巴彦高勒煤矿多相变沉积条件下煤层顶板含水层富水性特征_王永国.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY 2. Geophysical Prospecting and Surveying Team of Shandong Coal Geology Bureau, Jinan 250104, China; 3. Shandong Energy Zibo Mining Group Co. Ltd., Zibo 255000, China Abstract Based on the study of regional hydrogeological conditions, combined with hydrogeological supplemen- tary exploration and previous exploration results, the geological conditions of mining area, mine and first mining area are further studied, with emphasis on the sedimentary conditions, sedimentary environment, porosity perme- ability, roof hydrochemical characteristics of Yan’an ation and Zhiluo ation which are directly wa- ter-filling aquifers in the mine. The characteristics of overburden structure and water enrichment characteristics of roof aquifer under multi-facie sedimentary conditions in Bayangaole mine are uated. The results show that the aquiferous sandstone is distributed in bands, and the water abundance of aquifer is uneven due to the influence of sedimentary environment, mainly with static groundwater storage and limited dynamic storage. The results provide basic basis for roof water drainage and development characteristics of water-conducting fractured zone. Keywords multi-facie deposition; porosity; permeability; water enrichment of roof; Bayangaole coal mine 巴彦高勒煤矿主采的 3-1 煤层直接充水含水层 为顶板延安组和直罗组砂岩含水层。 矿井主要水害威 胁为顶板水， 充水通道为采动造成顶板覆岩破坏而形 成的导水裂缝带。 目前， 针对顶板含水层富水性分析 及防治方面开展了大量的研究，在富水性特征[1-3]、 评价方法[4-8]、突水危险性分析[9-10]、防治技术[11-13] 等方面，研究成果丰富；部分学者针对沉积条件对顶 板富水性的影响和分析也进行了相应的研究， 刘基等[1] 分析了红庆河煤矿煤层顶板的沉积相和砂体展布规 律， 利用 AHP 和 GIS 相结合的方法进行了顶板含水 层富水性分区；方刚等[2]通过沉积规律研究煤层顶 板主要含水层特征及其富水性规律，并进行富水性 分区；赵峻峰[3]利用含水层沉积和构造特征分析，采 用灰色关联度对含水层富水性进行了研究；黄浩[5] 利用地层沉积控水分析，提出针对顶板含水层采用 关键层位和层段进行疏水的防治方法。 ChaoXing 增刊 1 王永国等 巴彦高勒煤矿多相变沉积条件下煤层顶板含水层富水性特征 57 多相变沉积条件下的顶板含水层富水性发育 规律尚处于研究初级阶段。在巴彦高勒矿区，多相 变沉积条件下的顶板含水层研究以及富水性分区 研究尚未形成公认、统一的认识，且未开展过类似 的研究工作。因此，研究巴彦高勒煤矿 3-1 煤层多 相变沉积条件下的顶板含水层富水性及分区特征 规律，对于解决矿井防治水安全、优化井下探放水 工程与水资源保护，均具有重要的意义和实用价 值。本文从沉积特征、孔隙度、渗透率、顶板水化 学特征等方面， 对多相变沉积条件下顶板含水层特 征进行了研究， 为矿井疏排水方案设计提供了理论 支撑及数据参考。 1 地质概况 1.1 矿井水文地质条件 巴彦高勒煤矿隶属于乌审旗呼吉尔特勘查区， 位于鄂尔多斯侏罗系煤田的南部。矿井内主要含水 层包括第四系松散层Q潜水含水层、白垩系下统 志丹群K1zh孔隙承压含水层、侏罗系安定组J2a 含水层、侏罗系直罗组J2z含水层、侏罗系中下统 延安组J1-2y碎屑岩类承压含水层和三叠系上统延 长组T3y碎屑岩类承压含水层图 1。 图 1 煤层顶板含水层相对位置示意图单位m Fig.1 Diagram of relative position of coal seam roof aquifers 1.2 矿井沉积条件 巴彦高勒煤矿主采煤层顶板覆岩主要为河流相 沉积。 在延安组三段时期， 区域内进入退覆充填沉积， 3-1 煤沉积之后主要发育三角洲平原亚相，以分流河 道微相、分流河道间、天然堤及沼泽微相为主，发育 2 煤组，后期河流作用加强，形成曲流河沉积，河道 砂坝和河漫滩微相发育。 受到燕山运动的影响， 地层 整体抬升， 将延安组三段部分剥蚀。 直罗组沉积时期， 区域内主要发育河流相沉积， 尤其以曲流河为主； 底 部发育辫状河， 向上变为曲流河沉积。 多种复杂沉积 相作用， 造成煤层顶板覆岩多沉积旋回， 岩层槽状交 错、平行、冲刷面等层理较多，岩层间不整合接触带 较为发育。 复杂沉积环境造就复杂的岩相古地貌， 同 样导致了煤层顶板覆岩结构的复杂性。 根据矿井水文地质条件分析，巴彦高勒煤矿回 采 3-1 煤时的直接充水水源为煤层顶板的延安组三 段和直罗组砂岩含水层，本文从沉积相角度对含水 层砂体发育规律及其富水性特征进行分析。 2 多相变沉积条件下顶板含水层沉积特征 2.1 沉积相特征 研究区延安组三段和直罗组下部主要为河流相 沉积， 河道砂坝呈NE–SW向和NW–SE向带状展布， 砂体的分布严格受河道沉积控制。 a. 延安组三段 延安组第三段发育于三角洲平原沉积时期，研 究区发育有两条古河道，沉积微相以分流河道、漫 滩沼泽为主。第一条古河道位于井田西北角，第二 条古河道是区内古河道规模最大的一个， 河床宽缓， 约占井田面积的二分之一，展布方向与第一条河道 相同，呈 NNE–SSW 纵贯全区。在两条古河床发育 区域，延安组含水层富水性较强；在河漫滩发育区 域，延安组含水层富水性相对较弱。 b. 直罗组下部 直罗组下部主要为曲流河沉积，局部表现出辫 状河的特征，沉积亚相有河床和河漫滩。其中，古 河床亚相呈 NNW–SSE 向展布于井田三个条带第 一个古河床发源于井田西北部；第二个古河床位于 井田中部；第三个古河床位于井田东北部，河道中 心与第二个古河床平行；第三条河床的东部区域全 部为河漫滩沉积。根据直罗组一段砂体厚度等值线 分布规律图 2，砂体厚度较大的区域呈条带状展 布，受河流相沉积控制；在古河床发育的区域，直 罗组含水层富水性较强，在河漫滩发育的区域，直 罗组含水层富水性较弱。 通过对井田范围内延安组和直罗组地层沉积相 的分析， 确定了井田范围内古河床及砂体发育特征， 为矿井今后的防治水工作提供了重要的参考依据。 2.2 水文地质参数特征 沉积环境是影响砂岩储集性能的地质基础，决 定岩石的碎屑组分、杂基含量、沉积构造等以及后 期成岩作用类型和强度，进而影响储层的原始孔隙 度、渗透率。 采集巴彦高勒煤矿延安组三段、直罗组一段砂 岩样品进行测试分析。孔隙度、渗透率测试统计结 果图 3表明， 延安组三段孔隙度为 1324.9， 渗 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 2 直罗组一段砂体厚度平面示意图 Fig.2 Plan of the sand body thickness of the member 1 of Zhiluo ation 透率为1.631 61010–3 μm2；直罗组一段孔隙度为 8.726.8，渗透率为0.2392010–3 μm2；直罗 组二段孔隙度为 15.124.6，渗透率为1.73 26510–3 μm2。总体上，煤层顶板地层中延安组三 段孔渗条件优于直罗组一段，直罗组一段优于直罗 组二段。 研究区渗透率与孔隙度呈线性正相关关系， 即砂岩孔隙度越高，渗透率同样也越大图 3；孔隙 度与含水率之间存在一定的负相关关系图 4， 即砂 岩孔隙率越高，含水率越低。 图 3 孔隙度、渗透率柱状图 Fig.3 Histogram of porosity and permeability 3 顶板含水层富水性特征 3.1 含水层厚度大、水压高 利用勘探及补勘阶段施工的钻孔资料， 统计 3-1 煤顶板延安组和直罗组含水层水位标高及含水层厚 度数据表 1。 图 4 砂岩孔隙度与含水率关系图 Fig.4 Relationship between porosity and water-bearing property of sandstone 表 1 巴彦高勒煤矿煤层顶板含水层水文地质参数 Table 1 Statistical table for water-filled aquifers exposed by boreholes 含水层孔号 孔口标 高/m 水位 标高/m 水压/ MPa 含水层 厚度/m S12-1 1 267.59 1 262.58 5.5421.59 S8-2 1 270.08 1 261.95 5.1720.72 S1-2 1 277.95 1 264.33 5.3768.78 S5-1 1 275.78 1 266.93 5.4954.73 直罗组 J2z WJ10 1 276.10 1 253.10 5.4768.58 WJ07 1 275.90 1 269.6 5.7491.07 WS07 1 268.56 1 244.56 5.9683.65 J1 1 269.14 1 266.17 5.9745.12 S5-2 1 275.60 1 260.06 6.0862..93 S8-3 1 271.05 1 232.12 5.4449.61 S5-1 1 275.78 1 267.14 5.8697.91 S8-1 1 272.31 1 257.02 6.14117.04 3-1煤顶 板J1-2y S13-1 1 266.98 1 253.56 6.1085.12 ChaoXing 增刊 1 王永国等 巴彦高勒煤矿多相变沉积条件下煤层顶板含水层富水性特征 59 勘探阶段巴彦高勒井田直罗组一段含水层原始 水压力为 5.175.54 MPa；3-1 煤顶板含水层原始水压 力为 5.446.14 MPa， 总体上含水层水压高。 直罗组厚 度 21.5968.78 m；3-1 煤顶板含水层厚度为 45.12 117.04 m，表明受沉积影响含水层厚度差异较大。 3.2 含水层富水性呈条带状分布 巴彦高勒井田顶板砂岩含水层属于河流相沉 积，砂体厚度及展布规律受沉积相和沉积环境的影 响，存在明显的条带性。同样地，造成顶板含水层 富水性及富水异常区在平面上的分布规律同样存在 条带性图 1。 3.3 砂岩含水体层水力联系较弱 依据在工作面不同地段进行疏放水过程中其他 条带砂岩的水位变化情况可知，不同条带砂体含水 层区段之间水力联系较弱。 矿井 311101 工作面物探结果显示，顶板存在 4 个 1 号4 号富水性异常区段图 5，1 号富水异常区距 2 号富水异常区约 500 m；3 号富水异常区距 4 号富水 异常区约 400 m。对顶板含水层进行预疏放发现，1 号 富水异常区疏放水未影响到 2 号、3 号富水异常区；1 号、 2 号和 3 号富水异常区疏放水未影响到 4 号富水异 常区。因此，每个富水异常区内部水力联系较强；但 不同富水异常区之间含水区段水力联系较弱。 图 5 311101 工作面探放水钻孔终孔水量 等值线图单位m3/h Fig.5 Contour map of the water volume of final hole in working face 311101 3.4 顶板含水层区域上以静储量为主 通过矿井勘探及回采期间揭露的钻孔水文、水 化学以及顶板含水层疏放资料分析，煤层顶板主要 含水层水量以静储量为主。 a. 煤层顶板主要含水层之间水力联系较弱 根据观测孔水位观测数据， 绘制 311101 工作面 回采过程中各含水层水位变化曲线，如图 6 所示。 在 311101 工作面回采过程中， 第四系含水层观测孔 S12-1、白垩系含水层观测孔 S8-2 和位于 12 盘区的 延安组含水层观测孔的水位几乎没有发生变化；位 于 11 盘区的 3-1 煤顶板含水层观测孔 S5-4 和 S1-1 水位下降明显。表明矿井回采涌水主要来源于 3-1 煤顶板延安组砂岩含水层，第四系和白垩系含水层 水与矿井直接充水含水层无水力联系。含水层水位 下降快，水量衰减明显，直接充水含水层水量在区 域上以静储量为主。 图 6 311101 工作面回采过程中观测孔水位变化曲线 Fig 6 Variation of water table in observation hole during ex- traction in working face 311101 b. 含水层及采空区水化学特征明显 统计巴彦高勒煤矿对勘探和补勘钻孔水、顶板疏 放钻孔水以及采空区水等水样的水化学测试结果，对 煤层顶板含水层 pH、 矿化度、 水质类型进行综合分析， 煤层顶板主要含水层水化学特征明显图 7图 9。 第四系和白垩系含水层水 pH 在 7.6 以下；直罗 组和延安组水 pH 在 8.0 及以上；采空区水 pH 为 8.0， 因此，采空区水更接近直罗组和延安组水图 7。 第四系和白垩系含水层水矿化度值一般在 500 mg/L 以下；直罗组和延安组含水层水矿化度值 均在1 000 mg/L以上； 采空区水矿化度值为1 239.8 2 878.9 mg/L，平均矿化度为 1 978.9 mg/L，更接近 直罗组和延安组含水层水，如图 8 所示。 第四系含水层水水化学类型为 HCO3-NaMg 型、 HCO3-CaMg 型和 HCO3-Ca 型；白垩系含水层水水化 学类型为 HCO3Cl-NaCa 和 HCO3Cl-Ca 型；直罗组 含水层水水化学类型为 SO4-Na 和 SO4 HCO3-Na 型； 3-1 煤顶板延安组砂岩含水层水水化学类型为 SO4-Na 和 SO4-NaCa 型；采空区水化学类型更靠近直罗组和 煤层顶板水图 9。 图 7 各含水层水 pH 值对比图 Fig.7 Comparison of water pH values of different aquifers ChaoXing 60 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 8 各含水层水矿化度对比图 Fig.8 Comparison of water salinity of different aquifers 图 9 各含水层水及采空区水水化学 Piper 图 Fig.9 Hydrochemical Piper chart of aquifer water and goaf water 巴彦高勒煤矿不同含水层之间水化学特征差异 明显，矿井采空区涌水来源主要为直罗组和延安组 含水层水，上述含水层与地表水以及志丹群组含水 层基本无水力联系。 4 结 论 a. 矿井直接充水含水层的砂体发育受沉积相 展布控制，呈条带状分布；且其渗透率和孔隙度等 水文地质参数同样受沉积环境影响。 b. 3-1 煤顶板直接充水砂岩含水层具有厚度大、 水压高，富水性极不均一，在平面上受沉积控水影 响呈条带分布，砂体间水力联系弱，动态补给量有 限等特征。 c. 从沉积分析的角度对煤层顶板覆岩结构进 行精细划分，基于多相变沉积条件下顶板含水层沉 积规律及顶部含水层富水性特征分析，为含水层富 水性研究提供一种新的方法。 参考文献 [1] 刘基， 杨建， 王强民. 基于沉积规律的煤层顶板含水层富水性 研究[J]. 煤矿安全，2018，49169–72. 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