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第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract Coal seams occur in Peat ation ed by sediments, often used as aquiclude or aquitard in coal produc- tion. However, in Barapukuria coal mine in Bangladesh, No.VI coal seam is rich in water, shows a typical hydrogeologi- cal phenomenon that the coal seam becomes an aquifer, which is rare in coal mining process both in China and abroad. From the ation 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 ation 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 ation stress make a effective pores and water cracks development in coal body, in case of better supply con- ditions and meeting the geological structure of the aquifer, the coal seam can an aquifer. Aiming at the characteris- tics 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. Keywords thick coal seam; coal seam aquifer; ation mechanism; water hazard prevention and control ChaoXing 118 煤田地质与勘探 第 47 卷 煤是自然界中由植物遗体转变而来沉积成层的 可燃矿产，由有机质和混入的矿物质所组成[1]，是一 种固体可燃有机岩。在我国大多数矿区，由于煤系以 沉积形成的泥岩类地层为主，煤层顶底板岩性多为泥 岩、粉砂岩等，煤系富水性弱且补给强度低，在矿井 水文地质条件分析过程中通常将煤层作为隔水地层。 在矿床水文地质研究过程中，多将研究对象集 中于煤层顶底板岩层。通常而言，煤层顶底板砂岩、 灰岩和第四系松散层地层作为矿床范围内含水层， 不同层位的泥岩类地层作为矿床隔水层。作为国内 主采矿区的华北型煤田主要受到煤层底板太原组灰 岩、奥陶–寒武系灰岩水威胁；西北侏罗系煤田主要 威胁含水层为煤层顶板各层位砂岩、烧变岩和第四 系松散层含水层。 多数矿井由于煤层厚度相对有限， 同时煤层顶底板多为泥岩类地层，煤层回采过程中 煤体不会出现明显的含、导水现象，对煤层自身的 水文地质意义研究较少。 然而，对于特厚煤层采掘过程中，若煤层内裂 隙发育，具有含、导水特性，煤层底板存在稳定的 隔水地层，并存在一定强度的水流补给，不排除存 在煤层自身为含水层的可能性。例如，巴拉普库利 亚煤矿以下简称孟巴煤矿，是孟加拉国唯一一座 煤矿，在生产过程中，其主采的Ⅵ煤层出现持续涌 水且水量较大，并发生多次突水甚至淹没矿井，严 重威胁矿井的生产安全。因此，研究煤体含水层的 形成机制，提出该类水害防治技术，对厚煤层井田 建井水文地质勘探与煤体含水层水害防治具有重 要意义。 1 矿井概况 孟巴煤矿位于孟加拉国西北部，南至 Baigram 村附近的 Fb 断层，北达 Sherpur 附近的Ⅵ煤基岩露 头，东至 Fa 断层，西至Ⅵ煤层基岩露头。井田为恒 河冲积平原的一部分，由恒河和贾木纳河Jamuna 冲积而成。区域年平均降雨量为 2 090 mm，7 月份 最大降雨量为 483.5 mm。 1.1 地质条件 孟巴煤矿构造位置位于印度洋板块东北部图 1，主采 Gondwana 煤系Ⅵ煤，井田地质时代由老 到新依次为太古代复合基底、石炭–二叠纪 Gondwana 群、新近纪UDT 和 LDT、第四纪 Madhupur 黏土。 图 1 孟加拉国构造图摘自约翰 T 博德公司John T Boyd报告Exploration Report ，修改 Fig.1 Tectonic sketch of Bangladesh ChaoXing 第 3 期 王皓 含水煤层水害形成机理及防治技术 119 Barapukuria 向斜为井田主向斜，枢纽总体走向 NNW，井田内发育有 Fa、Fb 大断层及部分地面地 震探查断层 43 条，Fa 断层落差大于 200 m，为井田 边界断层。同时，井田范围内发育有大量高角度裂 隙和部分张裂隙，裂隙面多被炭泥质、高岭土、细 砂等充填。 1.2 水文地质条件 依据地质及水文地质勘探，井田范围内主要含 水层由新到老依次有 UDT 孔隙含水层、Gondwana 砂岩顶部风氧化带含水层、 ⅠⅤ煤组砂岩含水层、 Ⅵ煤顶板砂岩裂隙含水层； 主要隔水层有 Madhupur 黏土组隔水层、Lower Dupi TilaLDT隔水层、煤系 泥岩及粉砂岩隔水层、冰碛砾岩与基底隔水层。 在矿井建设和巷道掘进过程中，Ⅵ煤层出现多 次涌水异常，水量较大且持续时间长，具有明显的 含水地层特征。该现象与以往对煤层水文地质特征 的传统认识有所不同，需从煤体结构特征和矿井水 文地质条件多方面进行综合研究。 2 煤体含水层形成机理研究 含水层是指能够给出并透过相当数量水的岩 层，不但可以透过水，而且可以储存水[2]。经研究， 煤体含水层的形成应具备 3 个条件 ① 煤层中应具 有储存地下水的空间； ② 具备储存地下水的地质结 构；③ 具有充足的补给水源。 2.1 储水空间分析 能够储存地下水的介质需具备孔隙或裂隙介 质条件。 煤体含水层的储水空间分析主要包括微观 结构和宏观结构分析[3-4]，其中，微观结构主要指 介质自身存在的裂隙或孔隙空间； 宏观结构主要为 构造应力作用等形成的断裂构造和岩体裂隙。 针对 微观结构采用理论分析、岩石力学测试、扫描电镜 手段分析煤体自身裂隙结构特征， 结合现场裂隙观 测进行宏观结构分析， 综合得出煤层储水空间的结 构特征。 a. 微观结构分析 采用美国 MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验 系统和 AP-608 自动孔渗测试仪， 对Ⅵ煤及其顶、 底 板砂岩在不同围压条件下的渗透率进行测试。 岩块试验采用人工加工制备的 Φ50 mm H100 mm 标准试件，试验时对其施加不同围压和静水压力、 渗透压力，获得岩石体的强度参数、变形参数及 渗透率参数。 采用岩石物理力学及渗透性质测试仪器，对煤 层、煤层顶板含水层中砂岩样、煤层底板岩层细 砂岩样的岩石物理力学及渗透性质指标进行测试， 测试结果如表 1 所示。 表 1 岩石物理力学及渗透性质测试成果 Table 1 Rock mechanics test results 位置 岩性 空隙率/ 渗透率/ 10–16 m2 天然状态抗 压强度/MPa 顶板 中砂岩 10.64 7.57 煤 Ⅵ煤 12.05 2.17 6.20 底板 细砂岩 5.87 22.85 由测试结果可知，煤层在小围压1.5 MPa条件 下渗透率为 2.1710-16 m2，说明该煤层在天然条件 下渗透性较好。 Ⅵ煤与顶板砂岩含水层相比，煤层空隙率为 12.05，大于砂岩含水层的空隙率值。同时，煤层 抗压强度低于砂岩地层，在受地应力作用下极易产 生断裂与裂隙。 采用扫描电镜对所取煤样进行测试，在一定放 大倍数条件下可以明显看到煤样内部大量裂隙结 构。煤体微观结构如图 2 所示。 图 2 煤体扫描电镜图像 Fig.2 The SEM images of coal 测试结果证实，由于煤炭自身变质过程中形成 大量的微裂隙，加之后期地质构造作用，煤体节理、 裂隙、孔洞等结构发育较为充分，Ⅵ煤体是包含大 量裂隙、孔洞等结构的有机岩体，是典型的裂隙介 质[5-7]。从微观层面来看，Ⅵ煤层具备形成含水层的 储水空间条件。 ChaoXing 120 煤田地质与勘探 第 47 卷 b. 宏观结构分析 采用地震勘探与钻探相结合的探查手段， 查明孟 巴煤矿Ⅵ煤层厚度为 21.2542.37 m，平均 33.71 m， 属较稳定煤层图 3。 勘探查明井田范围内有 Fa、Fb 大断层及中小 型断层共 43 条，其中钻孔揭露控制和巷道揭露的 可靠断层 12 条，主要断层分布见图 4，断层参数 见表 2。 图 3 孟巴煤矿Ⅵ煤层等厚线图单位m Fig.3 Thickness contour of Ⅵ coal seam in Barapukuria mine 图 4 孟巴煤矿主要断层分布图 Fig.4 Main faults in Balapukuria coal mine 表 2 断层参数表 Table 2 Fault parameters table 序号名称性质 倾角/ 落差/m 控制情况 1 Fa 正 75 ＞200 DOB7钻孔 2 Fb 正 75 040.0 CSE2、DOB8钻孔 3 Fb1 正 75 016.0 CSE3钻孔 4 Fi 正 75 014.0 DOB5钻孔 5 F31 正 75 07.0 1111联巷 6 F32 正 75 015.0 1111轨道顺槽 7 F33 正 75 05.0 1111轨道顺槽 8 F34 正 80 09.0 1111切眼 9 F35 正 75 015.0 1114轨道顺槽 10 F36 正 80 014.0 1114轨道顺槽 11 F37 正 70 4.0 1114轨道顺槽 12 F38 正 75 010.0 1116轨道顺槽 孟巴煤矿构造极为发育， 已探明 43 条断层均为 正断层，导致地层中裂隙分布密集，为煤层含水提 供了较好的裂隙空间。从宏观层面来看，构造发育 且裂隙密集的Ⅵ煤层具备较好的储水条件。 2.2 储水结构分析 由煤体的宏观和微观结构分析可知，孟巴煤 矿Ⅵ煤为典型的裂隙介质体，具备透水地层的条 件。然而，根据含水层的概念，含水层不仅应具 备透水特性，还应存在于一定的地质结构下，具 备储水性。一般情况下，储水地质结构包括 2 种 基本类型① “透水含水隔水”类型；② “隔 水含水隔水”类型。只有在透水层下部存在隔 水地层时才能保证地下水不会流失，形成具有储 水能力的含水层[8]。 通过分析孟巴煤矿的水文地质条件，可知Ⅵ煤 底板地层中发育有泥岩和冰碛砾岩。冰碛砾岩厚度 为 32.1584.50 m，由沉积岩、火成岩和变质岩块及 砂泥质碎屑组成。据原位注水试验结果，冰碛砾岩 渗透系数为 0.000 60.001 m/d，为相对隔水层。Ⅵ 煤顶板为厚层砂岩，岩性以中粗砂岩、含砾粗砂岩为 主，砂岩中普遍发育高角度张性裂隙。据抽水试验成 果，该含水层段单位涌水量为 0.0080.315 L/sm，渗 透系数为0.0050.938 m/d，为富水性弱中等的含水层。 综上所述，Ⅵ煤顶板为具有一定渗透性能的砂 岩含水层，底板为泥岩和冰碛砾岩为主组成的隔水 层，总体地层结构为“透水含水隔水”类型，具 备含水层应有的储水地质结构。其储水地质结构模 型如图 5 所示。 2.3 补给水源分析 煤体成为含水层的第三个重要条件为具有稳定 的补给水源。 ChaoXing 第 3 期 王皓 含水煤层水害形成机理及防治技术 121 图 5 储水地质结构模型 Fig.5 Hydrogeological conceptual model 孟巴井田主要由 Barapukuria 向斜形成一级控 煤构造，Ⅵ煤在井田北、西、南部与第四系 UDT 含 水层呈不整合接触，东部受 Fa 断层影响。 a. UDT 含水层对Ⅵ煤补给条件分析 孟巴井田 LDT 隔水层厚度 086.64 m，平均 29.31 m，由北向南逐渐增厚，井田北部 LDT 缺失， UDT 直接覆盖在Ⅵ煤之上，形成Ⅵ煤补给边界。 Barapukuria向斜是井田范围内最主要的地质构 造， 其发育形态控制地层起伏与地下水补径排条件， 其也对Ⅵ煤层含水起到重要作用[9] 补给断面增大 井田北部补给区域Ⅵ煤层受 Barapukuria 向斜影响后呈倾斜状态，使煤层与上覆 UDT 含水层间的补给过水断面增大，增加 UDT 对 Ⅵ煤的补给强度。 风化带渗透性加强 向斜构造形成后，经风化、 剥蚀、 再沉积过程， 与上覆 UDT 地层呈角度不整合。 井田北部补给区域为向斜构造转折扬起端，风化带 保留厚度小、 淋滤作用强烈、 渗透性强， 有利于 UDT 含水层对下伏地层补给。 b. Ⅵ煤顶板含水层对Ⅵ煤补给条件分析 由于该含水层直接覆盖于Ⅵ煤之上，在煤层开 采疏水条件下对下部Ⅵ煤具有垂向补给作用。结合 井田内断层、裂隙等构造发育情况，高角度裂隙容 易形成水流优势通道，使含水层水对煤层宏观和微 观裂隙可进行补给。 采用水力连通试验对Ⅵ煤顶板砂岩含水层和Ⅵ 煤含水层水力联系进行研究。布设抽水主孔 CSE20 对Ⅵ煤抽水，观测孔 CSE19 进行Ⅵ煤顶板砂岩含水 层水位观测，钻孔间距 230 m。水力连通试验成果 曲线如图 6 所示。 图 6 水力连通试验成果曲线图 Fig.6 Results curve of hydraulic connected test 由此表明，Ⅵ煤抽水过程中Ⅵ煤顶板砂岩含水 层水位变化明显，表明Ⅵ煤与顶板砂岩含水层水力 联系极为密切， Ⅵ煤受顶板砂岩含水层水补给明显。 由此可知，孟巴井田范围内Ⅵ煤含水层同时 受到 UDT 强含水层和顶板砂岩含水层水补给，由 于 Barapukuria 向斜构造和大量断裂构造的影响， 含水层补给强度加强，使得Ⅵ煤具有较好的补给 条件。 2.4 机理分析 通过对Ⅵ煤的储水空间、储水结构和补给水源 综合分析，孟巴井田Ⅵ煤具有形成含水层的良好条 件巨厚煤层裂隙结构具有一定的储水空间，透水 含水隔水形式满足含水层形成的地质条件，受 地质构造影响Ⅵ煤具有良好的补给条件，因此，井 田范围内Ⅵ煤层形成了有一定富水性的含水层 图 7。据井田内Ⅵ煤层抽水试验成果，Ⅵ煤含水层 单位涌水量为 0.0360.060 L/sm， 渗透系数 0.710 0.786 m/d，属弱富水含水层。 图 7 Ⅵ煤含水层形成机理示意图 Fig.7 Aquifer ation mechanism of Ⅵ coal seam ChaoXing 122 煤田地质与勘探 第 47 卷 3 含水煤层开采防治水技术研究 煤炭是煤矿的开采对象， 只要开采到含水煤层， 势必会引发水害问题。通过分析Ⅵ煤含水层的形成 机理及各类水害治理技术的适用性，提出孟巴煤矿 含水煤层开采的水害防治思路为“疏”和“排”其中， “疏”是通过施工预疏放钻孔，最大程度预疏放含水 层内静储量，降低采掘过程中涌水强度；“排”是在 巷道掘进期间形成小角度上山巷道，实现煤层涌水 自然疏排。 以上 2 种防治水技术措施均是以矿井及工作面 建立完善、可靠的排水系统为前提，确保工作面及 矿井具备相应的防灾抗灾能力，满足采掘工作面最 大涌水量的排水需要，保证矿井安全、高效生产。 a. 煤层超前疏水技术 孟巴煤矿Ⅵ煤层厚度大，井下预疏放钻孔开孔 通常在煤巷内部，增加了常规钻孔施工过程中孔口 管固结难度。鉴于特厚煤层含水情况，可在合适的 位置施工井下长距离近水平超前定向钻孔，减少钻 孔数量及防水闸墙的修筑工作量[10]。 钻孔平面位置 定向探放水钻孔主要沿巷道掘 进方向布置，设计孔深可根据钻机实际能力进行确 定，钻孔施工过程中需把握好分支孔和主孔方位， 确保巷道掘进前方疏放水安全。定向疏放水钻孔平 面布设如图 8 所示。 图 8 定向疏放水钻孔布设示意图 Fig.8 Diagram of directional boreholes location 钻孔空间位置 定向钻孔空间轨迹布置在煤层 巷道掘进前方，主孔位置与巷道水平，可根据实际 情况布设顶板水探放分支孔。 钻孔参数设计 根据具体工作面煤层底板等高 线、工作面运输巷及回风巷实际掘进剖面图、边界 回风巷中相关测点，先计算出钻孔轨迹中每个控制 点和钻孔靶点的 X、Y 值和轨迹方位，根据顶板情 况计算出 Z 值和钻孔轨迹倾角，再根据每个控制点 和靶点的值，运用插值计算方法，设计中间点的各 参数值。 b. 煤层涌水自流排放技术 孟巴煤矿煤层特厚的天然条件为煤层涌水自流 排放技术措施的实现提供了先决条件。由于煤层受 到向斜构造影响，倾角为 530，具有上山掘进的 条件。对于煤层起伏较小的区域可通过人为控制巷 道起伏，实现掘进工作面涌水的自流排放。 由于煤体含水层补给条件较好，且厚度大， 部分断裂构造在该区域具有集中汇水的特点，容 易形成局部富水异常区域。若仅采用自然疏排的 防治水技术措施，在遇到局部强富水区域时易造 成构造突水事故。因此，特厚煤层含水的防治措 施应将超前疏放与自流排水结合起来，在超前疏 放水、削峰平谷的前提下，合理利用煤层起伏辅 助自然疏排。 4 结 论 a. 针对孟巴煤矿Ⅵ煤层含水的问题，从煤体微 观结构、宏观展布及井田水文地质条件综合分析， 认为Ⅵ煤为典型的裂隙介质体，为煤层含水提供了 较好的储水空间。 b. Ⅵ煤裂隙介质体赋存于“透水含水隔 水”的区域地质结构中，并受到上覆砂岩含水层和 UDT 含水层在“天窗”区域的稳定补给，使得Ⅵ煤形 成具有一定富水性的含水地层。 c. 针对含水煤层水害特点，提出其防治技术 措施主要为“疏”和“排”，疏水可采用长距离近水平 定向钻孔完成， 对煤层及顶板砂岩含水层进行超前 疏放，实现“削峰平谷”；同时结合特厚煤层的天然 优势，人为控制巷道坡度，实现工作面涌水的自流 排放。 参考文献 [1] 杨起，韩德馨. 中国煤田地质学[M]. 北京煤炭工业出版社， 1979261–268. [2] 郑世书，陈江中，刘汉湖，等. 专门水文地质学[M]. 徐州 中国矿业大学出版社，199996–103. [3] 李海龙，白海波，钱宏伟，等. 含水煤层底板岩层力学性质分 析 以小纪汗煤矿为例[J]. 采矿与安全工程学报， 2016， 333 501–508. LI Hailong，BAI Haibo，QIAN Hongwei，et al. Mechanical behavior investigation for floor rock stratum in the water-rich coal seam[J]. Journal of Mining Safety Engineering，2016， 333501–508. [4] 李顺才，李强，缪协兴，等. 小纪汗井田地层介质渗透特 性及煤层为主含水层成因机制[J]. 煤炭学报， 2017， 422 353–359. LI Shuncai，LI Qiang，MIAO Xiexing，et al. Experimental study on permeability properties of stratum medium of Xiao- jihan coal mine and genetic mechanism of the coal seam be- coming a main aquifer[J]. Journal of China Coal Society， ChaoXing 第 3 期 王皓 含水煤层水害形成机理及防治技术 123 2017，422353–359. 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