大佛寺煤礦地下含水層對煤層氣開采的影響分析*

王生全，強(qiáng)玉俠，張召召，梁小山，薛 龍，李 旭

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054;2.陜西龍門天地煤層氣技術(shù)工程有限公司，陜西 西安710000)

0 引 言

大佛寺煤礦為陜西煤業(yè)化工集團(tuán)公司彬長公司所屬的國有重點(diǎn)煤礦之一，位于陜西省彬長礦區(qū)南部，屬彬縣、長武縣管轄。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力800 萬t/a，一期300 萬t/a，于2007 年建成投產(chǎn)，主采延安組4#煤層。

礦區(qū)地表大部分被第四系黃土覆蓋。鉆孔揭露煤系以上地層由老至新依次為侏羅系延安組、直羅組、安定組、白堊系宜君組、洛河組、華池環(huán)河組，新近系及第四系。其中延安組為本區(qū)唯一含煤地層，厚度40.05 ～168.57 m，平均75.57 m，共含煤6 層(包括分煤層和分叉煤層)，從上而下依次編號為3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上、4 號煤。4上煤屬4#煤層的分叉煤層，下距4#煤層0.80 ～43.55 m，平均17. 05 m，屬大部分可采煤層，平均厚度2.88 m;4#煤為基本全區(qū)可采的主采煤層，平均厚度11.65 m，其余煤層不可采或僅局部可采。

礦井總體構(gòu)造為一向北西傾斜的波狀起伏的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育了一系列北東東和北北西向的褶皺構(gòu)造，二者相互交織。其中以北東東向褶皺為主(圖1)。地層傾角平緩，一般3° ～5°，最大17° ～21°.采掘過程及地面地震勘探均有斷層發(fā)現(xiàn)，落差以5 m 以下為主。

礦井屬高瓦斯礦井。據(jù)有關(guān)研究，礦井所在的彬長礦區(qū)屬煤與石油共生礦區(qū)，煤層瓦斯高可能與油氣來源有關(guān)［2］。根據(jù)勘探階段測定，煤層氣最高含氣量5.71 mL/g，并且顯示頂板圍巖含有瓦斯。礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果為，全礦井絕對瓦斯涌出量為136. 86 m3/min，相對瓦斯涌出量23.40 m3/t.其中4#煤層絕對瓦斯涌出量為120.71 m3/min，占全礦88.20%;4上煤絕對瓦斯涌出量為16.15 m3/min，占全礦11.80%，從測定數(shù)據(jù)看，4#煤層是礦井瓦斯的主要來源，其煤層瓦斯也成影響礦井安全開采的主要因素。為了保證煤礦的安全生產(chǎn)，加大煤礦瓦斯抽采利用力度，構(gòu)建新型的現(xiàn)代化綜合煤炭企業(yè)，大佛寺煤礦自2009 年起在地面進(jìn)行煤層氣的試開發(fā)工作，目前已施工地面煤層氣開發(fā)試驗(yàn)井6 口，單井日產(chǎn)氣量300 ～15 000 m3/d 不等。

圖1 大佛寺井田構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Dafosi mine field

1 礦井水文地質(zhì)特征

1.1 含(隔)水層特征

根據(jù)地層巖性和地層富水性資料分析，礦井煤系地層以上自上而下共發(fā)育主要含水層7 層，隔水層6 層(圖2)，其特征如下

1.1.1 第四系孔隙潛水含水層(Q4)

分布于礦區(qū)涇河及磨子溝、安化溝、菜子溝等河谷及溝谷中，呈帶狀展布，巖性為中、粗沙及礫石層，厚度3.50 ～9.13 m，水位埋深一般0.65 ～4.50 m，屬富水性弱～中等的含水層。主要接受大氣降水和基巖水的補(bǔ)給，并與河流地表水有互補(bǔ)關(guān)系。

各溝谷中均有出露，巖性以中、粗粒碎屑堆積物為主，屬未固結(jié)～半固結(jié)地層，含水層厚度約20 m，為弱富水性含水層，以大氣降水補(bǔ)給為主。

1.1.3 白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖含水層(K1l)

圖2 礦井水文地質(zhì)柱狀示意圖Fig.2 Mine hydrogeological histogram

井田內(nèi)各溝谷中廣泛出露，含水層由各類砂巖組成，厚7.35 ～282.20 m，平均167.41 m，水位埋深43. 73 ± 1. 20 m，單位涌水量0. 012 75 ～0.050 8 L/s·m，滲透系數(shù)0.018 ～0.082 m/d，屬弱富水性含水層。

通陽活血方（GSE）由桂枝、三棱、莪術(shù)組成，周忠炎等[11]發(fā)現(xiàn)：不同濃度GSE均能促進(jìn)缺陷型斑馬魚ISVs生長、同時對EA.hy926細(xì)胞具有保護(hù)作用。GSE可以提高VEGF受體flt-1、kdr、kdrl的表達(dá)量，上調(diào)VEGF相關(guān)受體來發(fā)揮促血管新生的作用。

1.1.4 白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖含水層(K1y)

井田內(nèi)未出露，巖性為砂礫及礫巖，一般厚20～30 m，水位埋深7. 34 ± 0. 48 m. 單位涌水量0.008 76 ～0. 145 1 L/s·m，滲透系數(shù)0. 020 ～0.861 m/d，屬弱富水性含水層。

1.1.5 侏羅系中統(tǒng)直羅組下部砂巖含水層(J2z下部)

巖性為淺灰綠色中粗粒砂巖及砂質(zhì)泥巖、泥巖，含水層厚度8 ～14 m，水位埋深21.22 ～44.42 m，單位涌水量0.000 02 ～0.000 05 L/s·m，滲透系數(shù)0. 000 12 ～0. 005 9 m/d，屬極弱富水性含水層。

1.1.6 侏羅系中統(tǒng)延安組上段4上煤以上砂巖含水層(J2y 上段)

含水層由中粒砂巖及少量含礫粗砂巖組成，厚度一般4.60 ～13.10 m，水位埋深26.16 m，單位涌水量0.000 679 L/s·m，滲透系數(shù)0.005 m/d，屬極弱富水性含水層。

1.1.7 侏羅系中統(tǒng)延安組下段4上煤～4 煤間砂巖含水層(J2y 下段)

該層由4 煤老頂中～粗粒砂巖、砂礫巖組成，厚度一般6.75 ～25.34 m，水位埋深30.55 ～32.10 m，單位涌水量0.000 07 ～13.88 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 22 ～0.002 2 m/d，富水性變化較大，以弱富水性為主。

上述含水層之間發(fā)育的主要隔水層有:①更新統(tǒng)黃土層隔水層(Q1+2+3);②小章組上部紅粘土隔水層();③華池—環(huán)河組泥巖隔水層(K1h);④安定組泥巖隔水層(J2a);⑤直羅組上部泥巖隔水層(J2z 上部);⑥延安組頂部泥巖隔水層(J2y 頂部);⑦延安組4 煤頂板泥巖隔水層(J2y 下部)。

1.2 含水層水化學(xué)特征

在垂向上，各含水層礦化度從下而上具有逐漸減低的趨勢(表1)，說明了各含水層垂向的水力聯(lián)系比較弱［3］。

2 礦井含水層與煤層氣井排采水的關(guān)系

大佛寺煤礦地面共施工了多口煤層氣試驗(yàn)井，分別自2009 年7 月起陸續(xù)開始排采，排采的主要目的層為4#煤層。根據(jù)2011 年與2012 年多次對多口煤層氣井排采水樣進(jìn)行分析測定表明(表2)，水質(zhì)類型均為Cl--Na+型，礦化度在10.43 ～11.54 g/L 之間，同時排采水量均不大，為3.33 ～76 m3/d，約0.14 ～3.17 m3/h，反映煤層圍巖含水層含水性微弱，富水性較差。經(jīng)過將煤層氣井水質(zhì)類型、礦化度與礦井各含水層水進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，僅有延安組4上煤～4 煤間砂巖含水層與直羅組下部砂巖含水層與此很相似。4上煤以上砂巖含水層(J2y 上段)雖水質(zhì)類型一致，但礦化度太高，其它含水層水質(zhì)類型不符。由于大佛寺煤礦構(gòu)造簡單，各含水層之間泥巖隔水層分布穩(wěn)定，除非有斷層導(dǎo)通，否則很少有水力聯(lián)系。從三維地震勘探及井下實(shí)際采掘揭露情況，4#煤層發(fā)育的斷裂構(gòu)造均屬于小型斷層，大部分?jǐn)嗑嘣? m 之下，斷層一般僅將煤層直接頂板斷開，向上延伸距離很短，導(dǎo)通不到4上煤之上。根據(jù)這一特征分析，煤層氣井的排采水主要來自距離煤層頂板很近的4上煤～4煤間砂巖含水層段水，4上煤以上各含水層段水進(jìn)入煤層的幾率較小，除非遇到了斷距較大的斷層。

表1 大佛寺井田含水層水質(zhì)特征表Tab.1 Characteristics of aquifer water quality for Dafosi mine field

表2 煤層氣排采井水質(zhì)數(shù)據(jù)一覽表Tab.2 Water quality data of CBM wells

3 煤層氣井布置有利部位選擇

從表2 可以看出，盡管煤層氣井的排水量不是很大，但各井間仍有較大差異。由于出水量大小關(guān)系著煤層氣井的出氣量及出氣時間，對煤層氣的開采影響較大，因此，在地面煤層氣井位選擇時必須慎重考慮含水層對煤層氣開采的影響［4］。根據(jù)對大佛寺煤礦施工的煤層氣井產(chǎn)水量與出氣時間分析，發(fā)現(xiàn)與井位所處構(gòu)造部位、含水層厚度及斷層發(fā)育程度有一定關(guān)系，表現(xiàn)在煤層頂板上覆含水層厚度大、距離煤層近、構(gòu)造上處于向斜區(qū)軸部或斷層發(fā)育區(qū)的井，排水量相對較大，出氣時間晚，而頂板上覆含水層厚度薄、距離煤層遠(yuǎn)、構(gòu)造上處于背斜軸部或斷層稀疏區(qū)的井，排水量相對較小，出氣時間早。依據(jù)這一關(guān)系，結(jié)合有關(guān)地區(qū)煤層氣選區(qū)評價方法［5-11］，從水文地質(zhì)角度提出大佛寺煤礦煤層氣井位有利區(qū)的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下

1)有利區(qū):煤層距頂板充水含水層較遠(yuǎn)，間距大于10 m，構(gòu)造上處于背斜部位。產(chǎn)水量小，簡單易降壓;

2)較有利區(qū):煤層距頂板含水層間距5 ～10 m，構(gòu)造上處于單斜部位。產(chǎn)水量較小，較簡單易降壓;

3)中等有利區(qū):構(gòu)造上處于向斜區(qū)匯水區(qū)，煤層距頂板含水層厚度3 ～5 m，或頂板含水層厚度在5 ～10 m;

4)不利區(qū):煤層距頂板含水層厚度小于3 m，斷層發(fā)育，或頂板含水層厚度在10 m 以上，斷層發(fā)育。

4 結(jié) 論

1)大佛寺煤礦主采侏羅系延安組4#煤層，也是地面煤層氣井的主要目的層。礦井煤系地層以上共發(fā)育7 層含水層，各含水層間水力聯(lián)系弱。通過水化學(xué)特征對比分析，地面煤層氣井的排采水主要來自距離煤層頂板很近的4上煤～4 煤間砂巖含水層水;

2)根據(jù)對大佛寺煤礦煤層氣井產(chǎn)水量相關(guān)因素分析，提出了大佛寺煤礦煤層氣井位有利區(qū)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，為煤層氣井位的選擇布置提供了參考依據(jù)。

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