黑龍江省煤系裂隙含水層巖性劃分研究

，

(1.中煤地質(zhì)工程總公司，北京100043；2.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150090)

黑龍江省煤系裂隙含水層巖性劃分研究

陸斌法1，肖雨江2

(1.中煤地質(zhì)工程總公司，北京100043；2.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150090)

針對巨厚砂巖和泥巖互層地層難以按照傳統(tǒng)的巖性劃分方法追蹤含水層的難題，近年來在黑龍江省煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出根據(jù)白堊系煤系裂隙含水層的發(fā)育特點(diǎn)，利用鉆探、簡易水文、物探測井、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)分析等野外實(shí)際資料綜合分析，采用“二分法”將研究區(qū)巨厚的砂巖、泥巖互層組合結(jié)構(gòu)的白堊系煤系裂隙含水層，按照深度劃分為強(qiáng)裂隙承壓含水帶和弱裂隙承壓含水帶，為節(jié)省水文地質(zhì)勘探中的工作量提供新的途徑。

砂巖和泥巖互層；含水層劃分；裂隙含水層；“二分法”

Abstract:To solve the difficulty of tracking the aquifers of the thick sandstone and mudstone interbedding strata with traditional lithological classification method, a new method was put forward based on the coal mine hydrogeological exploration practice in Heilongjiang Province in recent years. According to the development characteristics of Cretaceous coal fractured aquifer, a comprehensive analysis of the field data such as drilling, simple hydrology, geophysical logging, pumping test, and water quality analysis was first made. “Dichotomy” was then adopted to divide the thick sandstone and mudstone interbedding structure fracture aquifer in the study area into strong pressure-bearing fractured aquifers and weak pressing-bearing fractured aquifers according to the depth. This method provides a new approach to the workload reduction in hydrogeological explorations.

Keywords:sandstone and mudstone interbedding structure; aquifer division; fractured aquifer; “dichotomy”

黑龍江省是我國東北主要產(chǎn)煤省份。三江平原位于黑龍江省東部，由黑龍江、烏蘇里江和松花江三條大江沖積而成，屬中新生代內(nèi)陸斷陷[1]。白堊系下統(tǒng)雞西群為區(qū)域含煤地層。根據(jù)鶴崗[2]、雙鴨山、七臺(tái)河、雞西分公司的勘探資料可知，研究區(qū)各煤礦賦存的煤層形成于同一時(shí)期，除了地層厚度由于古地理環(huán)境[3]和地殼運(yùn)動(dòng)的影響不盡一致以外，地層巖性和沉積韻律均很相近[4-5]，地質(zhì)和水文地質(zhì)特征類似。因煤礦而興起的鶴崗、雙鴨山、七臺(tái)河、雞西市自北而南依次分布于小興安嶺東麓的三江平原中西部(圖1)，規(guī)劃面積為18 637 km2，查明煤炭資源儲(chǔ)量211.92億 t[6]，年產(chǎn)煤炭5000萬t，為保障東北老工業(yè)基地的能源供給發(fā)揮了重要作用。

圖1 黑龍江省產(chǎn)煤區(qū)分布示意圖Fig.1 Distribution of coal producing area in Heilongjiang Province

隨著煤炭開采向深部延伸，礦井水文地質(zhì)條件趨于復(fù)雜，作為煤炭開采直接充水含水層的煤系裂隙含水層自然成為煤礦水文地質(zhì)勘查和煤礦水害防治工作的主要研究對象。近3年來，作者參與了該礦區(qū)8個(gè)礦井的水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作，并對以往地質(zhì)工作中的水文地質(zhì)鉆孔資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，針對巨厚砂巖和泥巖互層地層劃分難題，對煤系地層裂隙發(fā)育深度規(guī)律進(jìn)行了對比研究，采用“二分法”劃分為強(qiáng)裂隙承壓含水帶和弱裂隙承壓含水帶，減少了近1/4的鉆探工作量，為企業(yè)節(jié)約投資近3 000萬元。

1 煤系地層發(fā)育特征

黑龍江省三江平原屬中新生代內(nèi)陸斷陷，白堊系下統(tǒng)雞西群為區(qū)域含煤地層。在復(fù)合褶皺基底上堆積有千米以上的中、新生代沉積蓋層。位于平原中西部的儲(chǔ)煤盆地地層由老至新可分為元古界麻山群，中生界白堊系下統(tǒng)雞西群滴道組、城子河組、穆棱組，白堊系下統(tǒng)樺山群東山組，新近系、第四系[7]等(表1)。

表1 黑龍江省煤礦區(qū)域地層簡表Tab.1 Coal mine strata in Heilongjiang province

注：1)根據(jù)鶴崗、雙鴨山、七臺(tái)河、雞西分公司資料匯編；2)東山組地層厚度有待考證；3)雞西群下部滴道組地層在雙鴨山煤礦區(qū)名為“東榮組”

以下僅以龍煤集團(tuán)雙鴨山分公司勘探資料為例簡述。

穆棱組(K1m)：整合接觸于城子河組之上，巖石組合以湖相靜水環(huán)境細(xì)碎屑沉積巖為主，由深灰色泥質(zhì)粉砂巖、灰色細(xì)砂巖、厚層中粒砂巖夾薄層泥巖和薄煤組成。底部為20～30 m長石石英質(zhì)局部含細(xì)粒的中砂巖，中下部含不可采薄煤和炭質(zhì)泥巖9層，個(gè)別煤層頂?shù)装搴蛫A石層為凝灰質(zhì)巖石，上部不含煤，泥質(zhì)粉砂巖較發(fā)育，層狀凝灰?guī)r增多，巖性組合呈等厚互層狀出現(xiàn)。厚度50～1 000 m。

城子河組(K1ch)：不整合接觸于滴道組之上，由一套陸相碎屑含煤建造和海陸交互相地層組成，由灰-灰白色的中、粗、細(xì)砂巖與深灰色或黑色的粉砂巖、薄層泥巖、凝灰?guī)r等組成，底部有一層厚約5～20 m細(xì)礫巖-含礫粗砂巖。含煤40～60層，為主要含煤地層。據(jù)巖相特征、巖層和煤層的組合特征，將城子河組劃分為上、中、下三個(gè)含煤巖段，分別稱上含煤段、中含煤段和下含煤段。厚度150～1 300 m。

滴道組(K1di)：不整合接觸于元古界麻山群之上，主要由礫巖、砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、炭質(zhì)泥巖夾薄煤層和安山質(zhì)熔巖、凝灰?guī)r組成，底部為花崗質(zhì)礫巖。該組地層在七臺(tái)河、雞西礦區(qū)局部發(fā)育，在雙鴨山礦區(qū)缺失，在東榮井田稱為“東榮組”。厚度0～400 m。

2 煤系裂隙含水層發(fā)育特征

根據(jù)地層時(shí)代、巖性、含水介質(zhì)、孔隙發(fā)育特征等，可將各賦煤盆地內(nèi)地下水含水層劃分為：第四系孔隙含水層、白堊系煤系裂隙含水層和煤系基底裂隙含水層。其中白堊系煤系裂隙含水層直接與新生界松散地層不整合接觸，分布廣泛、沉積巨厚，其巖層發(fā)育特征為砂巖、泥巖互層疊置結(jié)構(gòu)，煤層間夾其中，為礦井直接充水含水層，為煤礦水文地質(zhì)條件重點(diǎn)研究對象。根據(jù)鉆孔揭露情況統(tǒng)計(jì)，白堊系碎屑巖地層中砂巖厚度約占整個(gè)揭露基巖厚度的75%，其中單孔揭露最多的是安泰礦DT1鉆孔，鉆孔揭露砂巖110層，單層砂巖厚度0.15～29.85 m，平均厚度15.18 m，單孔揭露最少的砂巖也達(dá)38層，為東保衛(wèi)礦SY7鉆孔。揭露的砂巖多以細(xì)砂巖和中砂巖為主，和泥巖呈互層狀結(jié)構(gòu)(圖2)。研究區(qū)內(nèi)相變復(fù)雜，如果按巖性追蹤和對比地層則比較困難。

3 煤系裂隙含水層“二分法”必要性及依據(jù)

3.1 必要性及原則

根據(jù)多年來的勘查實(shí)踐，尤其是近年來開展的煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作，從鉆探、簡易水文、物探測井、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)分析等實(shí)際資料，對煤系地層裂隙發(fā)育深度規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對比，將巨厚的砂巖、泥巖互層的白堊系煤系裂隙含水層，按一定的埋藏深度劃分為強(qiáng)裂隙含水帶和弱裂隙含水帶，即“二分法”。對研究區(qū)進(jìn)行含水層“二分法”的必要性在于：

1) 煤系裂隙含水層主要由煤層間發(fā)育的砂巖層構(gòu)成，砂巖層數(shù)多、厚度變化大、與泥巖和煤層呈互層結(jié)構(gòu)，在單個(gè)井田內(nèi)有尖滅和合并的現(xiàn)象，層位難以追蹤和對比，在地層傾角較大的礦區(qū)按垂向水平劃分“含水層”十分困難。

2) 煤系地層與新生代地層在漫長的地史演化過程中，經(jīng)歷了長期的沉積間斷和風(fēng)化剝蝕，在煤系地層頂部形成了一定厚度的風(fēng)化裂隙帶，并與上覆松散地層呈不整合接觸，成為地下水補(bǔ)給、運(yùn)移、賦存的良好空間，并具有隨著埋藏深度的增加巖石裂隙發(fā)育趨弱，富水性也逐漸變?nèi)醯奶卣鳌?/p>

3) 煤系地層本身就是開采煤層的直接充水含水層，對于厚達(dá)千余米的砂巖、泥巖互層疊置的“含水層”，加之構(gòu)造十分發(fā)育，地層錯(cuò)斷之后又重新復(fù)雜組合，這種地層特點(diǎn)無法按傳統(tǒng)意義上的地層巖性特征來劃分含水層。若要硬性按照煤系地層巖性特征作為“含水層”的話，對于巨厚碎屑巖含煤地層則意味著需要耗費(fèi)大量的水文地質(zhì)鉆探工程量。

對研究區(qū)進(jìn)行含水層“二分法”的原則為：①地層巖性互層、疊置組合、厚度巨大，需進(jìn)一步劃分；②符合地層裂隙垂向發(fā)育規(guī)律原則；③滿足水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算和礦井涌水量預(yù)測評價(jià)原則；④達(dá)到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益雙贏原則。

圖2 煤系裂隙含水層地層柱狀示意圖Fig.2 Stratigraphic diagram of tcoal fractured aquifers

3.2 劃分依據(jù)

1) 巖芯采取率。根據(jù)大量鉆探資料分析，上部強(qiáng)裂隙承壓含水帶由于風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，多為張裂隙，鉆進(jìn)時(shí)速度較快，巖芯破碎成塊狀，較松散，巖芯采取率較低，一般小于60%。下部弱裂隙承壓含水帶，裂隙不發(fā)育，且多被方解石充填，鉆速降低，巖芯完整，致密堅(jiān)硬，巖芯采取率一般大于70%。

2) 簡易水文特征。根據(jù)大量的勘查鉆孔簡易水文觀測資料分析，鉆孔在上部強(qiáng)裂隙承壓含水帶鉆進(jìn)時(shí)漏水的鉆孔比例超過70%，大部份鉆孔在上部強(qiáng)裂隙承壓含水帶嚴(yán)重漏水；鉆孔在下部地層泥漿消耗量明顯比上部地層有所減小。這說明上部地層裂隙發(fā)育，連通性好，隨著埋深的增大，地層裂隙的連通性逐漸減弱，相應(yīng)的富水性也減弱。

3) 物探測井。根據(jù)勘查鉆孔測井曲線顯示，白堊系煤系地層上部強(qiáng)裂隙承壓含水帶電阻率曲線值明顯低于下部弱裂隙承壓含水帶，下部地層自然伽馬曲線值增大，泥質(zhì)含量相對于上部增加，鹽化曲線反映含水段也主要位于上部層段[8-10]。

4) 抽水試驗(yàn)。根據(jù)雙鴨山分公司近年來水文地質(zhì)補(bǔ)勘33個(gè)水文地質(zhì)鉆孔抽水試驗(yàn)資料分析，當(dāng)抽水試驗(yàn)段位于白堊系強(qiáng)裂隙帶時(shí)，鉆孔統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)單位涌水量一般q>0.1 L/s·m；當(dāng)位于弱裂隙帶時(shí)，鉆孔統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)單位涌水量一般q<0.1 L/s·m[11]。上部含水層的富水性明顯要大于下部。

5) 水質(zhì)分析。根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)勘數(shù)10個(gè)鉆孔水樣的水化學(xué)分析，水質(zhì)類型垂向上的變化規(guī)律為：白堊系上部強(qiáng)裂隙帶以HCO3-Ca·Na型為主，下部弱裂隙含水帶以HCO3-Na·Ca型為主。

綜合以上各種特征，對各個(gè)鉆孔的煤系裂隙含水層按照深度劃分出了強(qiáng)裂隙含水帶和弱裂隙含水帶，整體上規(guī)律性較明顯(圖3)。

圖3 安泰礦DT1孔煤系強(qiáng)、弱裂隙含水帶特征圖Fig.3 Characteristics of the strong and weak coal fractured aquifers of DT1 drill in Antai coal mine

3.3 劃分結(jié)果

依據(jù)以上“二分法”劃分原則和方法，統(tǒng)計(jì)大量近年施工的水文地質(zhì)鉆孔資料，得到各礦區(qū)煤系裂隙含水層的強(qiáng)、弱裂隙含水帶分布規(guī)律。由于各煤礦的地質(zhì)條件不同，因此強(qiáng)、弱裂隙含水帶的劃分界限也各異。從垂向上看，覆蓋層厚的礦區(qū)其分界面埋深較大，而覆蓋層薄的礦區(qū)其界面埋深較淺。位于雙鴨山煤盆地內(nèi)的5個(gè)煤礦，煤系地層直接上覆數(shù)十米厚的第四系松散層，煤系強(qiáng)、弱裂隙含水帶的劃分界限變化范圍為120～180 m。東榮井田內(nèi)因煤系地層上覆第四系、新近系厚約200 m，煤系強(qiáng)、弱裂隙含水帶的劃分界限變化范圍為300～350 m(表2)。

表2 煤系強(qiáng)、弱裂隙含水帶的劃分界限統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Boundary data of the strong and weak coal fractured aquifers

4 含水層“二分法”的意義

1) 符合地下水動(dòng)力學(xué)“完整井”理念。地下水動(dòng)力學(xué)中的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算，無論是穩(wěn)定流還是非穩(wěn)定流計(jì)算公式都要求是“完整井”條件，即抽水試驗(yàn)段應(yīng)包括全部含水層厚度，試驗(yàn)孔的底端必須位于含水層下部的隔水層段，以保證試驗(yàn)孔底部不進(jìn)水。對于本區(qū)巨厚的砂巖、泥巖互層的煤系裂隙“含水層”，易于滿足此“完整井”的要求，亦滿足含水層水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算理論公式要求[12]。

2) 利于勘查“目的層段”深度的確定。對于中生界煤系地層而言，本身就是開采煤層的直接充水含水層，其富水性具有隨埋藏深度的增加而減弱的一般規(guī)律，影響煤礦安全生產(chǎn)的水患主要是開采煤層上部含水層的水[13-14]。因此，煤礦水文地質(zhì)勘探及防治水工作的主要“目的層段”，可確定為井田煤系上部相對強(qiáng)裂隙發(fā)育帶，加上適當(dāng)深度的弱裂隙含水帶。其深度的確定可根據(jù)上述原則和方法，從而鉆探工作不必為盲目追求水文地質(zhì)勘探試驗(yàn)孔的“完整性”而鉆穿全部煤系地層。

3) 減少企業(yè)勘探成本。在水文地質(zhì)勘探中，鉆探費(fèi)用往往占整個(gè)綜合勘探費(fèi)用的50%以上，上述勘查“目的層段”深度確定以后，在滿足勘查精度的同時(shí)，將合理節(jié)省大量的鉆探工作量，從而為煤礦企業(yè)節(jié)約大量勘探成本[15]。

4) 具有推廣價(jià)值。煤系裂隙含水層“二分法”的方法同樣適用于我國其他類似的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件的礦區(qū)。

5 結(jié)論

1) 研究區(qū)的煤系地層組合特征為巨厚的砂巖和泥巖互層結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的巖性劃分法追蹤含水層方法在該地區(qū)適用性不強(qiáng)；

2) 基于大量鉆探、簡易水文、物探測井、抽水試驗(yàn)、水質(zhì)分析資料的“二分法”能夠確定強(qiáng)裂隙含水層帶和弱裂隙含水帶的界限；

3) 煤系裂隙含水層“二分法”在滿足水文地質(zhì)勘查精度要求的同時(shí)，能夠節(jié)省大量的鉆探工程量。

[1]趙海陸.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司雙鴨山分公司雙鴨山盆地煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].北京:中國煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心,2015:66-84.

[2]田蕾.黑龍江龍煤礦業(yè)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司鶴崗礦業(yè)集團(tuán)群英山深部水文地質(zhì)勘查報(bào)告[R].北京:中國煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心,2013:41-56.

[3]高迪,邵龍義,李柱.三江盆地早白堊世層序古地理與聚煤作用研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,41(5)746-752. GAO Di,SHAO Longyi,LI Zhu.Sequence-paleogeography and coal accumulation of Early Cretaceous in Sanjiang basin,northeastern China[J].Journal of China University of Mining & Technology,2012,41(5):746-752.

[4]孟慶龍,薛林福,騰菲,等.三江盆地地史模擬及其地址意義研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2007,26(2):42-45. MENG Qinglong,XUE Linfu,TENG Fei,et al.Study on Sanjiang basin geohistory numerical simulation and geological significance[J].Petroleum Geology & Oilfield Develpment in Daqing,2007,26(2):42-45.

[5]李子俊,姜?jiǎng)?三江-穆棱河中晚期侏羅世沉積體系與聚煤模式[J].東北煤炭科技,1996(3):9-18. LI Zijun,JIANG Jianhong.Middle-late Jurassic depositional system and coal forming model in Sanjiang-Mulinghe regions[J].Coal Technology of Northeast China,1996(3):9-18.

[6]孫升林.大型煤炭基地煤炭資源、水資源和生態(tài)環(huán)境綜合評價(jià)[R].北京:國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源局,中國煤炭地質(zhì)總局,2006:2-14.

[7]任慶超.黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司雙鴨山分公司集賢盆地煤礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告[R].北京:中國煤炭地質(zhì)總局特種技術(shù)勘探中心,2015:55-74.

[8]駱淼,潘和平,黃東山.地球物理測井在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用綜述[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(2):136-141. LUO Miao,PAN Heping,HUANG Dongshan.Overview of the application of geophysical well logging in hydrogeologic survey[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2004,1(2):136-141.

[9]王春輝,查恩來,連晟.水文電測井參數(shù)預(yù)測單井涌水量試驗(yàn)研究[J].工程勘察,2013,41(9):90-94. WANG Chunhui,ZHA Enlai,LIAN Cheng.The experimental study of predicting specific capacity using hydrological electrical logging data[J].Geotechnical Investigation & Surveying,2013,41(9):90-94.

[10]江子鳳,白玲,李功強(qiáng),等.大牛地氣田儲(chǔ)層裂縫測井評價(jià)及其對產(chǎn)能的影響[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2013,10(4):522-526. JIANG Zifeng,BAI Ling,LI Gongqiang,et al.Logging evaluation of the fractured reservoir of Daniudi gas field and its effect on the production[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2013,10(4):522-526.

[11]張劍峰.水文地質(zhì)勘察方法在找水中的應(yīng)用[J].河南科技,2010,24:12. ZHANG Jianfeng.The application of hydrogeological methods in the prospecting water[J].Henan Science and Technology,2010,24:12.

[12]李玉兵.礦井含水層劃分與安全開采探析[J].煤炭與化工,2015,38(3)32-33. LI Yubing.Mine aquifer division and safe mining discussion[J].Coal and Chemical Industry,2015,38(3):32-33.

[13]姜在興,吳明榮,魯洪波,等.新疆焉耆盆地中生界含煤地層深水成因的判別分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999,23(2):1-5. JIANG Zaixing,WU Mingrong,LU Hongbo,et al.Discriminant analysis on deep water sedimentary environment of Jurassic coal bearing bed of Yanqi basin in Xinjiang area[J].Journal of the University of Petroleum China (Natural Science),1999,23(2):1-5.

[14] 吳明榮,姜在興,魯洪波,等.焉耆盆地侏羅紀(jì)含煤地層深水成因證據(jù)與沉積模式[J].新疆地質(zhì),2002,20(1):53-57. WU Mingrong,JIANG Zaixing,LU Hongbo,et al.Deep-water origin of the Mesozoic coal-bearing strata in Yanqi basin,Northwest China[J].Xinjiang Geology,2002,20(1):53-57.

[15]李穎.工程物探方法探測覆蓋層的工程地質(zhì)效果分析[D].成都:成都理工大學(xué),2016.

(責(zé)任編輯:高麗華)

StudyonLithologicalDivisionofCoalBearingFracturedAquiferinHeilongjiangProvince

LU Binfa1, XIAO Yujiang2

(1.China Coal Geological Engineering Corporation, Beijing 100043, China；2. Helongjiang Longmay Mining Group Co., LTD, Harbin, Heilongjiang 150090, China)

TD741；P631

A

1672-3767(2017)06-0096-07

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.014

2016-06-22

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120113103500)

陸斌法(1963—)，男，江蘇蘇州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事煤田水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)工作. E-mail：lubinfa@sohu.com