重慶魚田堡煤礦水文地質特征及其煤層氣賦存影響分析

何興玲 王長秀 黃 丹 李勛輝

(重慶市能源投資集團科技有限責任公司， 重慶 400060)

魚田堡煤礦位于川黔南構造帶的龍骨溪背斜次級褶皺八面山向斜東翼南端，屬高山地形，地貌發(fā)育為構造侵蝕地形和喀斯特地形，井田范圍內主要水體為魚田堡河和劉家河，兩條河流均切割了棲霞組、茅口組、龍?zhí)督M、長興組、飛仙關組和嘉陵江組等地層。

礦區(qū)煤系地層為二疊系龍?zhí)督M，主采煤層為位于煤系地層中下部的6#、5#、 4#煤層，煤層總厚度為3.28～7.13 m，4#煤層發(fā)育于煤系中部，6#煤層發(fā)育于底部，全區(qū)可采，5#煤層發(fā)育于煤系下部，局部可采。

1 含水層、隔水層特征及水力聯(lián)系

區(qū)內主要含水層為長興灰?guī)r和茅口灰?guī)r，屬巖溶含水層，含水性強，隔水層則為二疊系龍?zhí)督M(圖1)。龍?zhí)督M煤系地層含水層地表出露情況顯示，二疊系上統(tǒng)長興組及茅口組的出露面積廣，地表巖溶、溶斗及裂隙發(fā)育較好，巖層含水性及導水性較強，為強含水層。其中長興組含水層含水性隨含水層埋藏深度的加深而減弱，為淺部富水性強、深部富水性弱的巖溶裂隙含水層。三疊系下統(tǒng)嘉陵江組受導水裂隙帶發(fā)育影響，地表可見多處塌陷坑，原來儲水養(yǎng)魚的人工池塘失水干枯。

1.1 二疊系下統(tǒng)茅口組

二疊系下統(tǒng)茅口組灰及棕灰色厚層狀石灰?guī)r，厚度105 m，為煤系下伏地層，與可采煤層僅有5～6 m的鋁土和角礫巖相隔，出露面積廣，地表巖溶、溶斗及裂隙發(fā)育較好，接受大氣降雨補給，為強含水層，地下水沿暗河從溶洞流出成泉。

1.2 二疊系下統(tǒng)茅口組

二疊系上統(tǒng)長興組覆蓋于龍?zhí)睹航M之上，真厚61.39 m，為深灰、灰色厚層狀石灰?guī)r。由于裸露地表，其巖溶裂隙發(fā)育，因此巖層含水性及導水性較強，為強含水層。巖溶發(fā)育，溶洞、溶斗沿露頭分布。順層面發(fā)育有地下暗河，沿暗河排泄區(qū)有泉水出露，多數(shù)泉水干枯，由井下出水點代替。該含水層受當?shù)厍治g基準面+265 m控制，本層在當?shù)厍治g基準面以上巖溶較發(fā)育，含水性強，+265 m標高以下含水減弱，且無巖溶存在，含水性隨含水層埋藏深度的加深而減弱。

礦區(qū)各含水層水力聯(lián)系有2種方式：一種為含水層之間的垂向滲濾，以嘉陵江組含水層垂向滲漏補給長興組含水層為主；另一種為含水層之間存在斷層連通，礦區(qū)內斷層以壓扭性逆斷層為主，一般富水性和導水性弱[1]。

在天然狀態(tài)下，煤系含水層與其他含水層之間的隔水層穩(wěn)定發(fā)育，但由于煤系含水層地表出露，使得龍?zhí)督M煤層中的煤層氣易通過含水層地表出露處向外逸散，起不到良好的蓋層作用。

2 礦區(qū)構造的含水層富水性及其煤層氣賦存影響

礦區(qū)構造復雜，總體為一段緩傾斜單斜構造，巖層為東西走向，傾向北，傾角30°～50°。魚田堡煤礦整體在八面山向斜的軸部，在礦井井田范圍內主要有三大構造，分別為F1隱伏斷層、魚塘角扭折帶和鴉雀巖扭折帶，向斜次級褶曲發(fā)育。

斷裂構造及褶曲構造的軸部在發(fā)育過程中，形成了大量的節(jié)理裂隙，為地下水的徑流與存儲提供了條件，是含水層的富水區(qū)。魚田堡煤礦礦區(qū)為一段緩傾斜單斜構造，區(qū)內以壓扭性逆斷層為主，一般富水性弱，不導水。

魚田堡煤礦整個煤田在八面山向斜的軸部,屬于南桐煤田的高瓦斯區(qū)域，由于八面山向斜的次級褶曲發(fā)育和F1逆斷層切割了八面山向斜，向斜瓦斯容易向兩翼次級褶曲和F1逆斷層運移逸散[2]。如圖2所示，礦井瓦斯含量等值線具有明顯的分帶性。

構造對瓦斯賦存的影響，煤田內的瓦斯向F1隱伏斷層、魚塘角扭折帶、鴉雀巖扭折帶運移逸散[3]，在構造地帶，瓦斯含量比正常地帶高7 m3t。例如與區(qū)內F2和F3逆斷層相鄰的32區(qū)和34區(qū)瓦斯含量較高，數(shù)據(jù)見表1。

表1 瓦斯含量對比表 m3t

表1 瓦斯含量對比表 m3t

煤層-350 m水平東翼32區(qū)-350 m水平34區(qū)-350 m水平4#煤層24.028.022.06#煤層20.625.516.8

3 采動影響下的水動力條件及其煤層氣賦存影響

根據(jù)鉆孔抽水實驗，單位涌水量g值取0.15作為劃分界線：+250 m以下含水量較弱，而在+200 m以上巖溶基本不發(fā)育。為此，劃分出3個循環(huán)帶，即+315 m標高為垂直循環(huán)帶；+315 m — +250 m為水平循環(huán)帶；+250 m以下為深部循環(huán)帶。

開采初期(位于南部)，長興灰?guī)r地下水受到明顯影響，對其他地層的地下水無太大影響。隨著采深的深入(延深水平為北部)，水文地質條件發(fā)生了根本的變化，玉龍山弱含水層也開始受到影響，表現(xiàn)為玉龍山巖溶裂隙小泉干枯。近年來， 采動裂隙進一步發(fā)育并通過飛仙關隔水層直接影響嘉陵江地層的地面塌陷與地下水位下降，導致了嘉陵江含水層的深水平滲透補給。由于三大含水系統(tǒng)的水力聯(lián)系加強，含水層與煤層水力聯(lián)系較好。在地下水的運動過程中，地下水攜帶煤層中的煤層氣運移而逸散[4]。

深部開采時，地表出露大面積的泥巖隔水層，阻隔了煤層中煤層氣的逸散，因而瓦斯含量隨埋深的深入而增加，且幅度較大；但在-350 m水平，埋深為480～800 m，由于采動裂隙發(fā)育，煤系含水層與其他含水層的水力聯(lián)系增強而利于煤層氣的運移，瓦斯含量隨埋深而增加的幅度較?。辉?600 m水平埋深達到900 m以上時，煤層瓦斯含量將趨于常量。

圖2 礦區(qū)瓦斯含量等值線圖

4 不同水平水化學環(huán)境特征及其對煤層氣賦存的影響

由于在-100 m水平主石門附近人工留有煤柱，深水平(-100 m水平和-350 m水平)形成了以主石門為中心的東西兩大子系統(tǒng)。此外近年礦井涌水量呈現(xiàn)整體西翼增大、東翼無大變化的特點，不存在上升和下降的均衡趨勢，即東西兩翼不屬于同一個巖溶水系統(tǒng)，無水力聯(lián)系，不以消耗巖溶地下水靜儲存量為主，動態(tài)補給量相對較強。同時，由于受采動影響地下水交替快，地下水中高Ca2+、Mg2+易與攜帶Cl-的含水層介質產生陽離子交換吸附，從而使深水平水表現(xiàn)出Cl-的累積，“咸化”作用明顯[7]。從表2中也可看出東翼咸化作用不明顯，西翼咸化作用明顯。由圖3可以看出，咸化作用明顯的深水平西翼瓦斯含量高于東部，說明水流趨緩有利于煤層氣賦存[8]。

表2 不同水平水化學特征一覽表

5 結 語

魚田堡煤礦位于八面山向斜軸部，含水層在地表呈條帶狀出露，區(qū)內斷裂構造發(fā)育，向斜軸部和斷裂構造尖滅地帶富水，受構造影響，瓦斯在向斜軸部向兩翼逸散，構造地帶瓦斯含量高于正常地段。

淺部開采條件下，煤系含水層在地表出露，不利于煤層氣的保存，在地表出露處隨含水層的流動逸散，淺部瓦斯含量低。隨著采深的增加，受采動裂隙發(fā)育影響，長興組含水層與其他含水層具明顯水力聯(lián)系，含水層之間泥巖隔水層分布不穩(wěn)定。隨著地下水流動帶動煤層中煤層氣運移， 在裂隙巖溶發(fā)育地段或斷裂帶附近逸散，礦區(qū)內斷層導水性弱且侵蝕基準面下巖溶發(fā)育減弱，地下水流動攜帶煤層氣在深部聚集。

不同水平礦井水水化學環(huán)境逐漸變化，東翼變化不明顯，西翼變化明顯，其中以脫碳酸和咸化作用明顯。脫碳酸作用增強，系統(tǒng)封閉性隨之越好；咸化作用明顯，水流趨于緩慢，水動力條件則較差。深部瓦斯含量增大與礦井水脫碳酸作用和咸化作用有一定關系。

[1] 胡殿明，林柏泉，呂有廠，等.煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2006.

[2] 田沖，湯達禎，周志軍，等.彬長礦區(qū)水文地質特征及其對煤層氣的控制作用[J].煤田地質與勘探，2012,40(1):43-46.

[3] 王懷勐，朱炎銘，李伍，等.煤層氣賦存的兩大地質控制因素[J].煤炭學報，2011，36(7):1129-1134.

[4] 葉建平，武強，王子和．水文地質條件對煤層氣賦存的控制作用[J].煤炭學報，2001,26(5):459-462.

[5] 王大純，張人權，史毅虹，等.水文地質學基礎[M].北京：地質出版社，1995.

[6] 龐渭舟，劉維周.煤礦水文地質學[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.

[7] 陳陸望，劉鑫.采動影響下井田主要充水含水層水化學環(huán)境演化分析[J].煤炭學報，2012,37(S2):362-367.

[8] 傅雪海，秦勇，楊永國，等.甲烷在煤層水中溶解度的實驗研究[J].天然氣地球科學，2004，15(4):345-347.