近年来，在陕北侏罗纪煤田中部的榆横北区内发现有一种特殊的水害问题——2号煤层水害。在矿井建设初期揭露该煤层时，其煤层水具有压力高、储量大、强度高、分布广等特点，对于煤矿安全生产构成极大威胁。本文以榆横矿区北部巴拉素井田富水的2号煤层为研究对象，采用现场观测、理论分析、室内实验、模型构建、数值计算、工程应用验证等方法手段，在深入分析其介质特征和水理性质的基础上，探究了富水煤层的时空分布规律，揭示了煤层的富水机理；基于煤层水的赋存规律及涌水特征，提出了符合巴拉素井田2号富水煤层致灾特征的煤层水害防治关键技术。

通过将巴拉素井田2号富水煤层与同井田3号非富水煤层、相邻大海则井田2号非富水煤层的介质特征及水理性质进行多尺度、数量化对比分析，发现巴拉素井田2号煤层14项富水特征指标明显区别于其它煤层。其中，富水煤层的内部孔隙、裂隙发育，存储水体空间大，总孔隙度、剖面裂隙率分别是其它煤层的1.4~1.6倍、14.2~20.8倍。且煤层内部的可渗透条件好，单位面积允许流体通过孔裂隙空间的渗流量大，渗透系数是其它煤层的1.7倍。该煤层在自然状态下可存储大量的重力水，开采扰动打破了原有的平衡，使其基本全部释放，容水度、给水度分别是其它煤层的1.5倍、1.4~1.5倍。由此提出富水煤层的定义：储水空间大，渗流条件好，在未采动之前蕴含有大量地下水的煤层。为了便于现场判别富水煤层，结合对巴拉素煤矿2号富水煤层研究所取得的经验数据，遴选14项富水条件和特征指标，确定了3项在矿井实际工作中易于获取的参数指标作为富水煤层的主要判别条件，即提出了如果煤层的裂隙平均密度≥10条/m，总孔隙度≥30%，渗透系数≥20 m/d，就有可能属于富水煤层。

通过对巴拉素井田2号富水煤层及其上覆和下伏岩层的沉积规律、水文地质特征、各含水层的水化学性质等进行研究，确定了2号煤层与上覆含水层之间的水力联系及其补径排条件，揭示了富水煤层的形成机理。研究区2号煤层本身具备的特殊水理性质是其煤层富水的内因。因为储水空间大，所以可蕴含有大量地下水，形成煤层水的静储量；因为渗流条件好，所以可接受上覆砂岩含水层源源不断的水源供给，形成煤层水的动储量。研究区2号富水煤层与其上覆、下伏地层构成的“含水层-煤层-隔水层”特殊富水结构，是煤层富水的外因。由于2号煤层与上覆砂岩含水层水力联系紧密，上覆含水层水下渗进入煤层，沿煤层原生孔隙、裂隙渗流至整个煤体。采掘扰动前，2号煤层下伏隔水性能较好的泥岩层起到“兜底”作用，使2号煤层中的水能够长期存储于煤层内，不能排泄。内因与外因共同作用，构成了2号煤层顶板跨岩组补水、中部煤层孔隙裂隙空间储水、底板泥质隔水层阻水的三层式富水结构模式，进而导致煤层富水。

当巴拉素煤矿井巷工程揭露2号富水煤层，或其下伏的稳定隔水层遭到破坏时，蕴含在煤层中的地下水快速涌出，严重时极有可能形成矿井水害。本文紧密结合煤矿实际，提出了煤层富水性评价指标，引入富水性指数（WI），计算得到4个分区阈值，并以此将研究区2号煤层划分为5个富水区，分别为WI＞0.4276，为相对强富水区；0.4010＜WI≤0.4276，为相对较强富水区；0.3629＜WI≤0.4010，为相对中等富水区；0.3416＜WI≤0.3629，为相对较弱富水区；WI≤0.3416，为相对弱富水区。研究预测了2号煤层水在井筒掘进、巷道揭煤、工作面圈闭、工作面回采等建设、生产阶段的致灾特征。在井筒掘进和巷道揭煤阶段，由于揭露断面小、矿井排水系统尚未建立完善，煤层水压高，常常以剧烈方式涌出，对矿井安全威胁较大；在工作面圈闭阶段，由于巷道已大面积揭露煤层，故煤层水以渗流形式涌出、水压较小，对矿井安全威胁较小；在工作面回采阶段，由于工作面周边的水力联系切断，且经前期巷道自流疏放，煤层水已不是矿井水害的主要致灾因素。由此判定，煤层水害将主要发生在井筒和局部岩巷等特殊井巷工程揭露、穿越2号富水煤层的过程阶段。在此阶段的防治水工作，必须采取“超前探查，动态监测，加强临排，局部注浆”的综合技术手段。本文针对2号煤层水害防治的特殊性，研发了在局部帷幕注浆过程中采用的富水煤层特殊注浆材料和注浆工艺；并对煤巷掘进、工作面回采阶段提出了超前探放水及自然排泄的防治水技术措施。通过现场工程实践，成功应用了本文研究的相应防治水技术成果，验证了研究区2号煤层水害防治关键技术的有效性和可靠性。

In recent years, a special water hazard problem -- No. 2 coal seam water hazard has been found in the north of Yuheng mining area of Jurassic coalfield in northern Shaanxi Province. When the coal seam is exposed in the early stage of mine construction, the coal seam water has the characteristics of high pressure, large reserves, high strength and wide distribution, which poses a great threat to the safety of coal mine production. Taking No. 2 water- rich coal seam in Balasu mine field in the north of Yuheng mining area as the research object, and adopting the methods of field observation, theoretical analysis, laboratory experiment, model building, numerical calculation and engineering application verification, this paper explore the spatial-temporal distribution of water-rich coal seam and reveal the water-rich mechanism based on the in-depth analysis of coal structure and water properties. According to the occurrence regularity and the water burst characteristics of coal seam water, the key technology of coal seam water disaster prevention and control is established which conforms to the disaster-causing characteristics of No. 2 water-rich coal seam in Balasu mine field.

Through the multi-scale and quantitative comparative analysis of the medium characteristics and water-physical properties of No. 2 water-rich coal seam in Balasu mine field with No. 3 non-water-rich coal seam in the same mine field and No. 2 non-water-rich coal seam in neighboring Dahaize mine field, it is found that No. 2 coal seam in Balasu mine field is obviously different from other coal seams in 14 water-rich characteristic indexes.

Among them, the internal pores and fissure of water-rich coal seam are developed, and the storage water space is large. The total porosity is 1.4~1.6 times of other coal seams, and the section fracture rate is 14.2~20.8 times of other coal seams. In addition, the permeable conditions inside the coal seam are good, the unit area allows the fluid to permeate through the pore and fissure space is large, and the permeability coefficient is 1.7 times of other coal seams. This coal seam in the natural state can store a lot of gravity water, after the disturbance of the original balance is broken, it can be basically released, water capacity is 1.5 times of other coal seams, water supply is 1.4~1.5 times of other coal seams. Therefore, the definition of water-rich coal seam is put forward: the coal seam with large water storage space, good seepage conditions and a large amount of groundwater before mining. In order to facilitate the field identification of water-rich coal seam, combined with the empirical data obtained from the study of No.2 water-rich coal seam in Balasu coal mine, 14 water-rich conditions and water-rich characteristic indexes were selected, and 3 parameters easy to obtain in the actual work of the mine were determined as the main identification conditions of water-rich coal seam. In other words, it is suggested that it may be the water-rich coal seam if the average density of fractures in the coal seam is ≥10/m, the total porosity is ≥30%, and the permeability coefficient is ≥20 m/d.

By studying the sedimentary law, hydrogeological characteristics and hydrochemical properties of each aquifer of No.2 water-rich coal seam and its overlying and underlying strata in Balasu mine field, the hydraulic relation between No. 2 coal seam and overlying aquifer and its recharge, runoff and discharge condition are determined, and the formation mechanism of water-rich coal seam is revealed. The special water-physical property of No. 2 coal seam in the study area is the internal cause of its water abundance. Because of the large water storage space, a large amount of groundwater can be contained to form the static storage of coal seam water. Because of the good seepage condition, a continuous water supply can be obtained from the overlying sandstone aquifers to form the dynamic recharge of coal seam water. The special water-rich structure of “aquifer-coal seam-aquiclude” composed of No.2 water-rich coal seam and its overlying and underlying strata in the study area is the external cause of its water abundance. Due to the close hydraulic connection between No.2 coal seam and the overlying sandstone aquifers, the water from the overlying aquifers penetrates into the coal seam and permeates through the whole coal body along the primary pores and fractures of the coal seam. Before mining, the mudstone layer with good water insulation performance under No. 2 coal seam can “hold the bottom”, so that the water in No. 2 coal seam can be stored in the coal seam for a long time, and cannot be discharged. The combination of internal factors and external factors leads to the form a three-layer water-rich structure model of water replenishment of the transrock formation of No. 2 coal seam roof aquifers, water storage in the pore fissure space of the middle coal seam, water storage in the bottom floor of the muddy aquiclude, which results in the water-rich phenomenon of coal seam.

When No. 2 water-rich coal seam is exposed by the tunneling engineering in Balasu coal mine, or its underlying stable aquicludes are destroyed, the underground water contained in the coal seam will rapidly gush out, and very likely to cause mine water disaster if serious. Based on the actual situation of coal mine, this paper proposes the evaluation index of water-rich coal seam, introduce water-rich index (WI), and 4 partition thresholds were calculated. On this basis, the No. 2 coal seam in the study area was divided into 5 water-rich zones, WI> 0.4276, is a strong water-rich zones, 0.4010

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