CN107740689A - 一种隔水层再造勘探评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隔水层再造勘探评价方法，属于隔水层(岩土层)的隔水性能遭受釆动破坏后，在自然条件下，其隔水性能随时间延续是否能较快自我恢复的勘探评价方法，包括采集矿区地质、水文地质资料；根据类似矿区或相关规程的冒裂带经验公式预计矿区冒落带、裂缝带高度；对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层进行取样，测试试样矿物成分和基本物理‑水理‑力学性质；根据隔水层的矿物成分和基本物理‑水理‑力学性质对该隔水层可再造性进行评价，本发明对顶板含水层涌水量的动态预测、保水采煤及生态地质环境保护具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采水资源保护技术领域，具体涉及一种隔水层再造勘探评价方法。
背景技术
西北是我国煤炭的主要产区，属于干旱-半干旱地区，区域生态环境脆弱；浅表层水(河流湖泊水、沟谷径流水、第四系砂层潜水等)是维系区域生态地质环境(生态层)的珍贵水源，是煤层开采水资源保护的主体。另外，西北大型煤田区主要开采浅埋煤层(一般埋深50～300m)，且开采厚度大(单层厚度一般8～10m，累计厚度20～30m)，煤层顶板普遍发育有多层隔水层(黄土、红土及泥岩)，为浅表层水之下的直接隔水层，对实现区域保水采煤及生态环境保护具有至关重要的作用。但煤层回采过程中，上覆隔水层由于受到附加应力作用，会产生不同程度的压缩变形、剪切破坏及拉张破坏等，使得其隔水性能发生不同程度变异，从而引起隔水层上覆含水层及地表水透过隔水土层流向采空区，进而导致矿井突水及浅表层水流失生态环境破坏等灾害。因此，研究与煤层顶板隔水层相关的科学问题，包括隔水层分布特征、物理力学特性、釆动破坏特征及采后隔水性变化特征等，对西北煤炭开采顶板水害防治、保水采煤、生态地质环境保护具有重要意义。
近些年来，国内岩层控制、工程地质等领域专家学者针对隔水层釆动相关问题分别从各自的领域作了不同层次的研究，取得了一系列重要成果。李涛、李文平等研究了浅埋煤层开采前后关键隔水土层渗透性变化特征，给出了隔水土层采动前后水理性的参数。姜振泉等分析了不同岩性在应力作用下的应变-渗透性曲线，研究了不同岩石的渗透变化规律。李平等对黄土层进行了饱和土的三轴渗透试验研究，得到了黄土渗透系数与围压的关系，在一定程度上反应了黄土卸载的采动隔水性能。黄庆享等发现隔水黏土层裂隙具有“弥合性”特征，给出了隔水层稳定性判据。徐志敏等分析了影响煤层顶板采动裂隙闭合的相关因素，揭示了顶板隔水层采动裂隙的闭合规律。董青红等研究了第四系松散含水层下开采时第四系底部粘土层裂隙侧向变形和冲刷破坏过程对隔水作用的影响。王文学等研究了采动顶板裂隙岩体裂隙、渗透性分布特征，分析了应力恢复作用对裂隙岩体渗透性的影响。李文平等以N2红土为例，研究了隔水层再造特征及其具备的工程地质属性，但对隔水层再造缺乏系统的评价过程。国外针对隔水岩土层的隔水性能的测试研究技术手段与国内基本一致，但研究的方面略有不同，主要集中在水利工程、基础工程等方面，针对采矿工程影响下的隔水岩土层隔水性研究。上述研究成果均集中在隔水层釆动隔水性测试、变化特征及演化机理等方面。煤层开采会导致上覆隔水层不同程度破坏，冒落带内隔水岩土层，由于其垮塌错位，呈不规则块状，块体之间空隙大且多，裂缝后期很难弥合，但对于裂缝带及弯曲下沉带内有些隔水层隔水性能遭受釆动破坏后，在自然条件下，其隔水性能随时间延续能较快自我恢复，从而致使开采工作面涌水量减小及潜水位恢复；然而，如何系统评价这种隔水层有釆动自我恢复的属性，即隔水层再造勘探评价方法，仍需进一步研究。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种隔水层再造勘探评价方法，采用本发明提供的方法可以预测评价煤层顶板主要隔水层是否具有再造工程地质属性，为煤矿工作面开采顶板涌水量动态预计、水害防治及水资源保护等提供基础依据。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种隔水层再造勘探评价方法，包括以下步骤：
(1)采集矿区地质、水文地质资料；
(2)根据类似矿区或相关规程的冒裂带经验公式预计矿区冒落带、裂缝带高度；
(3)对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层进行取样，测试试样矿物成分和基本物理-水理-力学性质；
(4)根据步骤(3)中隔水层的矿物成分和基本物理-水理-力学性质对该隔水层可再造性进行评价。
所述步骤(1)中，采集矿区地质、水文地质资料主要包括煤层厚度、顶板岩层坚硬程度、含隔水层空间分布特征及组合关系等。
所述步骤(2)中，类似矿区具体为地质条件类似的矿区，相关规程包括《建筑、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》及《矿区水文地质工程地质勘探规范》。
所述步骤(3)中，对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层进行取样，采用钻探对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层采取岩土试样。
所述步骤(3)中，测试试样矿物成分和基本物理-水理-力学性质主要包括岩土试样黏土矿物含量、自由膨胀率、单轴饱和抗压强度、流变性等。
所述步骤(4)中，根据粘土矿物含量、自由膨胀率及单轴饱和抗压强度对该隔水层可再造性进行评价，具体为：若测试结果显示隔水层物质组成包含有大量的泥质成分，主要为粘性土、泥岩层，且黏土矿物中含有一定量的蒙脱石(蒙脱石含量≥7％)、伊利石、伊/蒙混层矿物；隔水层具有较强的膨胀性(自由膨胀率FS≥40％)，亲水性强；隔水层力学强度低(单轴饱和抗压强度Rc≤15MPa)，且具有低应力水平下明显的流变性；则确定该隔水层的隔水性能遭受釆动破坏后，在自然条件下，其隔水性能随时间延续能较快自我恢复，为可再造隔水层。
有益效果：本发明提供了一种隔水层再造勘探评价方法，通过采集采集矿区地质、水文地质资料，预计矿区冒裂带、裂缝带高度，对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层进行取样，测试试样矿物成分和基本物理-水理-力学性质，进而评价隔水层再造可能性，本发明操作简单，实用性强，能较好评价隔水层再造可能性，可为煤矿工作面开采顶板涌水量动态预计、水害防治及水资源保护等提供基础依据。
附图说明
图1为本发明方法实施流程图；
图2为矿区综合柱状图；
图3为离石黄土流变特性测试结果；
图4为保德红土流变特性测试结果。
具体实施方式
下面结合附图，以在某矿区隔水层再造勘探评价中的应用对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种隔水层再造勘探评价方法，包括如下步骤：
(1)采集矿区地质、水文地质资料；
采集该矿区地质、水文地质资料主要包括煤层厚度、顶板岩层坚硬程度、含隔水层空间分布特征及组合关系等，矿区首采煤层为2-2煤，煤层厚度约5.2m，煤层顶板岩层属中硬顶版。矿区地质构造简单，总体呈一向西缓倾的单斜构造，地层倾向NWW，地层倾角不足2°。矿区范围内含水层从上到下依次为萨拉乌苏组潜水含水层、直罗组砂岩含水层及延安组砂岩含水层；隔水层从上到下为依次为离石组黄土、保德组红土及延安组泥岩，其中，离石组黄土距煤层顶板距离一般70m左右，保德组红土距煤层顶板距离一般40m左右，延安组泥岩距煤层顶板距离不足10m；具体见图2所示。
(2)根据类似矿区或相关规程的冒裂带经验公式预计矿区冒落带、裂缝带高度；
该步骤具体为：根据步骤1获得的煤层厚度和顶板岩层坚硬程度，本次采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐的冒落带及导水裂缝带高度预计公式预计矿区冒落带及导水裂缝带高度，具体见表1；通过计算矿区冒落带高度为9.8～14.2m，导水裂缝带高度为38.0～55.6m。
表1厚煤层分层开采的冒落带高度计算公式
注：∑M－累计采厚；公式应用范围：单层厚度1～3m，累计采厚不超过15m；计算公式中±号项为中误差。
(3)对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层进行取样，测试试样矿物成分和基本物理-水理-力学性质；
由步骤(2)中预测的冒裂带高度可知，矿区内煤层开采导水裂缝带发育到保德红土，离石黄土位于弯曲下沉带内，延安组泥岩位于冒落带内，由此，对保德红土和离石黄土进行取样，测试其矿物成分和基本物理-水理-力学性质等，测试结果见表2、表3所示。
表2离石黄土及保德红土矿物成分及黏土矿物成分相对定量分析结果
表3部分离石黄土及保德红土基本物理-水理-力学性质
(4)根据隔水层的矿物成分和基本物理-水理-力学性质对该隔水层可再造性进行评价。
该步骤具体为：基于步骤(3)测试的离石黄土和保德红土矿物成分和基本物理-水理-力学性质，发现两种隔水层力学强度均较低(单轴饱和抗压强度Rc≤15MPa)，且具有低应力水平下明显的流变性，如图3-4所示；两种隔水层的物质组成均包含有大量的泥质成分，其中保德红土粘性土含量相对较大，并且黏土矿物中含有一定量的蒙脱石、伊利石、伊/蒙混层矿物，红土中蒙脱石含量为9.13～10.82％(含量≥7％)；而黄土中蒙脱石含量为3.08～3.95％(含量＜7％)；另外，红土具有较强的膨胀性(自由膨胀率FS≥40％)，亲水性强；而黄土的自由膨胀率为25～30％，明显小于40％，综上可确定，保德红土有隔水层再造属性，而离石黄土没有隔水层再造属性，因此，矿区在进行红土上覆萨拉乌苏潜水含水层井下涌水量动态预计及水害防治等工作时，应考虑红土对其影响作用。
Claims (6)
1.一种隔水层再造勘探评价方法，其特征在于,包括以下步骤：
(1)采集矿区地质、水文地质资料；
(2)根据类似矿区或相关规程的冒裂带经验公式预计矿区冒落带、裂缝带高度；
(3)对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层进行取样，测试试样矿物成分和基本物理-水理-力学性质；
(4)根据步骤(3)中隔水层的矿物成分和基本物理-水理-力学性质对该隔水层可再造性进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种隔水层再造勘探评价方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采集矿区地质、水文地质资料主要包括煤层厚度、顶板岩层坚硬程度、含隔水层空间分布特征及组合关系。
3.根据权利要求1所述的一种隔水层再造勘探评价方法，其特征在于：所述步骤(2)中，类似矿区具体为地质条件类似的矿区，相关规程包括《建筑、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》及《矿区水文地质工程地质勘探规范》。
4.根据权利要求1所述的一种隔水层再造勘探评价方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层进行取样，具体为采用钻探对裂缝带和弯曲下沉带内的隔水层采取岩土试样。
5.根据权利要求1所述的一种隔水层再造勘探评价方法，其特征在于：所述步骤(3)中，测试试样矿物成分和基本物理-水理-力学性质主要包括岩土试样黏土矿物含量、自由膨胀率、单轴饱和抗压强度、流变性。
6.根据权利要求1所述的一种隔水层再造勘探评价方法，其特征在于：所述步骤(4)中，根据步骤(3)中隔水层的矿物成分和基本物理-水理-力学性质对该隔水层可再造性进行评价，具体包括：若测试结果显示隔水层物质组成包含有大量的泥质成分，主要为粘性土、泥岩层，且黏土矿物中含有一定量的蒙脱石(蒙脱石含量≥7％)、伊利石、伊/蒙混层矿物；隔水层具有较强的膨胀性(自由膨胀率FS≥40％)，亲水性强；隔水层力学强度低(单轴饱和抗压强度Rc≤15MPa)，且具有低应力水平下明显的流变性；则确定该隔水层的隔水性能遭受釆动破坏后，在自然条件下，其隔水性能随时间延续能较快自我恢复，为可再造隔水层。
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