采动影响下煤层覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征_王皓.pdf
第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.3 Jun. 2015 COAL GEOLOGY 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西西安710077 摘要以孟加拉国Barapukuria煤矿X工作面为试验区,采用井下钻孔分段压水原位测试及相关理 论计算方法,研究了工作面回采前后覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征.研究结果表明,工作 面回采前后,覆岩渗透性变化显著,采后覆岩渗透性具有明显的垂向分带特征.自覆岩导水裂缝 带顶部至底部,渗透性主阶梯状逐渐增大,可细分为弱渗透带、中渗透带和强渗透带.研究结果 对煤矿区水文地质参数识别与j雨水量预测工作具有指导意义. 关键词采动影响;覆岩破坏;渗透性垂向分带;压水试验 中图分类号P641.46文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.03.010 Overburden rock permeability variation and vertical zoning characteristics under the influence of coal mining WANG Hao口,QIAOWei12, CHAI Rui1 I.刀’anResearch Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xian 710077, China; 2. Shaan-,;i Key Lab of Mine Water Hazard Prevention and Control, Xian 710077, China Abstract In-situ packer tests in underground borehole and related theoretical calculation were conducted to study the overburden rock permeability variation and vertical zoning characteristics before and after coal mining. Work- ing face X in Bangladesh Barapukuria coal mine was chosen as the test area. The research results show that over- burden rock permeability changes significantly and has obvious vertical zoning characteristics after coal mining. From the top to the bottom of frac阳rezone, rock permeability increases gradually and can be subdivided to weak, medium and strong permeability zones. This conclusion has important guiding significance for hydrogeological parameters identification and water inflow forecast in coal mining area. Key words mining influence; overburden failure; vertical zoning of permeability; packer test 煤层开采后,其覆岩将发生移动与破坏。根据 前人的大量实测资料,覆岩的破坏和移动具有明显 的分带性,并且各带特征与地质、采矿等条件密切相 关[山]。随着开采强度与深度的增加、开采方法的发 展,对覆岩破坏规律的研究也不断提出新的要求[3]。 在夜岩发生破坏的同时,其渗透性也随着破坏 程度的不同而呈现出差异性,这一现象在垂向上表 现的尤为明显[4]。国内外的科研工作者针对采动条 件下岩体的渗透性变化特征开展了大量的实验研 究。例如,Brace等[5]首先研究了高围压和孔压下花 岗岩的渗透率变化规律,开创了结合应力状态研究 岩石渗透率的先例;Modecai等[6]在砂岩断裂试验研 收稿日期2014-12-10 究中测得了渗透率的增加幅度,得出了渗透率变化 规律;彭苏萍等[7-8]研究了在不同围压条件下的砂岩 渗透率变化规律,提出岩石的应变-渗透率关系曲线 是岩性、结构、应力等多种因素综合影响的结果。 然而,以上研究多数局限在室内的实验研究,现场 的原位试验较少,且关于采动覆岩垂向渗透性分带 特征的研究很少。 本文以孟加拉Barapukuria煤矿首采区为试验 区,将室内实验与现场测试相结合,针对厚煤层开 采覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征等问题开展 研究,研究结果对煤矿区水文地质参数识别与涌水 量预测工作具有重要的指导意义。 基金项目罔家科技支撑计划课题(2012BAK04B04);陕西省自然科学基金项目(2011JQ5015 作者简介王陆I981一),男,江苏连云港人,博士研究生,从事水文地质与矿井水害防治方面的研究. E-mail wanghao 引用格式王怡,乔伟,柴草.采动影响下煤层瞿岩渗透性变化规律及垂向分带特征[J].煤田地质与勘探,2015,433 51- 55. ChaoXing 52 煤田地质与勘探第43卷 1 试验区概况 采动覆岩渗透性现场实测工作在孟加拉国 Barapukuria煤矿的X工作面进行。Barapukuria煤 矿位于孟加拉国西北部,是该国唯一的大型现代化 矿井。Barapukuria煤矿采用立井单水平下山开拓方 式,主采煤层为回煤,平均厚度36m,属特厚煤层。 由于煤层特厚,采用分层开采方式,开采深度300~ 480 m,顶板管理方法为自然垮落法。 2 采动覆岩破坏及渗透性变化规律实测 2.1 测试位置的选择 选择Barapukuria煤矿的X工作面作为采动覆 岩渗透性变化规律的试验工作面,测试位置位于工 作面停采线区域。X工作面于测试工作开展前3个 月左右完成首分层开采,走向长度554m,倾向长 度141m。工作面平均煤厚39m,采用走向长壁综 合机械化方法开采,首分层平均开采厚度3m。煤 层顶板为厚层灰白色中一粗粒长石砂岩,局部含砾, 平均厚度129m。 2.2 测试方法 X工作面采动覆岩渗透性测试采用井下钻孔压 水试验法进行。通过在井下巷道施工上仰钻孔,在 钻孔中用气囊分段封堵进行压水试验,并利用井下 钻孔分段压水试验获取的水压、流量数据计算覆岩 各分段的渗透系数。该方法具有方便、快捷、可充 分利用现有巷道、投资小、观测数据可靠等优点[9)。 2.3 测试钻孔布置 结合Barapukuria煤矿现有的井巷布置情况,分 别在X工作面停采线向外的轨道联络巷上布设1-4 号观测孔。其中4号钻孔为未采动条件下覆岩渗透 性参照孔,1号、2号、3号钻孔为开采后覆岩渗透 性测试孔。4个观测孔平面与剖面位置见图1,钻孔 参数见表l。 2.4 测试结果 在1-4号测试孔施工完毕后,分别在4个钻孔 中用气囊分段封堵进行压水试验。经误差校正,各 钻孔在垂向各分段的压水试验流量观测结果参见 表2。 1112工作而 l号’钻孔 2号各lj孔3号钻孔 a)平而图 2号钻孔 b)剖面图 图IBarapukuria煤矿覆岩渗透性变化规律井下测试 钻孔布置示意图 Fig. l Layout plan of underground peπneability test boreholes 表1覆岩渗透性井下测试钻孔参数 Table 1 Parameters of boreholes for underground test of overburden permeability 钻孔编号 l号2号3号4号 x 101 617.610 101 642.610 101 664.583 101 642.610 孔口坐标 y 102 114.327 102 112.990 102 111.838 102 109.785 z 一400.716-411.180 一418.31-411.180 x 101 617.610 101 642.610 101 664.583 101 642.610 终孔坐标y 102 172.117 102 159.360 102 158.208 102 072.805 z -318.169 一330.865- 337.716 一347.146 角度/(。)55 60 60 60 斜长(孔深)Im100.77 92.75 92.75 73.42 ChaoXing 第3期王峰等采动影响下煤层覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征 53 表2覆岩渗透性井下测试钻孔分段压水漏失量一览表 Table 2 Leakage of test boreholes for overburden permeability 1号孔2号孔 孔深Im漏失盘/(Lmin1 孔深Im漏失量/(Lmin1 93.48 0.07 、 88.92 0.05 90.44 0.06 85.88 0.07 87.40 0.09 82.84 0.08 84.36 0.09 79.80 0.09 81.32 0.11 76.76 0.11 78.28 0.11 73.72 0.13 75.24 0.22 70.68 0.21 72.20 0.23 67.64 0.25 69.16 0.24 64.60 0.27 66.12 0.28 61.56 0.31 63.08 0.49 58.52 0.53 60.04 0.52 55.48 0.55 57.00 0.57 52.44 0.57 53.96 0.65 49.40 。.66 50.92 。.7146.36 0.73 47.88 0.78 43.32 。.81 3 采动覆岩导水裂缝带发育高度 由表2可见,4号对比孔的压水流量为0.05~ 0.15 L/min。根据现场实际开采条件,可知4号对 比孔不受采动影响,该孔的压水流量即为覆岩原生 裂隙的压水漏失量[10-11]。结合测试期间对岩体原生 裂隙发育条件的认识,1-3号观测孔压水流量在 0.15 L/min以下的视为岩体未受采动破坏区段。 据l号测试孔压水试验成果,孔深在47.88~ 75.24 m的压水漏失量为0.22-0.78 L/min,均大于覆 岩原生裂隙的压水漏失量,属采动覆岩导水裂缝带 范围;孔深在75.24-93.48m的压水漏失量为0.06~ 0.11 L/min,参照对比孔压水流量可知,此区段覆岩 基本未受采动破坏;由此可推断1号测试孔孔深 75.24 m处为导水裂缝带顶部,该位置据工作面顶板 垂深为61.63m, 巨pl号孔实测煤层覆岩导水裂缝带 发育高度为61.63m。 据2号测试孔压水试验成果,孔深在43.32~ 73.72 m的压水漏失量为0.21-0.81L/min,属采动覆 岩导水裂缝带范围;孔深在73.72~88.92m的压水漏 失量为0.05-0.13L/min,此区段覆岩未受采动破坏。 经计算,2号孔实测煤层覆岩导水裂缝带发育高度 为63.19m。 据3号测试孔压水试验成果,孔深在43.32~ 70.68 m的压水漏失量为0.19-0.80L/min,属采动覆 岩导水裂缝带范围;孔深在73.72~82.84m的压水漏 3号孔4号孔 孔深Im漏失量/(Lmin1 孔深Im漏失量/(Lmin-1 89.68 0.07 86.64 0.05 82.84 0.06 83.60 0.07 79.80 0.09 80.56 0.05 76.76 0.08 77.52 0.08 73.72 0.1 I 74.48 O.Q9 70.68 0.19 71.44 O.Q9 67.64 0.25 68.40 O.Q7 64.60 0.31 65.36 0.09 61.56 0.33 62.32 0.11 58.52 。.5259.28 0.12 55.48 0.55 56.24 。.13 52.44 0.63 53.20 0.14 49.40 0.69 50.16 0.15 46.36 0.75 47.12 0.13 43.32 0.80 44.08 0.15 失量为0.06-0.11L/min,此区段覆岩未受采动破坏。 经计算,3号孔实测煤层覆岩导水裂缝带发育高度 为62.53m。 综合以上认识,可知Barapukuria煤矿X工作 面采厚为3m的条件下,覆岩导水裂缝带发育高度 实测结果为61.63~63.19m,平均62.50m。经计算, 该工作面采裂比为21倍左右。 4 采动覆岩渗透性变化规律 4.1 采动覆岩渗透性计算 渗透系数是描述含水层渗透性能的重要参数。 根据工程地质手册[12],可利用井下1-4号钻孔 分段压水试验获取的水压、流量数据计算X工作面 回采前后覆岩渗透系数,计算公式如下 K0.527 a-log0.66L/r 1 住Q/LP2 式中K为渗透系数,mid;c.v为单位吸水量, L/minm2; Q为钻孔压水流量,L/min;P为试验 段水压,N/cm2;L为试验段长度,m;r为钻孔半 径,m; 由式(1)、式(2)计算出1-4号钻孔各分段渗透系 数,并将受采动影响的1号、2号、3号孔渗透系数 与未受采动影响的4号钻孔渗透系数进行对比,结 果见表3o 4.2 工作面回采前后覆岩渗透性对比 由前文可知,4号对比钻孔位于回采工作面附 ChaoXing 54 煤田地质与勘探第43卷 表31-4号钻孔媒层覆岩渗透系鼓计算结果一览表 Table 3 Calculation results of permeability of overburden rock in borehole 1#、2#、3and 4 1号孔 K3/md-1 KJIK4 钻孔垂距Im 4号对比孔 K4/md 1 O.ol8 0.016 0.013 0.018 O.oI8 0.013 0.013 0.018 0.021 0.023 0.023 0.023 0.023 0.018 O.oI8 0.023 0.023 0.029 0.029 0.034 0.031 0.031 0.034 0.029 0.036 0.031 0.039 0.036 0.034 0.034 0.039 0.036 ’A句’-AU’100 ’且’3 ’A 。。,lnuny 句’AVA忡。。 εJO。εJny。。,AA 丛 TZO 句3 。。咱3nuεJA 丛 TAU 句,&A吨AUnwJ’且吁,。。句,&句 3’3ZO 句, 句,岛’A句3。。AUZOεJ 句’-A唱 εJAUAYAaT 。3nvnwJ 句,‘,且 ill--2LIl-- 33444344ωωmmmumUM口归口 K,lmd 1 Ki/K4 O.oI8 1.00 77.67 76.35 75.03 73.72 72.40 71.08 69.77 68.45 67.13 65.82 64.50 63.19 61.87 60.55 59.24 57.92 56.60 55.29 53.97 52.65 51.34 50.02 48.71 47.39 46.07 44.76 43.44 42.12 40.81 39.49 38.17 36.86 0.018 0.016 0.021 0.025 0.024 0.027 0.030 0.033 0.030 0.033 0.036 0.072 0.072 0.082 0.102 0.094 0.113 0.121 0.139 0.319 0.325 0.338 0.312 0.371 0.397 0.423 0.482 0.555 0.586 0.609 0.648 2号孔3号孔 Ki/md-1 Ki/K4 0.015 0.82 0.024 0.021 0.018 0.026 0.029 0.032 0.036 0.039 0.046 0.046 0.071 0.075 0.086 0.098 0.109 0.105 0.126 0.135 0.306 0.345 0.338 0.358 0.437 0.445 0.469 0.515 0.539 0.570 0.594 0.633 A哼句3。。吁, tAAUAUAYζJA 丛 YAU AaT饨,hnuJ句3εJZJ,、 doδ 句f 句,句305 ’lzO句FAUnynUA 丛 TAU。。ZJ句,&句LAU 鸣,&句foEεJ 句,& εJFOAYAUT 饨,&aaTny。。 AYnyAU -E 句,句‘JfoεJ 句3句JAU . ......... .. . ... . .. . . ’且 AUAUζJ 句’hZJ句3A “ TZO 句,ro nu--句,&句,--AIA -句 3 句3AaTεJAa『AU『AaTAaTnyl -- h 1111ll 。.020 0.023 0.032 0.025 0.028 0.032 0.039 0.071 0.067 0.082 0.098 0.109 0.121 0.152 0.143 0.383 0.406 0.398 0.430 0.461 0.492 0.523 0.539 0.555 0.586 0.601 0.625 10599050ll70 吁’’3气dζUKUKU句,句30。nUKU句,吁’AUAυ 句3AU句,正unυ 气d句,。。句 ,&句3句FAU nu句FAU『句3句3句34UAU 。。,2 句3zo’A句3nυ .. . .. -A兔J句’-匀 ,缸瓦V 句34υ2JJ 句,句,反 U ’A’A气,&’41A’A’A句3叶,“A斗dA斗ζJεJP、d llll 近不受采动影响区域,该孔渗透系数计算结果可近 似描述工作面回采前覆岩原生渗透性能;1号、2号 和3号测试钻孔位于工作面采动影响区域,求得的 渗透系数可描述工作面回采覆岩破坏后的渗透性 能。由此可以对比工作面回采前后覆岩渗透性变化 情况。 由表3可知,工作面回采前,覆岩原生渗透系 数为0.013-0.039mid,平均0.023mid。回采后,随 着导水裂缝带的发育,测试段覆岩渗透系数为 0.0150.648 mid,自上而下呈递增趋势,且具有明 显的分带性,测试段覆岩渗透系数最大达到回采前 的17.79倍。以上测试结果表明,随着工作面回采 后覆岩发生破坏,覆岩渗透性出现显著增加现象。 4.3 采动覆岩垂向渗透性分带特征 为了进一步研究X工作面回采后覆岩导水裂缝 带渗透性的垂向分带特征,绘制了1号、2号、3号 钻孔煤层覆岩导水裂缝带渗透系数垂向分布图,见 图2。 由图2可知,1号、2号、3号钻孔在垂向孔深 53-63 m区段的渗透系数基本在一个范围波动变 化,均小于0.15mid,位于垂向分布图的第一阶梯, 此区段覆岩破坏程度与渗透性能较弱,属弱渗透带; 在垂向孔深37~53m区段的渗透系数较之弱渗透带 略为增加,为0.15-0.60mid,位于垂向分布图的第 二阶梯,此区段覆岩破坏程度与渗透性能中等,属 中等渗透带;测试过程中发现,在1号、2号、3号 钻孔垂距37m以下段进行压水试验时,注水漏失严 重,水压上不去,试验无法正常进行,由此可推断 此区段覆岩破坏较为严重,裂隙发育,渗透系数在 0.60 mid以上,渗透性显著增强,属强渗透带。 5结论 a.井下钻孔压水试验法不仅可用于采动覆岩 导水裂缝带发育高度的测试工作,还可以用于覆岩 渗透性变化规律研究,该方法可充分利用现有巷道, 观测数据可靠。本次研究通过布设采前对比孔与采 ChaoXing 第3期王哈等采动影响下煤层覆岩渗透性变化规律及垂向分带特征 55 61.89 60.58 60.39 0.072 59.28 61.21 57.98 0.082 56.68 57.90 0.102 58.58 0.094 55.37 55.4 I 。.I13 54.07 55.95 0.121 52.77 0.139 0.306 53.31 0.319 50.16 0.345 0.383 50.43 0.325 48.86 0.338 高制F挚 到68 0.406 0.338 47.56 0.358 0.398 47.94 0.312 46.25 0.437 48.05 0.430 0.371 44.95 0.445 0.461 45.45 0.397 43.65 0.469 45.41 0.492 0.423 0.523 42.34 0.515 42.96 0.482 42.78 0.539 0.555 41.04 0.539 0.555 40.47 0.586 39.74 0.570 40.15 0.586 0.609 38.44 0.594 。.601 37.98 。.648 37.13 0.633 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 37.52 olib 0.000 0.200 0.400 D.600 0 渗透系数/(md-1渗透系数/(md 渗透系数/(md-1 a I号孔b 2号孔c 3号孔 图2钻孔煤层覆岩导水裂缝带渗透系数垂向分布图 Fig.2 Vertical distribution of permeability of water-conducting fracture zone in boreholes 后探查孔测试Barapukuria煤矿覆岩渗透性,可知工 作面回采前后,覆岩渗透性显著增加,测试段渗透 性由采前的0.023mid左右增加至采后的0.648mid 左右。 b.井下钻孔压水试验法测试结果表明, Barapukuria煤矿采厚为3m时,导水裂缝带发育高 度为61.63~63.19m,平均62.45m,采裂比为21倍 左右。 c.利用井下钻孔分段压水试验获取的水压、流 量数据,计算出工作面回采3个月后覆岩不同位置 的渗透系数,并绘制煤层覆岩导水裂缝带渗透系数 垂向分布图,得知自覆岩导水裂缝带顶部至底部, 渗透性呈阶梯状逐渐增大,可细分为弱渗透带、中 渗透带和强渗透带。研究结果对煤矿区水文地质参 数识别与涌水量预测工作具有重要的指导意义。 d.本文在研究煤层覆岩导水裂缝带渗透系数 过程中,采用的计算数据为工作面回采3个月左右 的原位压水试验成果。据徐智敏、孙亚军等人研究 成果,随着时间推移,煤层覆岩采动裂隙会受采场 应力变化影响逐渐闭合[13],煤层覆岩的渗透性也会 逐渐变化。因此,随时间变化的覆岩渗透性演化规 律可作为下一步的研究方向。 参考文献 川张宏伟,朱志沽,霍利杰,等特厚煤层综放开采覆岩破坏高 度[月.煤炭学报,2014,395 816--821. 2]向和j民,尹尚先,李文.综采一次采全高顶板导水裂缝带发育 高度的计算公式及适用性分析问.煤田地质与勘探,20日, 415 3ι39. 3]弓培林,靳钟铭大采高采场覆岩结构特征及运动规律研 究[巧.煤炭学报,2004,291 7一11. 4]李宏艳,王维华,齐庆新,等.煤与瓦斯共采夜岩应力及渗透 搞合特性实验研究(J]。煤炭学报,2013,386 942-947. [5] BRACE W F, WALSH J B, FRANGOS WT. Permeability of granite under high pressure[ J]. Journal of Geophysical Research, 1968, 736 2225 2236. 6] MODECAI M, MORRIS L H. An investigation into the changes of permeability occurring in a sandstone when failed under triax- ial stress conditionsC]. Proceeding of出e12h U.S. Symposium onRockMechanics, 1971 221-239. [7]彭苏拌,孟召平,王虎,等.不同圈压下砂岩孔渗规律试验研 究[月.岩石力学与工程学报,2003,225 742-746. 8]彭苏弹,屈洪亮,罗立平,等沉积岩石全应力应变过程的渗 透性试验研究(J].煤炭学报,2000,252 113一l16. [9]余学义,刘俊,赵兵朝,等.孟巴矿特厚煤层分层开采覆岩导 水裂隙带高度测定[月煤矿安全,2013,448 169-171. 10]奕元重,李静涛,班训海,等近距煤层开采覆岩导水裂隙带 高度观测研究[巧,采矿与安全工程学报,2010,271139-142. 11]吕文宏.覆岩顶板导水裂隙带发育高度模拟与实测[巧.西安 科技大学学报,2014,343 309 313 12]常士骤,张苏民,项勃,等工程地质手册(第三版)[M].北京 中国建筑工业出版社,1992934-935. 13]徐智敏,孙亚军,董青红,等-隔水层采动破坏裂隙的闭合机 理研究及工程应用[巧.采矿与安全工程学报,2012,295 613-618. (责任编辑张宏) ChaoXing