第四系底界粘土岩性对提高开采上限的影响分析

第四系底界粘土岩性对提高开采上限的影响分析1概况淄博矿业集团公司在济（宁）北矿区建成投产的许可厂、贷庄、葛亭煤矿，现在全部开采下二迭统山西组3（3上或3下）层煤，在矿井不同范围内，3煤层与四系底界间距较小，局部更有煤层露头直接伏于第四系之下，开采过程中，采煤工作面的导水裂隙带可达第四系之中，受到第四系水的威胁，在《建井地质报告》中，上级批复的基岩防水保护煤柱为60m，按此要求进行，防水煤柱总压覆资源里将达3716.5万t。为了合理开发利用煤炭资源，延长矿井服务年限，提高经济效益，自1998年开始，各矿通过各种手段和方法，主要针对第四系底界粘土层进行补充勘探，利用第四系底界粘土层与基岩共同作用作为防水煤岩柱，开展了提高开采上限研究工作。1.1第四系沉积特点济（宁）北矿区属于济宁煤田。第四系属冲积河，湖相沉积地层，与基岩呈不整合接触。其特点：一是厚度大，存度变化也大，在许厂、岱庄、葛亭井范围内，从127.1~282.74m；二是含隔水层大多相间沉积；三是第四系沉积所处的冲积、洪积扇部位不同而富水性各有差异。济宁煤田处于泗河冲积、洪积扇前沿，第四系总厚度加厚，但砂层粒度较细，含水层变少而隔水层增多。第四系下组砂砾层含水性弱到等，砂砾层下有较稳定的厚层含水性弱到中等，砂砾层下有较稳定的厚层状粘土、砂质粘土及石膏粘土，隔离砂砾层与基岩接触，使之与基岩含水层联系不密切。1.2第四系地质水文特征按照富水性、沉积特征及岩性组合不同，第四系可划分上、中下3组。（1）上组：厚度58.9~173.9m，平均98.06m。岩性以暗黄色砂质粘土及中、细粒砂为主，含砂量达42%~49.5%，透水性好，单位涌水量仍在2.29~10.33L/g•m，渗透系数最大可以达到30.165m/d，本组为富水性强的孔隙含水层。（2）中组：厚度24.5~125.1m，平均68.03m，岩性以褐色粘土及粘土质砂为主，粘土层隔水性能良好，钻孔由于长期风化，含粘土量高达25%，透水性也变弱，本组为相对隔水层。（3）下组：厚度25.1~92.5m，平均58.95m，又可分为上下两段。上段：厚度7.5~50.5m，平均27.05m。岩性主要为灰白色粘土长石、石英砂砾岩，夹灰绿、灰白粘土，粘土质砂砾岩层占本段厚度的72%。含水层主要为中细砂层，单位涌水量在0.43!~0.848L/s•m，渗透透系数在1.0011~4.0514m/d，属中等含水层。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。岩性主要以灰绿、灰白杂色粘土岩为主，偶含固结较好的粘土质砂砾岩，底部普遍分布石膏粘土岩，粘土层占未段的90%，厚度大且分布连续，粘土层与砂质粘土的塑料性指数为17.7~31.8，单位涌水量在0.000878~0.0139L/s•m，渗透系数在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水层。下段：厚度1.4~63.27m，平均28.91m。岩性主要以灰绿、灰白杂色粘土岩为主，偶含固结较好的粘土质砂砾岩，底部普遍分布石膏粘土岩，粘土层占本段的90%，厚度大且分布连续，粘土层与砂质粘土的塑性指数为17.7~31.8，单位涌出量在0.000878~0.01319L/s•m，渗透系数在0.03125~0.723m/d，是良好的隔水层。2研究第四系底界粘土层的目的和要求提高开采上限的关键在于研究分析第四系底界粘土层的厚度、分布状况、物理力学性质、间隔沉积特征等，从而进一步研究新生界冲积层水透入矿井的条件、途径、与基岩含水层水力联系和制约因素。2.1粘土层的厚度第四系底界粘土层厚度大小，直接决定了开采上限提高的程度。虽然不同的煤层开采厚度、不同工艺对其有不同的要求，但只要裂隙带高度发育进入第四系时，必须按规范要求，查明其底界面起伏状态、厚度变化规律，做出等厚线图和底界面等高线图。2.2粘土层的分布在第四系沉积过程中，粘土层在层面或立面上，受各种因素影响，有可能出现砂层的“透镜体”或“天窗”，如果砂层的“透镜体”含水，又直接伏于基岩之上且相互之间又能连通，则对提高开采上限是不利的因素。如果砂层的“透镜体”相对独立，含水性极弱底部，还有粘土层间隔，则对提高开采上限不会造成大的影响。2.3粘土层的物理力学性质第四系底界粘土层的岩性组份决定了基塑性指数、膨胀率及压缩性，塑性指数、膨胀率及压缩性又决定了粘土层抗采动能力和再生隔水能力，因此，应对粘土层的物理力学性质进取样分析。2.4粘土层与砂层间隔沉积条件在第四系底界层中，要分析是以粘土为主，夹有不同厚度砂层，还是以砂层为主，夹有不同厚度粘土层。同时，分析砂层的含水性如何，以便确定开采上限是防水煤柱为主，带是以防砂或防塌煤柱为主。另外，煤层顶板砂岩含水层及其补给条件也应该一并考虑，虽然3煤顶板含水层以静储量为主，经过一段时间释放对工作面的影响大大减弱，但应分析有无受第四系含水层补给的途径和条件。3分析研究第四系底界粘土层的手段和方法为了达到相述目的和要求，必须通过综合措施来实现。在实际生产过程中，我们结合原来已有的地质资料，再通过井上下钻孔许工、抽水实验；二维地震非线性反演、二维三分量、物理力学性质分析等，查明了第四系底界粘土层的特性和分布规律。3.1地面钻探水文补充勘探以往的矿井勘探钻孔对现分阶段水文分析而言，密度相对较小。在实际开采试验过程中，许厂、葛亭两矿又在地面专门施工了6个钻孔，钻进工程量达1592.77m，先后单孔、群孔抽水12次。补勘以后，基本查明了钻孔控制区域的第四系底界粘土层的厚度、含砂情况及砂层含水情况。许厂煤矿第四系底界粘土层最度在2.77~34.22m，而粘土层较薄的区域，基岩的厚度又相对较厚，砂层含水层通过8次抽水，其单位涌水量为0.002317~0.002626L/s•m，属弱含水层。葛亭煤矿第四系底界粘土层厚度在42~55m，砂层含水层经过4次抽水，单位涌水量一般在0.002158~0.002636L/s•m，也属弱含水层。该巨厚粘土层，为葛亭煤矿提到防塌煤柱创造了条件。3.2井下钻孔补充勘探在这3个矿所有涉及提高开采上限的工作面中，均在井下布置了不同数量的仰上孔，以探明基岩的厚度、含中性、第四系底界粘土层的厚度、含砂情况等，总共施工了43个孔，总进尺达2453m，总体达到了200m×200m钻孔网度。摸清了第四系底界面的起伏状态、基岩的厚度变化规律。3.3非线性二维地震反演第四系底界多为砂、粘土相同沉积的地质结构，由于两者密度与速度的差异波阻抗则不同，其分界面上能形成反射波。非线性反演的目的是控制井间地层地质构造几何形态的细微变化，利用测井资料，通过小波奇数、时频、神经元和分形分析，对非线性地震演参数进行非线性标定，结合岩层地震剖面特征，求出物性参数分布信息。许厂煤矿委托山东物探队，通过对6条地质剖面，结合21条地震测线，1711个物理点，对控制区域的速度、密度、波阻抗进行了3种剖面反演，从面上解释了4工作面区域的第四系底界粘土层的分布沉积规律、厚度变化规律。3.4二维三分量地震补勘葛亭煤矿在牵扯提高开采上限的首采区曾经做过三维地震，通过三维地震对浅表土层的高保真处理，提高信噪比，初步确定了第四系底界粘土层是连续分布的。但为了实现对粘土层的精细解释和粘土层内的富水性定性解释，又进行了二维三分量地震勘探工作，完成4条溅线，266个物理点。综合查明了第四系底界粘土层未见“天窗”现象，厚度在42~55m，整体形态为一马鞍型，粘土层内富水性较弱。3.5粘土层物理力学鉴定为了掌握第四系底界粘土层的物理力学性能，在地面钻孔施工过程中，对底界粘土层先后取了16个岩芯进行送鉴，对密度、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、液性指数、凝聚力、膨胀率等10几项指标进行了鉴定，总体主伙底界粘土层属半固结膨胀饱和粘土、液性指数及膨胀率大，有良好的隔水性和再生性。4实施效果利用上述方法和手段，济（宁）北矿区的3个矿，自1999年开始已经先后有13个工作面进行了提高开采上限的开采，采出压覆煤量约558万t。许厂煤矿在5m厚煤层综放工作面，已经将开采上限提高到35m左右；葛亭煤矿在煤厚8m的1307综放工作面，利用42~55m巨厚粘土层，已经将开采上限提高到2.89m，取得了良好的经济效益和社会效益。