巴拉素煤矿2号富水煤层水理性质分析.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；陕西省自然科学基础研究计划资助项目（）作者简介：方刚（），男，陕西西安人，副研究员，博士，主要从事矿井水文地质及防治水方面的研究工作。引用格式：方刚 巴拉素煤矿 号富水煤层水理性质分析 能源与环保，（）：，（）：巴拉素煤矿 号富水煤层水理性质分析方刚，（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 ；陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 ；西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 ）摘要：陕北侏罗纪煤田榆横北区的巴拉素煤矿 号煤层水害严重威胁矿井安全。以区内巴拉素煤矿号富水煤层为研究对象，阐明了 号煤层水的赋存、运移形式。结合其他非富水煤层，即巴拉素煤矿 号煤层、大海则煤矿 号煤层，利用采样实验、数据分析等方法，通过对比研究水理性质，总结了各煤层的容水度、透水性、给水度和持水度特征。研究结果表明，巴拉素煤矿 号煤层水赋存于煤层内部发育的孔隙、裂隙中，随煤层起伏变化由高向低流动运移，并趋于稳定状态；在外部因素影响作用下，大量煤层水瞬间涌出。对比各煤层水理性质的主要参数，巴拉素煤矿 号煤层容水度比其他煤层大 ，渗透系数是其他煤层的近 倍，给水度比其他煤层大 ，而持水度小 。由此认为，巴拉素煤矿 号煤层具有良好的内部空间和通道，有利于地下水的存储和运移，且其煤层内部结合水含量少、重力水含量多，更有利于水体的释放流出，而其他煤层则不具备该条件。研究成果可为区内 号煤层富水机理研究提供理论依据。关键词：榆横北区；富水煤层；赋存运移形式；水理性质；巴拉素煤矿中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），；，；，）：（），年第 期方刚：巴拉素煤矿 号富水煤层水理性质分析第 卷 ：（）；陕北侏罗纪煤田是我国主要煤炭生产基地之一，其中，榆横北区正在逐步开发，区内分布有多个大型井工煤矿（井田面积均在 ），其煤炭资源量丰富、煤质优良 。但近些年在区内的多个矿井均发现其首采的 号煤层富（含）水，水害问题已严重威胁着矿井的安全生产工作 。目前，在区内发现的 号煤层富水具有不均一性，表现为相邻煤矿同一煤层（有的煤矿 号煤层不富水）及同一煤矿不同煤层（号富水煤层下伏的 号煤层不富水）的明显区别。经初步分析认为，巴拉素煤矿局部富水的 号煤层与其他区域非富水煤层存在较大的差异。因此，从煤层自身介质特征出发，分析煤层内部结构特征与地下水存储、运移之间的关系，可揭示富水煤层的特殊水理性质。煤层为特殊的有机地质沉积体，研究其水理性质可借鉴以往研究其他地层或含水层（体）的思路和方法。影响煤岩体内地下水存储、运移的因素较多，如煤岩体赋存环境、所处区域构造变化、外部因素带来的影响等，业内学者们对该领域也开展了诸多研究，相关研究成果等均可为本文的研究提供参考 。关于给水度的测定方法较多 ，如原样释水实验测定、非稳定流抽水试验、水量平衡法测定、数值法计算等。有学者 利用渗透仪实验获取渗透系数，以定量表征岩体的透水性；运用室内烘干测定干密度进行换算得到孔隙度，以反映岩体的容水性；采用室内筒测法，获取饱和煤岩体的给水性。苏悦等 根据煤层埋藏条件和水化学环境控制，分析溶滤溶解、交替吸附等作用在煤系含水层与地下水径流特征的关系；杨赫等 通过核磁共振法测试煤岩体内有效渗流通道；蒋长宝等 通过 扫描法、压汞法实验，发现饱水、干燥处理，均可促进煤体孔裂隙体积的进一步增大发育；陆小霞等 应用人工伽马、声波时差、自然伽马等测井曲线分析煤体结构；翟成等 研究发现，多次冻结融化能使煤体孔隙数量增加、尺寸变大、连通增强；李波等 研究发现，低温作用可导致煤体内部裂隙网络不断扩展演化；于岩斌等 发现水可产生应力腐蚀效应，使得受力煤岩体的相关力学参数降低；周晓华等 根据煤体吸水率、水渗透实验，将应力应变过程中煤体渗透率划分为 个阶段。综上所述，关于煤岩体水理性质的主要参数获取方法、煤岩体结构与水理性质的关系以及水岩关联耦合作用特征等方面的研究取得了一定的成果，但针对陕北侏罗纪煤田榆横北区内的 号富水煤层，该领域应开展的研究工作还有待继续完善。本文通过采样实验、数据分析等手段，诠释巴拉素煤矿号富水煤层特殊的水理性质，力求为矿井后期探索富水煤层的形成机理提供基础依据。研究区概况及背景巴拉素煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横北区内，矿井首采的 号煤层位于侏罗系中统延安组第三段上部，平均埋深 ，煤厚 。矿井在建设期间发现其 号煤层富（含）水（钻孔单孔涌水量约 ，水压约 ），但该煤矿北部相邻的大海则煤矿同时开采 号煤层，却未发现煤层富水情况；同时，在巴拉素煤矿 号煤层下伏约 的 号煤层（煤厚 ）也不含水 。对于巴拉素煤矿 号煤层特殊的富水情况而言，与上述非富水煤层相比，其煤层本身必然存在独特之处。因此，本文将对各煤层的主要水理性质进行对比分析，探究其富水煤层与其他非富水煤层的差异性。需要说明的是，在 水文地质学基础 中，关于容水度、含水量、给水度、持水度、透水性等基本参数，称为与水储容及运移有关的岩石性质 ；而在 工程地质学 中，关于水理性质的定义为岩土与水接触时，控制水分储存和运移的性质，包括岩土的容水性、持水性、给水性和透水性等 。由此可知，在不同的专业书籍或教科书中相应的概念说法类似，故在本文中所提及各煤层的水理性质即为煤层自身的容水度、给水度、持水度、透水性等参数。煤层水赋存运移形式 煤层水的赋存形式在早期水文补勘时，巴拉素煤矿曾对 号煤进行了多次抽水试验，抽水煤厚 ，水位埋深为 ，水位标高为 。但可能限于当时抽水试验的钻孔组与 号煤层富（含）水层大小局限、时空差距等因素，以及侏罗系含煤地层在区内普遍不均匀沉积的现象，导致获得的 号煤层单位涌水量为 （），渗透系数为 ，由 年第 期能源与环保第 卷此局限性地认为该 号煤层的富水性弱 。后期在井下实际揭露 号煤层时发现，该煤层局部极为富水，煤层水以液态水的形式赋存于煤层内部发育的孔隙、裂隙中，属地下水中的重力水。该煤层水与其他深埋于地下的含水岩层（组）内的承压水类似，具有承压性、非均质性和各向异性，受煤层产状、围岩富水特征、构造变化等因素的控制较为明显（图 ）。图 巴拉素煤矿 号煤层水赋存状态及形式 由矿井现场实际观测的煤层水赋存状态及形式可见，其地下水赋存载体 号煤层内的孔隙、裂隙较为发育，此类特殊的煤层结构影响、决定着煤层的水理性质，而水理性质的不同表现又控制着煤层的富水程度。煤层水的运移形式巴拉素煤矿 号煤层水在自然条件下基本孔隙、裂隙已达到饱和状态，当发生地质构造运动或外界干扰时，受静水压力作用影响，在煤层孔隙、裂隙中以水交替的形式进行运移。尤其在人为因素影响下，井下煤层被揭露后，由地应力作为主要原始动力源，将煤层孔隙、裂隙中的水压出，煤层水由承压状态转变为无压状态进行释放。由于 号煤层内部的孔隙、裂隙较为发育，水在煤层内的流动性相对较好，随着 号煤层的同层水沟通补给，煤层水沿着揭露面持续涌出（图 ）。影响含水层水运移能力的主要特征物理量有透水性、持水度和给水度。富水煤层主要水理性质巴拉素煤矿 号煤层作为特殊的富水介质，地下水如何在其内部进行存储、运移，与煤层的相关水理性质密切相关。该煤层特殊的内部孔隙、裂隙结构为地下水存储、运移提供了良好的空间和通道，各主要物理参数也区别于其他非富水煤层。通过相关实验，获取巴拉素煤矿 号、号煤层及大海则煤矿 号煤层的容水度、渗透系数、给水度、持水度等数据，分析差异、总结特征。为了证明图 巴拉素煤矿 号煤层水运移状态及形式 各煤层之间水理性质的普遍性差异，且最大限度地覆盖研究范围，在巴拉素煤矿和大海则煤矿井下，对不同煤层在平面上广布的位置分别取 组煤样，各取样点间距 。容水度富水煤层的孔隙度、裂隙率在控制其内部存储水体方面起到关键性的作用，而煤层能够存储水量的空间大小取决于其特殊的水理性质，一般由容水度（）来表征。容水度是指岩石孔隙、裂隙完全饱水时所能容纳水的最大水体积与岩石总体积的比值 。岩石的孔隙体积愈大，则容水度愈高。实验表明，巴拉素煤矿 号煤层和大海则煤矿号煤层的容水度相对均较小，主要分布在 左右，说明其煤层内孔裂隙的体积空间较小，煤层空间内难以容纳一定量的地下水。相比之下，巴拉素煤矿 号煤层的容水度远远大于上述 个煤层，其容水度主要分布在 以上，说明巴拉素煤矿 号煤层内部的孔隙空间相对较大（相差 ），容水能力相对较强，其富水性也相对较好（图 ）。图 各煤层容水度分布 年第 期方刚：巴拉素煤矿 号富水煤层水理性质分析第 卷从煤层的孔隙度、裂隙率来看，巴拉素煤矿 号煤层的孔隙度在 ，平均 ；裂隙率在 ，平均 ；号煤层的孔隙度在 ，平均 ；裂隙率在 ，平均 ；大海则煤矿 号煤层孔隙度在 ，平均 ；裂隙率在 ，平均 。各煤层裂隙率计算结果源于井下剖面实际读取，如图 所示。结合各煤层的容水度进行相关性分析，发现煤层的孔隙度、裂隙率均与其容水度存在一定的相关性，但也有复杂性和多变性。图 各煤层裂隙率与其容水度对比 由图 可看出，较其他煤层而言，巴拉素煤矿 号煤的裂隙率与其容水度呈正相关，且均大于其他煤层相关参数，说明其裂隙空间更有利于存储水；而其他煤层的内部空间相对有限，分析认为其储水能力相对较差。透水性岩石透水性是指岩石允许水透过的能力 。表征岩石透水性的定量指标是渗透系数（），它是单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过空隙骨架的难易程度，它与岩体自身的渗透率和流体的性质均有关系 。因此，针对各煤层的渗透系数进行分析研究。渗透系数一般可通过计算公式求得：（）。其中，为渗透系数；为渗透流量；为测压管之间的试件高度；为煤样面积；为水位差；为测量时间。通过计算可以得到各煤层的渗透系数，发现巴拉素煤矿 号煤层渗透系数约为 ，号煤层和大海则煤矿 号煤层渗透系数约为 （图），说明巴拉素煤矿 号煤层内的地下水较其他 个煤层更易运移流动，其孔隙的连通性相对较好（数据相差近 倍）。因此，巴拉素煤矿 号煤层相对更易富集流动地下水。图 各煤层渗透系数分布 给水度与持水度由前文可知各煤层的透水性，煤层透水性主要决定着其内部水的运移特征，而煤层水能否自由运移取决于其特殊的水理性质，一般由给水度（）和持水度（）这些参数来表征 。给水度（）主要指饱和岩土体在重力作用下自由排出水的体积与岩土体总体积之比 。给水度不仅取决于岩土孔隙度的绝对值，还与孔径大小及孔隙连通情况有关。孔隙度大、孔径大、孔隙连通情况好的岩土体，给水度就大。在重力作用下岩体仍能保持的水的体积与岩石体积之比，为岩体的持水度（）。在重力作用下饱和岩体释水时，一部分水会从孔隙中流出，而另一部分仍保持在孔隙中（为不受重力影响的结合水、毛细水），岩体孔隙表面面积越大，此类非重力水含量越大，持水度也越大。通过实验可知，巴拉素煤矿 号煤层和大海则煤矿 号煤层的给水度均相对较小，平均 ，说明其煤体内部各孔隙连通性相对较差，富水性也相对较差。相比之下，巴拉素煤矿 号煤层的给水度最大（平均 ，比其他煤层高 ），说明该煤层内部孔隙连通性最好，地下水可在煤层内顺畅地流动运移，如图 所示。各煤层持水度分布如图 所示。由图 可知，大海则煤矿 号煤层和巴拉素煤矿 号煤层的持水度均比巴拉素煤矿 号煤层高，说明这两个煤层的毛细水、结合水含量相对较高（持水度平均 ），不易在孔隙中进行运移流动。因此，大海则煤矿 号煤层和巴拉素煤矿 号煤层的富水性均相对较弱。巴拉素煤矿 号煤层的持水度均在 以下（平均 ，比其他煤层低 ），孔隙内部 年第 期能源与环保第 卷图 各煤层给水度分布 存在少量死孔、孔隙毛细水、结合水，煤层内的水多以重力水形式进行运移流通，故其富水性相对较强。图 各煤层持水度分布 采用回归分析法对各煤层给水度、持水度与渗透系数的相关关系进行了研究，如图 、图 所示。图 给水度与渗透系数相关性 由图 、图 可以看出，各煤层给水度、持水度与渗透系数具有一定的线性相关关系，通过回归分析发现，分别为 和 ，说明趋势线基本可靠。认为各煤层内部结构特征造成其给水度、持水度与渗透系数之间存在个体不一致性，但各自参数关系反映的整体趋势较为明显。研究发现，煤层的渗透系数与其给水度呈正相关，与其持水度呈负相关。进一步说明煤层给水度的增加将有助于其内部重力水的运移活动，反之，煤层持水度的增加将抑制其内部重力水的运移活动。图 持水度与渗透系数相关性 结论（）通过各煤层的容水度、透水性实验发现，巴拉素煤矿 号煤层的容水度相对最大，渗透系数约为其他煤层的 倍；煤层内发育的孔裂隙更有利于水体的存储，且连通性较好，地下水更易流动运移。（）由各煤层的给水度和持水度实验结果分析，巴拉素煤矿 号煤层的给水度相对最高、持水度相对最低，认为该煤层内部的死孔较少，地下水主要以重力水为主，自由流动性强。（）通过对各煤层主要水理性质研究发现，巴拉素煤矿 号煤层内部空间发育、连通性好，具有易存储和释放重力水的性能，为煤层水的形成、发展提供了介质基础。参考文献（）：侯光才，张茂省，刘方，等 鄂尔多斯盆地地下水勘查研究 北京：煤炭工业出版社，顾大钊，李井峰，曹志国，等 我国煤矿矿井水保护利用发展战略与工程科技 煤炭学报，（）：，（）：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 煤炭学报，（）：，年第 期方刚：巴拉素煤矿 号富水煤层水理性质分析第 卷 ，（）：方刚 富水煤层巷道掘进探放水技术应用研究 能源与环保，（）：，（）：方刚，刘柏根，靳德武，等 穿越富水煤层段井巷防治水技术研究 煤炭科学技术，（）：，（）：王大纯，张人权，史毅虹，等 水文地质学基础 北京：地质出版社，贺瑞霞，高均昭，余闯 工程地质学 北京：中国电力出版社，：，（）：盛冲，许鹤华，张云帆，等 钙质砂水理性质及对岛礁淡水透镜体形成的影响 吉林大学学报（地球科学版），（）：，（），（）：戴长雷，常龙艳，孙思淼，等 寒区冻土层水理性质研究 黑龙江大学工程学报，（）：，（）：，苏悦，许光泉，魏健，等 顾北煤矿煤系砂岩裂隙水水文地球化学特征及其成因分析 矿业安全与环保，（）：，（）：杨赫，程卫民，刘震，等 注水煤体有效渗流通道结构分形特征核磁共振试验研究 岩土力学，（）：，（）：蒋长宝，刘晓冬，魏皑冬，等 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