第四系底界粘土巖性對(duì)提高開(kāi)采上限的影響分析

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢(xún)電話(huà)：400-8352-114

第四系底界粘土巖性對(duì)提高開(kāi)采上限的影響分析
1概況
淄博礦業(yè)集團(tuán)公司在濟(jì)（寧）北礦區(qū)建成投產(chǎn)的許可廠(chǎng)、貸莊、葛亭煤礦，現(xiàn)在全部開(kāi)采下二迭統(tǒng)山西組3（3上或3下）層煤，在礦井不同范圍內(nèi)，3煤層與四系底界間距較小，局部更有煤層露頭直接伏于第四系之下，開(kāi)采過(guò)程中，采煤工作面的導(dǎo)水裂隙帶可達(dá)第四系之中，受到第四系水的威脅，在《建井地質(zhì)報(bào)告》中，上級(jí)批復(fù)的基巖防水保護(hù)煤柱為60m，按此要求進(jìn)行，防水煤柱總壓覆資源里將達(dá)3716.5萬(wàn)t。
為了合理開(kāi)發(fā)利用煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高經(jīng)濟(jì)效益，自1998年開(kāi)始，各礦通過(guò)各種手段和方法，主要針對(duì)第四系底界粘土層進(jìn)行補(bǔ)充勘探，利用第四系底界粘土層與基巖共同作用作為防水煤巖柱，開(kāi)展了提高開(kāi)采上限研究工作。
1.1第四系沉積特點(diǎn)
濟(jì)（寧）北礦區(qū)屬于濟(jì)寧煤田。第四系屬?zèng)_積河，湖相沉積地層，與基巖呈不整合接觸。其特點(diǎn)：一是厚度大，存度變化也大，在許廠(chǎng)、岱莊、葛亭井范圍內(nèi)，從127.1~282.74m；二是含隔水層大多相間沉積；三是第四系沉積所處的沖積、洪積扇部位不同而富水性各有差異。濟(jì)寧煤田處于泗河沖積、洪積扇前沿，第四系總厚度加厚，但砂層粒度較細(xì)，含水層變少而隔水層增多。第四系下組砂礫層含水性弱到等，砂礫層下有較穩(wěn)定的厚層含水性弱到中等，砂礫層下有較穩(wěn)定的厚層狀粘土、砂質(zhì)粘土及石膏粘土，隔離砂礫層與基巖接觸，使之與基巖含水層聯(lián)系不密切。
1.2第四系地質(zhì)水文特征
按照富水性、沉積特征及巖性組合不同，第四系可劃分上、中下3組。
（1）上組：厚度58.9~173.9m，平均98.06m。巖性以暗黃色砂質(zhì)粘土及中、細(xì)粒砂為主，含砂量達(dá)42%~49.5%，透水性好，單位涌水量仍在2.29~10.33L/g•m，滲透系數(shù)最大可以達(dá)到30.165m/d，本組為富水性強(qiáng)的孔隙含水層。
（2）中組：厚度24.5~125.1m，平均68.03m，巖性以褐色粘土及粘土質(zhì)砂為主，粘土層隔水性能良好，鉆孔由于長(zhǎng)期風(fēng)化，含粘土量高達(dá)25%，透水性也變?nèi)?，本組為相對(duì)隔水層。
（3）下組：厚度25.1~92.5m，平均58.95m，又可分為上下兩段。上段：厚度7.5~50.5m，平均27.05m。巖性主要為灰白色粘土長(zhǎng)石、石英砂礫巖，夾灰綠、灰白粘土，粘土質(zhì)砂礫巖層占本段厚度的72%。含水層主要為中細(xì)砂層，單位涌水量在0.43!~0.848L/s•m，滲透透系數(shù)在1.0011~4.0514m/d，屬中等含水層。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。巖性主要以灰綠、灰白雜色粘土巖為主，偶含固結(jié)較好的粘土質(zhì)砂礫巖，底部普遍分布石膏粘土巖，粘土層占未段的90%，厚度大且分布連續(xù)，粘土層與砂質(zhì)粘土的塑料性指數(shù)為17.7~31.8，單位涌水量在0.000878~0.0139L/s•m，滲透系數(shù)在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水層。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。巖性主要以灰綠、灰白雜色粘土巖為主，偶含固結(jié)較好的粘土質(zhì)砂礫巖，底部普遍分布石膏粘土巖，粘土層占本段的90%，厚度大且分布連續(xù)，粘土層與砂質(zhì)粘土的塑性指數(shù)為17.7~31.8，單位涌出量在0.000878~0.01319L/s•m，滲透系數(shù)在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水層。
2研究第四系底界粘土層的目的和要求
提高開(kāi)采上限的關(guān)鍵在于研究分析第四系底界粘土層的厚度、分布狀況、物理力學(xué)性質(zhì)、間隔沉積特征等，從而進(jìn)一步研究新生界沖積層水透入礦井的條件、途徑、與基巖含水層水力聯(lián)系和制約因素。
2.1粘土層的厚度
第四系底界粘土層厚度大小，直接決定了開(kāi)采上限提高的程度。雖然不同的煤層開(kāi)采厚度、不同工藝對(duì)其有不同的要求，但只要裂隙帶高度發(fā)育進(jìn)入第四系時(shí)，必須按規(guī)范要求，查明其底界面起伏狀態(tài)、厚度變化規(guī)律，做出等厚線(xiàn)圖和底界面等高線(xiàn)圖。
2.2粘土層的分布
在第四系沉積過(guò)程中，粘土層在層面或立面上，受各種因素影響，有可能出現(xiàn)砂層的“透鏡體”或“天窗”，如果砂層的“透鏡體”含水，又直接伏于基巖之上且相互之間又能連通，則對(duì)提高開(kāi)采上限是不利的因素。如果砂層的“透鏡體”相對(duì)獨(dú)立，含水性極弱底部，還有粘土層間隔，則對(duì)提高開(kāi)采上限不會(huì)造成大的影響。
2.3粘土層的物理力學(xué)性質(zhì)
第四系底界粘土層的巖性組份決定了基塑性指數(shù)、膨脹率及壓縮性，塑性指數(shù)、膨脹率及壓縮性又決定了粘土層抗采動(dòng)能力和再生隔水能力，因此，應(yīng)對(duì)粘土層的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)取樣分析。
2.4粘土層與砂層間隔沉積條件
在第四系底界層中，要分析是以粘土為主，夾有不同厚度砂層，還是以砂層為主，夾有不同厚度粘土層。同時(shí)，分析砂層的含水性如何，以便確定開(kāi)采上限是防水煤柱為主，帶是以防砂或防塌煤柱為主。另外，煤層頂板砂巖含水層及其補(bǔ)給條件也應(yīng)該一并考慮，雖然3煤頂板含水層以靜儲(chǔ)量為主，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間釋放對(duì)工作面的影響大大減弱，但應(yīng)分析有無(wú)受第四系含水層補(bǔ)給的途徑和條件。
3分析研究第四系底界粘土層的手段和方法
為了達(dá)到相述目的和要求，必須通過(guò)綜合措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我們結(jié)合原來(lái)已有的地質(zhì)資料，再通過(guò)井上下鉆孔許工、抽水實(shí)驗(yàn)；二維地震非線(xiàn)性反演、二維三分量、物理力學(xué)性質(zhì)分析等，查明了第四系底界粘土層的特性和分布規(guī)律。
3.1地面鉆探水文補(bǔ)充勘探
以往的礦井勘探鉆孔對(duì)現(xiàn)分階段水文分析而言，密度相對(duì)較小。在實(shí)際開(kāi)采試驗(yàn)過(guò)程中，許廠(chǎng)、葛亭兩礦又在地面專(zhuān)門(mén)施工了6個(gè)鉆孔，鉆進(jìn)工程量達(dá)1592.77m，先后單孔、群孔抽水12次。補(bǔ)勘以后，基本查明了鉆孔控制區(qū)域的第四系底界粘土層的厚度、含砂情況及砂層含水情況。許廠(chǎng)煤礦第四系底界粘土層最度在2.77~34.22m，而粘土層較薄的區(qū)域，基巖的厚度又相對(duì)較厚，砂層含水層通過(guò)8次抽水，其單位涌水量為0.002317~0.002626L/s•m，屬弱含水層。葛亭煤礦第四系底界粘土層厚度在42~55m，砂層含水層經(jīng)過(guò)4次抽水，單位涌水量一般在0.002158~0.002636L/s•m，也屬弱含水層。該巨厚粘土層，為葛亭煤礦提到防塌煤柱創(chuàng)造了條件。
3.2井下鉆孔補(bǔ)充勘探
在這3個(gè)礦所有涉及提高開(kāi)采上限的工作面中，均在井下布置了不同數(shù)量的仰上孔，以探明基巖的厚度、含中性、第四系底界粘土層的厚度、含砂情況等，總共施工了43個(gè)孔，總進(jìn)尺達(dá)2453m，總體達(dá)到了200m×200m鉆孔網(wǎng)度。摸清了第四系底界面的起伏狀態(tài)、基巖的厚度變化規(guī)律。
3.3非線(xiàn)性二維地震反演
第四系底界多為砂、粘土相同沉積的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于兩者密度與速度的差異波阻抗則不同，其分界面上能形成反射波。非線(xiàn)性反演的目的是控制井間地層地質(zhì)構(gòu)造幾何形態(tài)的細(xì)微變化，利用測(cè)井資料，通過(guò)小波奇數(shù)、時(shí)頻、神經(jīng)元和分形分析，對(duì)非線(xiàn)性地震演參數(shù)進(jìn)行非線(xiàn)性標(biāo)定，結(jié)合巖層地震剖面特征，求出物性參數(shù)分布信息。許廠(chǎng)煤礦委托山東物探隊(duì)，通過(guò)對(duì)6條地質(zhì)剖面，結(jié)合21條地震測(cè)線(xiàn)，1711個(gè)物理點(diǎn)，對(duì)控制區(qū)域的速度、密度、波阻抗進(jìn)行了3種剖面反演，從面上解釋了4工作面區(qū)域的第四系底界粘土層的分布沉積規(guī)律、厚度變化規(guī)律。
3.4二維三分量地震補(bǔ)勘
葛亭煤礦在牽扯提高開(kāi)采上限的首采區(qū)曾經(jīng)做過(guò)三維地震，通過(guò)三維地震對(duì)淺表土層的高保真處理，提高信噪比，初步確定了第四系底界粘土層是連續(xù)分布的。但為了實(shí)現(xiàn)對(duì)粘土層的精細(xì)解釋和粘土層內(nèi)的富水性定性解釋?zhuān)诌M(jìn)行了二維三分量地震勘探工作，完成4條濺線(xiàn)，266個(gè)物理點(diǎn)。綜合查明了第四系底界粘土層未見(jiàn)“天窗”現(xiàn)象，厚度在42~55m，整體形態(tài)為一馬鞍型，粘土層內(nèi)富水性較弱。
3.5粘土層物理力學(xué)鑒定
為了掌握第四系底界粘土層的物理力學(xué)性能，在地面鉆孔施工過(guò)程中，對(duì)底界粘土層先后取了16個(gè)巖芯進(jìn)行送鑒，對(duì)密度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、凝聚力、膨脹率等10幾項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了鑒定，總體主伙底界粘土層屬半固結(jié)膨脹飽和粘土、液性指數(shù)及膨脹率大，有良好的隔水性和再生性。
4實(shí)施效果
利用上述方法和手段，濟(jì)（寧）北礦區(qū)的3個(gè)礦，自1999年開(kāi)始已經(jīng)先后有13個(gè)工作面進(jìn)行了提高開(kāi)采上限的開(kāi)采，采出壓覆煤量約558萬(wàn)t。許廠(chǎng)煤礦在5m厚煤層綜放工作面，已經(jīng)將開(kāi)采上限提高到35m左右；葛亭煤礦在煤厚8m的1307綜放工作面，利用42~55m巨厚粘土層，已經(jīng)將開(kāi)采上限提高到2.89m，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。