煤层底板带压开采对隔水层隔水能力研究方法的探讨.pdf

煤层底板带压开采对隔水层 隔水能力研究方法的探讨 刘汉湖裴宗平 中国矿业大学徐州，2 2 1 0 0 8 郭敬渡冯赞尧田振洪 邢台矿务局邢台，0 5 4 0 2 1 摘要煤层底板隔水层隔水能力是影响带压开采安全性的重要因素。以往， 人们偏重于对隔水层岩性、厚度及组合情况等宏观特征研究，本文从宏观特征 与微观研究相结合两个方面，探讨了隔水层隔水能力的研究方法。这一工作丰 富了带压开采理论，对于现实工作有指导意叉。 关键词隔水层隔水能力带压开采 O 引言 广义上讲，带压开采是指开采煤层底板岩溶含水层中承压水头高于回采工作面水平 条件下的回采；狭义上讲，是指开采有底板突水危险的工作面，采用特殊措施保证安全 采煤 ”。据统计，我国有6 0 ％的煤矿不同程度地受到底板岩溶承压水的威胁，如焦作、峰 峰、邯郸、邢台、淄博、肥城、韩城、徐州、淮北等矿区。 煤层底板至岩溶承压含水层间隔水层的隔水能力是影响带压开采安全性的重要因 索，前人从不同角度作了大量分析研究．国内研究多是从隔水层岩性、厚度大小及组台 关系人手㈦，煤炭科学研究总院在现场采用压水试验方法确定不同岩性抗水压裂能力1 3 ’； 国外以匈牙利人韦格弗伦斯提出的岩石质量等值系数为代表，将不同岩性厚度折算后确 定阻水能力。 笔者认为，这些研究存在下列不足 I 方法偏重于隔水屡的宏观特征研究 2 现场压水试验需动用一定的人力物力； 3 岩石质量等值系数物理意义不甚明确。 随着现代科学技术发展，各种新测试技术方法的出现给我们提供了从微观方面研究隔 水层隔水能力的可能性，本文正是基于上述出发点，探讨采用宏观与微观相结合方法对 隔水层隔水能力进行综合研究。 l 研究方法 1 ．1 宏观研究方法 隔水屡作为带压开采的防护层，其隔水能力与岩性、啄度及组合情况有密切关系， 因此，从宏观上分析，需根据勘探资料和生产资料对隔水层岩性、厚度及组合情况进行 分析研究． 1 ．11隔永层岩洼 iS { 根据勘探资料，选择有代表性的勘探线，作煤层底板至岩溶含水屡顶板间岩性柱状 对比图，仔细统计、归纳，隔水屡岩性组成一目了然， 1 12隔水层厚履及组合情况 隔水层厚度及组合情况与底板突水关系密切。～般来说，隔水层厚度大，底板突水 可能小；反之，隔水层薄，底板突水可能性大． 研究过程中，根据钻孔柱状图，统计隔水层厚度，并绘制成隔水层等厚线图．通过 分析厚度变化规律，可以初步掌握井田内隔水层隔水性。 隔水层组合情况与隔水能力关系比较复杂，根据弹性力学理论，可以分为不同类型I ”． 1 ．2 微观研完方法 】．21 隔永层岩石结构构造及矿物成分测试 实践证明，同一种岩性，由于结构类型和胶结类型的差异，其隔水性能会表现出一定 差异．另外，据研究，煤系地层中的页岩、泥岩、砂质页岩、铝土岩等岩层，由于沉积 环境不同，往往含有不同性质的粘土矿物；不同类型的粘土矿物，具有不同的吸水膨胀 性，其中以蒙脱石为主的粘土矿物，吸水膨胀性强，具有比较高的P H 值、阳离子交换量 和比表面积，迂水软化膨胀后，可堵塞或密实隔水屡内部的节理、裂隙，封闭含水通道， 阻止下伏含水层的水向上运移．因而，有必要在现场取样基础上，采用传统的岩石薄片 光学显微镜和现代化的投射电子显微镜、扫描电子显微镜、x 一射线衍射分析、茬热分析 等多种手段对岩石的结构、构造和矿物成分进行综合测试．其中，岩石薄片鉴定的重点 是结构和胶结类型，x 一射线衍射分 析。差热分析、透射电子显徽镜可以 定性、定量确定矿物成分，尤其是粘 土岩的分析测试对于带压开采更具有 实际意义。 1 ．2 ．2 隔水层岩石空隙结构特征测试 岩石的渗透性与岩石空隙大小和 空隙度两个因素有关。据有关资料， 5 0 “m ～1 0 0 “m 的空隙在一般压力下 可透水，1 0u m ～几十个u m 的空隙 在深部高压下可透水．采用美国 M i c r o m e r i t i c s 公司生产的9 310 型微 孔结构分析仪，系统测定隔水层中各 种岩性的空隙尺寸及所占比例，根据 平均空隙直径和有效空隙度大小确定 空隙结构类型，结合现场钻探岩石 R Q D 值测定，可以全面评价原岩状 态下隔水层完整性。 i5 2 图l 渗逯试验躁理图 1 ．2 ．3 隔水层岩石抗水压裂能力的确定 煤炭科学研究总院采用现场压水试验确定底板隔水层抗水压裂能力{ ”，它具有准确性 高特点，但需耗用一定人力、物力．能否找到一种室内模拟试验方法来达到同样的目的 我们采用伺服机试验方法作了探索． 实验采用美国M T S 公司8 1 5 ．0 2 型电液伺服岩石力学试验系统，该系统为当今世界上 最先进的室内岩石力学性质试验设备。它具有多种试验功能，其中渗透实验是其基夸功 能之一． j 本实验测定渗透率采用瞬态法，基本原理是先施加一定的轴压| D 1 ，围压尸2 和孔 压P 3 ，然后降低试件下端的孔压至P 4 ，在试件两端形成渗透压差△／‘P 3 一P 4 ，从而引起 水体通过试件渗流 图1 。渗流过程中，△尸不断地减少。△尸减少的速率，与岩石种 类、岩石组构、试件长度、试件截面尺寸、流体粘度与密度以及应力状态和应力水平等 因素有关．根据试验过程中计算机自动采集的数据，可计算岩石渗透率Ⅳ的值。我们用 取自邢台矿务局章村煤矿九煤底板的3 组岩样作了渗透率测试，试验方案见表l 。 表1岩石渗透率试验方案 岩性 样品围压 M P a ， 孔压 M P a Z C 一5 _ 3 一l 4030 伊利石高岭石泥岩 Z C 一5 3 2 403 5 Z C 一■6 一j 40 3 5 石英砂岩 Z C 一7 6 2 4 O3 0 。 Z C 一9 7 一l 4 030 本溪灰岩 Z C 一9 7 2 4 03 5 其中，围压的选取依据应力计算和实测数据。各样品的渗透率～应变曲线及全应力～ 应变曲线见图2 一图7 ． 图2 3 伊利石高岭石泥岩全应力应变曲线及渗透率曲线 1 5 3 鐾 T { 】 ，∞ 1 ∞ jo ∞ ‘] ∞ Z C76 1 1 9 9 68 17 ”医蕊 瓤尉 ∞ 一 e ∞ 々●0 ∞ ∽ ∞ 1 0 图o 、5百英砂岩垒应力应变曲线及渗透率盐线 t o 几赢j ，sl 竺 tc 竺J ∞拿 圈 。圈 图扣7 本溪灰岩全应力应变曲线及渗透率曲线 通过岩石的渗透率试验，可以得到如下结论 1 岩石的渗透率与岩石的应力状态 或应变 密切相关； 2 岩石在全应力应变过程中渗透率变化的总体规律是在弹性段渗透率随应力增大 而降低，进入弹塑性段后渗透率转而增大 幅度不大 ，进入峰后区渗透率一般急剧增 大，之后随应变增大，渗透率可能继续剧增，可能平缓增加，也可能略有减少． 3 分析比较所有曲线，发现具有两个明显特征，在围压相同条件下 4 M P a ， 随着孔压增大 3 ．O M P a ～3 ．5 M P a ，渗透率普遍增大1 ～4 倍．第二个特征是同样的岩性， 孔压为3 ．O M P a 时，应力峰值后渗透率都按一定斜率降低；孔压为3 ．5 M P a 时，应力峰值 后渗透率都以一定斜率升高 Z C ．9 ．7 ．2 例外 ．究其原因，室内试验岩块，随着应力增 大，变形从弹性段进入弹塑性段，在应力峰值处岩石发生破裂，这时岩样就变成由岩块 和结构面组成的岩体，在孔隙水压力作用下，水对结构面 剪切裂隙 产生契张作用， 类似于现场压水试验条件．在j L 隙水压力为3 ．O M P a 作用下，岩体没有完全压裂，故峰值 1 5 4 后渗透率逐渐降低；当孔隙水压力增至3 ．5 1 9 1 P a 时，水对剪切裂隙充分张开，岩体完全压 裂，故渗透率逐渐增大．据此，我们可以得到如下认识在原岩应力状态下，伊利石高 岭石泥岩、石英砂岩的初始抗水压裂压力为3 , 0 ～3 ．5 M P a ，本溪灰岩抗水压裂压力大于 3 ．5 M P a ． 2 结论 1 采用宏观特征和微观研究相结合方法，可以全面评价底板隔水层隔水能力； 2 宏观特征研究内容包括隔水层岩性、厚度及组合情况； 3 在宏观特征研究基础上，采用薄片鉴定、x 一衍射、透射电镜、压汞试验、伺 服机试验等方法从微观上进一步研究隔水层隔水能力是一种有益的探索。 参考文献 王怍宇，刘鸿泉承压水上采煤北京，煤炭工业出版社，1 9 9 3 ； 2 李金凯，矿井岩溶水防治，北京，煤炭工业出版社，1 9 9 0 ； 3 周万方等，岩溶煤矿床防护屡的防护效应评价．中国岩溶，J9 9 2 ，II I 1 5 5 煤层底板带压开采对隔水层隔水能力研究煤层底板带压开采对隔水层隔水能力研究 方法的探讨方法的探讨 作者刘汉湖， 郭敬波 作者单位刘汉湖矿业大学徐州， 郭敬波矿务局 相似文献10条相似文献10条 1.期刊论文 夏筱红.杨伟峰.崔道伟.刘浪涛.赵娟娟.赵朋朋 采场底板岩石渗透 性试验研究 -矿业安全与环保2006,333 采场底板岩石的渗透性是评价煤层底板隔水层隔水能力以及能否进行安全带压开采的重要因素.通过 伺服渗透试验所获得的渗透率-应变关系及应力-应变关系,分析了全应力-应变过程中岩石渗透性随变形 的变化特点及不同裂隙充填物质的岩石渗透率-应变关系的主要差异和渗透率-应力之间的关联性.最后提 出了采场底板岩层可以视为相对隔水层,对工程评价有一定的指导意义. 2.期刊论文 左如松.朱岩华.姜振泉 岩石临界抗渗强度的测定及其在工程中的 应用 -煤田地质与勘探2002,306 通过岩石伺服渗透试验获得渗透率-应变关系和应力-应变关系曲线,对比分析岩石破坏前的渗透率、 应力与应变之间的关系特点,提出了岩石临界抗渗强度的概念,阐述了将其作为岩石变形过程渗透性特征 参数的工程意义,并实际应用于杨村煤矿煤层底板带水压开采隔水层阻水能力的评价. 3.期刊论文 赵平.Zhao Ping 章村三井隔水层微观研究及煤系地层叶腊石的发 现 -中国煤田地质2007,196 通过采用传统的岩石薄片显微鉴定和现代化扫描、透视电子显微镜、X射线衍射分析、差热分析等方 法对9煤至奥灰间隔水层岩石的结构、构造、矿物成分进行了综合测试,微观研究表明,区内9煤至奥灰间 地层中铝含量较高,隔水层中泥质岩粘土矿物主要以叶腊石、伊利石、高岭石为主,大部分岩石遇水后稳 定,无崩解现象.其中在煤系地层中发现大量叶腊石.初步分析认为是受后期强烈岩浆岩活动影响,发生热 液蚀变而形成.通过压汞实验测试了10个隔水层岩样空隙结构,原岩状态下,9煤至奥灰含水层间隔水层空 隙度很低,呈现致密状态,因而应具有良好的隔水能力. 4.期刊论文 桂和荣.孙家斌.李明好.宋晓梅.李伟.陈富勇 淮北芦岭矿810采区 第四系三隔研究 -淮南工业学院学报自然科学版2002,221 研究了芦岭煤矿810采区第四系第三隔水层简称“三隔“的赋存规律及其岩性特征,并通过矿物分析 、粘性指标及渗透性测试,弄清了三隔具有良好的隔水能力,能有效地阻隔上覆第三含水层简称“三含 “水对810采区安全开采的威胁. 5.期刊论文 王文波.WANG Wen-bo 海域覆岩岩性结构特征及隔水性能研究 -煤 矿开采2010,153 覆岩岩性结构及特征决定着隔水层的隔水性能、隔水能力及导水裂缝带发育高度.隔水层的隔水能力 一般取决于隔水层的厚度、岩性组合关系和岩石强度等因素.从覆岩岩石的强度特征、岩石的物理力学性 质、水理性质等指标,研究了覆岩的岩性结构特征;从岩石的强度、各向异性、流变性及膨胀性,对覆岩的 隔水性能进行研究.认为北皂海域地层结构为软弱-软弱结构,覆岩类型属软弱-极软弱类型.岩层稳定性差 ,亲水性强,膨胀量大,增强了覆岩隔水性能. 6.期刊论文 赵各庄煤矿深部带压开采可行性研究 -煤田地质与勘探 2005,33z1 赵各庄矿14水平的提升高度为-1 200 m,而奥灰水头压力为11.76 MPa.通过研究赵各庄矿底板隔水层 厚度及其阻隔水能力,讨论了充分利用有效隔水层,采用局部实施疏水降压开采等防治水技术的可能性;采 用突水系数法及弹塑性力学分析法,论证了赵各庄矿深部带压开采煤炭资源的可行性. 7.会议论文 张壮路.洪益清.田干 赵各庄煤矿深部带压开采可行性研究 赵各庄矿14水平的提升高度为-1200m,而奥灰水头压力为11.76MPa.本文通过研究赵各庄矿底板隔水 层厚度及其阻隔水能力,讨论了充分利用有效隔水层,采用局部实施疏水降压开采等防治水技术的可能性 ;采用突水系数法及弹塑性力学分析法,论证了赵各庄矿深部带压开采煤炭资源的可行性. 8.会议论文 朱传峰.张维峰 童亭矿10煤层底板灰岩充水特性与防治 2002 煤层底板含水层的充水性与隔水层的隔水能力是影响带压开采安全性的重要因素.童亭矿通过多年井 下实施的探放水工程、水量动态和水质特性观测分析及回采实践,取得了一些有价值的成果和结论,为童 亭矿今后及淮北新区太灰水害的防治提供依据. 9.期刊论文 李建民.张壮路.张瑞玺.LI Jian-min.ZHANG Zhuang-lu.ZHANG Rui-xi 赵各庄矿深部带压开采评价 -煤炭学报2005,305 通过对赵各庄矿底板隔水层厚度及其阻隔水能力的研究,采用突水系数法及弹塑性力学理论分析法 ,论证了赵各庄矿深部资源在煤层底板完整、突水系数小于0.15 MPa/m的区段可进行带压开采,创造了我 国煤炭资源开采深度-1 200 m的记录. 10.期刊论文 涂敏.桂和荣.李明好.李伟 厚松散层及超薄覆岩厚煤层防水煤柱 开采试验研究 -岩石力学与工程学报2004,2320 通过对厚松散层及超薄覆岩的含、隔水层及基岩风氧化带工程岩组性质的分析,采用相似模拟试验与 数值模拟等手段研究不同采放比条件下覆岩最大冒高和有效导水高度.研究结果表明基岩风氧化带内粘 土矿物含量高、渗透能力差、再生隔水能力强,具有阻止和抑制导水裂高发展的双重作用,采动后覆岩呈 整体弯曲缓慢下沉运动,有效导水裂隙带的发育高度与冒落带高度基本一致.研究结果应用于芦岭矿 810采区,在防水煤柱内进行放顶煤开采,经过两个工作面的成功试采,已安全采出煤炭约40104 t,采出 率达86.7,取得了显著的经济效益. 本文链接 授权使用河南理工大学hnlg，授权号1b254d8a-15d6-4fd7-b5b2- 9e0e010dd18a 下载时间2010年10月13日