黃海魚,丁 湘,吳永輝,劉 溪
(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054;2.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)
近年來,隨著鄂爾多斯盆地北部呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)的中深部礦井大規(guī)模開發(fā)(見圖1),礦井涌水量呈現(xiàn)大且持續(xù)增長的趨勢,已成為制約該區(qū)域礦井安全高效開采的關(guān)鍵因素。礦井之間涌水量差異較大,同一礦井不同采區(qū)工作面的涌水量也存在明顯區(qū)別。為了做好該區(qū)域礦井的防治水工作,前人從導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律[1]、礦井涌水量特征[2-3]、沉積環(huán)境對(duì)礦井頂板含水層富水性影響[4-8]等方面做了一定研究,并初步認(rèn)定,中侏羅統(tǒng)直羅組底部的“七里鎮(zhèn)砂巖”是影響礦井涌水量的重要含水層[9]。但是,前人對(duì)造成直羅組底部砂巖與其他頂板砂巖含水差異性的原因研究不足,對(duì)研究區(qū)侏羅系潛在含水層所處地層的沉積相和重要含水層砂巖展布規(guī)律研究不足,導(dǎo)致沉積相及砂體展布規(guī)律與礦井涌水量的關(guān)聯(lián)性不夠清楚,對(duì)造成直羅組底部砂巖與其他頂板砂巖含水層差異性的原因分析不足。為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測礦井涌水量及涌水量變化規(guī)律,本次研究以鄂爾多斯盆地北部典型中深部礦井為研究對(duì)象,在分析主要充水含水層的基礎(chǔ)上,充分考慮沉積相是控制砂體形成的根本因素[10],對(duì)侏羅系含水層所在地層沉積相和砂體空間展布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。同時(shí),結(jié)合礦井涌水量特征和工作面頂板探放水情況,分析鄂爾多斯盆地北部侏羅系含水層所在地層沉積相對(duì)中深部礦井涌水量的影響。
圖1 鄂爾多斯盆地北部中深部典型礦井地理位置Fig.1 Geographical location of the typical middle and deep mines in northern Ordos Basin
鄂爾多斯盆地是在古生代華北克拉通盆地的基礎(chǔ)上發(fā)育的中生代沉積盆地。中晚三疊世延長期和中侏羅世延安期是盆地發(fā)展的鼎盛期[11]。中侏羅世早期,盆地沉積范圍和湖區(qū)迅速擴(kuò)張,沉積了一套復(fù)陸屑含煤建造——延安組。延安組沉積早期以河流相為主,中期河湖三角洲沉積發(fā)育,晚期主要為網(wǎng)狀河殘余湖相,各期泥炭沼澤廣布,煤層發(fā)育。延安組形成后,地殼持續(xù)穩(wěn)步下降,連續(xù)沉積了復(fù)陸屑碎屑巖建造——中侏羅統(tǒng)直羅組、安定組。直羅組以河流相沉積為主,早期主要發(fā)育辮狀河沉積,中晚期以曲流河和交織河沉積為主,河漫湖廣布[12-14]。
目前,鄂爾多斯盆地北部呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)的中深部礦井開采深度為550~750 m,主要開采煤層為延安組上部的2#和3#煤。煤層上覆地層由老到新主要包括中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)、中侏羅統(tǒng)安定組(J2a)、下白堊統(tǒng)志丹群(K1zh)和第四系全新統(tǒng)(Q4)。
為分析沉積相對(duì)涌水量的影響作用,首先需要明確對(duì)礦井煤層開采過程中涌水量造成影響的含水層所屬的層位。本研究通過導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行含水層所屬層位的確定。目前,井下仰孔分段注水測漏法實(shí)測和鉆孔窺視探測是測試礦井導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的重要手段[15-16]。本研究通過該方法對(duì)典型礦井導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度進(jìn)行了探測,裂采比為24.55倍。
研究區(qū)典型礦井主要開采位于延安組二段頂部的3-1煤,煤層厚度為3.9~6.35 m,平均4.53 m,采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為95.75~155.89 m,平均111.21 m。根據(jù)井田內(nèi)3-1煤層至各地層層間距關(guān)系(見表1)可知,直羅組一段至3-1煤層的間距為31.4~86.42 m,屬于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度范圍;直羅組二段至3-1煤層的間距為92.35~188.22 m,僅局部地層屬于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度范圍;而安定組至3-1煤層間距為179.55~300.50 m,超出了導(dǎo)水裂隙帶影響的發(fā)育高度范圍。另外,3-1煤與上覆延安組三段直接接觸。由此可知,導(dǎo)水裂隙帶主要波及到的上覆含水層為延安組三段和直羅組一段含水層,局部波及到直羅組二段含水層。
表1 典型礦井3-1煤層至上覆地層層間距 Tab.1 Interval between 3-1coal and overlying strata in typical mines
因此,本研究主要針對(duì)直接充水含水層所在的中侏羅統(tǒng)延安組三段、直羅組一段、直羅組二段開展沉積相對(duì)中深部礦井涌水量的影響研究。
通過對(duì)井田148個(gè)鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)和區(qū)域沉積背景進(jìn)行分析,利用主要?jiǎng)澐謽?biāo)志層,結(jié)合前人的研究成果[17-19],對(duì)典型礦井主要研究目的層進(jìn)行地層劃分(見表2)。
表2 典型礦井中侏羅統(tǒng)延安組、直羅組地層劃分標(biāo)準(zhǔn) Tab.2 Stratigraphic division standard of Middle Jurassic Yan′an Formation and Zhiluo Formation in typical mines
1)延安組三段。延安組三段以下伏延安組二段頂部3-1煤頂為底界,以延安組頂部的區(qū)域侵蝕不整合面或直羅組底部的“七里鎮(zhèn)砂巖”作為頂界。3-1煤層是廣泛沼澤化沉積的界面,一定程度上可進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ?;“七里?zhèn)砂巖”底部為沖刷不整合界面。延安組三段地層厚度72.06~103.44 m,平均88.87 m。巖性以灰白色細(xì)砂巖和深灰色粉砂巖、泥巖為主,普遍含煤(見圖2A),偶見中砂巖(見圖2B)。
2)直羅組。直羅組(J2z)以“七里鎮(zhèn)砂巖”為底界,以安定組高阻泥灰?guī)r為頂界。直羅組地層厚度為117.75~219.45 m,平均164.09 m,與下伏延安組(J2y)呈平行不整合接觸。根據(jù)地層厚度和標(biāo)志層特征,進(jìn)一步劃分為直羅組一段和直羅組二段。
直羅組一段底部以“七里鎮(zhèn)砂巖”為界,頂部以“高橋砂巖”為界。地層厚度為55.3~117.27 m,平均78.67 m,巖性主要為淺黃、灰綠色中—粗粒砂巖及粉砂巖、砂質(zhì)泥巖(見圖2C、D)。直羅組一段下部粒度較粗,向上粒度逐漸變細(xì),顯示為正旋回。上部以粉—細(xì)砂巖和泥巖為主。
直羅組二段底部以“高橋砂巖”為界,頂部以安定組高阻泥灰?guī)r為界,地層厚度為65.3~116.55 m,平均為85.42 m,巖性以紫紅色、雜色砂質(zhì)泥巖、泥巖與灰綠、黃綠色砂巖、粉砂巖為主(見圖2E),發(fā)育向上粒度變細(xì)的正旋回,砂巖以薄層為主。
通過野外露頭剖面、鉆井巖心等資料,對(duì)研究區(qū)地層所發(fā)育的巖石類型和沉積構(gòu)造等沉積相標(biāo)志特征進(jìn)行分析。在研究區(qū)地層中識(shí)別出砂巖、粉砂巖、泥巖和煤等4種巖石類型。
砂巖主要包括粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖。其中,粗砂巖主要見于直羅組一段的地層中,反映強(qiáng)水動(dòng)力條件;中砂巖主要發(fā)育于直羅組一段的地層中,少量發(fā)育于延安組三段的地層中;細(xì)砂巖主要發(fā)育于延安組三段、直羅組一段上部和直羅組二段的地層中。砂巖顏色主要有灰白色、灰綠色、灰黃色,其中灰白色砂巖主要發(fā)育于延安組三段的地層中,而灰綠色、灰黃色砂巖主要發(fā)育于直羅組的地層中(見圖2A、B、C、D、E)。粗砂巖發(fā)育以塊狀層理和板狀交錯(cuò)層理為主的沉積構(gòu)造,砂巖厚度大,砂巖底部發(fā)育沖刷面,沖刷面附近常見大量泥礫(見圖2F),反映強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境。中砂巖主要可見槽狀交錯(cuò)層理和平行層理,砂巖厚度以中—薄層為主。細(xì)砂巖發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理和平行層理(見圖2G),反映較強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境。
粉砂巖在延安組三段和直羅組地層中均有發(fā)育,包括粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖。粉砂巖顏色多以灰白色和深灰色為主,泥質(zhì)粉砂巖以灰黑色為主。粉砂巖發(fā)育以沙紋交錯(cuò)層理、波狀層理和透鏡狀層理為主的沉積構(gòu)造(見圖2H),反映水動(dòng)力較弱或水動(dòng)力條件強(qiáng)弱交替的環(huán)境。
圖2 典型礦井延安組三段、直羅組巖心特征Fig.2 Core characteristics of the third section of Yan′an Formation and Zhiluo Formation in typical mines
泥巖以灰黑色、灰綠色、灰紫色、雜色為主?;液谏鄮r反映還原環(huán)境,灰綠色、灰紫色、雜色泥巖反映弱還原-弱氧化的沉積環(huán)境?;液谏鄮r和炭質(zhì)泥巖多見于延安組三段的地層中。雜色泥巖多見于直羅組地層中。泥巖中主要發(fā)育水平層理和塊狀層理。泥質(zhì)粉砂巖和泥巖中可見植物碎屑化石(見圖2I),部分發(fā)生炭化,反映水動(dòng)力條件較弱、較穩(wěn)定的沉積環(huán)境。
煤層主要見于延安組三段的地層中,井間分布較穩(wěn)定,具可對(duì)比性。顏色以黑褐色為主,發(fā)育塊狀構(gòu)造。煤層和炭質(zhì)泥巖是反映泥炭沼澤沉積環(huán)境的重要相標(biāo)志類型。
根據(jù)不同巖石類型及沉積相標(biāo)志在垂向上的分布組合特征,結(jié)合區(qū)域沉積演化背景,對(duì)延安組三段和直羅組沉積相進(jìn)行判別,認(rèn)為井田延安組三段、直羅組發(fā)育三角洲平原亞相、辮狀河亞相和曲流河亞相。
1)三角洲平原亞相。井田三角洲平原亞相沉積主要發(fā)育于延安組三段,包括分流河道、分流間灣和泥炭沼澤沉積微相(見圖3)。垂向上主要構(gòu)成灰白色中—細(xì)砂巖、深灰色泥巖及煤層的巖石類型組合。分流河道微相以灰白色細(xì)砂巖為主,測井曲線多對(duì)應(yīng)箱型、齒狀箱型。分流間灣以粉砂巖和深灰色泥巖為主。泥炭沼澤主要以具塊狀構(gòu)造、水平層理的煤層為主,對(duì)應(yīng)的測井曲線呈明顯的“峰”狀,自然伽馬呈“指型”低值。
圖3 延安組三段、直羅組一段沉積相單井柱狀圖(HM06鉆孔)Fig.3 Sedimentary facies column of the third section in Yan′an Formation and the first section of Zhiluo Formation(drilling HM06)
2)辮狀河亞相。辮狀河亞相主要發(fā)育于直羅組一段下部,可進(jìn)一步識(shí)別出河道砂壩和泛濫平原微相(見圖3,4)。其垂向上主要構(gòu)成灰綠色厚層中—粗砂巖和雜色薄層泥巖的巖石類型組合。河道砂壩以灰綠色中—粗砂巖為主,砂巖發(fā)育厚度大,呈厚層塊狀產(chǎn)出。測井曲線多對(duì)應(yīng)箱型、齒狀箱型。砂巖中板狀交錯(cuò)層理發(fā)育,底部發(fā)育沖刷面,沖刷面中可見泥礫。泛濫平原以泥質(zhì)沉積為主,泥巖發(fā)育厚度較小。
3)曲流河亞相。曲流河亞相主要發(fā)育于直羅組二段和直羅組一段上部,可進(jìn)一步識(shí)別出河道砂壩和河漫灘微相(見圖4)。其垂向上主要構(gòu)成灰綠色中—細(xì)砂巖、粉砂巖和雜色泥巖的巖石類型組合。河道砂壩主要為中—薄層中—細(xì)粒砂巖,很少見厚層的塊狀砂巖,測井曲線多對(duì)應(yīng)齒狀鐘型、齒狀箱型。河漫灘主要為粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖或泥巖互層。曲流河沉積在垂向上表現(xiàn)為下粗上細(xì)的“二元結(jié)構(gòu)”,以河漫灘沉積較為發(fā)育為特征,在整個(gè)沉積相序中,砂泥比近于1,沉積旋回比較完整。
圖4 直羅組沉積相單井柱狀圖(H017鉆孔)Fig.4 Sedimentary facies column of Zhiluo Formation(drilling H017)
通過綜合分析延安組三段、直羅組一段和二段地層砂巖厚度、泥巖厚度、地層厚度及煤層厚度等各種單因素參數(shù),恢復(fù)了研究區(qū)各地層沉積期的沉積相展布特征。
延安組三段發(fā)育三角洲平原沉積,主要發(fā)育分流河道與分流間灣微相。井田內(nèi)發(fā)育兩條主河道,河道展布方向?yàn)楸睎|—南西向(見圖5)。對(duì)下部延安組煤層產(chǎn)生較大影響的延安組三段含水層主要發(fā)育在分流河道微相內(nèi),砂體厚度4.5~53.71 m,平均厚度25.58 m。其主砂體分布在井田西南部和東北部的小范圍地區(qū),井田中部砂體厚度整體發(fā)育不大。
圖5 延安組三段沉積相平面圖Fig.5 Sedimentary facies plan of the third section of Yan′an Formation
直羅組一段下部發(fā)育辮狀河沉積,直羅組一段上部發(fā)育曲流河沉積。辮狀河沉積作為直羅組一段的優(yōu)勢相,主要包括河道砂壩與泛濫平原微相,河道砂壩展布方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向(見圖6)。其主河道在研究區(qū)發(fā)育廣泛,井田西南部、北部均有大面積發(fā)育。
圖6 直羅組一段優(yōu)勢沉積相平面圖Fig.6 Sedimentary facies plan of the first section of Zhiluo Formation
直羅組二段發(fā)育曲流河沉積,包括河道砂壩和河漫灘微相,河道展布方向?yàn)楸睎|—南西向(見圖7)。對(duì)下部延安組煤層產(chǎn)生較大影響的直羅組二段含水層主要發(fā)育在河道砂壩微相內(nèi),砂體厚度5.25~73.64 m,平均厚度34.81 m。河道砂壩微相主要分布在研究區(qū)的北部和南部小范圍地區(qū)。井田中部大面積發(fā)育河漫灘沉積,夾小型河道砂體,砂體整體發(fā)育厚度小,連片發(fā)育程度低,連通性較差。
圖7 直羅組二段沉積相平面圖Fig.7 Sedimentary facies plan of the second section of Zhiluo Formation
3101和3103工作面分別位于井田的南北兩翼。3101工作面探放水鉆孔終孔涌水量平均為115.5 m3/h;3103工作面平均為15.6 m3/h,前者是后者的7.3倍(見圖8)。3101工作面探放水終孔水壓平均為2.2 MPa;3103工作面平均為1.8 MPa,前者是后者的1.2倍(見圖9)。
圖8 工作面探放水鉆孔終孔涌水量對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of water inflow from drainage, drilling and final hole of coalfield working face
圖9 工作面探放水鉆孔終孔水壓對(duì)比圖Fig.9 Comparison of final hole water pressure of drainage borehole in mine field working face
3101工作面回采過程中正常涌水量為927 m3/h,最大涌水量為1 372 m3/h。3103工作面正常涌水量為550 m3/h,最大涌水量為871 m3/h。工作面正常涌水量前者是后者的1.69倍,最大涌水量前者是后者的1.58倍(見圖10)。
圖10 工作面涌水量隨推進(jìn)距離變化圖Fig.10 Variation of water inflow of working face with advancing distance
根據(jù)兩個(gè)工作面采前探放水鉆孔數(shù)據(jù)和采后涌水量數(shù)據(jù)對(duì)比,南翼3101工作面頂板富水性明顯強(qiáng)于北翼的3103工作面。
為探究造成井田南翼3101工作面和北翼3103工作面涌水量差異的原因,本研究選取貫穿兩個(gè)工作面的南北向沉積相連井剖面進(jìn)行分析,剖面線具體位置見圖7所示。從剖面圖中可見(見圖11),直羅組一段發(fā)育辮狀河沉積,在井田北部,泛濫平原沉積微相較為發(fā)育,河道砂壩發(fā)育規(guī)模相對(duì)較小,砂體厚度較薄;而在井田南部,河道砂壩沉積微相占據(jù)優(yōu)勢地位,砂體較厚,足以成為主要充水含水層。延安組三段和直羅組二段砂體在南北剖面上的側(cè)向展布較穩(wěn)定,厚度變化較小。直羅組二段主要發(fā)育曲流河沉積,河道砂壩沉積微相在井田內(nèi)控制范圍明顯小于直羅組一段,砂體總體厚度較薄,且河道變遷頻繁,連通性差,使得部分砂體雖具有一定的厚度,但不利于地下水的存儲(chǔ)和徑流;再者,導(dǎo)水裂隙帶局部導(dǎo)通該層,致使直羅組二段砂體不足以對(duì)礦井涌水量產(chǎn)生較大影響。延安組三段主要發(fā)育三角洲平原沉積,其中分流河道沉積微相在井田范圍內(nèi)面積相對(duì)較小,砂體規(guī)模與直羅組底部厚層砂體相比明顯較薄,對(duì)礦井涌水量的影響作用受到限制。
圖11 H021鉆孔—WW09鉆孔中侏羅統(tǒng)延安組三段—直羅組沉積相對(duì)比剖面圖Fig.11 Sedimentary facies correlation profile of Middle Jurassic from borehole H021 to borehole WW09
另外可以看出, 井田北部延安組三段上部的2-1煤層發(fā)育和保存程度較好, 而井田南部的2-1煤層不發(fā)育,呈缺失狀態(tài)。這是因?yàn)榫锉辈亢拥郎皦伟l(fā)育規(guī)模相對(duì)較小,河道對(duì)下伏地層的沖刷作用相對(duì)較弱,而井田南部直羅組一段底部的厚層河道砂壩對(duì)下伏延安組三段進(jìn)行強(qiáng)烈沖刷,造成井田南部延安組三段2-1煤層及部分上部地層缺失。同時(shí),對(duì)下伏地層強(qiáng)烈的沖刷侵蝕,致使直羅組砂體至開采對(duì)象3-1煤層的層間距減小,使得其充水意義完全不同。
對(duì)下部延安組煤層產(chǎn)生較大影響的直羅組一段底部“七里鎮(zhèn)砂巖”,巖性組合簡單,主要發(fā)育中—粗粒砂巖;而延安組三段和直羅組二段砂巖以細(xì)粒砂巖為主。通過對(duì)延安組和直羅組不同巖性的物性分析可知[17],粗粒砂巖的有效孔隙度平均為22.08%,滲透率平均為425×10-3μm2;中粒砂巖的孔隙度平均為20.52%,滲透率平均為226×10-3μm2;細(xì)粒砂巖的孔隙度平均為13.90%,滲透率平均為20.18×10-3μm2。由此可見,中—粗粒砂巖的孔隙度和滲透率明顯高于細(xì)粒砂巖,導(dǎo)致其透水能力強(qiáng)于細(xì)粒砂巖。而辮狀河河道砂壩的強(qiáng)水動(dòng)力條件是形成中—粗粒砂巖的根本原因。
為進(jìn)一步刻畫直羅組底部厚層砂巖的影響作用,對(duì)直羅組一段底部“七里鎮(zhèn)砂巖”的平面展布特征進(jìn)行分析(見圖12)。從圖12中可見,“七里鎮(zhèn)砂巖”砂體厚度8~80.45 m,平均厚度43.65 m。井田北部七里鎮(zhèn)砂體厚度為8~33 m,相對(duì)較薄;而南部砂體厚度40~80.45 m,厚度較大,南北厚度存在明顯差異;且南部“七里鎮(zhèn)砂巖”砂體連通性好,空間展布較穩(wěn)定,可以為地下水提供良好的儲(chǔ)存空間。
圖12 井田七里鎮(zhèn)砂巖平面展布圖Fig.12 Distribution plan of Qilizhen sandstone in mine field
通過對(duì)典型礦井的充水含水層條件、含水層所在層位沉積相特征及礦井涌水量特征進(jìn)行分析,認(rèn)為影響礦井涌水量的煤層頂板含水層是多層的,其中直羅組一段底部的“七里鎮(zhèn)砂巖”起主導(dǎo)作用;辮狀河河道砂壩沉積微相是形成厚層“七里鎮(zhèn)砂巖”的根本原因;辮狀河、曲流河及三角洲平原沉積特征決定了煤層頂板含水層與隔水層的發(fā)育程度及其在平面和剖面的空間配置樣式,其差異性導(dǎo)致了所形成砂體展布的不均一性,是造成礦井南北兩翼工作面探放水鉆孔單孔涌水量、水壓及采空區(qū)涌水量差異的重要原因。
分析沉積相特征、明確含水層的沉積成因,對(duì)研究煤層頂板含水層的富水性規(guī)律和礦井涌水量預(yù)測具有十分重要的意義。礦井頂板疏放水工程應(yīng)該根據(jù)頂板含水層的沉積展布特征進(jìn)行差異化布置,此舉既可以提高頂板水疏放效率,又可以節(jié)約礦井的防治水工程費(fèi)用。
1)通過對(duì)鄂爾多斯盆地北部中深部礦井的充水含水層分析可知,3-1煤層頂板直接充水含水層分布于延安組三段、直羅組。
2)井田延安組三段為三角洲平原沉積,發(fā)育分流河道和分流間灣沉積微相。分流河道主砂體分布在井田西南部和東北部小范圍地區(qū),井田中部砂體厚度整體發(fā)育較小;直羅組一段下部為辮狀河沉積,發(fā)育河道砂壩和泛濫平原沉積微相,主河道在井田西南部、北部大面積發(fā)育。直羅組一段上部和直羅組二段為曲流河沉積,發(fā)育河道砂壩和河漫灘沉積微相。河道砂壩主要分布在井田北部及南部小范圍地區(qū),中部大面積發(fā)育河漫灘沉積,夾小型河道砂體。
3)直羅組一段底部的“七里鎮(zhèn)砂巖”對(duì)礦井涌水量的影響起主導(dǎo)作用;辮狀河河道砂壩沉積微相是形成厚層“七里鎮(zhèn)砂巖”的根本原因;辮狀河、曲流河及三角洲平原沉積特征決定了煤層頂板含水層與隔水層的發(fā)育程度及其在平面和剖面的空間配置樣式,是造成礦井南北兩翼工作面探放水鉆孔單孔涌水量、水壓及采空區(qū)涌水量差異的重要原因。