梅花井煤矿直罗组砂岩含水层开采扰动后的渗透性分析及充水试验研究

翟 文 马 昆 任予鑫

(1.神华宁夏煤业集团枣泉煤矿，宁夏自治区银川市，751411； 2.神华宁夏煤业集团梅花井煤矿，宁夏自治区银川市，751411)



★ 煤炭科技·开拓与开采 ★

梅花井煤矿直罗组砂岩含水层开采扰动后的渗透性分析及充水试验研究

翟 文1马 昆2任予鑫2

(1.神华宁夏煤业集团枣泉煤矿，宁夏自治区银川市，751411； 2.神华宁夏煤业集团梅花井煤矿，宁夏自治区银川市，751411)

结合梅花井煤矿煤炭开采顶板水害防治难题，对孔隙性富水弱渗砂岩含水层进行试验研究，基于渗流力学理论建立孔隙性含水介质采动渗透试验模型和钻孔集渗效果试验模型，试验揭示了孔隙性含水层钻孔集渗效应及采动后的裂隙汇水效应的水动力学机制，研究成果对于区内乃至西部侏罗系聚煤区矿井顶板水害防治具有重要的技术借鉴意义。

梅花井煤矿 直罗组砂岩 含水层 开采扰动 渗透性 充水试验

梅花井煤矿作为神宁集团的主要供煤矿井，是鸳鸯湖矿区首个单井生产能力1000万t/a以上的矿井，其水文地质条件复杂多变、水害防治管控难度大，为了继续保障梅花井煤矿的产量，同时有效避免水害事故的发生，必须积极探索有效的防治水理论与技术来控制井下水害，切实保障矿井安全生产。因此，本文针对矿井顶板砂岩水的防治进行试验研究，对煤层开采条件下导水裂隙带能否沟通至直罗组砂岩含水层进行分析，并根据模型试验来确定采动后顶板的渗透性变化规律，探索采动顶板径流状态变化的水动力学机制。

1 采动顶板充水危害分析

通过经验计算、数值建模分析及经验类比方法对梅花井矿煤炭开采顶板冒裂带发育高度作初步预测分析，结果表明这3种不同方法估算的梅花井煤层采动顶板垮裂带发育厚度差异较大，由于《“三下”开采规程》推荐的经验计算公式为国内煤矿较早开采的经验总结，开采方法、工作面大小及采厚等与梅花井煤矿实际条件有较大出入。综合考虑梅花井煤矿11采区大工作面布置、综放开采方法以及采厚较大、煤层顶板强度较低、采动易垮落等特点，分析认为梅花井矿煤炭开采的顶板垮裂带发育高度会远远大于经验公式的计算结果。

通过对梅花井矿3个综采工作面煤层顶底板综合柱状图分析发现，矿井煤层与直罗组底部粗砂岩含水层平均间隔厚度分别为19.3 m、9.17 m和14.63 m，即便考虑最低估算结果(经验计算结果)，垮裂带高度按22 m计算，煤炭采动顶板垮裂带也会波及到直罗组底部富水砂岩含水层。在采动顶板垮裂带波及到直罗组底部粗砂岩含水层的情况下，采空区成为含水层的集中排泄区，而采动裂隙成为通畅的渗流网络，并且排泄区范围和裂隙渗流网络的连通区域都会随采空区的扩大而增大，使顶板含水层的径流通道由原始状态的孔隙性渗流转变为裂隙性渗流，从而导致矿井涌水量的急剧增大。

在断层影响部位，采动顶板移动变形会导致顶板水害程度进一步加剧。一方面，断层两盘位移时的强大摩擦阻力作用会导致断层面附近的两盘岩石破裂，产生大量的羽状裂隙，形成裂隙发育带，如果断层规模较大且切穿多个含水层，上部含水层会通过断层破碎带与顶板直接充水含水层发生水力联系，如图1所示，从而使充水含水层取得水源补给，从而将增大顶板水害程度；另一方面，顶板采动变形会大大增加断层活化的可能性，如图2所示，在顶板采动垮裂带波及到断层或接近断层情况下，断层裂隙带极易受到采动变形的叠加作用，其结果不但会大大增加顶板裂隙带的连通程度，而且断层破碎带可能会成为上部含水层水体进入采空区的直接通道。

图1 工作面断层导水形态

图2 断层活化成为导渗通道原理

2 采动顶板渗透模型试验

梅花井煤矿煤层顶板含水砂岩为孔隙性含水介质，裂隙不发育且以微细裂隙为主。基于洛河组含水砂岩的孔隙—微细裂隙含水性特征，本文通过大尺度模型试验，了解采动后裂隙性介质的渗透性与天然状态的孔隙性介质的渗透性差异。

2.1 试验设计

(1)试验装置。试验采用的注浆渗透仪模型见图3。注浆渗透仪模型为钢质，高H=85 cm，内径d=31 cm，外径D=33 cm。为便于试验介质充填和清理，模型顶、底均设置有盖盘，用法兰固定；模型侧面设置有4个开口，其中两个用于渗透压力测试，两个作为进、出水通道，进水口安装直通式水龙头，通过一个大容积的稳压容器与水源连接，以使渗透性测试过程中水压基本保持稳定。在与进水口方向成180°方向上设置的两个测压表用于测量水压，两测压表之间的距离L为51 cm。压力表1下部约5 cm处有一个渗漏钢板，使通过试验材料断面的水能渗漏到下部空间，待渗漏钢板下部的液面高于下部出水口之后自行流出。

图3 试验模型及结构示意图

(2)模型试样及其配置。试验模型试样采用河砂与水泥配制，模拟制作直罗组砂岩，以孔隙性作为制样控制依据。对采集的天然河砂用筛子筛除直径大于5 mm的砂粒后，用孔径0.5 mm筛子将河砂筛分为粗粒和细粒两组，细粒组中混加一定比例的细锯末(过0.5 mm筛)，然后根据设计的级配用河砂、水泥进行配比制样，其中水泥主要用于河砂胶结，试验所用水泥为C45标号的常规硅酸盐水泥。

对梅花井矿煤层顶板直罗组底部细、中、粗粒砂岩取样进行的孔隙度测试结果见表1。

表1 直罗组下段砂岩空隙率测试结果

表中大开口空隙率采用自然吸水法测试，总开口空隙率采用真空吸水法测试。本项试验共设计了6组试样配比，其中，试样4、试样5及试样6分别为粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的模拟介质，对应的采动扰动模拟介质分别为试样1、试样2和试样3。各组试样配比的砂土与水泥的质量比均控制为12∶1，通过调整粗粒组和细粒组的比例来实现6组配比试样的孔隙性差异。根据直罗组下段砂岩采样结果以及砂岩取样孔隙性差异，试样配比如表2所示，其中粗粒组含量比表示试样制作所用砂土材料总重量中粗粒组的重量比例，试样样品颗粒级配曲线及实物照片如图4所示。

表2 模型试样材料配比情况

(3)试验模型设计及制作。试验模型分为采前模型和采动模型，其中，采前模型为粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩采前渗透试验模型，采动模型模拟采后粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩渗透试验模型。采前渗透试验模型为渗透箱内全段铺设原状砂岩模拟介质，粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩介质模型高度均为80 cm；采动影响下的模拟介质模型制作方法为模型箱下部由下至上依次铺设试样1、试样2和试样3，对应厚度分别为15 cm、10 cm、10 cm，以模拟采动裂隙带的不同扰动程度效果，其上再铺设45 cm厚的原状砂岩试样(粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩)，如图5所示。

原状砂岩模型制作方法为分别按设计配比制作不同密实度试样，并分别测试其孔隙性，然后以与实物样孔隙性相近者的密实度(干密度)分别制作原状样试验模型，试验模型介质空隙性及渗透性对比如表3所列。

图4 试样配置样品及级配曲线

图5 渗透试验模型示意图

试样大开口空隙率/总开口空隙率模拟样实物样试样1(剧烈采动样)17.2/17.6试样2(中度采动样)15.8/16.7试样3(轻微采动样)15.3/17.5试样4(粗砂岩)14.0/18.416.12/19.52试样5(中砂岩)13.3/18.513.6/19.24试样6(细砂岩)12.1/21.311.24/22.73

试样装填方法为根据试样配制比例称量粗、细粒砂和水泥，加水搅拌均匀制成潮湿状砂浆(手攥不出水)；为防止水沿渗透仪内壁形成集中渗流，在渗透仪内壁均匀涂抹一薄层黄油，然后将搅拌均匀的砂浆分层装入渗透仪内并夯实，同时按模型制样填实密度制作试件用于空隙率和强度的校验；模型试样制成后养护72 h以上，完全固化后用于模型试验。

2.2 试验过程

(1)试验步骤。在下部出水口接上静水压力测管，自上部水管注水，至下部出水口流量和水压稳定后，测读、记录上下渗流断面和出水口静水压力值及渗出流量；改变进水口压力水头重复进行前一步骤的试验过程；计算对应压力水头的渗透系数。

(2)过程控制。试验过程实景照片如图6所示。试验过程进水口连接自来水管路，通过水压稳压器控制水头压力并保持渗透过程压力水头相对稳定，变化幅度控制在±5 kPa以内；各模型每级压力水头下连续测读3次静水压力值及渗出流量，每次时间不低于1 min，以其平均值计算模型渗透系数。试验中所有模型均采用0.2 MPa和0.8 MPa二级压力水头。

(3)试验情况。试验中采用试样1～ 6分别制作了采前模型，进行了2种压力水头的渗透系数测试；在此基础上，制作采动模型并进行了二级压力水头变换的渗透试验。试验过程采录数据包括上下渗流断面静水压力水头、渗流量及渗透系数。

2.3 试验结果

试验结果反映出模型介质空隙率对渗透性的影响是比较明显的，6种模拟介质的渗透模型试验结果见表4。总体上采动带由下至上分别表现为极强渗透性、强—极强渗透性和强渗透性，这种分带特点与采动顶板垮裂带的渗透性一般规律大致相符。

图6 渗透试验过程实景照片

试样0.2MPa压力水头0.8MPa压力水头渗流量Q/L·s-1渗透速度v/cm·s-1渗透系数k/cm·s-1渗流量Q/L·s-1渗透速度v/cm·s-1渗透系数k/cm·s-1试样1(剧烈采动样)6.9×10-38.6×10-31.38×10-25.2×10-26.4×10-29.18×10-2k=12.1m/d,强—极强渗透性k=79.5m/d,极强渗透性试样2(中度采动样)1.9×10-32.4×10-32.12×10-34.4×10-25.6×10-23.65×10-2k=1.8m/d,强渗透性k=36.5m/d,极强渗透性试样3(轻微采动样)1.8×10-32.3×10-31.87×10-32.4×10-22.9×10-21.09×10-2k=1.6m/d,强渗透性k=9.5m/d,强渗透性试样4(粗砂岩)2.1×10-41.1×10-41.49×10-41.3×10-21.7×10-25.13×10-3k=0.13m/d,中等渗透性k=4.4m/d,强渗透性试样5(中砂岩)5.1×10-56.3×10-53.08×10-52.3×10-32.8×10-37.61×10-4k=0.027m/d,弱渗透性k=0.66m/d,中等渗透性试样6(细砂岩)3.6×10-54.5×10-51.96×10-54.5×10-45.6×10-41.3×10-4k=0.018m/d,弱渗透性k=0.11m/d,弱渗透性

由模拟介质的渗透性情况看，在0.2 MPa压力水头条件下，粗砂岩模拟介质为中等渗透性，而中砂岩和细砂岩模拟介质为弱渗透性；在0.8 MPa压力水头条件下，模拟介质的渗透性表现有不同程度的提高，粗砂岩、中砂岩模拟介质分别显现强渗透性和中等渗透性，而细砂岩模拟介质则仍处于弱渗状态。

不同岩性(粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩)顶板采动后的渗透模型试验结果见表5，由表中可以看出，顶板下部形成强渗带情况下，不同岩性顶板的渗透性和渗透速度都明显提高，渗透系数呈数倍增大。

表5 采动模型渗透性测试结果

2.4 试验结果分析

虽然模型试验模拟的条件与顶板实际采动情况有一定差异，但根据模型试验结果对采动后顶板的渗透性变化可以取得以下基本认识：

(1)采动顶板不但使含水层垮裂带范围渗透性会急剧提高，而且也会使顶板充水含水层的整体渗透性增强。受采动影响，垮裂带上的含水层尽管没有开裂破坏，但下沉变形也会使其结构状态受到一定程度的扰动，由孔隙性径流为主转变为裂隙性径流为主，从而使含水层整体渗透性明显增强。

(2)采动顶板垮裂带对顶板含水层形成明显的导渗效应。垮裂带形成后，因地下水的渗透阻力急剧降低而成为外围含水层水的径流汇集区，从而使顶板含水层的整体径流条件发生变化，导引较大范围的顶板含水层水向采空区集中排泄，由此将极大强化采空区的充水强度。

(3)压力水头是影响采动顶板渗透性的重要因素，并且渗透阻力越小，压力水头对渗透性的影响越明显。梅花井煤矿11采区煤层顶板充水含水层压力水头一般在2 MPa以上，顶板受开采扰动影响，地下水的渗透阻力急剧降低，由此压力水头对采动顶板渗透性的影响将更加凸显。

3 结论

煤炭开采顶板直罗组底部粗砂岩水害是宁夏宁东鸳鸯湖矿区普遍存在的问题，对矿井安全高效生产影响极大。通过渗透性试验研究和梅花井煤矿采掘实际揭露情况表明，随着采动裂隙的发育扩展，含水层径流状态也会随之发生变化，导致其渗透性明显改善。开采扰动后煤层顶板直罗组底部粗砂岩含水层渗透系数将成倍提高，由此造成采动后顶板的实际涌水量要比基于钻孔抽水试验结果的预测涌水量大得多。本研究不仅为梅花井煤矿顶板水害的有效治理建立了技术储备，也为鸳鸯湖矿区其他矿井乃至西部侏罗系聚煤区类似条件的矿井水害防治提供了重要的技术借鉴。

[1] 田开铭, 万力, 田际平. 岩石渗透性随灰岩埋深的各向异性变化规律[J]. 地质学报, 2003(1)

[2] 王明玉, 梁政国, 张宝柱等. 低渗透性充水岩层矿井水害疏干防治方法研究及工程设计[J]. 中国地质灾害与防治学报, 1995(2)

[3] 吴文金，杨为民，司海宝.岩溶陷落柱周边裂隙带岩体渗透性的试验研究[J].中国煤炭，2005(9)

[4] 张晋纶，张绍良，杨永均等.黄土高原煤矿区地表采动裂隙扰动范围预计方法研究[J].中国煤炭，2013(3)

[5] 陈仕阔. 采动破碎岩体渗流特性及渗流耦合模型研究[D].东北大学, 2008

[6] 杨天鸿, 陈仕阔, 朱万成等. 矿井岩体破坏突水机制及非线性渗流模型初探[J]. 岩石力学与工程学报,2008(7)

(责任编辑 郭东芝)

Permeability analysis and water filling experimental research of Zhiluo formation sandstone aquifer after mining disturbance in Meihuajing Coal Mine

Zhai Wen1, Ma Kun2, Ren Yuxin2

(1.Zaoquan Coal Mine, Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Yinchuan, Ningxia 751411, China; 2. Meihuajing Coal Mine, Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Yinchuan, Ningxia 751411, China)

Aiming at the problem of roof water damage prevention and control in Meihuajing Coal Mine, experimental research on porous water-rich sandstone aquifer with weak permeability was carried out, porous water-bearing media mining penetration experimental model and drilling seepage effect experimental model were built based on mechanical theory of flow through porous media, the experiment revealed hydrodynamic mechanism of drilling seepage effect of porous aquifer and fissuring water catchment effect after mining, the research results had an important significance for mine roof water damage prevention and control in this area and even western Jurassic system coal-bearing region.

Meihuajing Coal Mine, Zhiluo formation, aquifer, mining disturbance, permeability, water filling experiment

翟文，马昆，任予鑫. 梅花井煤矿直罗组砂岩含水层开采扰动后的渗透性分析及充水试验研究[J]. 中国煤炭，2017,43(4)：69-74. Zhai Wen, Ma Kun, Ren Yuxin. Permeability analysis and water filling experimental research of Zhiluo formation sandstone aquifer after mining disturbance in Meihuajing Coal Mine[J].China Coal, 2017, 43(4):69-74.

TD742.2

A

翟文(1976-),男,宁夏中卫人，硕士研究生,高级工程师、注册安全工程师，现任神宁集团枣泉煤矿矿长，主要从事采矿工程、机械工程、综采自动化、矿井防治水及资源化利用研究。