李文平，王啟慶，李小琴

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隔水層再造
——西北保水采煤關(guān)鍵隔水層N2紅土工程地質(zhì)研究

李文平，王啟慶，李小琴

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

西北干旱-半干旱區(qū)淺表層水(河流湖泊水、溝谷徑流水、第四系砂層潛水等)，是維系區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境(生態(tài)層)的珍貴水源，是煤層開采水資源保護(hù)的主體。根據(jù)區(qū)域淺表層水含隔水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，西北煤田煤層覆巖之上廣泛分布新近系N2紅土，為淺表層水底部的直接隔水層或溝谷徑流的下墊層，對區(qū)域保水采煤、生態(tài)環(huán)境保護(hù)，起到至關(guān)重要的作用，是關(guān)鍵隔水層。在分析N2紅土區(qū)域分布特征、基本物理-水理-力學(xué)性基礎(chǔ)上，采用N2紅土采動(dòng)破裂鉆孔原位壓水試驗(yàn)、蠕變滲透性測試、水-土相互作用試驗(yàn)等，對N2紅土不同程度采動(dòng)破裂前后及其采后應(yīng)力恢復(fù)蠕變的隔水性能變化特征進(jìn)行了深入研究分析，發(fā)現(xiàn)N2紅土隔水性能受采動(dòng)破壞后，具有很好的自我恢復(fù)功能，并從其地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、水-土相互作用及其流變特性方面，解釋了隔水性自然恢復(fù)機(jī)理；由此提出隔水層再造及其應(yīng)具備的主要工程地質(zhì)屬性。

淺表層水；N2紅土；采動(dòng)破裂；水-土相互作用；蠕變；隔水性；隔水層再造

西北是我國煤炭的主要產(chǎn)區(qū)，屬于干旱-半干旱地區(qū)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱；淺表層水(河流湖泊水、溝谷徑流水、第四系砂層潛水等)是維系區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境(生態(tài)層)的珍貴水源，是煤層開采水資源保護(hù)的主體。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，西北大型煤田區(qū)主要開采淺埋煤層[1]，普遍發(fā)育有新近系上新統(tǒng)N2紅黏土層，為淺表層水之下的直接隔水層，對實(shí)現(xiàn)區(qū)域保水采煤及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有至關(guān)重要的作用[2]，為關(guān)鍵隔水層(圖1)。

圖1 N2紅土區(qū)域分布及其關(guān)鍵隔水作用示意

N2紅土是一種主要分布在我國西北地區(qū)的區(qū)域性特殊土，目前總體上停留在地層學(xué)研究范疇。關(guān)于其成因，就有風(fēng)成說[5-7]、水成說[8-9]、殘積土[10-11]等不同觀點(diǎn)。在工程界，由于西北N2紅土，特別是陜北、甘肅等地N2紅土大都隱伏于地下，僅部分溝壑區(qū)出露，以往大型工程揭露較少，對其基本工程地質(zhì)性質(zhì)的研究還不多，只有少量局部性成果。曲永新、李濱等通過對西北典型黃土滑坡的調(diào)查，認(rèn)為N2紅土與黃土性質(zhì)不同，是區(qū)域上一些重大黃土滑坡的滑動(dòng)帶[12-13]；李文平等對陜北神南礦區(qū)部分礦井N2紅土的工程地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行了測試，并初步探討了采動(dòng)后其隔水性變化及其環(huán)境災(zāi)害效應(yīng)[14]；郭樂等對呂梁山西麓N2紅土物理力學(xué)特性及紅土巷道圍巖分級進(jìn)行了研究[15]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國西北侏羅紀(jì)煤田開發(fā)規(guī)模加大，煤層開采淺表層水資源破壞及次生災(zāi)害不斷出現(xiàn)，已有不少學(xué)者對“保水采煤”技術(shù)進(jìn)行了研究并取得了一些重要進(jìn)展。李文平、葉貴鈞等最早對陜北榆神府礦區(qū)保水采煤含隔水層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，將其劃分為“砂-土-基”等5種類型[16-17]；范立民等研究了黏土隔水層的工程地質(zhì)性質(zhì)[18-19]。黃慶享首次將黏土層作為隔水關(guān)鍵層，研究黏土隔水層模擬相似材料配比[20-21]，進(jìn)行采動(dòng)變形破壞相似材料模擬試驗(yàn)，提出“上行裂隙”和“下行裂隙”及其發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)黏土層裂隙具有“彌合性”特征[22]；給出了隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，建立了保水開采的分類指標(biāo)[23]。王雙明、黃慶享、范立民等提出了基于生態(tài)水位保護(hù)下煤層開采理念，建立了保水開采分區(qū)[24-25]。還有一批地質(zhì)、礦業(yè)工程學(xué)者們針對西部煤層開采礦壓、覆巖破斷、導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?、水位變化等方面也進(jìn)行了大量的研究[26-32]；目前，保水采煤的實(shí)踐主要通過改進(jìn)采煤方法，控制導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨劝l(fā)育，包括充填開采、分層開采、限高綜(放)采、條帶開采、短壁房柱開采等采煤法。而對導(dǎo)水?dāng)嗔褞е蠀^(qū)域關(guān)鍵隔水層N2紅土的基礎(chǔ)研究，特別是其區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、采動(dòng)隔水性恢復(fù)及“隔水層再造”的研究很少。

本文基于野外調(diào)查、室內(nèi)外試驗(yàn)等，分析N2紅土區(qū)域分布特征、基本物理-水理-力學(xué)性質(zhì)，研究N2紅土采動(dòng)破裂前后及其采后應(yīng)力恢復(fù)蠕變的隔水性能變化特征，解釋N2紅土隔水性自然恢復(fù)機(jī)理，提出“隔水層再造”及其應(yīng)具備的主要工程地質(zhì)屬性。研究成果對西北保水采煤、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 N2紅土地質(zhì)組成及基本工程地質(zhì)性質(zhì)

1.1 沉積特征、物質(zhì)組成

N2紅土層指新近紀(jì)上新世沉積的位于黃土之下的一套黃棕-紅棕色沉積組合，N2紅土主要由粉質(zhì)黏土、黏土組成，夾有多條褐紅色團(tuán)塊狀黏土，N2紅土層中富含不規(guī)則的鈣質(zhì)結(jié)核，呈層狀或星散狀分布，結(jié)構(gòu)面上覆有鐵錳質(zhì)薄膜。西北各地點(diǎn)N2紅土在垂向與橫向上巖性變化較小，特征相似；晉中南、豫西等地黃土低山丘陵斜坡地帶出露較多，陜北、甘肅等地主要出露于河谷階地、沖溝底部，總體上厚度較穩(wěn)定，一般在數(shù)10 m，如陜北厚30～100 m(現(xiàn)場鉆孔揭露)，藍(lán)田段家坡厚62 m，關(guān)中西部厚50～70 m，山西(晉中南、保德等地)厚20～60 m，豫西一帶略薄一些，隴東個(gè)別地點(diǎn)厚度超過100 m[33]。通過對山西石樓、陜北榆林及甘肅慶陽等地N2紅土野外觀察、采樣分析(圖2)，石樓出露的紅土顏色鮮艷，為深棕紅色，榆林地區(qū)紅土的顏色次之，為淺棕紅色，慶陽地區(qū)紅土的顏色為棕黃-淺棕紅色，這主要是沉積過程中環(huán)境短暫變化造成的。三地剖面上覆均有第四系黃土，黃土頂部已受人為擾動(dòng)，石樓、榆林剖面底部未見紅土層底界，N2紅土剖面土性見表1。

圖2 N2紅土野外宏觀結(jié)構(gòu)照片

表1 N2紅土剖面土性對比

1.2 基本工程地質(zhì)性質(zhì)

通過鉆孔、探槽取樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到山西石樓、陜北榆林、甘肅慶陽代表性N2紅土樣粒度組成、物理力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)等參數(shù)(表2～4)。

表2 N2紅土粒度組成

Table 2 Grain-size composition of N2laterite %

地區(qū)樣品編號砂粒>0.250.250～0.075粉粒<0.0750.075～0.0500.05～0.010.010～0.0050.075～0.005黏粒<0.0050.005～0.002<0.002S111.089.017.948.99.876.612.45.66.8山西S23.396.713.543.816.874.122.611.611.0石樓S316.383.718.441.77.467.516.25.910.3Y114.086.020.135.810.366.219.88.011.8陜西Y213.586.521.938.810.070.715.87.38.5榆林Y315.684.423.540.111.475.09.46.23.2Q112.187.919.823.525.168.419.59.110.4甘肅Q218.581.526.832.315.274.37.25.61.6慶陽Q310.289.823.441.211.576.113.77.46.3

注：砂粒、粉粒、黏粒的粒徑單位均為mm。

表3 N2紅土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

Table 3 Basic physical properties of N2laterite

地區(qū)含水率W/%比重GS密度ρ/(g·cm-3)干密度ρd/(g·cm-3)孔隙率n/%黏聚力c/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)壓縮系數(shù)a1-2/MPa-1壓縮模量Es/MPa山西石樓15.0～17.72.741.541.3336.41.9430.230.214.32陜北榆林7.8～20.62.52～2.731.80～2.181.40～1.7435.8～48.20.82～2.2524.63～33.190.13～0.513.79～12.35甘肅慶陽12.4～14.52.241.631.2430.10.9026.21——

表4 N2紅土基本水理性質(zhì)指標(biāo)

Table 4 Basic hydrophysical properties of N2laterite

地區(qū)塑限WP/%液限WL/%塑性指數(shù)IP液性指數(shù)IL飽和度Sr/%自由膨脹率/%滲透系數(shù)/(m·d-1)山西石樓16.0～18.435.1～38.019.1～20.1-0.14～-0.034260.20.0067陜北榆林11.6～16.529.0～39.416.5～23.8-0.20～0.6743.0～93.070.3～80.00.0086～0.0140甘肅慶陽15.1～17.227.3～29.812.2～13.2-0.22～0.1451——

影響?zhàn)ね僚蛎浶缘囊蛩赜性S多，如粘粒含量、黏土礦物類型、有機(jī)質(zhì)含量及交換性陽離子組成等，其中起主要作用的是粘粒含量及其中的黏土礦物類型。采用D/Max-3B型X-Ray衍射儀對N2紅土樣進(jìn)行黏土礦物成分相對定量分析，相關(guān)的測定結(jié)果如表5、圖3所示。

表5 N2紅土礦物成分及黏土礦物成分相對定量分析結(jié)果

Table 5 Mineral composition of N2laterite and relative quantitative analysis results of clay mineral

%

圖3 N2紅土X射線衍射光譜

上述測試結(jié)果表明，N2紅土為粉質(zhì)黏土、黏土，天然可塑、硬塑至堅(jiān)硬，黏土礦物中親水性礦物蒙脫石、伊利石/蒙脫石混層含量高，親水性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的膨脹性，據(jù)“水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范”中巖土體滲透性分級[34]，N2紅土天然情況下滲透性等級屬弱透水～微透水，天然情況下隔水性能良好。

2 殘余隔水層N2紅土隔水性采動(dòng)影響

2.1 試驗(yàn)方法

煤層回采時(shí)上覆巖土層隔水性能受不同程度破壞，在上“三帶”的垮落帶、斷裂帶組成的導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)，巖土層存在大量豎向宏觀貫通裂縫，巖土層總體隔水性性能徹底破壞，滲透性等級可達(dá)強(qiáng)透水～極強(qiáng)透水。位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞б陨系膸r土層(整體移動(dòng)帶，即殘余隔水層)，雖總體上未有宏觀豎向貫通裂縫，但隔水性能也會(huì)受不同程度影響；大量“三帶”實(shí)測鉆孔已揭露了這一事實(shí)，即在鉆進(jìn)至接近導(dǎo)水?dāng)嗔褞ы斀缑媲埃瑳_洗液有不同程度漏失、水位也有一定波動(dòng)下降(圖4)。目前，對于巖土層不同程度采動(dòng)受損隔水性能原位測試還較困難，開展的也少。本次采用室內(nèi)三軸卸載試驗(yàn)及現(xiàn)場鉆孔壓水試驗(yàn)，針對導(dǎo)水?dāng)嗔褞б陨螻2紅土隔水性釆動(dòng)影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖4 N2紅土典型釆動(dòng)剖面示意

2.2 三軸卸載滲透試驗(yàn)

與一般土的三軸加載試驗(yàn)不同，位于整體移動(dòng)內(nèi)的N2紅土層，煤層開采時(shí)的變形破壞是近似豎向應(yīng)力不變、卸除圍壓的三軸卸載過程。利用SJ-1A應(yīng)變式土工三軸剪切儀作為試驗(yàn)平臺，對原狀N2紅土樣進(jìn)行卸載應(yīng)力路徑下滲透性變化研究。

(1)試驗(yàn)過程

試樣取自陜北神南礦區(qū)鉆孔原狀土樣，試樣尺寸為φ39.1 mm × 80 mm。試樣卸載過程滲透系數(shù)的測定是在土樣軸向壓力σ1保持原始土應(yīng)力的條件下，水頭壓力p亦保持不變的前提下，對圍壓σ3從原始土應(yīng)力逐級卸載直至土樣的水頭壓力；根據(jù)陜北N2紅土埋深及上覆砂層含水層水頭現(xiàn)場代表值，確定試驗(yàn)中取σ1=0.65 MPa，p=0.15 MPa。

(2)試驗(yàn)結(jié)果分析

對原狀土樣還原其原始應(yīng)力狀態(tài)下的三軸卸載試驗(yàn)中，隨著土樣從原始圍壓至土樣的水頭壓力的逐步卸載，圍壓與滲透系數(shù)的相關(guān)曲線如圖5所示，當(dāng)土樣圍壓低于水壓時(shí)，包裹黏土樣的橡皮套出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，試驗(yàn)終止，試驗(yàn)終止之前原狀土樣仍然保持完整性未發(fā)生卸載破壞。

由圖5可知，卸載的N2紅土樣滲透系數(shù)增加1個(gè)數(shù)量級以上，滲透性等級由微透水～弱透水變?yōu)槿跬杆械韧杆Ｔ瓲頝2紅土樣滲透系數(shù)變化總體隨圍壓的減小而增加，且圍壓較低時(shí)滲透系數(shù)增加幅度變小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于N2紅土層埋深較淺，對應(yīng)的軸向壓力較小，初始的σ1-σ3值趨于0，卸載的過程雖然σ1-σ3逐漸變大，但σ1不大且保持不變，此時(shí)土體的變形以彈性變形和側(cè)向膨脹為主，因此土體孔隙度不但沒有減小反而有所增加，即滲透系數(shù)增大；隨著σ1-σ3值的逐漸變大土體進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)土體的孔隙度趨于平穩(wěn)，即滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖5 模擬采動(dòng)三軸卸載 N2紅土樣圍壓-滲透系數(shù)測試曲線

2.3 原位鉆孔壓水試驗(yàn)

利用三級五段式壓水試驗(yàn)方法，對陜北神南礦區(qū)N2紅土(殘余隔水層)煤層開采前后進(jìn)行原位鉆孔壓水試驗(yàn)，開采前鉆孔水壓依次加減壓0.3，0.6，1.0，0.6，0.3 MPa。采后鉆孔水壓加減壓時(shí)，為避免采前對紅土的壓水試驗(yàn)升壓至1.0 MPa時(shí)表現(xiàn)出的強(qiáng)烈沖蝕作用，將紅土采后壓水試驗(yàn)最高壓力降至0.8 MPa。分別在不同水壓下觀測流量，計(jì)算其滲透系數(shù)。其試驗(yàn)部分成果如圖6所示。

圖6 采前、采后N2紅土層(殘余隔水層)鉆孔原位壓水試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，開采前壓水試驗(yàn)過程中，紅土加水壓至1.0 MPa時(shí)漏水量穩(wěn)定，無返水現(xiàn)象，說明天然條件下，紅土隔水性能良好。試驗(yàn)區(qū)上覆基巖和土層較厚，試驗(yàn)段位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞б陨希瑝核囼?yàn)顯示無貫通性裂隙產(chǎn)生，但滲透性仍有較明顯增加，采后殘余隔水層N2紅土滲透系數(shù)較采前增加約1個(gè)數(shù)量級，滲透性等級達(dá)到中等透水級別。

3 殘余隔水層N2紅土釆動(dòng)應(yīng)力恢復(fù)蠕變滲透性

利用雙聯(lián)動(dòng)軟巖(土)滲流-應(yīng)力耦合流變儀，對預(yù)制裂縫N2紅土樣(模擬殘余隔水層采動(dòng)微裂隙)進(jìn)行不同應(yīng)力水平(反映不同埋深N2紅土層)三軸蠕變滲透性變化試驗(yàn)，研究煤層開采后、采動(dòng)應(yīng)力恢復(fù)過程中，微裂縫N2紅土發(fā)生蠕變變形、滲透性變化的過程。

3.1 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)所用N2紅土試樣取自陜北神南礦區(qū)，取樣深度為70～85 m，進(jìn)行重塑制樣，含水率約15%，試樣尺寸為φ38 mm × 76 mm。裂隙位于試樣中間，共制成帶裂隙的試樣3組，裂隙寬度分為1.0，1.5和2.5 mm，裂隙的長度28 mm，如圖7所示。將試驗(yàn)土樣以載荷等級(1.5，2.5，3.5及4.5 MPa)進(jìn)行分級加載，每級荷載持續(xù)約24 h，待試樣變形基本穩(wěn)定后，保持圍壓及軸壓不變情況下，采用穩(wěn)態(tài)法測其滲透系數(shù)；在試驗(yàn)過程中進(jìn)行應(yīng)力和變形的監(jiān)測。

圖7 試樣照片

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

裂隙寬度為1.0,1.5,2.5 mm的N2紅土試樣應(yīng)變變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，N2紅土樣每級荷載加載軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變及體應(yīng)變都有瞬時(shí)變形，其后為流變變形；隨著荷載的增大，每級荷載下的瞬時(shí)變形量呈減少趨勢，同等荷載增量作用下產(chǎn)生的流變變形量逐漸增大，流變現(xiàn)象越來越明顯，說明采動(dòng)裂隙N2紅土在應(yīng)力恢復(fù)初期變形量較大，即裂隙閉合程度較明顯，而后期變形量會(huì)越來越小直到穩(wěn)定。另外，在同等荷載作用下，同種土樣裂隙寬度越大，瞬時(shí)變形量越大，說明采動(dòng)裂隙寬度越大，土層應(yīng)力恢復(fù)過程中，裂隙閉合程度也越大。

N2紅土蠕變滲透性與蠕變圍壓關(guān)系曲線如圖9所示。結(jié)果表明：① 裂隙紅土蠕變滲透系數(shù)均隨著蠕變應(yīng)力水平增加(土埋深加大)逐漸變小；② 相同蠕變應(yīng)力、相同蠕變時(shí)間下，土裂隙越小，滲透系數(shù)越?。虎?隨著采動(dòng)應(yīng)力恢復(fù)、蠕變持續(xù)，中等透水的裂隙紅土(殘余隔水層)滲透系數(shù)可逐漸減小至微透水，隔水性能逐漸恢復(fù)為良好的隔水層。

圖8 N2紅土試樣應(yīng)變變化曲線

圖9 N2紅土滲透系數(shù)-圍壓關(guān)系曲線

4 導(dǎo)水?dāng)嗔褞2紅土水-土相互作用滲透性變化

4.1 試驗(yàn)過程

對于位于采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)的N2紅土，采動(dòng)破裂瞬間隔水性能全部喪失，發(fā)生突水；但隨著突水過程延續(xù)，裂縫寬度是否變化？隔水性能是否也逐漸恢復(fù)？筆者主要從采動(dòng)破裂N2紅土突水過程水土相互作用及其滲透性演化過程，采用自制試驗(yàn)裝置(圖10)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

裝置以水箱、試驗(yàn)箱為主體，其中水箱上方通過預(yù)留出水孔保持試驗(yàn)水頭恒定，水箱與試驗(yàn)箱間設(shè)置控制閥，試驗(yàn)箱內(nèi)部設(shè)置裂縫N2紅土，試樣底部與透水鋼板間墊有濾網(wǎng)，裝置底部通過與漏斗連接的量筒測定試驗(yàn)過程中滲漏量。以神南礦區(qū)紅柳林礦N2紅土地面采動(dòng)裂縫現(xiàn)場調(diào)查為原型，裂縫寬度一般5～15 cm，相鄰裂縫最小間距約60 cm。根據(jù)N2紅土常規(guī)物理參數(shù)進(jìn)行試樣重塑(含水率w=8.18%，容重γ=20 kN/m3)；按照幾何相似比αl=10對試樣進(jìn)行預(yù)制裂縫，試樣尺寸200 mm×200 mm×100 mm，試樣預(yù)制裂縫2條(間距約6 cm，模擬現(xiàn)場最小間距約60 cm鄰近裂縫的影響)。共制成帶裂縫的試樣3組，裂縫寬度分為5.0，10.0和15.0 mm。試驗(yàn)水頭為700 mm,試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集間隔為1 min。

圖10 試驗(yàn)裝置

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖11，12為裂縫隨時(shí)間變化過程。裂隙寬度10.0 mm組土樣在突水過程持續(xù)100 min后裂隙寬度減小至約3.2 mm，減小約68%；裂隙寬度在試驗(yàn)前25 min內(nèi)快速減小，減小量約占總減小量的85%，試驗(yàn)75 min后基本趨于穩(wěn)定。

圖13為模型試驗(yàn)過程中N2紅土滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。釆動(dòng)破裂不同寬度裂縫的N2紅土發(fā)生水土相互作用滲透系數(shù)均隨時(shí)間逐漸變小，釆動(dòng)破裂N2紅土滲透性等級由強(qiáng)透水逐漸變?yōu)橹械韧杆?，滲透系數(shù)的變化可分為3個(gè)階段:初期快速下降階段、中期緩慢下降階段和后期穩(wěn)定階段。第1階段，滲透系數(shù)的降幅較大，這是因?yàn)槌跗卺妱?dòng)破裂N2紅土層及裂縫表面松散土顆粒被水流沖刷帶入裂縫內(nèi)，裂縫邊緣土體結(jié)構(gòu)較松散甚至存在細(xì)小裂縫，在與水的接觸相互作用下逐漸潰塌至裂縫內(nèi)，致使裂縫閉合程度較大；第2階段，滲透系數(shù)的降幅較小，主要原因?yàn)獒妱?dòng)破裂N2紅土吸水膨脹，裂縫閉合進(jìn)一步較?。坏?階段，滲透系數(shù)基本保持不變，說明釆動(dòng)破裂N2紅土水土相互作用使裂縫閉合基本穩(wěn)定。同時(shí)可知，裂縫寬度越大水土相互作用滲透性的變化過程中前2個(gè)階段持續(xù)時(shí)間越長，即突水穩(wěn)定時(shí)間越長。

圖11 模擬導(dǎo)水?dāng)嗔褞2紅土裂縫隨突水歷時(shí)變化過程

圖12 裂縫寬度隨時(shí)間變化曲線

圖13 滲透系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

5 隔水層再造及其工程地質(zhì)屬性特征

隔水層是含水構(gòu)造中相對不透水的巖土層，對含水層中地下水儲(chǔ)存起到關(guān)鍵的“兜底”作用。不同巖性組成、不同物理力學(xué)性及水理性的隔水層，受采動(dòng)破壞后，其隔水性能都會(huì)受到不同程度的破壞。隔水層再造是指隔水層(巖土層)的隔水性能遭受工程活動(dòng)破壞后，在自然條件下，其隔水性能隨時(shí)間延續(xù)能較快自我恢復(fù)的性質(zhì)和現(xiàn)象。隔水層再造的本質(zhì)是自然條件下工程應(yīng)力恢復(fù)蠕變、水-土(巖)相互作用等，產(chǎn)生的隔水層組成結(jié)構(gòu)恢復(fù)過程。所以，并非所有隔水層都具有隔水性再造功能。

隔水層再造應(yīng)具備的工程地質(zhì)屬性主要包括：① 物質(zhì)組成應(yīng)包含有大量的泥質(zhì)成分，主要為粘性土、泥巖層，且黏土礦物中含有一定量的蒙脫石(蒙脫石含量≥7%)、伊利石、伊/蒙混層礦物；② 應(yīng)具有較強(qiáng)的膨脹性(自由膨脹率FS≥40%)，親水性強(qiáng)；③ 力學(xué)強(qiáng)度低(單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc≤15 MPa)，且具有低應(yīng)力水平下明顯的流變性。

基于前面的試驗(yàn)研究和理論分析，N2紅土具備隔水層再造的工程地質(zhì)屬性，是西北地區(qū)煤炭大規(guī)模開采淺表層水保護(hù)的可再造隔水層。區(qū)分隔水層是否具有再造屬性，深入研究隔水層再造與水資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的定量關(guān)系和內(nèi)在規(guī)律，是西北保水采煤需要繼續(xù)深化研究的重要課題。

6 結(jié) 論

(1)N2紅土為粉質(zhì)黏土、黏土組成，夾有多條褐紅色團(tuán)塊狀黏土，富含不規(guī)則的鈣質(zhì)結(jié)核，呈層狀或星散狀分布，結(jié)構(gòu)面上覆有鐵錳質(zhì)薄膜；N2紅土天然可塑、硬塑至堅(jiān)硬，黏土礦物中親水性礦物蒙脫石、伊利石/蒙脫石混層含量高，親水性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的膨脹性，天然情況下N2紅土滲透性等級屬弱透水～微透水，隔水性能良好。

(2)三軸卸載滲透試驗(yàn)及鉆孔壓水試驗(yàn)表明，殘余隔水層N2紅土(導(dǎo)水?dāng)嗔褞б陨?雖無宏觀貫通性裂縫，但受釆動(dòng)影響(存在微觀采動(dòng)裂隙)隔水性有不同程度下降，滲透系數(shù)增加約1個(gè)數(shù)量級，滲透性等級由天然微透水～弱透水變?yōu)槿跬杆械韧杆?/p>

(3)殘余隔水層N2紅土隨采后應(yīng)力恢復(fù)蠕變性明顯，采動(dòng)微裂隙因蠕變滲透性逐漸變小，裂隙寬度越小、應(yīng)力水平(埋深)越大，蠕變后滲透性越接近天然滲透性，隔水性能恢復(fù)越好。

(4)位于導(dǎo)水?dāng)嗔褞?nèi)的N2紅土，在突水過程中，因水土相互作用較劇烈、且膨脹性強(qiáng)，貫通性裂縫伴隨突水過程逐漸閉合，滲透性等級由強(qiáng)透水逐漸變?yōu)橹械韧杆?，其完全受損的隔水性能也呈現(xiàn)逐漸恢復(fù)的趨勢。

(5)隔水層再造是指隔水層(巖土層)的隔水性能遭受工程活動(dòng)破壞后，在自然條件下，其隔水性能隨時(shí)間延續(xù)能較快自我恢復(fù)的性質(zhì)和現(xiàn)象，由固有工程地質(zhì)屬性所致；研究表明，N2紅土具備隔水層再造的工程地質(zhì)屬性，是西北地區(qū)煤炭大規(guī)模開采淺表層水保護(hù)的可再造隔水層。

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Reconstruction of aquifuge:The engineering geological study of N2laterite located in key aquifuge concerning coal mining with water protection in northwest China

LI Wen-ping，WANG Qi-qing，LI Xiao-qin

(SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

In the arid-semiarid area of northwest China,the shallow water such as the water of rivers and lakes,valley runoff water,the phreatic water of Quaternary in sand-layer and so on are precious water resources which maintain regional ecological geological environment and the body of water resource protection in coal mining.According to the regional geological structure of the shallow water aquifer-aquifuge,the N2laterite,distributed widely above coal seam in northwest coal field of China,as the direct aquifuge bottom of regional shallow water or valleys runoff cushion,playing a crucial role to the coal mining with water protection and ecological environment protection,is the key aquifuge soil.In this paper,based on the analysis of regional distribution features,the basic physical,hydro-physical and the mechanical properties of N2laterite,the impermeability of post-mining stress recovery creep,before mining crack and post mining was deeply studied and analyzed by the water pressure test before and after mining,the test of creep permeability and the experiment of soil-water interaction and so on.The results show that the N2laterite has a good capacity of self-recovery after the impermeability was broken by mining crack.The mechanism of impermeability self-recovery was explained from the perspective of geological structure,soil-water interaction and rheological properties;and according to this finding,the reconstruction of aquifuge and major engineering geological properties included was proposed.

shallow water;N2laterite;mining crack;soil-water interactions;creep;impermeability;reconstruction of aquifuge

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5020

2016-10-05

2016-11-17責(zé)任編輯:張曉寧

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(41430643)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2015CB251601)

李文平(1965—)，男，湖南常德人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:0516-83590289，E-mail:wpli1688@126.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0088-10

李文平，王啟慶，李小琴.隔水層再造——西北保水采煤關(guān)鍵隔水層N2紅土工程地質(zhì)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):88-97.

Li Wenping，Wang Qiqing，Li Xiaoqin.Reconstruction of aquifuge:The engineering geological study of N2laterite located in key aquifuge concerning coal mining with water protection in northwest China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):88-97.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5020