松藻矿区地下水动力场特征及其对煤层气富集的影响_吴国代.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. Key Laboratory of Shale Gas Exploration, Ministry of Land and Resources, Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 400042, China; 3. Chongqing Engineering Research Center of Shale Gas Resource groundwater; groundwater dynamic field; coalbed methane accumulation ChaoXing 56煤田地质与勘探第 46 卷 地下水与煤层的相互作用是煤层气富集成藏的 重要控制因素之一[1-5]。叶建平等[6]根据不同水文地 质条件的控气作用，提出了水力运移逸散作用、水 力封闭作用、水力封堵作用是 3 种典型的水文地质 控气作用形式。余林等[7]基于延川南不同水文地质 条件与煤层气富集的耦合关系，认为区内主要为承 压水动力和断层封堵复合型煤层气藏。沁水盆地施 工煤层气井水小气大、水大气小[8]这一现象即是不 同水文地质控气作用的体现。秦勇[9]针对贵州黔西 地区薄–中厚煤层群纵向上不同煤层含气性波动的 特点，首次提出了“多层叠置含煤层气系统”的学术 观点。根据这一学术观点，不同学者从水文地质条 件控制下的煤层气富集成藏[10-12]、开发排序[13-14]、 排采组合方式[15]对“多层叠置含煤层气系统”进行了 系统的论述和深化。值得注意的是松藻矿区与贵 州同属龙潭组含煤岩系，其煤层气地质条件既有相 似性也有差异性。贵州黔西地区龙潭组含煤岩系厚 达 300 余 m，含煤 1030 层，而松藻矿区龙潭组厚 70 余 m，含煤 1012 层；含煤地层结构存在显著差 异，而有关松藻矿区水文地质条件与煤层气勘探开 发相关研究尚未涉及。基于此，以松藻矿区小鱼沱 井田、大罗井田、打通井田、石壕井田勘查水文地 质资料为基础，探讨松藻矿区地下水动力场特征及 其对煤层气富集的控制作用，为煤层气地面开发提 供理论依据。 1地质背景 松藻矿区主要发育一系列 NE–NNE 褶皱构造， 在平面分布上形成向北东收敛，向南西撒开的放射 状，由东向西依次有两河口向斜、羊叉滩背斜、大 木树向斜和鱼跳背斜形成向西突的“鼓包形构造” 。 区内断裂不发育，对开采有影响的断层主要分布在 羊叉滩背斜、两河口向斜附近一带图 1。 矿区内出露地层包括上二叠统龙潭组、 长兴组， 下三叠统玉龙山组、飞仙关组、嘉陵江组，中三叠 统雷口坡组、上三叠统须家河组、下侏罗统自流井 组。 含煤地层为龙潭组， 形成于潟湖–潮坪沉积体系。 与上覆长兴组为整合接触，与下伏茅口组假整合接 触。龙潭组厚 5589 m，平均 73 m，含煤 1012 层。 自上而下发育 M6-3、M7-3、M8、M114 层可采和局部 可采煤层，M6-3、M11煤层为局部可采，M7-3、M8煤 层全区可采。 煤系含煤总厚 4.019.88 m， 平均 7.58 m， 可采总厚 5.45 m，含煤系数为 5.513，平均 10.2；煤种为无烟煤。M6-3、M7-3、M8煤层位于煤 系中部，其平均层间距分别为 7.09 m、6.68 m，为 近距离煤层群。M11煤层位于煤系下部，至 M8煤层 层间距为 19.71 m。 图 1松藻矿区构造纲要图 Fig.1Tectonic outline of Songzao mining area 2主要含隔水层分布及水化学特征 松藻矿区内主要含水层为石灰岩岩溶裂隙含水 层，自上而下可划分出 1 个强含水层、4 个中等含 水层、4 个隔水层，含水层和隔水层纵向上相互叠 置。嘉陵江组四段、五段、六段T1j4-6为强含水层； 嘉陵江组一段、二段T1j1-2，玉龙山组二段、三段 T1y2-3，长兴组P3c、茅口组P2m为中等含水层； 嘉陵江组三段T1j3，飞仙关组一段、二段T1f1-2， 玉龙山组一段T1y1、龙潭组P3l为隔水层表 1。 由表 1 可见，不同的含水层显示不同的水化学 特征。 上部强含水层T1j4-5， 中等含水层T1j1-2、 T1y2-3 水质类型为 HCO – 3 SO 2– 4–Ca2Mg2、HCO – 3–Ca2 Mg2型；下部中等含水层P3c、P2m，水质类型为 HCO – 3–Ca2、 HCO – 3 SO 2– 4–KNaCa2、 HCO – 3–K Na Ca2、Cl– HCO – 3 KNaCa2型。水质类型 的不同反映了含水层水动力条件的差异，上部含水 层水径流条件较好，受大气降水、地表水补给较强， 水质类型与大气降水相似，通常为 HCO – 3–Ca2型， 且氧化性较强， 易溶解碳酸盐中的 SO2–4、 Ca2、 Mg2， 同时易溶性的 K、Na、Cl–被溶滤带走；相对于上 部含水层，下部含水层缺失 Mg2，但富含 K、Na、 Cl–等易溶型成分，反映地下水动力径流条件减弱， 含水系统较为封闭。 ChaoXing 第 4 期吴国代等 松藻矿区地下水动力场特征及其对煤层气富集的影响57 表 1松藻矿区的含水层与隔水层 Table 1Aquifers and aquifuges in Songzao mining area 序号地层代号平均厚度/m含水层类型含水性质主要岩性水质类型 1T1j4-5505强含水层岩溶裂隙承压含水层石灰岩白云岩HCO – 3 SO 2– 4–Ca2Mg2 2T1j336隔水层钙质泥岩泥岩 3T1j1-2110中等含水层岩溶裂隙承压含水层石灰岩HCO – 3–Ca2Mg2 4T1f1-2178隔水层钙质泥岩泥岩 5T1y2-386中等含水层岩溶裂隙承压含水层泥质灰岩石灰岩HCO – 3–Ca2Mg2 6T1y141隔水层钙质泥岩泥质灰岩 7P3c51弱含水层岩溶裂隙承压含水层石灰岩 HCO – 3–Ca2， HCO – 3 SO 2– 4–KNaCa2 8P3l74隔水层碎屑岩、煤层 9P2m100弱含水层岩溶裂隙承压含水层石灰岩 HCO – 3–KNaCa2 Cl– HCO – 3 KNaCa2 3基于抽水试验的地下水动力场特征分析 3.1基本特征 统计 16 个针对煤层上覆长兴组和下伏茅口组 含水层抽水试验数据表 2。 表 2松藻矿区钻孔抽水试验成果统计 Table 2Statistics of pumping test results in Songzao mining area 井田钻孔层位 单位涌水量/ Lsm-1 渗透系数/ md-1 小鱼沱 井田 CK16 P3c 2.6410-62.2610-6 CK261.5610-51.27910-5 CK10 P2m 1.95610-41.141410-4 CK144.1310-81.5910-12 打通井田 6-1 P3c 2.1155.036 8-66.0910-51.5210-4 9-86.0210-52.210-3 8-98.4810-68.29810-6 Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ1.9910-22.8110-2 10-22.4910-43.310-5 8-8 P2m 5.18610-61.11210-5 6-13.5210-33.3410-3 8-91.15510-31.81610-3 10-26.9210-53.5810-5 7-13.3510-31.5610-5 石壕井田 深部 2号排矸立井 P3c 4.52310-49.7410-4 ZK19-16.50110-46.1610-4 2号排矸立井 P2m 1.61110-31.05710-3 ZK19-11.97710-35.7310-3 SZK13-13.4210-33.2610-3 SZK16-38.510-31.02910-2 上覆长兴组单位涌水量介于 2.6410-62.115 L/sm，渗透系数介于 2.26 10-65.063 m/d，除 6-1 孔和Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ孔单位涌水量和渗透系数较大外6-1 孔靠近羊叉河，钻孔证实在长兴组岩溶发育；Ⅰ- Ⅱ-Ⅰ孔在长兴组揭露导水性断层， 其他钻孔单位涌 水量和渗透系数分别小于110-3L/sm和 110-3m/d， 单位涌水量和渗透系数大小由西南向北降低。茅口 组单位涌水量介于 4.13 10-88.510-3L/sm， 渗透 系数介于 1.5910-121.029 10-2m/d，单位涌水量和 渗透系数较上覆长兴组大；单位涌水量和渗透系数 与长兴组有相同的变化趋势。 依据 GB 127191991 矿区水文地质工程地质 勘探规范[16]，钻孔单位涌水量 q0.1 L/sm为弱 富水。渗透系数 K0.001 m/d，含水层则为不透水岩 层[17]。据此，松藻矿区煤系上覆和下伏含水层为弱 富水不透水岩层，该特征与矿区内煤炭开采过程中 极少发生突水事故现象一致。根据学者对贵州龙潭 组煤系抽水资料的统计[13-14]，松藻矿区单位涌水量 和渗透系数显著低 25 个数量级。 3.2地下水动力场展布 研究区大气降水是地表水及各含水层的主要补 给来源。大气降水通过河流、落水洞、岩溶漏斗、 溶蚀洼地、岩溶裂隙等渗入补给，呈层流或岩溶裂 隙流，管道形式径流，在有阻水岩层、断层或地形 切割深处以裂隙岩溶泉或溶洞泉形式排泄。 58 口钻孔简易水文观测数据显示，长兴组和茅 口组水位标高等值线分布趋势大体相似，总体呈现 西南高，北部低，靠近河流低洼地区低；向斜两翼 低，中间高图 2。水位标高等值线西南高，北部低 的趋势与研究区西南高，北部低的地形特征高度吻 ChaoXing 58煤田地质与勘探第 46 卷 合，表明地下水的补给区位于南部高山区，由地势 高的区域向地势低的区域流动。同时，向斜两翼埋 深较浅的区域接受岩溶裂隙水补给，地下水顺层向 轴部流动，且随着径流距离的增加，径流能力减弱， 这与前文中抽水试验获取的单位涌水量和渗透系数 变化特征表现一致。 此外， 从长兴组水位标高等值线形态特征来看， 研究区西南、西部及和西北部较为简单，而在中部 及靠近河流区，形态变为复杂，这一特征与埋深有 关，随着埋深的增加，接受大气水补给能力减弱， 水岩作用降低，岩溶裂隙发育较少，岩层的均质性 较强，而在埋深较浅区域，地下水接受大气水补给 能力较强，大气水中酸性离子含量较高，水岩作用 较强，岩溶裂隙发育，岩层的非均质性增强，导致 水位标高形态的复杂化。相对于长兴组，茅口组水 位标高等值线总体变化趋势与长兴组一致，但水头 高度等值线较稀，形态较为简单，反映地下水随埋 深的增加，水动力强度减弱。 图 2松藻矿区含煤地层上覆和下伏含水层水位标高等值线图 Fig.2Water level contour of overlying and underlying aquifers of coal-bearing strata of Songzao mining area 3.3地下水分布模式 根据松藻矿区各井田勘查水文资料，结合煤系 岩性的组合关系， 松藻矿区存在 3 种水动力场模式， 即近河流岩溶裂隙渗入型水动力场、断层沟通岩溶 裂隙补给型水动力场、稳定承压弱含水型水动力场 图 3。 3.3.1近河流岩溶裂隙渗入型水动力场 煤层埋深较浅，河流切割嘉陵江组、玉龙山组、 长兴组等石灰岩含水层、河水通过岩溶裂隙渗入煤 层孔隙与裂隙及其上覆和下伏含水层。此水动力场 条件下，若煤层气井或煤田钻孔为其提供人为排泄 形成压降差后，河流水会不断进行补给，煤层气井 或煤田钻孔含水性一般较强，这种水动力场主要分 布于近河流 500 m 范围内，表 2 中的 6-1 孔即属于 此类型。 3.3.2断层沟通岩溶裂隙补给型水动力场 煤层埋深较大，上覆和下伏含水层的地表水补 给较弱，导水断层沟通煤层和岩溶裂隙含水层，原 始状态下，煤层和含水层之间存在水动力平衡。此 水动力场条件下，排采导致平衡破坏，岩溶裂隙含 水层中的地下水通过断层进入煤层或其上覆和下伏 含水层，但补给有限，表 2 中的Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ孔即属于 此类型。 3.3.3稳定承压弱含水型水动力场 煤层埋深较大，煤层上覆和下伏含水层主要为 承压水，煤层与上覆和下伏含水层间无水力联系， 此水动力场条件下， 排采过程中的水主要产自煤层， 产水量较小。小鱼沱井田、大罗井田、打通一矿深 部、石壕煤矿深部均为此类型，稳定承压弱含水型 水动力场是松藻矿区的主要水动力场特征。 4地下水动力场对煤层气富集的影响 煤田地质勘探及矿井生产表明，龙潭组含水性 极弱，视为隔水层，与上覆、下伏石灰岩含水层间 缺乏水力联系，这构成了区内水文地质条件的控气 基础。 ChaoXing 第 4 期吴国代等 松藻矿区地下水动力场特征及其对煤层气富集的影响59 图 3地下水分布模式图 Fig.3Distribution pattern of groundwater 在长期的实践研究中，地下水动力场与煤层气 的富集主要有两种体现， 水力封存和水力逸散作用。 当煤系或煤系与上覆、下伏地层地下水作用强烈， 煤层气就会呈水溶或气泡形式转移到地下水中，相 反，若煤系与外界水作用弱或不发生水力联系，则 地下水对煤层气的富集不产生破坏作用。区内龙潭 组为一套含煤碎屑岩沉积，主要由泥质粉砂岩、粉 砂质泥岩及泥岩组成，局部夹薄层灰岩，碎屑岩垂 向上相互叠置，为不含水隔水岩层。松藻矿区历史 上曾发生多起严重的瓦斯事故，最大绝对瓦斯涌出 量达到 236 m3/min[18]，区内埋深 600 m 以浅的平均 含气量为 13.4 m3/t，6001 000 m 的平均含气量为 19.2 m3/t，1 0001 500 m 的平均含气量为 26 m3/t，煤 层气含量明显高于华北沁水盆地、鄂尔多斯盆地[19]。 因此，龙潭组碎屑岩的隔水性及其与上覆、下伏地 层缺乏水力联系是区内煤层气富集的重要控制作用 之一。 5结 论 a. 松藻矿区垂向上含水层和隔水层相互叠置， 随着埋深的增加含水性逐渐减弱，水化学特征呈相 应的变化，上部强含水层和中等含水层水质类型以 HCO – 3–Ca2Mg2型为主， 深部弱含水层水质类型则 以 HCO – 3–KNaCa2为主，含煤岩系上覆和下伏 含水层含水性弱。 b. 单位涌水量、渗透系数和水位标高具有一致 的展布特征，在西南补给区高、北部径流区低。基 于地下水补给与排泄途径、单位涌水量和渗透系数 将研究区划分为近河流岩溶裂隙渗入型、断层沟通 岩溶裂隙补给型、稳定承压弱含水型 3 种水动力场 类型。 c. 以碎屑岩组成的含煤岩系为隔水层，含煤岩 系与上覆和下伏含水层缺乏水力联系有利于煤层气 富集，是区内煤层含气性高的重要控制因素。 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