu)缺點，初步提出結(jié)構比值系數(shù)的概念。

4.1 參數(shù)選取

1）各層段厚度。 由于缺少a、b、d 三種結(jié)構模型的實測資料，故在接下來的評價中將做一些適當性的假設。 取底板隔水層總厚度為48 m，假設3 個層段厚度相等，即每個層段厚為16 m。 對于結(jié)構模型a、d，由于下部層段由堅硬巖層與軟弱巖層組成，假設二者巖層厚度相等，即均為8 m；對于結(jié)構模型c、d，由于上部層段由薄層軟弱巖層與堅硬巖層組成，故假設薄層軟弱巖層厚度為1 m，堅硬巖層為15 m。

2）各結(jié)構模型巖性統(tǒng)計見表1。

表1 各結(jié)構模型巖性統(tǒng)計Table 1 Lithology statistics of each structure model

4.2 計算與分析

各類巖石的質(zhì)量比值系數(shù)（表2）、強度比值系數(shù)（表4）是由煤炭科學研究總院西安分院通過對各類巖石進行力學試驗，分別以砂巖和泥巖作為計算標準進行統(tǒng)計得出的。

表2 不同巖石的質(zhì)量比值系數(shù)Table 2 Mass ratio coefficients of different rocks

4.2.1 質(zhì)量比值系數(shù)法

由于中間層段為砂泥巖互層或缺失，故選取砂泥巖互層對應的質(zhì)量比值系數(shù)為砂巖和泥巖的平均值0.7。

4.2.2 強度比值系數(shù)法

由于表4 中無泥巖對應系數(shù)，選取與之較為接近的頁巖0.5 作為代替；由于中間層段為砂泥巖互層或缺失，故選取砂泥巖互層對應的質(zhì)量比值系數(shù)為砂巖和泥巖的平均值0.75。

表4 不同巖石的強度比值系數(shù)Table 4 Strength ratio coefficients of different rocks

4.2.3 結(jié)果分析

根據(jù)表3 與表5 計算結(jié)果可知，4 種結(jié)構模型的計算結(jié)果相近，且二者計算無相似的規(guī)律性。 分析認為主要由以下原因造成：①強度比值系數(shù)表征巖石抗破壞能力，而質(zhì)量比值系數(shù)可反應巖石阻水能力的大小，二者所注重的因素不同，導致參考標準不一致，不能解釋底板隔水層結(jié)構特征中的巖層組合關系對阻隔水能力的影響；②強度比值系數(shù)與質(zhì)量比值系數(shù)缺少對于砂泥巖互層的數(shù)值刻畫；③4種結(jié)構模型側(cè)重于對其巖層組合關系的展示，忽略了巖層厚度；計算取值過程中過于理想化，厚度取值采用平均方式，降低了厚度作為權重的影響。

表3 質(zhì)量比值系數(shù)法計算結(jié)果Table 3 Results of mass ratio coefficient method

表5 強度比值系數(shù)法計算結(jié)果Table 5 Calculation results of strength ratio coefficient method

4.3 結(jié)構比值系數(shù)的定義

隔水層的阻隔水能力與巖石的成分、強度和滲透性有關，強度越高、滲透性越差，其綜合阻隔水能力越好。 此外，隔水層的阻隔水能力還與其結(jié)構有密切關系，特別是以巖層厚度及巖層組合結(jié)構特征為主的隔水層結(jié)構，是巖石成分、強度和滲透性等特征的載體，是隔水層阻隔水能力的綜合反映。 其中強度比值系數(shù)表征巖石抗破壞能力，而質(zhì)量比值系數(shù)可反應巖石阻水能力的大小，缺少底板隔水層結(jié)構特征對底板阻隔水能力影響的評價方式。

基于以上認識，結(jié)合第4.2 節(jié)的分析結(jié)果，初步提出一個新的概念結(jié)構比值系數(shù)（Src）。 結(jié)構比值系數(shù)將綜合質(zhì)量比值系數(shù)與強度比值系數(shù)的優(yōu)缺點，通過初步擬定的計算公式計算，定量反映不同類型底板隔水層的采動破壞規(guī)律與阻隔水能力。

基于質(zhì)量比值系數(shù)、強度比值系數(shù)和隔水層厚度三者與結(jié)構比值系數(shù)均為正相關關系，初步擬定如下計算公式：

式中，Src 為結(jié)構比值系數(shù)；Mrc 為質(zhì)量比值系數(shù)；Irc為強度比值系數(shù)；M為隔水層厚度；e、f、g為待定系數(shù)。

4.4 結(jié)構比值系數(shù)的應用

由于我國地域遼闊，在我國不同區(qū)域所特有的煤田賦煤構造特征［19］使得煤層開采活動所面臨的水害類型呈現(xiàn)出分區(qū)特征［20］，各分區(qū)不同的沉積環(huán)境造成各分區(qū)煤層底板隔水層結(jié)構的不同。

針對每個分區(qū)所屬的底板隔水層結(jié)構、采動破壞深度以及所面臨的水害類型，提出滿足結(jié)構比值系數(shù)為1，即阻隔水能力最好的隔水層結(jié)構，作為各分區(qū)背景值（結(jié)構）。 在實際應用時，通過對所要評價的隔水層結(jié)構進行試算，將計算結(jié)果與所在分區(qū)背景值（結(jié)構）進行比較，越接近說明該底板隔水層的阻隔水能力越強。

“三層段”法的提出是基于永城礦區(qū)所在的底板隔水層結(jié)構提出，在向華北型以至全國推廣時，將結(jié)合不同區(qū)域特征進行調(diào)整；計算公式初步是通過結(jié)構比值系數(shù)與3 個因素的相關關系得出，在接下來的計劃中，將統(tǒng)計全國各賦煤區(qū)底板隔水層結(jié)構資料，建立結(jié)構比值系數(shù)計算背景值以及評價體系。同時，對公式中參數(shù)等進行改進，待定系數(shù)將通過對大量數(shù)據(jù)資料進行數(shù)學統(tǒng)計得出。

5 結(jié) 論

1）利用井田內(nèi)100 個勘探鉆孔的地層剖面資料，通過“三層段”的劃分原則，將新橋煤礦底板隔水層概化出a、b、c、d 四種結(jié)構模型。

2）對4 類結(jié)構模型，從頂部抗剪切采動破壞（堅硬巖層組），中部為緩沖層加有效隔水的完整巖層（砂泥巖互層+隔水關鍵層），底部為抗?jié)B透破壞以及頂托破壞（堅硬巖層阻+軟弱巖層組）”來定性評價，可得阻隔水能力由大到小為：a 類＞b 類＝d類＞c 類。

3）通過現(xiàn)場實測的2301 工作面底板破壞深度為27 m，通過經(jīng)驗公式計算得33.16 m，證實抗采動破壞關鍵層的存在，為Ⅲ層雜砂巖。

4）通過建立評價模型，對c 類結(jié)構進行定性評價得出：底板隔水層的巖層組合關系、巖性特征等結(jié)構特征確實對底板阻隔水能力有影響。

5）通過質(zhì)量比值系數(shù)和強度比值系數(shù)分別與厚度加權對4 種結(jié)構模型進行試算，得出質(zhì)量比值系數(shù)與強度比值系數(shù)的優(yōu)缺點，綜合二者優(yōu)缺點，初步提出定量的評價方法：結(jié)構比值系數(shù)；并初步擬定計算公式以及應用方法與前景。