王 皓

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含水煤層水害形成機理及防治技術(shù)

王 皓1,2

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治重點實驗室，陜西 西安 710077)

在煤炭開采過程中，煤層常被視作隔水或弱透水地層。然而，孟加拉國巴拉普庫利亞煤礦(簡稱孟巴煤礦)主采的Ⅵ號煤層平均厚度為33 m，富水性較強，開采過程中多次突水，表現(xiàn)出煤層成為含水層的特殊水文地質(zhì)現(xiàn)象，與我國東北、西北侏羅紀(jì)煤田局部地區(qū)出現(xiàn)的煤層含水現(xiàn)象類似。綜合分析了煤層空隙特征、儲水結(jié)構(gòu)及地下水補給條件這3項含水層形成的必備要素，揭示了孟巴煤礦特厚煤體含水層的形成機制。從煤體的微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)及區(qū)域構(gòu)造發(fā)育特征著手，對煤體是否具有儲存地下水的空間進(jìn)行了研究；結(jié)合室內(nèi)巖石滲透性測試及現(xiàn)場大型抽水試驗，分析了煤層頂、底板巖層的透水/阻水特性，對煤層是否具備含水層的儲水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；采用水力連通試驗等手段，查明了特厚煤體含水的主要補給水源。研究表明，有機質(zhì)的煤化作用和后期地層應(yīng)力作用，使得煤體自身結(jié)構(gòu)存在大量的含、導(dǎo)水裂隙，在具備較好的補給條件并滿足含水層儲水結(jié)構(gòu)的情況下，煤體可成為含水地層。針對煤體含水層的水害特點，提出特厚含水煤層“疏”、“排”結(jié)合的水害防治技術(shù)，為煤體含水地區(qū)煤礦安全開采提供技術(shù)支撐。

厚煤層；煤體含水層；形成機制；水害防治

煤是自然界中由植物遺體轉(zhuǎn)變而來沉積成層的可燃礦產(chǎn)，由有機質(zhì)和混入的礦物質(zhì)所組成[1]，是一種固體可燃有機巖。在我國大多數(shù)礦區(qū)，由于煤系以沉積形成的泥巖類地層為主，煤層頂?shù)装鍘r性多為泥巖、粉砂巖等，煤系富水性弱且補給強度低，在礦井水文地質(zhì)條件分析過程中通常將煤層作為隔水地層。

在礦床水文地質(zhì)研究過程中，多將研究對象集中于煤層頂?shù)装鍘r層。通常而言，煤層頂?shù)装迳皫r、灰?guī)r和第四系松散層地層作為礦床范圍內(nèi)含水層，不同層位的泥巖類地層作為礦床隔水層。作為國內(nèi)主采礦區(qū)的華北型煤田主要受到煤層底板太原組灰?guī)r、奧陶–寒武系灰?guī)r水威脅；西北侏羅系煤田主要威脅含水層為煤層頂板各層位砂巖、燒變巖和第四系松散層含水層。多數(shù)礦井由于煤層厚度相對有限，同時煤層頂?shù)装宥酁槟鄮r類地層，煤層回采過程中煤體不會出現(xiàn)明顯的含、導(dǎo)水現(xiàn)象，對煤層自身的水文地質(zhì)意義研究較少。

然而，對于特厚煤層采掘過程中，若煤層內(nèi)裂隙發(fā)育，具有含、導(dǎo)水特性，煤層底板存在穩(wěn)定的隔水地層，并存在一定強度的水流補給，不排除存在煤層自身為含水層的可能性。例如，巴拉普庫利亞煤礦(以下簡稱孟巴煤礦)，是孟加拉國唯一一座煤礦，在生產(chǎn)過程中，其主采的Ⅵ煤層出現(xiàn)持續(xù)涌水且水量較大，并發(fā)生多次突水甚至淹沒礦井，嚴(yán)重威脅礦井的生產(chǎn)安全。因此，研究煤體含水層的形成機制，提出該類水害防治技術(shù)，對厚煤層井田建井水文地質(zhì)勘探與煤體含水層水害防治具有重要意義。

1 礦井概況

孟巴煤礦位于孟加拉國西北部，南至Baigram村附近的Fb斷層，北達(dá)Sherpur附近的Ⅵ煤基巖露頭，東至Fa斷層，西至Ⅵ煤層基巖露頭。井田為恒河沖積平原的一部分，由恒河和賈木納河(Jamuna)沖積而成。區(qū)域年平均降雨量為2 090 mm，7月份最大降雨量為483.5 mm。

1.1 地質(zhì)條件

孟巴煤礦構(gòu)造位置位于印度洋板塊東北部(圖1)，主采Gondwana煤系Ⅵ煤，井田地質(zhì)時代由老到新依次為太古代(復(fù)合基底)、石炭–二疊紀(jì)(Gond-wana群)、新近紀(jì)(UDT和LDT)、第四紀(jì)(Madhupur黏土)。

圖1 孟加拉國構(gòu)造圖(摘自約翰T博德公司(John T Boyd)報告《Exploration Report》，修改)

Barapukuria向斜為井田主向斜，樞紐總體走向NNW，井田內(nèi)發(fā)育有Fa、Fb大斷層及部分地面地震探查斷層43條，F(xiàn)a斷層落差大于200 m，為井田邊界斷層。同時，井田范圍內(nèi)發(fā)育有大量高角度裂隙和部分張裂隙，裂隙面多被炭泥質(zhì)、高嶺土、細(xì)砂等充填。

1.2 水文地質(zhì)條件

依據(jù)地質(zhì)及水文地質(zhì)勘探，井田范圍內(nèi)主要含水層由新到老依次有UDT孔隙含水層、Gondwana砂巖頂部風(fēng)氧化帶含水層、Ⅰ—Ⅴ煤組砂巖含水層、Ⅵ煤頂板砂巖裂隙含水層；主要隔水層有Madhupur黏土組隔水層、Lower Dupi Tila(LDT)隔水層、煤系泥巖及粉砂巖隔水層、冰磧礫巖與基底隔水層。

在礦井建設(shè)和巷道掘進(jìn)過程中，Ⅵ煤層出現(xiàn)多次涌水異常，水量較大且持續(xù)時間長，具有明顯的含水地層特征。該現(xiàn)象與以往對煤層水文地質(zhì)特征的傳統(tǒng)認(rèn)識有所不同，需從煤體結(jié)構(gòu)特征和礦井水文地質(zhì)條件多方面進(jìn)行綜合研究。

2 煤體含水層形成機理研究

含水層是指能夠給出并透過相當(dāng)數(shù)量水的巖層，不但可以透過水，而且可以儲存水[2]。經(jīng)研究，煤體含水層的形成應(yīng)具備3個條件：①煤層中應(yīng)具有儲存地下水的空間；②具備儲存地下水的地質(zhì)結(jié)構(gòu)；③具有充足的補給水源。

2.1 儲水空間分析

能夠儲存地下水的介質(zhì)需具備孔隙或裂隙介質(zhì)條件。煤體含水層的儲水空間分析主要包括微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)分析[3-4]，其中，微觀結(jié)構(gòu)主要指介質(zhì)自身存在的裂隙或孔隙空間；宏觀結(jié)構(gòu)主要為構(gòu)造應(yīng)力作用等形成的斷裂構(gòu)造和巖體裂隙。針對微觀結(jié)構(gòu)采用理論分析、巖石力學(xué)測試、掃描電鏡手段分析煤體自身裂隙結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合現(xiàn)場裂隙觀測進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)分析，綜合得出煤層儲水空間的結(jié)構(gòu)特征。

a.微觀結(jié)構(gòu)分析

采用美國MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)和AP-608自動孔滲測試儀，對Ⅵ煤及其頂、底板砂巖在不同圍壓條件下的滲透率進(jìn)行測試。

巖塊試驗采用人工加工制備的50 mm× H100 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗時對其施加不同圍壓和靜水壓力、滲透壓力，獲得巖石(體)的強度參數(shù)、變形參數(shù)及滲透率參數(shù)。

采用巖石物理力學(xué)及滲透性質(zhì)測試儀器，對煤層、煤層頂板含水層(中砂巖樣)、煤層底板巖層(細(xì)砂巖樣)的巖石物理力學(xué)及滲透性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)及滲透性質(zhì)測試成果

由測試結(jié)果可知，煤層在小圍壓(1.5 MPa)條件下滲透率為2.17×10-16m2，說明該煤層在天然條件下滲透性較好。

Ⅵ煤與頂板砂巖含水層相比，煤層空隙率為12.05%，大于砂巖含水層的空隙率值。同時，煤層抗壓強度低于砂巖地層，在受地應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生斷裂與裂隙。

采用掃描電鏡對所取煤樣進(jìn)行測試，在一定放大倍數(shù)條件下可以明顯看到煤樣內(nèi)部大量裂隙結(jié)構(gòu)。煤體微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤體掃描電鏡圖像

測試結(jié)果證實，由于煤炭自身變質(zhì)過程中形成大量的微裂隙，加之后期地質(zhì)構(gòu)造作用，煤體節(jié)理、裂隙、孔洞等結(jié)構(gòu)發(fā)育較為充分，Ⅵ煤體是包含大量裂隙、孔洞等結(jié)構(gòu)的有機巖體，是典型的裂隙介質(zhì)[5-7]。從微觀層面來看，Ⅵ煤層具備形成含水層的儲水空間條件。

b.宏觀結(jié)構(gòu)分析

采用地震勘探與鉆探相結(jié)合的探查手段，查明孟巴煤礦Ⅵ煤層厚度為21.25~42.37 m，平均33.71 m，屬較穩(wěn)定煤層(圖3)。

勘探查明井田范圍內(nèi)有Fa、Fb大斷層及中小型斷層共43條，其中鉆孔揭露控制和巷道揭露的可靠斷層12條，主要斷層分布見圖4，斷層參數(shù)見表2。

圖3 孟巴煤礦Ⅵ煤層等厚線圖(單位：m)

圖4 孟巴煤礦主要斷層分布圖

表2 斷層參數(shù)表

孟巴煤礦構(gòu)造極為發(fā)育，已探明43條斷層均為正斷層，導(dǎo)致地層中裂隙分布密集，為煤層含水提供了較好的裂隙空間。從宏觀層面來看，構(gòu)造發(fā)育且裂隙密集的Ⅵ煤層具備較好的儲水條件。

2.2 儲水結(jié)構(gòu)分析

由煤體的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)分析可知，孟巴煤礦Ⅵ煤為典型的裂隙介質(zhì)體，具備透水地層的條件。然而，根據(jù)含水層的概念，含水層不僅應(yīng)具備透水特性，還應(yīng)存在于一定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)下，具備儲水性。一般情況下，儲水地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括2種基本類型：① “透水—含水—隔水”類型；② “隔水—含水—隔水”類型。只有在透水層下部存在隔水地層時才能保證地下水不會流失，形成具有儲水能力的含水層[8]。

通過分析孟巴煤礦的水文地質(zhì)條件，可知Ⅵ煤底板地層中發(fā)育有泥巖和冰磧礫巖。冰磧礫巖厚度為32.15~84.50 m，由沉積巖、火成巖和變質(zhì)巖塊及砂泥質(zhì)碎屑組成。據(jù)原位注水試驗結(jié)果，冰磧礫巖滲透系數(shù)為0.000 6~0.001 m/d，為相對隔水層。Ⅵ煤頂板為厚層砂巖，巖性以中粗砂巖、含礫粗砂巖為主，砂巖中普遍發(fā)育高角度張性裂隙。據(jù)抽水試驗成果，該含水層段單位涌水量為0.008~0.315 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.005~0.938 m/d，為富水性弱—中等的含水層。

綜上所述，Ⅵ煤頂板為具有一定滲透性能的砂巖含水層，底板為泥巖和冰磧礫巖為主組成的隔水層，總體地層結(jié)構(gòu)為“透水—含水—隔水”類型，具備含水層應(yīng)有的儲水地質(zhì)結(jié)構(gòu)。其儲水地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

2.3 補給水源分析

煤體成為含水層的第三個重要條件為具有穩(wěn)定的補給水源。

圖5 儲水地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

孟巴井田主要由Barapukuria向斜形成一級控煤構(gòu)造，Ⅵ煤在井田北、西、南部與第四系UDT含水層呈不整合接觸，東部受Fa斷層影響。

a.UDT含水層對Ⅵ煤補給條件分析

孟巴井田L(fēng)DT隔水層厚度0~86.64 m，平均29.31 m，由北向南逐漸增厚，井田北部LDT缺失，UDT直接覆蓋在Ⅵ煤之上，形成Ⅵ煤補給邊界。

Barapukuria向斜是井田范圍內(nèi)最主要的地質(zhì)構(gòu)造，其發(fā)育形態(tài)控制地層起伏與地下水補徑排條件，其也對Ⅵ煤層含水起到重要作用[9]：

補給斷面增大井田北部補給區(qū)域Ⅵ煤層受Barapukuria向斜影響后呈傾斜狀態(tài)，使煤層與上覆UDT含水層間的補給過水?dāng)嗝嬖龃?，增加UDT對Ⅵ煤的補給強度。

風(fēng)化帶滲透性加強向斜構(gòu)造形成后，經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、再沉積過程，與上覆UDT地層呈角度不整合。井田北部補給區(qū)域為向斜構(gòu)造轉(zhuǎn)折揚起端，風(fēng)化帶保留厚度小、淋濾作用強烈、滲透性強，有利于UDT含水層對下伏地層補給。

b.Ⅵ煤頂板含水層對Ⅵ煤補給條件分析

由于該含水層直接覆蓋于Ⅵ煤之上，在煤層開采疏水條件下對下部Ⅵ煤具有垂向補給作用。結(jié)合井田內(nèi)斷層、裂隙等構(gòu)造發(fā)育情況，高角度裂隙容易形成水流優(yōu)勢通道，使含水層水對煤層宏觀和微觀裂隙可進(jìn)行補給。

采用水力連通試驗對Ⅵ煤頂板砂巖含水層和Ⅵ煤含水層水力聯(lián)系進(jìn)行研究。布設(shè)抽水主孔CSE20對Ⅵ煤抽水，觀測孔CSE19進(jìn)行Ⅵ煤頂板砂巖含水層水位觀測，鉆孔間距230 m。水力連通試驗成果曲線如圖6所示。

圖6 水力連通試驗成果曲線圖

由此表明，Ⅵ煤抽水過程中Ⅵ煤頂板砂巖含水層水位變化明顯，表明Ⅵ煤與頂板砂巖含水層水力聯(lián)系極為密切，Ⅵ煤受頂板砂巖含水層水補給明顯。

由此可知，孟巴井田范圍內(nèi)Ⅵ煤含水層同時受到UDT強含水層和頂板砂巖含水層水補給，由于Barapukuria向斜構(gòu)造和大量斷裂構(gòu)造的影響，含水層補給強度加強，使得Ⅵ煤具有較好的補給條件。

2.4 機理分析

通過對Ⅵ煤的儲水空間、儲水結(jié)構(gòu)和補給水源綜合分析，孟巴井田Ⅵ煤具有形成含水層的良好條件：巨厚煤層裂隙結(jié)構(gòu)具有一定的儲水空間，透水—含水—隔水形式滿足含水層形成的地質(zhì)條件，受地質(zhì)構(gòu)造影響Ⅵ煤具有良好的補給條件，因此，井田范圍內(nèi)Ⅵ煤層形成了有一定富水性的含水層(圖7)。據(jù)井田內(nèi)Ⅵ煤層抽水試驗成果，Ⅵ煤含水層單位涌水量為0.036~0.060 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.710~ 0.786 m/d，屬弱富水含水層。

圖7 Ⅵ煤含水層形成機理示意圖

3 含水煤層開采防治水技術(shù)研究

煤炭是煤礦的開采對象，只要開采到含水煤層，勢必會引發(fā)水害問題。通過分析Ⅵ煤含水層的形成機理及各類水害治理技術(shù)的適用性，提出孟巴煤礦含水煤層開采的水害防治思路為“疏”和“排”：其中，“疏”是通過施工預(yù)疏放鉆孔，最大程度預(yù)疏放含水層內(nèi)靜儲量，降低采掘過程中涌水強度；“排”是在巷道掘進(jìn)期間形成小角度上山巷道，實現(xiàn)煤層涌水自然疏排。

以上2種防治水技術(shù)措施均是以礦井及工作面建立完善、可靠的排水系統(tǒng)為前提，確保工作面及礦井具備相應(yīng)的防災(zāi)抗災(zāi)能力，滿足采掘工作面最大涌水量的排水需要，保證礦井安全、高效生產(chǎn)。

a.煤層超前疏水技術(shù)

孟巴煤礦Ⅵ煤層厚度大，井下預(yù)疏放鉆孔開孔通常在煤巷內(nèi)部，增加了常規(guī)鉆孔施工過程中孔口管固結(jié)難度。鑒于特厚煤層含水情況，可在合適的位置施工井下長距離近水平超前定向鉆孔，減少鉆孔數(shù)量及防水閘墻的修筑工作量[10]。

鉆孔平面位置定向探放水鉆孔主要沿巷道掘進(jìn)方向布置，設(shè)計孔深可根據(jù)鉆機實際能力進(jìn)行確定，鉆孔施工過程中需把握好分支孔和主孔方位，確保巷道掘進(jìn)前方疏放水安全。定向疏放水鉆孔平面布設(shè)如圖8所示。

圖8 定向疏放水鉆孔布設(shè)示意圖

鉆孔空間位置定向鉆孔空間軌跡布置在煤層巷道掘進(jìn)前方，主孔位置與巷道水平，可根據(jù)實際情況布設(shè)頂板水探放分支孔。

鉆孔參數(shù)設(shè)計根據(jù)具體工作面煤層底板等高線、工作面運輸巷及回風(fēng)巷實際掘進(jìn)剖面圖、邊界回風(fēng)巷中相關(guān)測點，先計算出鉆孔軌跡中每個控制點和鉆孔靶點的、值和軌跡方位，根據(jù)頂板情況計算出值和鉆孔軌跡傾角，再根據(jù)每個控制點和靶點的值，運用插值計算方法，設(shè)計中間點的各參數(shù)值。

b.煤層涌水自流排放技術(shù)

孟巴煤礦煤層特厚的天然條件為煤層涌水自流排放技術(shù)措施的實現(xiàn)提供了先決條件。由于煤層受到向斜構(gòu)造影響，傾角為5°~30°，具有上山掘進(jìn)的條件。對于煤層起伏較小的區(qū)域可通過人為控制巷道起伏，實現(xiàn)掘進(jìn)工作面涌水的自流排放。

由于煤體含水層補給條件較好，且厚度大，部分?jǐn)嗔褬?gòu)造在該區(qū)域具有集中匯水的特點，容易形成局部富水異常區(qū)域。若僅采用自然疏排的防治水技術(shù)措施，在遇到局部強富水區(qū)域時易造成構(gòu)造突水事故。因此，特厚煤層含水的防治措施應(yīng)將超前疏放與自流排水結(jié)合起來，在超前疏放水、削峰平谷的前提下，合理利用煤層起伏輔助自然疏排。

4 結(jié)論

a.針對孟巴煤礦Ⅵ煤層含水的問題，從煤體微觀結(jié)構(gòu)、宏觀展布及井田水文地質(zhì)條件綜合分析，認(rèn)為Ⅵ煤為典型的裂隙介質(zhì)體，為煤層含水提供了較好的儲水空間。

b.Ⅵ煤裂隙介質(zhì)體賦存于“透水—含水—隔水”的區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，并受到上覆砂巖含水層和UDT含水層在“天窗”區(qū)域的穩(wěn)定補給，使得Ⅵ煤形成具有一定富水性的含水地層。

c.針對含水煤層水害特點，提出其防治技術(shù)措施主要為“疏”和“排”，疏水可采用長距離近水平定向鉆孔完成，對煤層及頂板砂巖含水層進(jìn)行超前疏放，實現(xiàn)“削峰平谷”；同時結(jié)合特厚煤層的天然優(yōu)勢，人為控制巷道坡度，實現(xiàn)工作面涌水的自流排放。

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Formationmechanism of coal seam aquifer and water hazard control technology

WANG Hao1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

Coal seams occur in Peat formation formed by sediments, often used as aquiclude or aquitard in coal production. However, in Barapukuria coal mine in Bangladesh, No.VI coal seam is rich in water, shows a typical hydrogeological phenomenon that the coal seam becomes an aquifer, which is rare in coal mining process both in China and abroad. From the formation mechanism of coal and the microstructure and tectonic development characteristics of coal, the structure of rich in water of coal was revealed. Based on MTS815 rock mechanics test system, the permeability of No.VI coal was tested, and the internal structure of coal seam was revealed. Through the permeability analysis of roof and floor, combined with hydrogeological tests, the hydrogeological concept model of thick coal seam water storage structure was analyzed. Hydraulic connectivity test was applied to identify the main source of water supply in thick coal seam. The formation mechanism of thick coal seam as an aquifer was revealed by the three key factors, which are the structure of the coal body, the water storage structure and the recharge water source. The study shows, coalification of organic matter and the formation stress make a effective pores and water cracks development in coal body, in case of better supply conditions and meeting the geological structure of the aquifer, the coal seam can form an aquifer. Aiming at the characteristics of coal seam water, put forward the technical system for groundwater prevention and control in thick coal seam, which provides technical support for the area of coal seam as the aquifer.

thick coal seam; coal seam aquifer; formation mechanism; water hazard prevention and control

National Key R & D Program of China(2017YFC0804102)

王皓，1981年生，男，江蘇連云港人，博士，碩士生導(dǎo)師，副研究員，從事水文地質(zhì)與礦井水害防治方面的研究. E-mail：wanghao@cctegxian.com

王皓. 含水煤層水害形成機理及防治技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：117–123.

1001-1986(2019)03-0117-07

P641.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.019

2018-12-21

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0804102)

WANG Hao. Formation mechanism of coal seam aquifer and water hazard control technology[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：117–123.

(責(zé)任編輯 周建軍)