焦作礦區煤層氣開發的水文地質條件分析＊

付江偉 傅雪海 劉愛華

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221008;2.河南省煤層氣開發利用有限公司,河南省鄭州市,450016)

焦作礦區煤層氣開發的水文地質條件分析＊

付江偉1,2傅雪海1劉愛華1

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇省徐州市,221008;2.河南省煤層氣開發利用有限公司,河南省鄭州市,450016)

在系統研究焦作礦區地質特征和水文地質條件的基礎上,分析了礦區水文地質條件對煤層氣賦存、滲流、運移及煤層氣開發產生的影響,并對煤層氣井的選擇提出了建議。

煤層氣開發 水文地質條件 焦作礦區 賦存 滲流 運移

焦作礦區位于河南省北部,處在華北聚煤區中部,區內煤層氣資源豐富,煤層吸附性好,含氣量為10～42 m3/t。據2000年中聯煤層氣公司和煤炭科學研究院預測資料顯示,焦作礦區煤層氣資源2000 m以淺總量為1733.5億m3,1000 m以淺總量為416億m3。為了有效地利用能源,我國對焦作礦區煤層氣開發做了大量的研究,對礦區內二1煤層含氣特征、吸附性、滲透性以及開發潛能進行了詳細的探討和評價,但目前關于煤層氣開發的水文地質條件研究尚顯薄弱。本文通過對焦作礦區水文地質特征的研究,認為水文地質條件對煤層氣賦存特征以及開發過程中煤層氣開采都有較大影響。

1 礦區地質特征

焦作礦區含煤地層為石炭-二疊系,含煤地層總厚945.76 m,含煤26層,煤層平均總厚16.04 m,可采煤層總厚7.57 m,其中山西組下部的二1煤層厚0.65～19.59 m,平均5.51 m。二1煤層層位穩定、普遍可采、結構簡單,是焦作礦區山西組煤層氣主要儲層,也是目前煤層氣開發的主要層位。礦區二1煤層頂板為粉砂巖、細砂巖互層,粉砂巖致密,膠結良好;頂板和煤層之間發育一層0.2～1.0 m的致密炭質泥巖;煤層底板普遍發育一層1.2～2.5 m的泥巖,使煤層處在封閉條件良好的環境中,對煤層氣的保存十分有利。

2 礦區水文地質條件

2.1 含水組劃分

按巖性、巖溶、裂隙發育程度、水力性質和富水程度,礦區內含水巖組自下而上可分為4組。

(1)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組:主要為寒武、奧陶系的厚層狀灰巖、泥質灰巖,總厚度800～1000 m。裸露區或斷裂帶常有大泉出露,泉流量0.01～7 m3/s。礦區北部雙頭泉水位標高為+850 m、山前為+110 m。區內巖溶裂隙發育不均勻,煤礦涌水量1000～5000 m3/d,水文標高+110～+82 m,屬強富水含水層。

(2)碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層組:由太原組石灰巖夾砂巖組成,其中灰巖含水層9層,以上段L8、下段L2灰巖層含水最為豐富,厚度分別為6～8 m和8～21 m,巖溶裂隙較發育,滲透系數1～15 m/d。L8灰巖簡稱八灰,上距二1煤層20 m左右,其間是以粉砂巖為主的隔水巖層,巖溶以裂隙為主,溶洞為輔,靜水位標高+90 m。八灰承壓水通過斷裂突破上覆隔水層與二1煤層發生水力聯系;L2灰巖簡稱二灰,上距二1煤層70 m左右,水文標高-90 m,受斷裂及溶洞影響,二灰可直接與奧灰發生水力聯系。焦作礦區煤系水文地質柱狀圖見圖1。

圖1 焦作礦區煤系水文地質柱狀圖

(3)碎屑巖類砂巖裂隙水含水層組:主要由山西組砂巖組成,其中頂部風化巖層厚度一般30 m左右,滲透系數0.2～1.0 m/d;未風化砂巖含水層單位涌水量0.01～1.31 L/s·m,滲透系數0.01～0.5 m/d,為弱含水層組。

(4)松散巖類孔隙水含水層組:由新生界地層中的砂、礫石層組成。近山前地帶以礫、卵石層為主,頂板埋深20～40 m,富水程度由北向南遞減,南部沖積平原以中細砂含水層為主,在沖積扇前緣常有泉群出現,目前多已干涸。

2.2 含水層水力聯系特征

由于焦作礦區受北東向、北西向和近東西向3組高角度斷裂的影響與控制,基巖地層被切割破碎,導致各含水層之間發生了一定的水力聯系。在斷裂帶附近巖溶裂隙相對發育,常常形成強富水導水帶,是焦作礦區內諸礦井和勘探區的補給邊界,因而成為煤層氣開發選區和井網布置必須考慮的邊界條件。斷裂的力學性質是影響煤層與含水層之間水力聯系的主要條件,強導水斷層是影響地下水流向的重要因素。根據焦作礦井多次突水資料,從礦區斷裂形成的相對年齡、規模、性質、巖性等方面分析可知,鳳凰嶺斷裂是礦區控制性斷裂,是強徑流帶,沿九里山斷層、朱村斷層形成本區較強徑流帶,徑流帶斷裂發育區巖石破碎,巖溶發育,裂隙密集,連通性強,巖溶水沿斷裂帶富集、運移。焦作礦區主要斷層幾何特征及控水意義見表1。

2.3 礦區巖溶地下水補給、徑流與排泄

大氣降水是焦作礦區巖溶裂隙水的主要補給來源,西部、北部裸露山區廣泛出露的石灰巖是巖溶地下水良好的補給場所,補給的地下水沿地層斷面、巖溶裂隙或斷層由高至低徑流入井田;另外,受區內導水斷裂構造的影響,下伏奧陶系灰巖巖溶裂隙水垂向補給其上各含水層,致使石灰巖巖溶裂隙水量大、補給水源充沛,構成了區內礦井主要沖水水源。礦區內最大的九里山巖溶水系統補給面積約4900 km2,天然資源量為38541萬m3/a,其中灰巖裸露補給區面積1395 km2,大氣降水補給量10～15 m3/s,河流及水庫滲入補給量26.28 m3/s。

在天然狀態下,補給區地下水水力坡度為11‰,徑流區地下水水力坡度為5‰,進入礦區后地下水水力坡度為2‰～0.44‰。以東井交斷層至黃水河斷層北側的分水嶺和紙坊溝以北的奪火鄉至峪河口地下分水嶺,將本區九里山巖溶水系統分為北部百泉、中部十里河和南部的雙頭泉3個巖溶水子系統。十里河巖與百泉巖溶水系統的石灰巖裸露區是峪河斷裂以北的各區的補給區;雙頭泉巖溶水子系統的石灰巖裸露區為焦作礦區巖溶水的直接補給區,演馬莊礦區處于該區的徑流排泄區內,排泄的主要方式是礦井人工疏排。

表1 焦作礦區主要斷層幾何特征及控水意義

巖溶水一部分沿山前沖洪積扇形成泉群排泄,總排泄量3.14～14.3 m3/s,其中,九里山泉群流量9.2 m3/s,隕城塞間歇泉流量2.4 m3/s,百泉最大流量2.32 m3/s;另一部分向深部循環徑流或由人工排泄。由于焦作礦區補給面積大,巖溶裂隙發育,因此九里山巖溶水系統具有巨大調蓄功能,儲存資源約為88.73億m3。

3 礦區水文地質條件對煤層氣開發影響

煤層氣主要以吸附狀態賦存在煤的孔隙中,地下水系統通過地層壓力對煤層氣吸附起控制作用,因此水文地質條件對煤層氣賦存、運移影響很大,對煤層氣的開采至關重要。

3.1 對煤層氣賦存的影響

焦作礦區二1煤層下部主要有L8灰巖、L2灰巖、奧灰3個主要含水層,富水性極強且水壓很大,煤層底板泥巖封閉,使煤層氣處于水壓封堵狀態。二1煤層上部山西組砂巖含水層與泥巖、砂質泥巖隔水層相間沉積,富水性較弱,呈滯流或微流狀態,具有一定靜水壓,煤層氣上浮力小于靜水壓,對煤層氣保存有利。

焦作礦區水文條件整體上有利于煤層氣的賦存,但局部地區大斷裂附近形成地下水強徑流帶,煤層氣以水流為載體進行運移,例如朱村強徑流帶,斷層落差大于1000 m,由于礦區北部山區巖溶裂隙地下水及沁河、丹河、西石河地表水垂直或橫跨斷層形成有利補給條件,在與北東向斷層交匯地帶,地下巖溶更為發育,致使距該斷裂250 m范圍內的煤層甲烷實測含量由正常梯度下的16.18 m3/t下降為7.83 m3/t;受馬坊泉強徑流帶影響,在演馬莊礦田中部的馬坊泉斷層附近100 m范圍內煤層氣含量低于15 m3/t。

3.2 對煤層氣滲流、運移的影響

在一定的構造條件下,水頭壓力對煤層氣的封存、圈閉起著重要的控制作用。一般來說只有通過排水降壓,儲層壓力降到臨界解吸壓力之后,被吸附的煤層氣體才能解吸、游離出來。解吸后的煤層氣在孔隙-裂隙網絡中擴散、滲流的過程,除了受網絡本身的透氣、透水性能影響外,氣、水兩相滲流之間還存在一定的相互制約作用。

煤層中采氣的機理與所觀察到的常規儲層采氣機理大不相同,煤層中很少或不存在游離氣,割理裂隙系統中的一部分孔隙空間被水飽和。盡管割理裂隙系統中可能存在一些游離氣,但大多數氣體被吸附在煤表面上,因此,要采出這種氣體,必須降低割理系統的壓力使氣體從煤表面解吸出來,并運移至割理系統,通過煤基質擴散。通常,為了降低割理系統壓力,必須采出大量的水,使氣體不斷解吸出來。從這方面來說煤儲層中的水是有利的,對于煤系含水層的補給、徑流條件較好的焦作礦區,地下水的流動可以較好地達到煤層氣開發中排水降壓的目的。但是,在局部富水較強、補給條件較好的煤系含水層,在煤層氣勘探開發時,因煤層富水或與含水層的貫穿,勢必增加了煤層氣井的排水費用和時間,特別是在煤系暴露或煤系埋藏較淺而且又接近地表水體的區域,由于巖溶裂隙發育,地表水可通過裂隙進入煤層,造成排采期間產水量大、產氣量小的現象,對煤層氣開采很不利。因此,在煤層氣井選址和布置時,研究和分析儲層地下水的水源,即查明排采期間水的來源十分重要。

3.3 對煤層氣可采性的影響

在可采性評價中,水文地質條件不但直接影響對儲層產能的評價,而且對完井方式、增產措施、開發選區、井網布置等也有一定的影響作用。焦作礦區地下水補給、徑流條件較好,而且部分張性斷層具有導水性,地下水的徑流不可避免地帶走大量的煤層氣,引起煤層氣含量降低。因此,在煤層氣開發選區時,應考慮水文地質因素對煤層氣含量的影響。另外,焦作礦區巖溶裂隙發育,地表水可通過裂隙進入煤層,因此,地貌因素是煤層氣勘探開發時一個考慮的方面。焦作礦區構造復雜,斷裂發育,斷裂有可能成為導水通道,煤層氣勘探開發選擇井位時,在其他條件相同情況下,本區煤層氣井應選擇在較深部,且離斷層較遠的部位上。在煤層氣鉆井、壓裂作業時,應做好預防突水的準備工作。

3.4 對煤層氣生產的影響

長期煤炭生產必然會使焦作礦區產生大量疏排礦坑水,據測算噸煤需排水4.5 m3,目前礦井水排放量5.4 m3/s,造成了大面積漏斗區,漏斗區主要為九里山漏斗區、焦南漏斗區、東小莊水源地漏斗區和崗莊水源地漏斗區,九里山漏斗區面積約9 km2,中心水位90 m以下,主要由礦井排水造成。近年來,區域地下水位下降造成區內泉點枯竭,對礦區居民人畜用水和工農業用水造成極大影響。另外,因礦井排水、工業廢水及生活污水的大量排放,使大部分地表水污染嚴重,同時也給礦區內地下水帶來嚴重污染。據水質化驗資料分析,巖溶地下水主要污染因子為氯離子、鐵、錳、總硬度等。

目前,焦作煤層氣開發還處于探索試驗階段,由生產因素產生的負面影響還不十分突出,但是如果大規模進行開采后,就需要加強礦區區域地下水水位降落漏斗范圍及變化趨勢的監測,調整地下水開采布局,對地下水開采層位進行人工回灌,并采取分層取水、以豐補枯等措施控制地下水水位下降的態勢。

4 結論

(1)焦作礦區地質構造條件復雜,在特征鮮明的多尺度斷塊構造影響下,造成水文地質條件地區差異顯著,即使同一井田范圍內,被疏排層段的含水層、隔水層在空間上的配置關系及均勻程度都有很大差別。

(2)焦作礦區水文地質條件整體上有利于煤層氣的賦存,但局部地區大斷裂附近形成地下水強徑流帶,煤層氣以水流為載體被運移逸散。

(3)焦作礦區巖溶裂隙發育,在煤系暴露或煤系埋藏較淺而且又接近地表水體的區域,地表水可通過裂隙進入煤層,對煤層氣開采不利。因此,在進行井網選址與布置時,應充分分析水文地質條件對煤層氣排采的影響。

(4)焦作礦區構造復雜,斷裂發育,斷裂有可能成為導水通道,煤層氣勘探開發選擇井位時,在其他條件相同情況下,煤層氣井應選擇在離斷層較遠、埋藏較深部。

(5)考慮到煤層氣開發可能由于排水造成的環境地質問題,應合理處理水環境惡化及區域水位下降等問題。

[1] 孫越英,盧耀東,王佩枉等.焦作煤田煤層氣資源特征及開發利用研究[J].河南理工大學學報(自然科學版),2007(1)

[2] 盧社香,谷德敏,章秉辰.焦作煤田煤層氣地質特征及勘查開發方案初探[J].中國煤田地質,2006(6)

[3] 錢家忠,潘國營,吳劍鋒等.焦作礦區裂隙巖溶水優勢流形成機理研究[J].水力學報,2003(6)

[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(5)

[5] 中國煤田地質局.華北煤層氣儲層研究與評價[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000

[6] 孫越英,王興民,陽結華.焦作煤礦區礦坑排水對地下水環境的影響[J].資源調查與環境,2006(4)

An analysis of hydrogeology in the coalbed methane development in Jiaozuo coal mine area

Fu Jiangwei1,2,Fu Xuehai1,Liu Aihua1
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China;2.Henan Provincial Coalbed Methane Development&Utilization Co Ltd,Zhengzhou,Henan province 450016,China)

On the basis of a systematic analysis of the geological features and hydrological conditions of Jiaozuo coal mine area,this paper provides an analysis of the influences of the said hydrological and geological conditions upon the coal bed methane occurrences,infiltration,mitigation and coal bed methane extraction.Besides,the authors also propose some suggestions and recommendations on the determination of coalbed methane extraction well sites in this paper.

coalbed methane development,hydrological conditions,Jiaozuo coal mine area,occurrence,infiltration,mitigation,extraction

P618.4

B

國家重點基礎研究發展規劃項目——“973”煤層氣項目(2009CB219605)、國家自然科學基金項目(40730422和40872104)、油氣重大專項(2008ZX05034)。

付江偉(1982-),男,河南長垣人,中國礦業大學博士研究生,主要從事煤礦瓦斯治理與煤層氣開發方面的研究和應用工作。

(責任編輯 張艷華)