孟加拉国巴拉普库利亚煤矿含水层水力联系研究

蔚 波，王 皓，刘 峰，刘 基，王强民，尚宏波

孟加拉国巴拉普库利亚煤矿含水层水力联系研究

蔚 波1,2,3，王 皓2,3，刘 峰2,3，刘 基2,3，王强民1,2,3，尚宏波2,3

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 3. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

为进一步查明孟加拉国巴拉普库利亚煤矿水文地质特征及含水层间水力联系，为矿井水害防治提供理论依据，以19组水质化验数据为基础，结合含水层及隔水层空间展布特征、井田构造特征、水位历时曲线、水化学类型、氢氧同位素特征等，综合分析新近系UDT含水层、Ⅵ煤顶板含水层、Ⅵ煤含水层之间的水力联系。结果表明，井田北部LDT隔水层局部缺失，为UDT含水层水向含煤地层补给提供了条件；井田北翼煤层顶板含水层与UDT含水层水位变化规律密切相关，且水位相近，初步证明两者存在水力联系；各含水层水均为HCO3-Ca·Na·Mg型，均为低矿化度水，进一步证明各含水层间存在水力循环；聚类分析结果表明各含水层水质存在一定关联度，推演含水层间水力联系程度；氢(D)氧(18O)同位素特征点分布于全球大气降水线附近，表明大气降水是各含水层共同的补给水源。研究成果可以指导孟加拉国巴拉普库利亚煤矿Ⅵ煤层开采时水害防治方向。

含水层；水力联系；水文地质特征；氢氧同位素；孟加拉国

孟加拉国位于东南亚与南亚交界处，是中国在南亚地区推进“一带一路”倡议的节点国家，其经济基础薄弱，国民经济主要依靠农业，能源工业发展落后。孟加拉国巴拉普库利亚煤矿(简称孟巴矿)位于孟加拉国西北部的迪纳吉普省，是该国第一座现代化生产煤矿，含煤地层为石炭–二叠系，主采Ⅵ煤层，设计年产能力100万。井田内水文地质条件复杂，含、隔水层性能尚未彻底查清，Ⅵ煤回采时煤层顶板各含水层水可能成为矿井的充水水源。因此，有必要探究各含水层间的水力联系，分析补给水源，以便采取针对性的水害防治措施。

目前，关于各含水层间的水力联系，诸多学者开展了大量的研究，可以利用水化学特征如同位素、离子含量间的差异进行判断[1-6]；或通过现场抽水试验，根据形成降落漏斗的波及范围、形状及Δ2–lg曲线规律进行研究[7-10]；还可利用不同含水层水位基于时间的响应关系进行分析[11-12]；利用特殊水文地质条件或结合统计学理论与水文地球化学演化规律的方法也可对其进行研究[13-15]。刘兵等[16]通过分析水化学和氢氧稳定同位素特征，查明东宫河流域不同水体间的转换关系，发现地下水、泉水、河水存在密切的水力联系；彭涛等[17]根据多孔抽水试验结果，结合抽水试验历时曲线图，对曹家滩井田2-2煤层上覆含水层的水力联系进行综合评价；刘国旺等[18]针对唐山矿南湖采煤塌陷区积水、矿井涌水和奥灰水可能存在的水力联系，利用水位动态分析方法，通过不同水体水位变化响应关系研究，发现其并无明显相关性；S. Viaroli等[19]利用地下水均衡原理初步判断相邻含水层是否存在水力联系，进而通过对流量和水头的监测判定其联系强弱；C. Lehr等[20]对地下水水位和河水水位时间序列的主成分分析判定河流与地下水的水力联系。

由于孟巴矿为孟加拉国第一座现代化生产矿井，水文地质条件探查和分析不足，难以满足矿井防治水工作需求，因此，笔者在前期水文地质资料的基础上，利用水文补勘数据，综合地质构造特征、水化学特征、同位素分析测试及水位动态变化等技术手段与研究方法，综合研究井田内各含水层之间水力联系，以期为孟巴矿防治水工作提供参考。

1 孟巴矿概况

孟加拉国巴拉普库利亚煤矿坐落于恒河–贾木纳河(Jamuna)冲积平原上(图1)，地质储量2.6亿t，设计年生产能力100万t，服务年限60 a。区域为亚热带季风型气候，一般情况下每年11月至次年4月为枯水期，月平均降水量6.0～59.4 mm；5—10月为丰水期，月平均降水量132.7～482.5 mm，占年降水量的90%以上。

图1 孟巴矿地理位置

矿区内地势平坦，地面高程+29～+32 m，整体呈南北向展布，北部略高，南部稍低，具有一定坡度，含煤地层为石炭–二叠系冈瓦纳群，共含7个煤组(层)，其中以Ⅵ煤层厚度最大，分布稳定，为矿井设计开采的煤层，其他煤层相对较薄，仅分布在盆地中心较小的区域。井田发育的含水层组(图2)自上而下分别为：Upper Dupi Tila含水层(简称UDT含水层)、含煤地层砂岩裂隙含水层组。主要隔水层为Lower Dupi Tila隔水层(简称LDT隔水层)。

UDT含水层以中砂为主，夹细砂、含砾中粗砂岩及薄层黏土，厚89～126 m，南北较薄，中间向东加厚、加深；渗透系数为0.51～40.20 m/d，变化范围较大：接受大气降水和地表水的补给，静储量丰富，难以疏降，是本区主要含水层，富水性中等–极强，是Ⅵ煤层开采的间接充水水源。含煤地层砂岩裂隙含水层包括如下含水层段：Ⅵ煤顶板砂岩裂隙含水层、Ⅵ煤含水层。Ⅵ煤顶板砂岩裂隙含水层富水性好，为直接充水水源。LDT隔水层厚0～122 m，平均29.31 m，由北向南逐渐增厚、埋深逐渐增加。井田内Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ煤层分别发育有泥岩及粉砂岩相对隔水层段，将含煤地层砂岩裂隙含水层组分隔为多个子含水段。

图2 孟巴矿水文地质综合柱状图

2 前期工作评述

孟巴矿勘探工作始于1985年，前期勘探确定煤层范围、厚度和储量，通过水文地质勘探基本查清首采区导水构造及顶板富水性等水文地质特征，但前期工作中仍存在未彻底查明地质条件，早期勘探程度有限，把煤层统一划为弱透水层，将煤层与顶底板砂岩为同一含水层，未能将其分层考虑；水文观测孔对井田主要充水含水层控制程度较低，在矿井的中部及南部区域未能获取有效水文地质参数；井田南部边界构造未查清，地层间导(隔)水性能研究尚不明确，因此，矿井生产期间发生多次严重突水事故。

矿井基建期间曾发生巷道顶板滞后性突水事故，造成淹井；回采巷道掘进期间涌水量最高达1 000 m3/h；回采工作面过断层时涌水突增至500 m3/h。以上事故对井下作业工人的健康与设备安全造成严重影响。

1999年初，中煤科工集团西安研究院有限公司(原煤炭科学研究总院西安分院)承担了水文地质补充勘探工作，采用电磁法查明前期突水区域的导水通道、首采区导水构造、Ⅵ煤层及顶板富水异常区域。2015年，中煤科工集团西安研究院有限公司完成了孟巴矿Ⅵ煤二分层水文地质补充勘探工作，查明矿井开采水文地质条件，对主采煤层含水形成机理有进一步认识，为孟巴矿未来安全高效生产提供了保障。

3 含水层水力联系研究

3.1 矿区地质构造特征

孟巴矿井田构造为一残缺向斜盆地[21]，主要受Barapukuria向斜(巴拉普库利亚向斜)控制，由图3可知，矿区东部发育Fa断层，断距大于200 m，使煤系与基底变质岩相接组成隔水边界，西部发育Fb断层；自北向南发育多条断层，井田内共有中小型断层43条。

矿区内主要含(隔)水层分布范围及稳定性有所不同，UDT含水层全区分布较为稳定，接受大气降水补给，富水性好，且厚度较大，地下水径流以顺层流动为主；LDT隔水层整体较薄，隔水性能差且不稳定，在研究区北侧存在缺失情况。

图3 LDT隔水层厚度等值线

结合孟巴矿’地质剖面图(图4)，主采煤层Ⅵ煤除内生裂隙外，构造裂隙发育较好，同时自南向北发育有多条断层，含(导)水性好。由于LDT隔水层的缺失及Ⅵ煤自身具有导水通道，导致含煤地层直接与UDT含水层接触，同时，在天窗区域Ⅵ煤顶板水也接受UDT含水层的垂向补给。该区域特殊的地层结构特征为各含水层间的水力联系提供了基础。

3.2 含水层水位动态特征

收集连续3 a降水量与UDT含水层、Ⅵ煤及顶板砂岩含水层水位数据绘制动态曲线(图5)，由图5可知，UDT含水层的主要补给水源为大气降水，每年枯、雨季含水层水位随降水量呈周期性变化，水位变化较降水量变化略有滞后。

Ⅵ煤及顶板砂岩含水层的水位动态特征与UDT含水层基本相似，水位随枯、雨季交替呈周期性波动，表明含煤地层含水层组接受UDT含水层的垂向补给。图5中Ⅵ煤及顶板砂岩水位长观孔(DOB13)在井田北部，其水位与UDT水位基本一致，且变化趋势完全相同。前期水文地质勘探资料显示井田内存在LDT隔水层较薄甚至缺失现象，依据DOB13钻孔所揭露地层情况，推测钻孔附近存在LDT隔水层完全缺失区域，形成“天窗”，垂向导通各含水层。

图4 孟巴矿A—A’地质剖面图

图5 大气降水量与含水层水位相关性曲线

3.3 水化学特征

3.3.1 水化学类型分析

前期在井田北侧布设11个地面水文观测孔进行勘察工作，本次研究共在井田南部布置3个水位观测孔，其中Ⅵ煤含水层观测孔2个，Ⅵ煤顶板砂岩含水层观测孔1个。共取水样21组，其中钻孔取样19组，分别为：UDT含水层水样2组(u1，u2)、Ⅵ煤顶板水样12组(A1—A12)、Ⅵ煤煤层水样5组(D1—D5)，钻孔水样均在钻孔抽水的不同时段取得；井下Ⅵ煤煤层取样2组(E1，E2)。

表1 孟巴矿不同含水层水样检测结果

图6 孟巴矿矿区水样Piper三线图和Schoellor图

3.3.2 聚类分析

聚类分析是统计学中一个重要方法，该方法主要依据数据中的多个观测指标，具体找出一些能够度量指标间相似程度的统计量，以这些统计量作为类型划分依据，把一些相似程度较大的指标聚合为一类，把另外一些彼此间相似程度较大的指标聚合为另一类，把不同的类型划分出来，形成一个由小到大的分类系统。本次利用聚类分析对不同水样的指标进行分析，从而判断其是否存在关联。利用孟巴矿19组不同含水层水样物理、化学数据为基础，通过系统聚类的方法对其进行分类，并绘制谱系图。

由图7可以看出，水样按照化学组分及物理指标相关性的不同，被分为3个集群：第一集群为Ⅵ煤层顶板水，其特点为矿化度较小；第二集群为UDT含水层，作为该区域主要充水含水层，径流条件最好，矿化度最小，且渗透系数较大；第三集群为Ⅵ煤煤层水，与其他含水层相比，该含水层矿化度较大，且硫酸根离子含量较高，主要源自含煤地层中含硫矿物的氧化，形成硫酸，进而造成硫酸根离子含量的增高，同时使地下水pH值降低。随着酸性物质的不断积累，酸性增强，有助于环境矿物中金属离子的析出，使Na+、Ca2+、Mg2+、Fe(Fe2+、Fe3+)的含量升高，矿化度增大。第一集群中UDT含水层水样与Ⅵ煤顶板水水样具有较大关联性，说明两含水层有一定水力联系；第一集群与第二集群之间也存在关联，说明各含水层间具有统一的补给来源。

图7 孟巴矿矿区水样聚类分析谱系图

3.4 同位素特征

根据不同同位素在水循环中的标记特性，可利用氢氧同位素含量D、18O的差异来分析煤系含水层间的水力联系，并分析各含水层水源补给情况。不同来源水样具有不同的同位素特征，相同来源的水样氢氧同位素含量呈现近似的线性关系。本次研究分别对Ⅵ煤顶板水、Ⅵ煤煤层水共11组水样进行同位素分析，各水样中氢氧同位素比率详见表2。

由表2可知，Ⅵ煤顶板水稳定同位素D为–36‰～ –33‰，18O为–5.6‰～–5.0‰；Ⅵ煤煤层水稳定同位素D为–36‰～–35‰，18O为–5.7‰～–5.6‰。两含水层D、18O含量十分接近，样品中D含量变化范围在3‰以内，18O的变化范围在0.7‰以内，氢氧同位素特征值较为接近，反映出含水层之间存在较强的水力联系。

各含水层地下水的氘盈余值(=D–818O)分布特征也间接揭示各水体间的相互关系，全球范围内氘盈余值均值为10‰[22]，由表2可知，Ⅵ煤煤层水氘盈余值都接近于全球均值，说明其补给来源均为大气降水，且氘盈余值均等于或接近于9.8，说明两含水层间有较好的水力联系，径流条件较好。Ⅵ煤顶板含水层部分钻孔水样显示氘盈余值较低，表明近年来大气降水补给在该区域内含水岩组所占份额较少，即大气降水渗入第四系砂质黏土层至UDT含水层，再补给Ⅵ煤顶板砂岩含水层整个过程所需时间较长。

表2 孟巴矿矿区地下水氢氧同位素比率

将Ⅵ煤顶板砂岩含水层水样和Ⅵ煤煤层水水样的稳定同位素D、18O投影到坐标系，得到D-18O关系图(图8)，附以全球大气降水线D=818O+10[23]作为参考。由图8可知，各水样点分布较集中，且呈线性规律分布在全球大气降水线的附近，Ⅵ煤顶板水水样点基本位于大气降水线上，其D含量与其他水样基本一致，但18O含量差距较大，主要原因为Ⅵ煤顶板砂岩裂隙水中氧与砂岩中含氧化合物发生交换，产生“氧漂移”，致使地下水体的18O升高，D值减少，说明该水样点处Ⅵ煤顶板砂岩裂隙水滞留时间长，矿区南部的Ⅵ煤顶板砂岩裂隙水径流缓慢。

图8 孟巴矿矿区地下水氢氧同位素关系

3.5 水文地质模型及防治水工作建议

分析建立矿区水文地质模型(图9)，孟巴矿含煤地层上覆富水性极强的UDT松散孔隙含水层，LDT隔水关键层在井田北部局部缺失而形成透水“天窗区”，含煤地层在局部泥岩的相对隔水作用下可划分为多含水层组合的复合含水体，即Ⅵ煤顶板砂岩含水层，大气降水通过矿区北侧“天窗”区域直接对UDT含水层进行补给，进而由UDT含水层补给Ⅵ煤顶板含水层和Ⅵ煤煤层水，各含水层之间均有不同程度的水力联系。

UDT含水层在区内稳定分布，南北较薄，该含水层分布广泛，由大气降水及地表水补给，富水性极强，给Ⅵ煤开采造成重要威胁，且LDT隔水层在研究区内存在缺失情况，造成较大突水威胁，因此在开采过程中应加强对水文地质异常带的探查及治理工作，严格控制采高，保证采动裂隙不波及Ⅵ煤上覆含水层，在此基础上应加强巷道掘进期间的探放水工作，做到先掘后探。

图9 孟巴矿水文地质模型

4 结论

a.矿区内UDT含水层富水性较好，且分布稳定，LDT隔水层整体较薄，矿区北侧出现煤层隐伏露头，存在隔水层沉积缺失情况，从构造角度分析得出含水层存在水力联系。

b. 含水层水位动态变化同大气降水量变化之间响应关系一致，证实其接受大气降水补给。同时，在研究区北侧Ⅵ煤煤层水水位与UDT含水层变化一致，结合地质构造综合判断出此处存在LDT隔水层沉积缺失现象，且形成“天窗”，直接导通UDT充水含水层及下覆煤系含水层，使Ⅵ煤含水层与UDT含水层发生水力联系。

d.Ⅵ煤顶板砂岩含水层与Ⅵ煤煤层水的氢氧同位素特征D-18O关系点具有线性关系，均分布于全球大气降水线附近，表明下覆含煤地层含水层统一接受大气降水补给，且Ⅵ煤顶板水、Ⅵ煤煤层水具有一定的水力联系。研究结果为后期孟巴矿未来防治水工作的开展提供理论依据。

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Hydraulic connection of aquifers in Barapukuria Coal Mine, Bangladesh

YU Bo1,2,3, WANG Hao2,3, LIU Feng2,3, LIU Ji2,3, WANG Qiangmin1,2,3, SHANG Hongbo2,3

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

In order to further identify the hydrogeological characteristics and hydraulic connection between aquifers of Barapukuria Coal Mine in Bangladesh, and provide a theoretical basis for the prevention and control of mine water disasters, this paper analyzes the hydraulic connection between Neogene UDT aquifer, Ⅵ coal roof aquifer and Ⅵ coal aquifer based on 19 sets of water quality test data, combined with the spatial distribution characteristics of aquifers, field structure characteristics, water level duration curve, hydrochemical type and hydrogen and oxygen isotope characteristics. The results show that the LDT aquifer in the northern part of the well field is partially missing, which provides conditions for the water supply of the UDT aquifer to the coal measure strata. The roof aquifer of coal seam in the north wing of the mine field is closely related to the water level change law of UDT aquifer, and the water level elevation is similar, which preliminarily proves that there is a hydraulic connection between the two. The water of each aquifer is HCO3-Ca·Na·Mg type, which is low salinity water, further proving that there is a hydraulic cycle between each aquifer. Cluster analysis results show that water quality of each aquifer has a certain degree of correlation, and the degree of hydraulic connection between aquifers is deduced. Hydrogen(D)oxygen(18O) isotopic characteristics are distributed near the global atmospheric precipitation line, indicating that atmospheric precipitation is the common recharge source of aquifers. The research results can guide the prevention and control of water disaster in Ⅵcoal seam mining of Balapukuliya Coal Mine in Bangladesh.

aquifer; hydraulic connection; hydrogeological characteristics; hydrogen oxygen isotopes; Bangladesh

P641.4

A

1001-1986(2021)04-0205-08

2020-12-24；

2021-05-27

国家重点研发计划项目(2017YFC0804100)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2018XAYZD11)

蔚波，1997年生，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，从事煤矿水文地质研究. E-mail：1784234343@qq.com

王皓，1981年生，男，江苏连云港人，博士，研究员，硕士生导师，从事煤矿水害防治及水资源保护技术的研发和推广工作. E-mail：wanghao@cctegxian.com

蔚波，王皓，刘峰，等. 孟加拉国巴拉普库利亚煤矿含水层水力联系研究[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：205–212. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.025

YU Bo，WANG Hao，LIU Feng，et al. Hydraulic connection of aquifers in Barapukuria Coal Mine, Bangladesh[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：205–212. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.025

(责任编辑 周建军)