薄基巖下開采的水文地質與工程地質特征研究

張 麗，許昕鵬，王 龍

(江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225002)

0 引 言

煤炭依然是當前工業生產中所使用的最主要的能源物質，隨著工業的發展對能源的需求日益提高，因此要不斷提高煤礦的生產效率。影響煤礦生產效率的因素有很多，最為重要的還是水文地質情況和工程地質情況，因此在正式開采之前要詳細地掌握這兩項因素，這樣才能夠更好地保證開采的順利。

1 薄基巖水文地質特征

1.1 薄基巖風化帶巖石的含水性

煤礦在進行開采之前要對其水文地質進行研究，由于整個礦場所包含的巖石種類比較多，受到外界影響的程度也不同，在開采的時候也需要按照不同的方式來進行。例如，有部分的礦區主要是以泥巖、花斑泥巖、砂質泥巖及粉砂巖為主。這些巖石成分在礦場當中遭受過長期的風化作用，范圍廣，風化深度大，風化帶厚度為20～40 m。這是老的巖石界面，而新的巖石界面還沒有進行沉積，這樣就會在開采的時候帶來一定的影響。此外，有很多基巖面受過強烈的流水沖刷、剝蝕作用，導致巖石層面的風化程度加大。但是對于整個礦場而言，大部分的基巖面都是沒有受到更大程度的影響的，這些巖石層面的風化殘積物和風化殼得以相對完整地保留，而這些完整保留的巖石就會形成風化軟巖，這樣在進行開采的時候也會更加的方便。風化軟巖比較容易發生塑性形變，不容易發生脆性形變，在遇到強大的力量的時候就比較容易出現軟化、膨脹等現象。這就是礦場工程地質的主要特點，而這一點是比較有利于抑制煤層開采破壞裂隙在整個巖石層中的產生和發展的。

而當礦場當中的巖石經歷風化之后，其巖石的基本形貌等也還會發生變化，大部分的巖石經歷風化之后，巖性就會變化，而且這些風化之后的巖石主要由褐紅色、土黃色和淺綠色泥巖、砂質泥巖及粉砂巖組成。在風化的過程當中，巖石當中會形成一定的風化帶，而這樣形貌的巖石，風化帶厚度一般都不是很高，并且還會形成強風化帶，它們的厚度也會逐漸降低。對于風化之后的巖石，除了會產生風化帶之外，還會產生泥質化，也就是說這一類的巖石對于水有一層隔膜。巖石本身不含水分，并且也不會導水，有一層比較好的隔水層。這樣的情況在進行開采時會遇到一定的問題，如果說在不了解這些情況下就直接對礦場進行開采，那么就會對礦場造成很大的影響。

1.2 淺部煤層頂板富水性

礦場當中還存在二疊系煤巖層，在二疊系煤巖層當中，局部地方會存在比較厚的砂巖，這些砂巖會組成砂巖裂隙含水層，在進行開采時會對開采的進度造成一定的影響。同時，煤系地層的富水性主要受砂巖裂隙的發育程度及其開裂、開展的規模所影響，而且礦場中的砂巖裂隙還會受到礦場的構造影響。每個礦場的地形地貌等都是存在一定的差異的，所以在產生裂隙的時候，還會形成不同種類的裂隙，這些裂隙之間最大的差別就是含水量。如果裂隙的含水量高，那么會對煤礦的開采產生較大的影響。裂隙的含水量還會對井田的產生造成影響。

礦區進行開采時還會受到構造擠壓，煤礦系頂板砂巖裂隙發育比較緩慢，而且在發育的過程當中還會受到新生界底部隔水層的阻擋，這時煤系砂巖裂隙水以靜儲量形式存在。在對煤礦進行開采的過程當中，需要用到一定的水，而煤礦的水源主要是砂巖裂隙水。但是隨著時間的推延，砂巖裂隙水的出水量會逐漸減少，這會對礦井的生產造成嚴重的危害。不過，在局部上，處于富水區的礦井的采掘活動還是不會出現較大的問題的。

2 薄基巖工程地質特征研究

在對煤礦場進行開采的過程當中，其實會出現下降風巷、上風巷等多處出水現象，所出的水一部分來自砂巖裂隙水，隨著時間的推延會逐漸衰減，這表明頂板砂巖裂隙水以靜儲量的形式存在。而且有些煤礦的頂部還有炭質頁巖或炭質泥巖，其形狀主要呈現為透鏡狀，但是這種情況一般都有一定的變化規律，而且其裂縫還會再一次進行發育。

在進行煤礦開采的時候，首先就是要保證其頂部是完整的，這樣才能夠保證開采人員的生命安全，所以對于煤層底板條件的研究是現在巖石工程地質研究的主要內容。煤層頂板巖石性質和類型是確定巷道支護密度、支護形式、液壓支架選型和頂板管理的重要依據，因為在進行開采的過程當中頂部和底板是非常重要的，煤層頂部主要影響巖石開采的順利程度，煤層底板巖石強度直接影響支架的支護性能。因此在正式開采之前需要先了解不同地區的主采煤層頂、底板特點，研究其巖石的物理力學性質，這點是非常重要的。在巖石強度方面，巖性不同，強度差別較大，其中泥巖、粉砂巖類的強度比較低，砂巖類強度比高風化帶3強度低，非風化帶巖性強度相對較高。除了要對他們的強度有一定的研究之外還需要對他們的抗拉輕度、抗剪強度以及彈性模量等參數進行測試，而最終的測試結果，同樣顯示出不同巖性的風化產物，其物理力學性質表現出風化泥巖類力學強度最低、粉砂巖類其次、砂巖類相對較高的特征。

2.1 風化帶巖石的力學性質

根據具體的勘探結果可知，不同地區的礦區的巖石中以風化泥巖、風化粉砂巖為最多，尤其是在薄基巖地質下最為明顯。在外地探查時，對巖石的物理力學指數計算可知，風化泥巖的抗壓強度為0.8～16 MPa，但風化粉砂巖力學性能往往更好，更有利于后續的工程施工。進一步的勘查可知礦區內部的風化粉砂巖的內部凝聚力在5.05～7.78 MPa，內部摩擦力中的摩擦角為32°，彈性模量在1.03～2.81 GPa，而風化泥巖內聚力在1.21～6.34 MPa，彈性模量為0.35～0.60 GPa，泊松比為0.34～0.50。經過全面的勘探可知，風化泥巖的彈性形變量更弱，因此風化泥巖本身的變形問題的發生概率是比較大的。加之會受到多種類別的作用影響，風化泥巖的膨脹概率大，很容易降低防水煤柱。只有結合對應的勘查結果，保證礦區通過補孔的模式提升工程施工的穩定性以及安全性。

2.2 煤層頂板的力學性質

不同地區的煤礦礦區的煤層本身存在著偽頂巖性，其本身只是以砂質泥巖為主體。通過物理力學指標的合理計算，可知道巖石的抗壓強度與膠結物之間有著一定的聯系性。通過有效計算可知，區域內部的抗壓強度與礦區自身的情況有密切聯系，此時需要根據礦區的特征進行計算，得出結果。比對不同區域的巖石抗壓強度，重點是增強礦產資源開采過程中的安全性，只有這樣才能夠利用礦區的優勢進行資源開采，使工程開采效率以及安全性達標，規避潛在的風險，保證各項工作一一落地。

3 薄基巖下開采的水文地質與工程地質勘查分析

3.1 地下水位變化導致的危害

若是某地區的地下水位出現變化，其一般包括三個層面的內容，即為地下水位的小幅度下降、地下水位的小幅度上升以及地下水位的變化。地下水位上升一般是受到外在因素的影響，其很容易導致建筑物的表面濕潤。例如，大連地鐵中頻頻出現的滲水情況，直接影響了施工建筑物的耐久性。地下水位下降則會導致地質災害頻發，對施工建筑物有非常不利的影響。地下水位頻頻出現變化，會導致建筑物的地基基礎出現形變，甚至導致建筑物形變或者損毀，這會給予建筑物使用增添一些安全隱患，致使后續工作無法一一開展。

3.2 動水壓力變化導致的工程危害

在自然條件下，地下水的動水壓力變動很小，并不會對工程建筑或者其他巖石造成任何影響，但一旦人為介入直接改變地下水位的平衡點，那么會直接導致地下水動水壓力出現明顯波動，致使巖土層結構出現意外影響，甚至會衍生出流砂、管涌和地基塌陷等意外情況，致使出現巖土工程危害，會對周邊區域的建筑物造成十分負面的影響，致使建筑物質量意外情況屢屢出現。因此，加大對地下水的動水壓力的綜合檢測以及控制是十分重要的，要盡量避免由于動水壓力本身存在的不穩定性致使建筑物出現意外情況。

3.3 地下水位變化對巖土的危害

地下水位的經常出現變化會在一定基礎上引起巖土結構的膨脹，致使其出現不均勻情況而出現多種狀態下的地質形變情況，嚴重的時候甚至還會出現地裂情況，對于建筑物的底層甚至是整個建筑物造成更大的影響或者是危害。而在水文地質勘查過程中，更需要對膨脹性巖土進行勘查和控制，將其作為特殊的巖土結構，重點勘查地下水位幅度變化方面上，合理掌握地下水位的變化規律，只有這樣才能夠合理分析地基的深度。

4 薄基巖下開采的水文地質與工程地質勘查

4.1 工程勘查水文地質參數測定

在工程的勘查過程中，必須要加強對水文地質的參數進行綜合測定，尤其是對地下水位進行重點勘查。一旦施工中發現含有水底層結構，那么需要對新發現的地下水位進行綜合測定，做到一一跟蹤。在地下水位測定中，需要明確地下水的參數的穩定性和可靠性。應用抽水試驗法中，必定要根據工程施工范圍以及施工條件進行有效操作。精確掌握地下水位的參數，對其基本情況做出分析，以保證水文地質勘查結果的精確性，為后續工作提供資料。

4.2 增強基礎條件的了解

通過與相關單位進行合作，應用先進的技術開展工作面的水文條件、地質條件、圍巖性質等的綜合分析，根據頂板風化情況及頂板壓力確定防砂結構，明確巖石層的賦存條件及富水性。加強對煤礦礦井結構的觀測分析，綜合做好資料收集，將采集到的數據資料進行比對，根據實際揭露情況調整安全煤巖柱的尺寸。而在薄基巖開采中，必須要強化工作面的質量標準管理工作，防止由于局部頂板軟弱松脆而出現意外情況。只有強化水文動態觀測，才能夠構建起煤礦水文動態觀測及報警體系，綜合分析水文參數。除此以外，更需要做好工作面排水情況，加大排水力度，構造合理的自流排水體系，避免由于出水惡化而影響到最終的工作環境，從而影響工作的開展。

5 結束語

當前，煤炭依然是我國的主要能源和重要原料，在一次能源生產和消費構成中仍占據一半以上，所以現在仍有必要對煤礦場的情況進行詳細分析，尤其是對于關乎煤礦安全生產的有關制度、設備等進行改進完善。首先，要對煤礦場的頂部和底板進行勘查分析，因為這會涉及相關人員的安全問題；其次，要對整個礦石的風化程度進行勘查分析，如果其風化程度會影響到開采，那么就需要制定好相應的方案。