含水煤层水害形成机理及防治技术

王 皓



含水煤层水害形成机理及防治技术

王 皓1,2

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 陕西省煤矿水害防治重点实验室，陕西 西安 710077)

在煤炭开采过程中，煤层常被视作隔水或弱透水地层。然而，孟加拉国巴拉普库利亚煤矿(简称孟巴煤矿)主采的Ⅵ号煤层平均厚度为33 m，富水性较强，开采过程中多次突水，表现出煤层成为含水层的特殊水文地质现象，与我国东北、西北侏罗纪煤田局部地区出现的煤层含水现象类似。综合分析了煤层空隙特征、储水结构及地下水补给条件这3项含水层形成的必备要素，揭示了孟巴煤矿特厚煤体含水层的形成机制。从煤体的微观结构、物理力学性质及区域构造发育特征着手，对煤体是否具有储存地下水的空间进行了研究；结合室内岩石渗透性测试及现场大型抽水试验，分析了煤层顶、底板岩层的透水/阻水特性，对煤层是否具备含水层的储水结构进行了研究；采用水力连通试验等手段，查明了特厚煤体含水的主要补给水源。研究表明，有机质的煤化作用和后期地层应力作用，使得煤体自身结构存在大量的含、导水裂隙，在具备较好的补给条件并满足含水层储水结构的情况下，煤体可成为含水地层。针对煤体含水层的水害特点，提出特厚含水煤层“疏”、“排”结合的水害防治技术，为煤体含水地区煤矿安全开采提供技术支撑。

厚煤层；煤体含水层；形成机制；水害防治

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)

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、Ⅰ—Ⅴ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 Tila(LDT)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50 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

由测试结果可知，煤层在小围压(1.5 MPa)条件下渗透率为2.17×10-16m2，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

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。

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21.25~42.37 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)

图4 孟巴煤矿主要断层分布图

表2 断层参数表

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32.15~84.50 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 6~0.001 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0.008~0.315 L/(s·m)，渗透系数为0.005~0.938 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。

图5 储水地质结构模型

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0~86.64 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

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0.036~0.060 L/(s·m)，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

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

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、值和轨迹方位，根据顶板情况计算出值和钻孔轨迹倾角，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5°~30°，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。

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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，江苏连云港人，博士，硕士生导师，副研究员，从事水文地质与矿井水害防治方面的研究. E-mail：wanghao@cctegxian.com

王皓. 含水煤层水害形成机理及防治技术[J]. 煤田地质与勘探，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

国家重点研发计划项目(2017YFC0804102)

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

(责任编辑 周建军)