基本介紹
概念,鄂爾多斯盆地第二岩段頂部煤層煤相特徵分析,地質背景,煤層煤岩學特徵,煤層煤相分析,結論與認識,利用分段壓水對煤層頂部隔水層進行評價,研究背景,研究區主採煤層頂板發育情況,高壓壓水試驗原理,試驗結果綜合分析,
概念
頂部煤層處於煤礦頂部的組成部分，按地理位置劃分。頂部煤層由岩石組成來劃分一般分為三種：（1）偽頂：緊貼煤層之上的，極易隨煤炭的采出而同時垮落的較薄岩層，厚度一般為0.3～0.5m，多由頁岩、炭質頁岩等組成；（2）直接頂：直接位於偽頂或煤層（如無偽頂）之上岩層，常隨著回撤支架而垮落，厚度一般在1～2m，多由泥岩、而岩、粉砂岩等較易垮落的岩石組成；（3）基本頂：又稱為老頂，是位於直接頂之上或直接位於煤層之上（此時無直接頂和偽頂）的厚而堅硬的岩層。常在採空區上方懸露一段時間，直到達到相當面積之後才能垮落一次，通常由砂岩、礫岩、石灰岩等堅硬岩石的組成。
鄂爾多斯盆地第二岩段頂部煤層煤相特徵分析
地質背景
鄂爾多斯盆地東北部在延安組沉積時期的聚煤作用受古地理和古構造等因素制約。從古構造條件看，古構造運動總體表現為基底穩定下沉，隨著盆地主體不斷沉降，其接受了延安組含煤岩系的沉積，煤層聚積在盆地古斜坡部位。從古地理條件看，礦區為辮狀河體系、河流體系、淺湖及三角洲體系，以及由其演化的沼澤及泥炭沼澤相，煤層富集在砂體外側。鄂爾多斯盆地東北部延安組第二岩段在沉積時期以三角洲沉積體系為主，三角洲分布範圍較廣。廣闊的三角洲平原為大面積聚煤提供了良好的沉積場所，該地層中富煤帶在分流河道中厚砂體的分布範圍內，煤層相對較薄；在分流間灣環境中，煤層發育較好。對於該區延安組第二單元頂部煤層煤相研究，對於了解成煤環境和成煤古氣候具有重要意義。
煤層煤岩學特徵
（1）巨觀煤岩特徵
鄂爾多斯盆地東北部延安組第二岩段頂部煤層煤樣品均為黑色，瀝青和弱瀝青光澤，半堅硬，階梯狀-參差狀斷口，多為條帶狀、線理狀結構，層狀、塊狀構造。巨觀煤岩類型以暗淡型為主，次為半暗型煤，光亮型煤少見，煤岩外生裂隙較發育，充填為方解石或黃鐵礦。從煤岩類型上看，延安組第二岩段頂部煤層形成時期賦水較淺，凝膠化作用不強烈，氧化作用較強，所以多以半暗煤和暗淡煤為主。
（2）顯微煤岩類型
延安組第二岩段頂部煤層顯微煤岩組分以鏡質組與惰質組為主，兩者總含量超過95%，顯微煤岩類型以微鏡惰煤和微惰鏡煤為主。鏡質組含量中等,總體在40%-60%，鏡/惰比在0.8-1.2之間，與巨觀觀察的該煤層以半暗煤和暗淡煤的特徵相吻合，鏡質組含量不高表明沉積時期泥炭沼澤賦水不深，凝膠化作用中等，並且其他礦物含量較少，表明沉積時環境穩定，受到河流與地下水等外來影響較小。
煤層煤相分析
（1）結構保存指數（TPI）和凝膠化指數（GI）
通過對樣品的顯微組分鑑定，計算出結構保存指數（TPI）、凝膠化指數（GI），進行相圖投點，得出TPI-GI相圖。從相圖中可知，TPI大於1，表示成煤植物中木本植物比草本植物的比例大。煤樣參數點均落在潮濕森林沼澤相和乾燥森林沼澤相中，並且多數在潮濕森林沼澤相與乾燥森林沼澤相的交界處，說明當時聚煤條件屬於乾燥-潮濕的森林沼澤環境，這一點與前人關於延安組聚煤氣候屬於早期相對乾燥，中期較為濕潤，後期乾燥現象更加明顯的研究結果相吻合，研究區延安組第二單元頂部煤層就屬於延安組沉積期的中後期，由濕潤向乾燥環境變化過渡的階段。
（2）顯微組分組合與礦物質含量ABC三角圖
本次顯微組分組合與礦物質含量統計計算，採用Obaje和Ligouis（1996）關於ABC相圖計算公式,以便於充分利用現有顯微煤岩組分定量統計國家標準測定的顯微組分類型。ABC三角相圖從另外一個角度反映出沼澤水文條件和植被特徵。樣本落點表現為：湖沼相（水下草本植物為主）全部低於20%，湖沼-淺沼相低於40%， 淺沼相大於60%，表明以位於高水位與低水位之間的淺沼環境為主。
結論與認識
通過研究得出以下結論和認識：
（1）鄂爾多斯盆地東北部延安組第二單元頂部以半暗型和暗淡型煤構成煤層的主要部分，煤層樣品多為黑色，瀝青-弱瀝青光澤，半堅硬，階梯狀-參差狀斷口，多為條帶狀、線理狀結構，層狀、塊狀構造。顯微組分定量分析顯示，本次煤樣顯微組分統計殼質組幾乎不可見，主要以鏡質組和惰質組為主，含量均在40%-60%，與巨觀煤岩特徵觀察相符，屬半暗-暗淡型煤，絲炭含量較高。
（2）鄂爾多斯盆地東北部延安組第二單元頂部煤層沉積環境介於低位和高位之間的賦水較淺森林木本沼澤，煤層堆積方式為原地堆積，植物以木本為主，草本植物次之。
利用分段壓水對煤層頂部隔水層進行評價
研究背景
壓水試驗是用專門的止水設備把一定長度的鑽孔試驗段隔離出來，然後用固定的水頭向這一段鑽孔壓水，水通過孔壁周圍的裂隙向岩體內滲透，最終滲透的水量會趨於一個穩定值。根據壓水水頭、試段長度和穩定滲入水量，可以判定岩體透水性的強弱。壓水試驗方法以往主要用於水利水電、壩基、隧道等工程地質勘查中，在煤層頂底板隔水層穩定性評價的套用很少。
在礦井兩個水文補勘鑽孔中對煤系頂板隔水層進行了常規和高壓壓水試驗，以了解岩體在不同的高壓水流作用下的透水性、變形方式，以及岩體裂隙對高壓水流長時間沖蝕作用的抵禦能力等。試驗表明，分段壓水試驗可為礦井煤層頂板隔水層穩定性評價提供科學依據，對查明礦區開採技術條件具有重要的意義。
研究區主採煤層頂板發育情況
內蒙古煤礦主採煤層是 3-1煤層。該煤層煤厚平均5.35m，煤層一次性采全高冒裂帶高度約85m，在 3-1煤層冒裂帶頂板附近存在一穩定的隔水層，岩性主要由泥岩、砂質泥岩等組成，厚度21.02～23.07m， 平均22.05m （圖 1）。為防止第四系及下伏含水層對煤系的補給，需對其頂部隔水層的滲透性進行評價。通過對比分析鑽探所取岩心及測井資料解釋，發現該隔水層段主要以泥岩及砂質泥岩為主，厚度較大，且分布連續，隔水性能較好，可有效阻隔上部含水層水對直羅組及煤系含水層的補給。
圖1 3-1煤層頂部隔水層岩性柱狀圖
圖1 3-1煤層頂部隔水層岩性柱狀圖高壓壓水試驗原理
鑽孔高壓壓水試驗採用中國地質科學院地質力學所研製的水壓致裂法地應力自動記錄儀現場記錄。每5min或2min記錄一個流量，每一個壓力階段不少於5個數據。根據灌漿自動記錄儀現場記錄數據，填寫壓水試驗記錄表並進行岩體透水率計算，同時繪製P-Q(即壓力-流量)曲線並判斷曲線類型，從而分析試驗的準確性。
試驗結果綜合分析
高壓壓水試驗結果表明，S5-2三個測試段，均位於泥岩-砂質泥岩段，總體上測試結果為弱透水岩體，相應的透水率為0.18~1.33Lu，相應的滲透係數為0.0039~0.0287m/d，P-Q曲線類型為B型(紊流型)或者D型(沖蝕型)；S10-1共進行了5個位置的高壓壓水試驗，其中三個表現為弱透水層，相應透水率為0.41~1.16 Lu，滲透係數為0.0089~0.025m/d，P-Q曲線類型為 A型(層流型)或者 B型(紊流型)，距細砂岩層較近的第三、第四測段，則表現為弱-中透水岩體，相應透水率為0.10~7.10Lu，滲透係數為0.0022~0.153m/d，P-Q曲線為破裂型(試驗段3)或者C型(擴張型)(試驗段4)。
