黃澎濤

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

0 引言

頂板巨厚弱滲透性砂巖水的危害在華北煤田西部鄂爾多斯侏羅系煤田的彬長礦區(qū)，黃龍礦區(qū)，神東礦區(qū)更為嚴(yán)重。煤層頂板巨厚的白堊系和古近系富水性強且難以疏干，巨大的水量使得礦井涌水量隨開采面積增大而劇增[1-2]。這些坐落于西部干旱半干旱地區(qū)的礦井(如涌水量大于4 200m3/h的陜西高家堡煤礦和5 000m3/h的神東錦界煤礦)成為國內(nèi)外涌水量最大的礦井：巨大的涌水量造成了約14 630億t的煤炭資源開采困難[3-4]，還伴隨著沖擊地壓，對礦井安全也構(gòu)成了重大的威脅，因此必須加以治理。

煤層頂板水嚴(yán)重地影響著礦井生產(chǎn)，威脅著采礦人員的生命安全，一直受到國內(nèi)外技術(shù)人員的重視；其研究重點主要集中在安全性評價、涌水量計算和治理技術(shù)方面。安全的評價方面，美國、加拿大和南非等國家一直沿用著Bieniawski,Z.T.的巖體分級理論[5]和脆性破裂機理[6]。日本的評價主要考慮到了時間因素，采用了疲勞和蠕變理論[7]。我國對頂板管理也非常重視，國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會多次出臺或修訂了頂板分類標(biāo)準(zhǔn)[8]；廣大地質(zhì)科技工作者為解決礦井涌水量隨著開采面積的增大而增大[9問題，主要圍繞著裂隙帶高度的探查和評價展開研究[10],其中微地震就是最近應(yīng)用較為廣泛的一種方法[11]；有科技工作者以紅柳煤礦為例提出了“砂巖控水”的觀點[12]，采取針對性的疏干措施，取得了良好的效果。但這些研究的重點都是頂板管理和滲透性好的巖層，所用參數(shù)多為巖石的彈性模量和抗壓強度等，對于與安全至關(guān)重要的含水層厚度和滲透系數(shù)的改變基本不涉及；而對頂板巨厚低滲透性砂巖含水層治理，目前采用的是井下預(yù)疏干和帷幕注漿相結(jié)合的方法，但因滲透性差疏干效果不理想，帷幕注漿也因滲透系數(shù)低漿液擴(kuò)散半徑太小而難以奏效。究其原因，筆者研究認(rèn)為是地質(zhì)條件研究不足[13]。因此，開展頂板巨厚低滲透含水層水害治理技術(shù)的研究，對解放西部礦區(qū)巨大的受困煤儲量具有重大的意義。本文根據(jù)采煤學(xué)理論和水文地質(zhì)學(xué)理論研發(fā)了一套治理模式，試圖對此類水害治理的方法提供一種新的思路。

1 頂板變形對含水層滲透系數(shù)影響模型

頂板含水層涌水量大多采用傳統(tǒng)的裘布依公式或泰斯公式進(jìn)行評價，但計算的涌水量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際涌水量。有人認(rèn)為，這是因為導(dǎo)水的滑移縫使得大井的實際半徑大于計算半徑所造成的[14]。筆者認(rèn)為半固結(jié)成巖的含水層是頂板垮落后巖層的水平位移造成孔隙率增加所造成的[15]，符合公式：

(1)

式中：n為孔隙率；E?為水的壓縮模量；Δεθ為孔隙比的變化量；ΔP液為水壓變化量(降深)。

根據(jù)李守巨等人[16]對多孔材料滲透系數(shù)與孔隙率關(guān)系的模擬，滲透系數(shù)與孔隙率呈線性關(guān)系：

(2)

式中：k為滲透系數(shù)；n為孔隙率。

由上式可以看出，滲透系數(shù)和孔隙率成正比，或和水的壓縮模量和含水層孔隙比變化量的乘積呈正比，和水壓降深成反比。

巖土工程中常用的K-C公式[17]也顯示滲透系數(shù)與孔隙度呈正相關(guān)的關(guān)系。

(3)

式中：Deff為沙土的平均有效粒徑。

在工作面的邊緣，因為塌陷角的存在，巖層將受到破壞，此處的孔隙率必然大幅增加，進(jìn)而滲透系數(shù)也將大增。

對于成巖程度較高的頂板含水層，開采造成的水平位移對頂板含水層的滲透系數(shù)將會有很大影響[18]，符合公式：

(4)

(5)

式中：K為滲透系數(shù)；g為重力加速度；μk為水的動力粘滯性系數(shù)；S為裂隙間距；B為裂隙開口寬度；Δε為巖石的應(yīng)變變化量。

上式表明，滲透系數(shù)與裂隙的總開口寬度的立方成正比，與裂隙間距成反比。在工作面的邊緣，因為塌陷角的存在，裂隙的開口寬度必然增大，因此此處的裂隙的滲透系數(shù)必然急劇增加。

導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)，工作面頂板可簡化為懸臂梁，梁端的應(yīng)變可用下式表示：

(6)

式中：εmax為應(yīng)變；q為分布荷載；l為量的長度；E為楊氏模量。

工作面頂板也可以視為周邊固定的，受上覆地層重力荷載的薄板，應(yīng)力的表達(dá)式為：

(7)

(8)

應(yīng)變可以按照下式求解：

εx=E(σx+μσy)

(9)

εy=E(σy+μσx)

(10)

式中：σx為x方向的應(yīng)力；σy為y方向的應(yīng)力；E為彈性模量；Z為板的厚度；μ為泊松比；A11為艾力常數(shù)；a為工作面的長度；b為工作面的寬度；εx為x方向的應(yīng)變；εy為y方向的應(yīng)變。

將式(9)和(10)帶入分別式(4)和(5)，可以得到滲透系數(shù)的變化。顯然在端點，即工作面的四邊，x=a，y=0時σx有最大值，對應(yīng)地Kx有最大值；σy=0對應(yīng)地Ky=0。當(dāng)y=b，x=0時，σy有最大值力，對應(yīng)地Ky也有最大值；σx=0，對應(yīng)地Kx=0。即裂隙沿著煤柱分析發(fā)育，垂直于煤柱分析裂隙不發(fā)育。

2 頂板巨厚低滲透系數(shù)含水層水害的區(qū)域治理模式

2.1 根據(jù)沉積相對含水層精細(xì)探查

砂巖含水層多為河流相成因，其次為風(fēng)積相成因。巨厚的砂巖含水層往往都具有顯著的沉積旋回結(jié)構(gòu)，每個旋回都具有從粗粒沉積開始，到細(xì)粒沉積結(jié)束的特征，而細(xì)粒沉積層往往都是良好的隔水層，同時不同沉積相的同一巖石其滲透性不同。據(jù)此可以通過隔水層將巨厚含水層分成若干段，對不同的含水層采用不同的治理方案。

例如陜西長武礦區(qū)高家堡煤礦是頂板巨厚低滲透含水層的典型礦區(qū)，主采侏羅系延安組4#煤層，厚度0.80～17.80m，平均9.20m，頂板隔水層厚度約為100m。其上覆地層為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖層段，厚度為318.00～509.93m，平均399.54m，由不同粒級砂巖、砂礫巖和粉砂巖組成，以中-粗粒砂巖為主。根據(jù)黃龍礦區(qū)23.07裂采比推測該礦頂板導(dǎo)水裂隙帶高度為117.95～277.98m，平均200.23m，裂隙帶進(jìn)入洛河組巨厚含水層內(nèi)18～178m。

據(jù)勘探報告，洛河組可以劃分為上段和下段。上段厚度約320m，巖性主要為細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和泥質(zhì)巖，細(xì)砂巖-粗砂巖的平均孔隙度為15.44%。滲透系數(shù)為0.92～1.552m/d，單位涌水量為1.305～2.248 13 L/(s·m)，地下水徑流條件相對較好，為強富水；下段厚度約60m，巖性主要為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和泥質(zhì)巖，平均孔隙度為6.65%，滲透系數(shù)為0.027～0.049 m/d，單位涌水量為0.013～0.084 3 L/(s·m)，為弱富水性。在以往的研究中，將上、下段各視為一個孔隙-裂隙承壓性質(zhì)的含水體。

圖1 隔水層天窗注漿彌補示意Figure 1 A schematic diagram of aquifuge “clearstory” grouting remediation

根據(jù)粒度分析，洛河組下段砂巖呈現(xiàn)粒徑具有下粗上細(xì)的多韻律變化，從粗粒開始，以粉砂巖或泥巖結(jié)束，顯示出典型的河流相二元結(jié)構(gòu)；上段地質(zhì)資料中盡管沒有做沉積分析，但從為陸相沉積和砂巖中間夾有若干泥巖層的情況分析，也應(yīng)該具有沉積旋回結(jié)構(gòu)。據(jù)此，在300多m厚的上段內(nèi)是否存在穩(wěn)定的隔水層，是否存在分層，筆者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)沉積相分析和分層抽水試驗、流量測井，對上段巖層做精細(xì)化的描述，細(xì)劃含、隔水層，特別是要分析認(rèn)識靠近導(dǎo)水裂隙帶頂端空間內(nèi)的隔水層，正確認(rèn)識上段各含水層水力聯(lián)系、充水機理，從而達(dá)到對巨厚含水層做進(jìn)一步分割、限制礦井充水含水層的空間范圍、制定正確合理防治水方案的目的。

2.2 修補天窗完整化或再造隔水層

陸相沉積的特征之一是相變?yōu)l繁，因此隔水層可能存在天窗(隔水相巖層缺失)，使得上下含水層發(fā)生水力聯(lián)系，無法減小礦井涌水量，因此需要尋找并彌補天窗，其方法是：

1)根據(jù)巖心鑒定和測井資料進(jìn)行沉積相劃分，找到河漫灘沉積相或湖泊相巖層，為含隔水層劃分提供依據(jù)。

2)對地震資料再處理和解釋，獲得隔水層天窗的位置。

3)進(jìn)行多點、單孔、各含水層水位檢測，進(jìn)一步定位天窗位置——建立水流場模型，根據(jù)水位檢測數(shù)據(jù)，反演尋源，定位天窗位置。

4)施工地面定向鉆孔對天窗進(jìn)行注漿彌補，完整化隔水層，使得上下含水層徹底分割，阻斷其水力聯(lián)系，如圖1所示。如果因滲透系數(shù)低而難以注入，則可以水力壓裂后再進(jìn)行注漿。

5)再造隔水層。如果巨厚含水層在導(dǎo)水裂隙帶的上方不存在隔水層，則尋找滲透系數(shù)好的強含水層，將其改造為隔水層，形成再生頂板隔水層，隔斷上下含水層的水力聯(lián)系。

2.3 帷幕注漿

在頂板巨厚含水層被分割為上下兩部分以后，再在采空區(qū)周邊的下部含水層內(nèi)注漿形成隔水帷幕。帷幕的位置為煤柱上方的剪切滑移裂縫帶。此處煤層頂板受力狀態(tài)猶如懸臂梁的固定端，斷裂后滲透系數(shù)必定大為增加，變原來地層的不可注性為可注性。根據(jù)山東科技大學(xué)在新汶礦區(qū)的研究[19]，斑裂紋(滑移縫)是導(dǎo)水裂紋，對該新生導(dǎo)水通道進(jìn)行注漿是有效的：

1)滑移縫帶結(jié)構(gòu)疏松，可注性強；

2)位于頂板垮塌區(qū)的邊緣，頂板巖層發(fā)生破裂，但沒有向工作面內(nèi)部頂板那樣垮塌，因此可以形成隔水帷幕。如果因為鉆孔沒有打準(zhǔn)滑移縫，則應(yīng)水力壓裂增滲，再注漿形成隔水帷幕。

從“大井法”計算涌水量的角度看，通過分隔含水層和帷幕注漿，不僅減少了含水層的厚度，而且部分或全部隔離了工作面或采區(qū)頂板含水層與區(qū)外含水層的水力聯(lián)系。如果僅在工作面的兩邊滑移縫帶注漿，形成帷幕，則工作面這個大井的過水?dāng)嗝鏈p少了一半；頂板隔水層的天窗治理后，含水層的厚度又減少了1/2；如果注漿隔水率為75%，這樣工作面的總涌水量則減少50%；如果對工作面3邊滑移縫帶注漿，形成帷幕，則涌水量減少的更為顯著；如果形成四周帷幕、頂板加蓋的密封箱體，則帷幕范圍內(nèi)頂板含水層的動儲量變?yōu)楹屯饨鐩]有水力聯(lián)系的靜儲量，礦井涌水量將大幅度減少。

2.4 后期監(jiān)測

后期監(jiān)測的目的是彌補注漿效果和導(dǎo)水裂隙帶高度檢測,其方法是：在治理鉆孔內(nèi)安裝傳感器，在回采期間檢測水壓和微地震物理量，如果再造的隔水層上部含水層內(nèi)的水壓不發(fā)生變化，則認(rèn)為效果顯著，否則，為不顯著。微地震檢測的是對頂板裂隙帶高度，其意義是：

圖2 頂板巨厚含水層治理流程Figure 2 Roof mega-thick aquifer governance flow chart

1)如果測得的裂隙帶高度峰值區(qū)集中，則可為采后的注漿治理提供依據(jù)。

2)檢測離層區(qū)頂板垮落發(fā)生沖擊性能量釋放信號，可以確定其位置。如果存在多離層區(qū)，則暫定義最上部離層區(qū)的高度為導(dǎo)水裂隙帶的高度。根據(jù)資料，離層區(qū)的底板都為隔水層，當(dāng)檢測到顯著的能量發(fā)射時，則離層區(qū)底板遭受破壞，失去隔水作用。如果被破壞的離層帶底板為被彌補的隔水層，則表明隔水層失效，應(yīng)在最近的上方隔水層的天窗內(nèi)注漿形成完整的隔水層。微地震法對天窗的定位可為以后的治理提供依據(jù)，治理模式的模型如圖2所示。

3 總結(jié)

在確定了開采對頂板巨厚含水層滑移縫帶的滲透系數(shù)具有增強作用的理論依據(jù)和頂板低滲透系數(shù)含水層的可注性的基礎(chǔ)上，本文論證了此類含水層水害地面區(qū)域注漿的治理模式：首先根據(jù)對礦區(qū)煤層頂板巖層的沉積環(huán)境分析，對含隔水層精細(xì)化劃分，進(jìn)而對巨厚含水層進(jìn)行劃分，并確定出導(dǎo)水裂隙帶上方的隔水層。其次對礦區(qū)的地震資料進(jìn)行再處理和解釋，并綜合運用沉積相分析和含水層水壓水質(zhì)效應(yīng)定位，發(fā)現(xiàn)隔水層內(nèi)的天窗，對天窗進(jìn)行彌補注漿，使隔水層完整化，以阻斷上下含水層的水力聯(lián)系，達(dá)到減小充水含水層厚度的目的；如果導(dǎo)水裂隙帶上方一定空間內(nèi)缺失隔水層，而存在滲透性強的薄層含水層，則應(yīng)對其注漿，形成再生隔水層。再次對采空區(qū)頂板隔水層之下部分的滑移縫帶進(jìn)行注漿，形成隔水帷幕，達(dá)到減小含水層向礦井充水的過水?dāng)嗝娴哪康?。最后為了確保頂板隔水層的穩(wěn)定性和天窗的彌補效果，模式設(shè)計了注漿鉆孔微震傳感器和水壓傳感器最上覆含水層的監(jiān)測，如果隔水層被導(dǎo)水裂隙帶破壞，則應(yīng)對導(dǎo)水裂隙帶上方的隔水層進(jìn)行天窗確定和注漿彌補。通過上述工作，實現(xiàn)大幅度降低礦井涌水量，使受水困的煤層得以開采的目的。