榆橫北區富水煤層與上覆含水層的水力聯系

方剛

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司, 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室, 西安 710077; 3.西安科技大學地質與環境學院, 西安 710054)

近年來,煤層水害在中國陜北侏羅紀煤田榆橫北區內的多個礦井屢見發生,該類水害問題也逐漸引起了人們的關注和重視[1-3]。然而,一直以來,煤層為一種致密、隔水的有機沉積體則是人們的普遍認識,隨著煤層富水問題的出現,以往傳統的認知不斷被顛覆打破。煤層水害嚴重制約并威脅著區內礦井的建設生產工作,其作為一類新問題,也是一類大問題亟須解決。由于煤層水的特殊性,其水體賦存于煤層中,但該地下水從何而來?則是需要回答的首要問題。但是,目前區內關于煤層水源或相關水力聯系方面的專項研究尚為不足[4-5],因此,現從地下含水層水化學特征研究的角度出發,針對煤層水的補給來源和條件進行分析研究。

多年來,關于地下水含水層之間水力聯系及水化學特征方面的研究成果豐富,業內學者們采用的研究思路、理論方法、試驗手段等均可為研究工作提供借鑒[6-7]。

通過對地下含水層之間水力聯系及水化學特征的研究,有助于了解含水層的水質類型、補給來源、形成條件及發展過程等。白曉等[8]基于地下水流模型建立對地下含水層之間水力聯系、水資源和水位動態變化進行模擬和預測研究。劉洋等[9]利用地下水的無機組分、環境同位素和有機組分開展水質綜合研究,分析各含水層的水力聯系。還有學者通過示蹤試驗[10]、抽水試驗[11]對地下水含水層水力聯系進行探查。郭小銘等[12]根據已知各含水層水化學特征,進行地下水水質運移演變研究,還原突水過程中各含水層溝通的時空變化情況。高家平等[13]通過地下含水層水化學特征分析,對含水層水、斷層水進行對比識別,從而根據含水層受斷層導通影響所改變的水源補給方式,可提出相應的防治水措施。楊建等[14]通過進行“地表處理+含水層儲存”實驗,對礦井水中有機污染組分的來源進行分析,根據含水層水體運移、儲存環境和發展過程,提出相應的治污去除規律。還通過分析地下含水層水化學異常原因和構建判別標準,剔除受鉆探過程等外界因素干擾的異常水樣數據,可確保對含水層水質分析的正確判斷[15]。許進鵬等[16]根據各含水層水化學特征,結合水質分割法得到礦井工作面出水的水源組成,有助于判斷煤層回采后覆巖導裂帶發育高度。

綜上所述,前人從不同方向、領域對地下水的水文地球化學特征、水力聯系及影響因素等方面開展了豐富的研究工作,其采用的部分方法手段均可提供參考和借鑒。但針對所研究的陜北侏羅紀煤田榆橫北區內的富水煤層而言,其地下水特征及水力聯系在業內開展的相關研究較少,因此,現采用多種實驗方法和手段,研究地下含水層水化學特征及水力聯系情況,探索詮釋區內2號煤層水的補給來源和形成條件,并力求為礦井后期的煤層水形成機理研究提供理論依據。

1 研究背景

巴拉素井田位于中國陜北侏羅紀煤田榆橫北區內,含煤巖系為侏羅系中統延安組。礦井首采2號煤層(埋深在454～547 m,平均約498 m;煤厚2.2～5.2 m)。但在其建設過程中,發現該2號煤層富(含)水,其下伏約40 m的3號煤層(煤厚4.6～7.8 m)不含水[17-18]。井田內2號富水煤層上覆的各地層自上而下主要為:第四系、白堊系洛河組、侏羅系安定組、直羅組、延安組等。井田內主要含水層自上而下為第四系松散含水層、洛河組孔裂隙含水層、直羅-延安組基巖裂隙含水層及2號煤局部富(含)水體。侏羅系安定組地層作為區內穩定隔水層賦存于洛河組與直羅組之間。為便于描述,將2號煤層至直羅組底部的延安組地層統稱為“2號煤上覆巖層”(簡稱2煤覆巖),將2號煤層至3號煤頂部的延安組地層統稱為“2號煤下伏巖層”(簡稱2煤伏巖)。

巴拉素井田2號煤層富水問題作為一類特殊的水害現象,給礦井建設過程中的安全生產工作帶來了極大的威脅和挑戰。而煤層為地質沉積體,其本身不應存儲水體,初步分析該2號煤層水應與相關含水層水存在一定的水力聯系。因此,將巴拉素井田作為研究區,2號煤層水作為主要研究對象,結合分析本井田其他含水層水化學特征,探究其煤層水體的主要來源與補給條件。

2 地下水水化學基本特征

通過對巴拉素井田地下水化學特征及其成因進行分析,結合2號煤層水特征,判斷其地下水聯系,對煤層水來源、運移條件等進行研究,為煤層富水機理的總結提供依據。

2.1 離子組成特征

圖1 研究區地下水主要陽、陰離子組成Piper圖Fig.1 Piper chart of main positive and anion composition of groundwater in the study area

發現巴拉素井田2號煤層水的陰陽離子濃度整體與2號煤上覆巖層、直羅組離子情況接近(表1),認為2號煤層水與其含水層屬于同一類型水,推斷2號煤層水極有可能為侏羅系2號煤上覆巖層和直羅組含水層水下滲形成。

表1 研究區直羅組No.2號煤地下水主要離子統計表

2.2 礦化度特征

根據礦化度測試結果,發現巴拉素井田深部地下水整體礦化度偏高,平均礦化度為4.78 g/L,而地表水礦化度主要在1 g/L以下(圖2);洛河組及以上地層(0.34 g/L)與直羅組及以下地層(5.38 g/L)的平均礦化度相差約15倍,這源于直羅組上覆的安定組為區內連續性較好的隔水層,有效阻隔了地表及淺層地下水與其深部地下水的溝通。

圖2 研究區地下水礦化度頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of groundwater salinity in the study area

其中,2號煤上覆巖層(5.79 g/L)、2號煤層(5.37 g/L)、3號煤巖段(6.42 g/L)的平均礦化度接近,由此認為延安組煤巖層之間的地下水礦化度相差不大(圖3)。

圖3 研究區地下水礦化度分布柱狀圖Fig.3 Histogram of groundwater salinity distribution in the study area

2.3 地下水類型

地下水的分類方法通常依賴于水中所溶解的離子組分及其化學性質,目前中國主要采用的地下水分類方法為蘇林分類法[19]。按照陰離子和陽離子間化學親和力的強弱順序將地下水主要分為4類:CaCl2、MgCl2、NaHCO3和Na2SO4。其中,Na2SO4型水占比85.7%,其次為NaHCO3(12.5%)型水,這兩個水型說明了巴拉素井田主要以大陸水為主;代表海水的MgCl2型水較少(僅1.79%)。由于所研究的地層深度有限,故代表深層水的CaCl2水型在區內未出現(圖4)。

圖4 研究區地下水類型統計圖Fig.4 Statistical map of groundwater types in the study area

巴拉素井田侏羅系直羅組及其下伏各含水層的水質類型以Na2SO4型為主,與其上覆的白堊系洛河組及以上地層的NaHCO3型水具有明顯差異,由此,進一步驗證了上述兩套地層是相對獨立的水循環系統。而Na2SO4水型多出現于地表水或淺層地下水中,由此推斷2號煤層水與其上部直羅組、延安組含水層水聯系緊密。

3 地下水成因分析

3.1 氫氧同位素特征

由圖5可知,不同來源的水,其氫氧同位素存在差異,且δD和δ18O的值越小,就更顯示出封閉水的特征[15,19]。其中,溶濾-滲入水主要來源于大氣降水,其δD和δ18O一般遵循全球大氣降水線:δD=8δ18O+10;鄂爾多斯盆地大氣降水線方程:δD=6.35δ18O-4.6。

圖5 研究區不同水源氫氧同位素分布關系圖Fig.5 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in different water sources in the study area

實驗發現,巴拉素井田地表水與第四系的δD和δ18O比較接近,δD在-63%～-52%,δ18O在-8.3%～-7.2%,屬于現代地下水;洛河組中地下水的δD在-79.2%～-75.1%,δ18O在-10.9%～-9.4%;直羅組及以下地層的δD分布在-82%～-59%,δ18O在-11%～-7.8%,顯示了其古水的特征。

侏羅系直羅組(δD和δ18O均值為-82.4%和-10.72%)、2號煤上覆延安組(δD和δ18O均值為-84%和-10.7%)、2號煤層(δD和δ18O均值為-73%和-9.4%)的同位素特征近似,也說明該區段各層間存在一定的水力聯系。氫氧同位素值越低,說明地層封閉性好,而3號煤巖地下水的氫氧同位素比2號煤的小,說明3號煤巖比2號煤的封閉性好,2號煤層水及其下伏含水層水難以滲入至3號煤層中。

3.2 離子組合參數特征

地下水離子組合參數能夠反映地下水受外來流體混合作用及水巖作用的改造情況,表明地層的封閉程度和地下水參與水巖作用的強弱程度[19-20]。目前,常用的離子組合系數主要有鈉氯系數、脫硫系數和變質系數(表2)。鈉氯系數說明了地下水環境的封閉性和活躍程度。變質系數越小,說明地下水的封閉保存條件被破壞。脫硫系數越大,表明地下水受上部水體淋濾滲入的可能性越大。

表2 研究區地下水化學特征一覽表

4 煤層水補給來源

巴拉素井田2號煤層水并非自身沉積過程所產生,其補給水源必然與之存在一定的水力聯系。該2號煤孔隙、裂隙發育,煤層內部連通性較好,在原始狀態下,水賦存在煤層中,基本處于一個靜態穩定狀態,但在受到自然影響(如地震等構造運動)、人為干預(如采掘、鉆探等)的情況下,將會發生失穩變化。區內地質構造簡單、地層平緩,近百年內無大型地震等極端地質現象,井田于近10年內開發建設,人為原因造成的地下水原始狀態變化為其主要影響因素。

4.1 煤巖接觸關系

根據地層結構,巴拉素井田2號煤層頂板與侏羅系延安組第四段上下堆疊沉積。但與本井田3號煤層、大海則井田2號煤層賦存條件有所不同的是,巴拉素井田2號煤層頂板巖層的主要巖性為細砂巖、粉砂巖,部分區域有少量中砂巖,且存在煤層變薄現象;頂板泥巖、砂質泥巖分布較少,區內煤層與其頂板之間未發現有明顯的隔水層。在井下實際觀測中發現有局部頂板砂巖與2號煤層直接接觸,結合現場煤巖樣品采集(圖6),分析認為該2號煤層在部分區域沉積過程中,煤層頂板曾經歷了古河流的侵蝕,并可能對煤層進行沖刷[21-22]。

圖6 研究區2號煤層頂板砂巖沖刷接觸采樣照片Fig.6 Scour contact sampling photos of sandstone roof of No.2 coal seam in the study area

4.2 抽水試驗成果分析

根據巴拉素井田2號煤頂板各主要含水層的單孔、多孔抽水試驗成果[5, 23-24],對各層之間的水力聯系情況進行分析,結果如表3所示。

表3 研究區各含水層抽水試驗水位變化情況一覽表

4.2.1 第四系與洛河組

對LHG-1號鉆孔洛河組進行抽水實驗,同時觀測DSG-1號鉆孔第四系水位變化情況。發現LHG-

1號鉆孔洛河組水位標高(+1 202.283 m)與DSG-1號鉆孔第四系水位標高(+1 205.426 m)基本一致,結合其水質特征,認為第四系松散潛水含水層與白堊系洛河組含水層水力聯系密切。

4.2.2 洛河組與直羅組

通過對ZLG-1號鉆孔直羅組含水層進行抽水試驗,同時觀測LHG-1號鉆孔洛河組含水層水位變化情況,發現其相互無影響。結合兩含水層水質化驗成果,其離子含量差距較大,認為這兩含水層之間無水力聯系。

4.2.3 直羅組與2號煤層

通過上述4組鉆孔對2號煤進行抽水試驗并觀測直羅組水位,發現各觀測孔水位均無變化。但通過對比發現其水化學特征基本一致,且該兩層之間直接接觸、無區域內相對隔水層,認為該兩層之間存在水力聯系的可能。另外,位于礦井工業廣場的DCC-1鉆孔反映出2號煤的涌水量、滲透系數等參數遠大于其他抽水鉆孔數據。單從抽水試驗成果分析得出的2號煤層富水性相對較弱,與礦井立井井筒實際揭露2號煤層時的富水狀態截然不同,分析原因可能是由于區域內侏羅系含煤地層在地質歷史時期不均勻沉積這一普遍規律所導致。

同時,還可能存在抽水試驗的鉆孔組與地下含水層大小局限、時空差距等影響因素。此外,直羅組含水層水位埋深-16.3～25.40 m,水位標高 +1 184.08～+1 212.91 m;2號煤上覆延安組含水層水位埋深22.91～31.28 m,水位標高+1 153.96～+1 184.95 m;水位埋深21.12～117.25 m,水位標高+1 104.96～+1 216.23 m。上述3個含水層之間水位埋深、水位標高接近,因此,僅從地表抽水試驗角度來看,不能完全以此斷定研究區內侏羅系直羅組與2號煤之間未發生水力聯系。

4.3 水文監測成果分析

4.3.1 井筒出水期間

2018年7—9月,巴拉素煤礦副立井、一號回風立井井筒發生了2號煤馬頭門出水,其間對煤層出水情況觀測。同時監測附近水文長觀孔(第四系DSG-1孔、洛河組LHG-1孔和直羅組ZLG-1孔)水位變化情況,發現第四系、洛河組長觀孔基本無變化,而直羅組長觀孔水位有所變化(圖7)。

圖7 研究區井筒煤層出水期間直羅組ZLG-1孔水位變化曲線圖Fig.7 Variation curve of water level of ZLG-1 drill hole in Zhiluo Formation during water discharge from coal seam of wellbore in the study area

在ZLG-1孔進行水位監測的近40 d內,直羅組含水層水位在前8 d呈波動起伏狀態(15～20 cm),說明該階段含水層內水有衰減和補增。在之后的近20 d內,其水位逐步下降,其間略有小幅度增加,但整體水位呈下降趨勢,說明該階段直羅組含水層水不斷進行消耗,存在少量水的補給,但補給量小于消耗量。在監測期間的最后10 d,該觀測孔內的水位趨于穩定,基本維持在+1 199 m標高左右,說明侏羅系直羅組含水層水增減基本平衡。總體來看,監測期間的直羅組水位下降約70 cm,平均下降約1.75 cm/d,而井下2號煤層總出水量超30萬m3。由此可見,直羅組含水層水與2號煤層水具有一定的水力聯系。

4.3.2 井下疏放水期間

2020年9月起,巴拉素煤礦開始2號煤疏放水工作,至2021年12月底,共計疏放2號煤層水約650.524萬m3,結合水文長觀孔監測數據,發現在工業廣場附近的第四系DSG-1孔、洛河組LHG-1孔、直羅組ZLG-1孔水位均有不同程度的變化,距目前采掘范圍較遠的直羅組ZLG-2、ZLG-3孔(相距7～8 km),進一步分析井下2號煤層水的疏放與直羅組含水層之間的關系(圖8)。

可以看出,自2020年9月以來,各孔水位均有所下降。其中,第四系DSG-1孔水位下降約 0.40 m,洛河組LHG-1孔水位下降約2.35 m,直羅組ZLG-1、ZLG-2、ZLG-3孔水位分別下降約2.39、1.75、0.50 m。

第四系和洛河組含水層為區內主要生活、工業用水來源,而兩者觀測孔水位下降數據差距較大,源于第四系主要為松散沙土層,水量補給來源較為豐富,相對于洛河組含水層自愈能力較好、恢復水位較快。如前所述,白堊系洛河組含水層與侏羅系直羅組含水層基本無水力聯系,洛河組含水層水位下降數據雖與直羅組ZLG-1孔數據較為接近,但并非因井下2號煤層疏放水所致。

由3個直羅組觀測孔水位變化情況可知,在礦井建設期間,最為靠近工業廣場及井下采掘活動頻繁區域的ZLG-1孔水位下降最為明顯,其他2個距離較遠的直羅組觀測孔水位則變化相對較緩慢。同時,自2021年7月以來,井下開展了工作面頂板含水層水集中疏放工作,疏放水鉆孔的終孔目標層位即為開采2號煤層后覆巖破壞將波及至的侏羅系直羅組含水層(鉆孔全部穿過2號煤層頂板延安組地層)。發現ZLG-1孔的水位變化較為明顯,另外2個觀測孔水位局部變化則相對較為滯后或平緩。通過鉆孔疏放2號煤層頂板含水層水后,直羅組含水層水位有明顯下降,說明2號煤層頂板的直羅組、延安組含水層之間也存在一定的聯系。

根據水化學特征分析、鉆孔巖心及地層結構組合,侏羅系直羅組和2號煤上覆巖層主要發育中-細砂巖,泥巖分布較少,在區域范圍內無法形成良好的相對隔水層,由此認為2號煤層水是其上覆侏羅系直羅組、延安組第四段地層中的砂巖含水層水向下入滲所形成。綜上所述,認為巴拉素井田2號煤層水與上覆的侏羅系直羅組、延安組含水層均具有一定的水力聯系,并判斷原始狀態賦存的2號煤層水來源于侏羅系直羅組、延安組含水層水。

5 討論

根據地下水水化學實驗成果可知,2號煤層水的離子組成、礦化度、氫氧同位素等特征與侏羅系直羅組、延安砂巖地下水基本相似;且2號煤層與其上覆的延安組第四段部分砂巖段直接接觸,基本無泥巖或黏土等相對隔水層,煤層上覆含水層水下滲進入煤層裂隙、孔隙內,2號煤層接受了上覆侏羅系地下含水層水的逐層入滲補給。

通過對比和分析發現,研究區2號煤層裂隙水的補給特征總體與侏羅系承壓水的補給情況相類似。但其補給條件主要為上覆侏羅系含水層自上而下的接力傳遞入滲補給,隨著2號煤層自身的產狀形態及地形變化,水在煤層介質內依靠發育的孔隙裂隙由高向低側向運移。

6 結論

(1)通過對研究區地下水水化學基本特征進行分析,發現區別于地表水和淺層地下水,2號煤層水與其上覆直羅組、延安組含水層水質類型均為Na2SO4型。

(2)根據對不同水源的氫氧同位素特征及離子組合參數特征分析,認為淺層地下水(洛河組含水層及以上水體)與深部地下水(直羅組含水層及以下水體)為兩套獨立的地下水系統,且2號煤層水與其上覆的直羅-延安組含水層水聯系緊密。

(3)結合煤巖接觸關系、抽水試驗成果及水文監測結果,分析各含水層之間的水力聯系,認為巴拉素井田2號煤層水主要源于上覆侏羅系直羅組、延安組砂巖裂隙含水層水的垂向下滲補給。

(4)開展的各地下含水層水化學特征研究工作揭示了研究區2號煤層水的補給來源和形成條件,研究成果為后期開展相關煤層富水機理、展布規律等研究奠定了有力的理論基礎。