戴磊， 段李宏

（河南能源化工集團(tuán) 永城煤電控股集團(tuán)有限公司，河南 永城 476600）

0 引言

深部煤層在強(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)下會(huì)形成底板擾動(dòng)破壞裂隙，一旦溝通下部高承壓含水層，易發(fā)生采煤工作面突涌水災(zāi)害，嚴(yán)重制約深部煤炭資源安全、高效開(kāi)采。采動(dòng)條件下煤層底板突涌水災(zāi)害評(píng)價(jià)受多方面因素的影響，從煤層底板突涌水災(zāi)害發(fā)生的力學(xué)角度分析，影響因素主要有底板巖性組合、安全隔水層厚度與完成程度、底板構(gòu)造裂隙發(fā)育程度及導(dǎo)水能力等。

不同構(gòu)造期次下的斷層發(fā)育不僅破壞了煤層圍巖的完整性，降低了巖體的變形模量和剪切強(qiáng)度，且極大地降低了煤層圍巖綜合隔水能力，增大了發(fā)生底板突涌水災(zāi)害的潛在威脅。通過(guò)對(duì)我國(guó)大量煤礦底板突涌水事故的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)資料分析可知，大多數(shù)煤層底板突涌水災(zāi)害的發(fā)生與底板斷層發(fā)育密切相關(guān)[1-4]。煤層底板鉆孔壓水試驗(yàn)是測(cè)試底板巖層滲透性和隔水能力的可靠方法，可為煤炭開(kāi)采提供可靠的原位測(cè)試數(shù)據(jù)，為后續(xù)底板突涌水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5-10]。

許多學(xué)者采用鉆孔壓水試驗(yàn)對(duì)煤層底板的抗?jié)B性進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究。孫曉倩等[11]在某煤礦深部煤層底板采用雙孔測(cè)滲技術(shù)進(jìn)行了原位現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)，表明兩測(cè)試段巖層在原始狀態(tài)下均不導(dǎo)滲，抗?jié)B性較強(qiáng)，對(duì)比初次和重復(fù)2個(gè)壓水過(guò)程可知，初次壓水后巖層的抗?jié)B能力降低，易形成導(dǎo)滲。劉瑞新等[12]采用雙孔測(cè)滲技術(shù)對(duì)兗州礦區(qū)16個(gè)底板巖層進(jìn)行壓滲測(cè)試，結(jié)果表明厚層砂巖測(cè)試段的起始導(dǎo)滲水壓相對(duì)較高，互層測(cè)試段較低，厚層泥巖的起始導(dǎo)滲水壓介于二者之間。邵明喜等[13]在兗礦能源集團(tuán)股份有限公司楊村煤礦采用雙孔測(cè)滲技術(shù)對(duì)底板F5斷層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)，結(jié)果表明斷層在原始狀態(tài)下滲流能力較差，抗?jié)B能力較強(qiáng)，重復(fù)壓水導(dǎo)致斷層帶明顯滲透破壞。Qian Ziwei等[14]在兗礦能源集團(tuán)股份有限公司興隆莊煤礦底板一條近NS向、傾角約70°的正斷層不同位置進(jìn)行了高壓壓水試驗(yàn)，通過(guò)連續(xù)采集的注水流量和監(jiān)測(cè)孔內(nèi)水壓數(shù)據(jù)，得到了斷層破碎帶內(nèi)部不同位置的導(dǎo)水能力，并分析了采動(dòng)條件下斷層導(dǎo)水活化的力學(xué)和水動(dòng)力機(jī)理。以上試驗(yàn)主要采用“雙孔”法現(xiàn)場(chǎng)壓滲測(cè)試技術(shù)，未考慮巖層裂隙的方向和各向異性特點(diǎn)，單一方向的壓滲測(cè)試與復(fù)雜巖層多向受壓的實(shí)際情況有較大差異?！叭住狈ìF(xiàn)場(chǎng)壓滲試驗(yàn)采用雙向壓滲測(cè)試技術(shù)，通過(guò)反向壓水對(duì)正向壓水期間發(fā)生的巖層劈裂裂隙進(jìn)行檢驗(yàn)，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近巖層壓滲變化真實(shí)情況。因此，本文采用“三孔”法現(xiàn)場(chǎng)壓滲試驗(yàn)方法，以河南省正龍煤業(yè)有限公司城郊煤礦為例，在二水平煤層開(kāi)展了斷層帶滲透性的壓水試驗(yàn)，研究構(gòu)造發(fā)育處底板巖層的阻水能力，以期為礦井深部二水平煤層帶壓開(kāi)采水害評(píng)價(jià)提供量化依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

城郊煤礦位于河南省永城市，屬于永夏礦區(qū)，2009年經(jīng)河南省煤炭工業(yè)管理局核定礦井生產(chǎn)能力為5.0 t/a，礦井采用立井多水平開(kāi)拓，一水平煤層的開(kāi)采標(biāo)高為?495 m，二水平煤層的開(kāi)采標(biāo)高為?800 m。礦井采用分區(qū)上行開(kāi)采，目前開(kāi)采一水平煤層北翼采區(qū)和二水平煤層?xùn)|翼采區(qū)。由于一水平煤層的煤炭資源量即將枯竭，目前采用暗斜井的開(kāi)拓方式，逐漸由一水平煤層向二水平煤層過(guò)渡。二水平煤層最大埋深為1 000 m，煤層底板存在石炭系太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r2個(gè)區(qū)域性的強(qiáng)含水層，且水壓均較高。

礦井二水平煤層底板下伏奧陶系灰?guī)r頂界面距二水平煤層底板的平均厚度為200 m，通過(guò)對(duì)城郊煤礦歷年來(lái)水文觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，奧陶系灰?guī)r含水層與上覆各含水層之間基本無(wú)水力聯(lián)系。然而，二水平煤層底板下伏的石炭系太原組灰?guī)r含水層自建井開(kāi)采以來(lái)發(fā)生了2次突涌水災(zāi)害，最大瞬時(shí)突水量為300 m3/h。因此，對(duì)二水平煤層水害威脅最大的是太原組灰?guī)r含水層。

目前，礦井二水平煤層南翼和東翼采區(qū)均處于大面積開(kāi)拓和部分采掘階段，預(yù)計(jì)太原組灰?guī)r水壓可達(dá)6～7 MPa，突水系數(shù)大于《煤礦防治水細(xì)則》推薦值（正常地段0.1 MPa/m）。太原組上段L11灰?guī)r含水層厚度為 0.23～3.26 m，平均厚度為 1.64 m，上距二水平煤層底板 13.50～85.61 m，平均距離為 50.36 m，厚度差異較大，必然存在局部綜合隔水能力薄弱的地段，特別是構(gòu)造裂隙和斷層較為發(fā)育的部位。

2004年3月29 日，2205工作面由于斷層導(dǎo)水，發(fā)生太原組灰?guī)r含水層突涌水事故，最大涌水量為80 m3/h，導(dǎo)致工作面距終采線 55 m提前回撤；2008年6月24日，二水平煤層南翼軌道運(yùn)輸大巷施工至測(cè)點(diǎn)SYG12點(diǎn)前40 m處發(fā)生突水，初始涌水量為 80 m3/h，最大涌水量為 300 m3/h，后逐漸穩(wěn)定到230 m3/h，突水原因?yàn)橄锏雷髱徒衣读艘粭l落差為10～32 m的隱伏FN?5正斷層，深部太原組灰?guī)r含水層沿?cái)鄬用鏉⑷腴_(kāi)采工作面。隨著煤層開(kāi)采深度的不斷增加，城郊煤礦二水平煤層的突涌水影響因素越來(lái)越復(fù)雜，尤其是主采煤層底板的太原組灰?guī)r含水層水壓不斷增高，構(gòu)造裂隙和隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬虞^為發(fā)育，深部煤層開(kāi)采期間底板擾動(dòng)變形程度不斷加大，城郊煤礦二水平煤層開(kāi)采的水害防治難度及不確定性越來(lái)越大，已成為制約礦井深部煤層安全、高效開(kāi)采的主要隱患。

2 二水平煤層底板斷層原位壓水試驗(yàn)

2.1 鉆孔壓水試驗(yàn)方法

在巷道內(nèi)相隔一定距離布設(shè)3個(gè)鉆孔。在其中1個(gè)鉆孔孔口安裝壓力表和流量監(jiān)測(cè)儀，用于壓水，稱為壓水孔；在其他2個(gè)鉆孔安裝水壓傳感器，用于檢測(cè)鉆孔內(nèi)部水壓變化規(guī)律，稱為水壓檢測(cè)孔。鉆孔壓水試驗(yàn)裝置與原理如圖1所示。試驗(yàn)采用2ZBQ?3/21高壓氣動(dòng)壓水泵，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，可調(diào)節(jié)的流量為 5～80 L/min，額定泵壓為 22 MPa；注漿管路耐壓不低于15 MPa。采用振弦式水壓傳感器采集頻率，連接GSJ?2A型智能檢測(cè)儀轉(zhuǎn)換為水壓，可直接顯示檢測(cè)到的水壓值，計(jì)數(shù)精度為±0.5%，監(jiān)測(cè)壓力P取值為 0～40 MPa。

圖1 鉆孔壓水試驗(yàn)裝置與原理Fig.1 Drilling water pressure test device and principle

2.2 鉆孔壓水試驗(yàn)評(píng)價(jià)原理

鉆孔壓水試驗(yàn)采用“三孔”法現(xiàn)場(chǎng)壓滲測(cè)試技術(shù)，第1次壓水試驗(yàn)為正向壓水試驗(yàn)，第2次壓水試驗(yàn)為反向壓水試驗(yàn)。為量化評(píng)價(jià)測(cè)試段的起始滲透條件，將水壓監(jiān)測(cè)孔水壓和壓滲流量明顯隨注水水壓同步變化的點(diǎn)作為起始滲透特征點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的注水水壓為起始導(dǎo)滲水壓。注水水壓按照設(shè)計(jì)值持續(xù)增大，若測(cè)滲水壓較注水水壓小且保持穩(wěn)定，注水流量相對(duì)穩(wěn)定，則表明在原始狀態(tài)下，現(xiàn)場(chǎng)巖層的抗?jié)B能力極強(qiáng)，將巖層評(píng)價(jià)為隔水層，反之評(píng)價(jià)為導(dǎo)水裂隙。

2.3 鉆孔壓水試驗(yàn)方案

綜合考慮城郊煤礦二水平煤層場(chǎng)地環(huán)境及鉆孔施工條件、測(cè)試條件等因素，在二水平煤層南翼膠帶大巷西段揭露的落差H為10.3 m的FN?6正斷層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位壓水試驗(yàn)。二水平煤層南翼膠帶大巷西段距離太原組上段L11灰?guī)r含水層45 m。為了探究FN?6正斷層上部的阻水能力，減小太原組下部灰?guī)r含水層對(duì)壓水試驗(yàn)結(jié)果的影響，各試驗(yàn)鉆孔在穿越FN?6正斷層破碎帶時(shí)必須與太原組上段L11灰?guī)r含水層保留一定距離，且各試驗(yàn)鉆孔的開(kāi)孔位置與FN?6正斷層在暗斜井的揭露點(diǎn)保留一定距離。測(cè)試鉆孔布設(shè)如圖2所示。本次壓水試驗(yàn)共布設(shè)3個(gè)鉆孔C1，C2，C3，當(dāng)其中1個(gè)為壓水孔時(shí)，其他2個(gè)即為水壓監(jiān)測(cè)孔。鉆孔C1距測(cè)點(diǎn)SYP23水平間距為1.6 m，3個(gè)鉆孔水平間距均為6.3 m，開(kāi)孔直徑為127 mm，終孔直徑為 89 mm，傾角為?30°，與巷道間夾角為23°，C1，C2，C3孔深分別為 30，36，42 m。

圖2 斷層原位壓水試驗(yàn)鉆孔布設(shè)Fig.2 Hole layout in fault in-situ pressurized water test

壓水孔注水水壓分別為 0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 MPa，壓水時(shí)間為 20 min。在壓水試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)記錄流量、水壓及2個(gè)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)的響應(yīng)水壓變化。某一注水水壓下監(jiān)測(cè)孔檢測(cè)到明顯的水壓響應(yīng)，壓水孔和水壓監(jiān)測(cè)孔間形成優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水通道，該注水水壓為臨界導(dǎo)滲水壓，在臨界導(dǎo)滲水壓的基礎(chǔ)上再增加0.5 MPa，即可停止壓水試驗(yàn)。之后進(jìn)行不同注水流量下的壓水試驗(yàn)，流量分別為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 L/min，先逐級(jí)增大注水流量至4.0 L/min，再逐級(jí)降低至0。各級(jí)流量下的壓水時(shí)間為20 min，連續(xù)記錄流量、水壓和響應(yīng)水壓變化。完成1個(gè)鉆孔的注水試驗(yàn)后，轉(zhuǎn)換壓水孔和水壓監(jiān)測(cè)孔再次進(jìn)行同樣的壓水及測(cè)滲過(guò)程。

3 壓水試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 正向壓水試驗(yàn)結(jié)果與分析

正向壓水試驗(yàn)采用鉆孔C2作為壓水孔，鉆孔C1和C3作為水壓監(jiān)測(cè)孔，試驗(yàn)得到的壓滲曲線如圖3所示?？煽闯鰤核囼?yàn)開(kāi)始后約1 min，壓水孔水壓為 10 MPa，注水流量為 3.45 L/min，水壓監(jiān)測(cè)孔C1和 C3測(cè)得的水壓響應(yīng)值分別為 0.042，0.045 MPa，表明在初始狀態(tài)下FN?6正斷層上段的導(dǎo)水能力極其微弱，屬于隔水層。隨著注水水壓升高，壓水孔和水壓監(jiān)測(cè)孔間的巖體密集發(fā)生微小的劈裂現(xiàn)象，產(chǎn)生新的裂隙，當(dāng)壓水試驗(yàn)持續(xù)至約30 min時(shí)，水壓監(jiān)測(cè)孔C3監(jiān)測(cè)到水壓發(fā)生較小變化，表明新產(chǎn)生的裂隙發(fā)生導(dǎo)水現(xiàn)象，但是導(dǎo)水能力較弱，此時(shí)注水流量在3.05～3.85 L/min內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)壓水試驗(yàn)持續(xù)至約35 min時(shí)，壓水孔和水壓監(jiān)測(cè)孔間巖體裂隙發(fā)生較大規(guī)模的擴(kuò)張，壓水孔C2的水壓瞬間突降0.5 MPa，短暫持續(xù)后，又突降2 MPa，此時(shí)水壓監(jiān)測(cè)孔C3監(jiān)測(cè)到水壓明顯升高，但是響應(yīng)值依然遠(yuǎn)低于壓水孔水壓，表明有新的導(dǎo)水裂隙產(chǎn)生，但是規(guī)模較小，導(dǎo)水能力較弱，僅以微小裂隙的滲流為主。綜上可知，F(xiàn)N?6正斷層的上段隔水能力較強(qiáng)，滲流較差。

圖3 正向壓水試驗(yàn)的壓滲曲線Fig.3 Pressure-permeability curves of forward water pressure test

3.2 反向壓水試驗(yàn)結(jié)果與分析

反向壓水試驗(yàn)采用鉆孔C3作為壓水孔，鉆孔C1和C2作為水壓監(jiān)測(cè)孔，試驗(yàn)得到的壓滲曲線如圖4所示。壓水試驗(yàn)開(kāi)始后約2.5 min，壓水孔水壓為 7 MPa，壓水流量為 4.05 L/min，水壓監(jiān)測(cè)孔 C1和C2測(cè)得的響應(yīng)水壓分別為 0.06，0.25 MPa，較正向壓水試驗(yàn)值有所升高，表明正向壓水階段產(chǎn)生了微小的導(dǎo)水裂隙。當(dāng)壓水試驗(yàn)持續(xù)至約23 min時(shí)，水壓監(jiān)測(cè)孔C2的響應(yīng)水壓逐漸增大至0.65 MPa，表明在反向壓水試驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)水通道數(shù)量較正向壓水試驗(yàn)時(shí)有所增加，導(dǎo)致壓水孔和水壓監(jiān)測(cè)孔間的壓差降低。此時(shí)，注水流量在0.25～4.55 L/min內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明巖體產(chǎn)生裂隙，且裂隙內(nèi)開(kāi)始充水。在23 min時(shí)進(jìn)行一次升壓，注水水壓從 7 MPa 迅速增大至 11 MPa，此時(shí)水壓監(jiān)測(cè)孔C2的響應(yīng)水壓迅速升高至1.3 MPa，瞬時(shí)注水流量達(dá)到峰值9.55 L/min后降低到0.55 L/min，表明在水壓監(jiān)測(cè)孔C2和壓水孔C3間形成了優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水通道，F(xiàn)N?6正斷層的臨界導(dǎo)滲水壓為11 MPa。若在穩(wěn)壓情況下繼續(xù)注水，優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水通道通過(guò)擴(kuò)展和形成微裂隙網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足其卸掉高壓水勢(shì)能的需求，故其流量在波動(dòng)中減小，測(cè)得的響應(yīng)水壓繼續(xù)增大直至基本穩(wěn)定。注水流量降至0.55 L/min，說(shuō)明處于穩(wěn)態(tài)滲流并不意味著測(cè)滲段巖層發(fā)生了結(jié)構(gòu)性的破壞，而是由局部壓裂損傷導(dǎo)致導(dǎo)通性滲流。

圖4 反向壓水試驗(yàn)的壓滲曲線Fig.4 Pressure-permeability curves of reverse water pressure test

4 結(jié)論

（1） 正向壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)N?6正斷層上段的隔水能力較強(qiáng)、滲流較差，屬于隔水層，在目前的采動(dòng)條件下未發(fā)生明顯的導(dǎo)水活化現(xiàn)象。通過(guò)壓滲曲線可看出斷層帶在高水壓作用下會(huì)逐漸劈裂產(chǎn)生微裂隙，但規(guī)模較小，導(dǎo)水能力較弱，僅以微小裂隙的滲流為主。

（2） 反向壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，反向壓水過(guò)程中導(dǎo)水通道數(shù)量較正向壓水時(shí)有所增加，降低了壓水孔和水壓監(jiān)測(cè)孔間的壓差。FN?6正斷層的臨界導(dǎo)滲水壓為11 MPa，當(dāng)微裂隙相互貫通后注水流量明顯上升，成為優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水通道，只有超過(guò)臨界導(dǎo)滲水壓后才能進(jìn)入實(shí)際的滲流狀態(tài)，但處于穩(wěn)態(tài)滲流并不意味著測(cè)滲段巖層發(fā)生了結(jié)構(gòu)性的破壞，而是由局部壓裂損傷導(dǎo)致導(dǎo)通性滲流。