大佛寺煤礦地下含水層對煤層氣開采的影響分析*

王生全，強玉俠，張召召，梁小山，薛 龍，李 旭

(1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安710054;2.陜西龍門天地煤層氣技術工程有限公司，陜西 西安710000)

0 引 言

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

礦區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、華池環河組，新近系及第四系。其中延安組為本區唯一含煤地層，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。

礦井總體構造為一向北西傾斜的波狀起伏的單斜構造，其上發育了一系列北東東和北北西向的褶皺構造，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現，落差以5 m 以下為主。

礦井屬高瓦斯礦井。據有關研究，礦井所在的彬長礦區屬煤與石油共生礦區，煤層瓦斯高可能與油氣來源有關［2］。根據勘探階段測定，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%，從測定數據看，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，加大煤礦瓦斯抽采利用力度，構建新型的現代化綜合煤炭企業，大佛寺煤礦自2009 年起在地面進行煤層氣的試開發工作，目前已施工地面煤層氣開發試驗井6 口，單井日產氣量300 ～15 000 m3/d 不等。

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

1 礦井水文地質特征

1.1 含(隔)水層特征

根據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給，并與河流地表水有互補關系。

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～半固結地層，含水層厚度約20 m，為弱富水性含水層，以大氣降水補給為主。

1.1.3 白堊系下統洛河組砂巖含水層(K1l)

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

井田內各溝谷中廣泛出露，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、莪術組成，周忠炎等[11]發現：不同濃度GSE均能促進缺陷型斑馬魚ISVs生長、同時對EA.hy926細胞具有保護作用。GSE可以提高VEGF受體flt-1、kdr、kdrl的表達量，上調VEGF相關受體來發揮促血管新生的作用。

1.1.4 白堊系下統宜君組礫巖含水層(K1y)

井田內未出露，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0. 020 ～0.861 m/d，屬弱富水性含水層。

1.1.5 侏羅系中統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0.005 m/d，屬極弱富水性含水層。

1.1.7 侏羅系中統延安組下段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。

上述含水層之間發育的主要隔水層有:①更新統黃土層隔水層(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系比較弱［3］。

2 礦井含水層與煤層氣井排采水的關系

大佛寺煤礦地面共施工了多口煤層氣試驗井，分別自2009 年7 月起陸續開始排采，排采的主要目的層為4#煤層。根據2011 年與2012 年多次對多口煤層氣井排采水樣進行分析測定表明(表2)，水質類型均為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。經過將煤層氣井水質類型、礦化度與礦井各含水層水進行對比發現，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)雖水質類型一致，但礦化度太高，其它含水層水質類型不符。由于大佛寺煤礦構造簡單，各含水層之間泥巖隔水層分布穩定，除非有斷層導通，否則很少有水力聯系。從三維地震勘探及井下實際采掘揭露情況，4#煤層發育的斷裂構造均屬于小型斷層，大部分斷距在5 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，導通不到4上煤之上。根據這一特征分析，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特征表Tab.1 Characteristics of aquifer water quality for Dafosi mine field

表2 煤層氣排采井水質數據一覽表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］。根據對大佛寺煤礦施工的煤層氣井產水量與出氣時間分析，發現與井位所處構造部位、含水層厚度及斷層發育程度有一定關系，表現在煤層頂板上覆含水層厚度大、距離煤層近、構造上處于向斜區軸部或斷層發育區的井，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、構造上處于背斜軸部或斷層稀疏區的井，排水量相對較小，出氣時間早。依據這一關系，結合有關地區煤層氣選區評價方法［5-11］，從水文地質角度提出大佛寺煤礦煤層氣井位有利區的選擇標準如下

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

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

3)中等有利區:構造上處于向斜區匯水區，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:煤層距頂板含水層厚度小于3 m，斷層發育，或頂板含水層厚度在10 m 以上，斷層發育。

4 結 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育7 層含水層，各含水層間水力聯系弱。通過水化學特征對比分析，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)根據對大佛寺煤礦煤層氣井產水量相關因素分析，提出了大佛寺煤礦煤層氣井位有利區的選擇標準，為煤層氣井位的選擇布置提供了參考依據。

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