大佛寺煤矿地下含水层对煤层气开采的影响分析*

王生全，强玉侠，张召召，梁小山，薛 龙，李 旭

(1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安710054;2.陕西龙门天地煤层气技术工程有限公司，陕西 西安710000)

0 引 言

大佛寺煤矿为陕西煤业化工集团公司彬长公司所属的国有重点煤矿之一，位于陕西省彬长矿区南部，属彬县、长武县管辖。矿井设计生产能力800 万t/a，一期300 万t/a，于2007 年建成投产，主采延安组4#煤层。

矿区地表大部分被第四系黄土覆盖。钻孔揭露煤系以上地层由老至新依次为侏罗系延安组、直罗组、安定组、白垩系宜君组、洛河组、华池环河组，新近系及第四系。其中延安组为本区唯一含煤地层，厚度40.05 ～168.57 m，平均75.57 m，共含煤6 层(包括分煤层和分叉煤层)，从上而下依次编号为3-1、3-2、4上-1、4上-2、4上、4 号煤。4上煤属4#煤层的分叉煤层，下距4#煤层0.80 ～43.55 m，平均17. 05 m，属大部分可采煤层，平均厚度2.88 m;4#煤为基本全区可采的主采煤层，平均厚度11.65 m，其余煤层不可采或仅局部可采。

矿井总体构造为一向北西倾斜的波状起伏的单斜构造，其上发育了一系列北东东和北北西向的褶皱构造，二者相互交织。其中以北东东向褶皱为主(图1)。地层倾角平缓，一般3° ～5°，最大17° ～21°.采掘过程及地面地震勘探均有断层发现，落差以5 m 以下为主。

矿井属高瓦斯矿井。据有关研究，矿井所在的彬长矿区属煤与石油共生矿区，煤层瓦斯高可能与油气来源有关［2］。根据勘探阶段测定，煤层气最高含气量5.71 mL/g，并且显示顶板围岩含有瓦斯。矿井瓦斯等级鉴定结果为，全矿井绝对瓦斯涌出量为136. 86 m3/min，相对瓦斯涌出量23.40 m3/t.其中4#煤层绝对瓦斯涌出量为120.71 m3/min，占全矿88.20%;4上煤绝对瓦斯涌出量为16.15 m3/min，占全矿11.80%，从测定数据看，4#煤层是矿井瓦斯的主要来源，其煤层瓦斯也成影响矿井安全开采的主要因素。为了保证煤矿的安全生产，加大煤矿瓦斯抽采利用力度，构建新型的现代化综合煤炭企业，大佛寺煤矿自2009 年起在地面进行煤层气的试开发工作，目前已施工地面煤层气开发试验井6 口，单井日产气量300 ～15 000 m3/d 不等。

图1 大佛寺井田构造纲要图Fig.1 Structural outline of Dafosi mine field

1 矿井水文地质特征

1.1 含(隔)水层特征

根据地层岩性和地层富水性资料分析，矿井煤系地层以上自上而下共发育主要含水层7 层，隔水层6 层(图2)，其特征如下

1.1.1 第四系孔隙潜水含水层(Q4)

分布于矿区泾河及磨子沟、安化沟、菜子沟等河谷及沟谷中，呈带状展布，岩性为中、粗沙及砾石层，厚度3.50 ～9.13 m，水位埋深一般0.65 ～4.50 m，属富水性弱～中等的含水层。主要接受大气降水和基岩水的补给，并与河流地表水有互补关系。

各沟谷中均有出露，岩性以中、粗粒碎屑堆积物为主，属未固结～半固结地层，含水层厚度约20 m，为弱富水性含水层，以大气降水补给为主。

1.1.3 白垩系下统洛河组砂岩含水层(K1l)

图2 矿井水文地质柱状示意图Fig.2 Mine hydrogeological histogram

井田内各沟谷中广泛出露，含水层由各类砂岩组成，厚7.35 ～282.20 m，平均167.41 m，水位埋深43. 73 ± 1. 20 m，单位涌水量0. 012 75 ～0.050 8 L/s·m，渗透系数0.018 ～0.082 m/d，属弱富水性含水层。

通阳活血方（GSE）由桂枝、三棱、莪术组成，周忠炎等[11]发现：不同浓度GSE均能促进缺陷型斑马鱼ISVs生长、同时对EA.hy926细胞具有保护作用。GSE可以提高VEGF受体flt-1、kdr、kdrl的表达量，上调VEGF相关受体来发挥促血管新生的作用。

1.1.4 白垩系下统宜君组砾岩含水层(K1y)

井田内未出露，岩性为砂砾及砾岩，一般厚20～30 m，水位埋深7. 34 ± 0. 48 m. 单位涌水量0.008 76 ～0. 145 1 L/s·m，渗透系数0. 020 ～0.861 m/d，属弱富水性含水层。

1.1.5 侏罗系中统直罗组下部砂岩含水层(J2z下部)

岩性为浅灰绿色中粗粒砂岩及砂质泥岩、泥岩，含水层厚度8 ～14 m，水位埋深21.22 ～44.42 m，单位涌水量0.000 02 ～0.000 05 L/s·m，渗透系数0. 000 12 ～0. 005 9 m/d，属极弱富水性含水层。

1.1.6 侏罗系中统延安组上段4上煤以上砂岩含水层(J2y 上段)

含水层由中粒砂岩及少量含砾粗砂岩组成，厚度一般4.60 ～13.10 m，水位埋深26.16 m，单位涌水量0.000 679 L/s·m，渗透系数0.005 m/d，属极弱富水性含水层。

1.1.7 侏罗系中统延安组下段4上煤～4 煤间砂岩含水层(J2y 下段)

该层由4 煤老顶中～粗粒砂岩、砂砾岩组成，厚度一般6.75 ～25.34 m，水位埋深30.55 ～32.10 m，单位涌水量0.000 07 ～13.88 L/s·m，渗透系数0.000 22 ～0.002 2 m/d，富水性变化较大，以弱富水性为主。

上述含水层之间发育的主要隔水层有:①更新统黄土层隔水层(Q1+2+3);②小章组上部红粘土隔水层();③华池—环河组泥岩隔水层(K1h);④安定组泥岩隔水层(J2a);⑤直罗组上部泥岩隔水层(J2z 上部);⑥延安组顶部泥岩隔水层(J2y 顶部);⑦延安组4 煤顶板泥岩隔水层(J2y 下部)。

1.2 含水层水化学特征

在垂向上，各含水层矿化度从下而上具有逐渐减低的趋势(表1)，说明了各含水层垂向的水力联系比较弱［3］。

2 矿井含水层与煤层气井排采水的关系

大佛寺煤矿地面共施工了多口煤层气试验井，分别自2009 年7 月起陆续开始排采，排采的主要目的层为4#煤层。根据2011 年与2012 年多次对多口煤层气井排采水样进行分析测定表明(表2)，水质类型均为Cl--Na+型，矿化度在10.43 ～11.54 g/L 之间，同时排采水量均不大，为3.33 ～76 m3/d，约0.14 ～3.17 m3/h，反映煤层围岩含水层含水性微弱，富水性较差。经过将煤层气井水质类型、矿化度与矿井各含水层水进行对比发现，仅有延安组4上煤～4 煤间砂岩含水层与直罗组下部砂岩含水层与此很相似。4上煤以上砂岩含水层(J2y 上段)虽水质类型一致，但矿化度太高，其它含水层水质类型不符。由于大佛寺煤矿构造简单，各含水层之间泥岩隔水层分布稳定，除非有断层导通，否则很少有水力联系。从三维地震勘探及井下实际采掘揭露情况，4#煤层发育的断裂构造均属于小型断层，大部分断距在5 m 之下，断层一般仅将煤层直接顶板断开，向上延伸距离很短，导通不到4上煤之上。根据这一特征分析，煤层气井的排采水主要来自距离煤层顶板很近的4上煤～4煤间砂岩含水层段水，4上煤以上各含水层段水进入煤层的几率较小，除非遇到了断距较大的断层。

表1 大佛寺井田含水层水质特征表Tab.1 Characteristics of aquifer water quality for Dafosi mine field

表2 煤层气排采井水质数据一览表Tab.2 Water quality data of CBM wells

3 煤层气井布置有利部位选择

从表2 可以看出，尽管煤层气井的排水量不是很大，但各井间仍有较大差异。由于出水量大小关系着煤层气井的出气量及出气时间，对煤层气的开采影响较大，因此，在地面煤层气井位选择时必须慎重考虑含水层对煤层气开采的影响［4］。根据对大佛寺煤矿施工的煤层气井产水量与出气时间分析，发现与井位所处构造部位、含水层厚度及断层发育程度有一定关系，表现在煤层顶板上覆含水层厚度大、距离煤层近、构造上处于向斜区轴部或断层发育区的井，排水量相对较大，出气时间晚，而顶板上覆含水层厚度薄、距离煤层远、构造上处于背斜轴部或断层稀疏区的井，排水量相对较小，出气时间早。依据这一关系，结合有关地区煤层气选区评价方法［5-11］，从水文地质角度提出大佛寺煤矿煤层气井位有利区的选择标准如下

1)有利区:煤层距顶板充水含水层较远，间距大于10 m，构造上处于背斜部位。产水量小，简单易降压;

2)较有利区:煤层距顶板含水层间距5 ～10 m，构造上处于单斜部位。产水量较小，较简单易降压;

3)中等有利区:构造上处于向斜区汇水区，煤层距顶板含水层厚度3 ～5 m，或顶板含水层厚度在5 ～10 m;

4)不利区:煤层距顶板含水层厚度小于3 m，断层发育，或顶板含水层厚度在10 m 以上，断层发育。

4 结 论

1)大佛寺煤矿主采侏罗系延安组4#煤层，也是地面煤层气井的主要目的层。矿井煤系地层以上共发育7 层含水层，各含水层间水力联系弱。通过水化学特征对比分析，地面煤层气井的排采水主要来自距离煤层顶板很近的4上煤～4 煤间砂岩含水层水;

2)根据对大佛寺煤矿煤层气井产水量相关因素分析，提出了大佛寺煤矿煤层气井位有利区的选择标准，为煤层气井位的选择布置提供了参考依据。

References

［1］ 刘英锋，巨天乙.深埋特厚煤层综放条件下顶板导水裂缝带探查技术［J］. 西安科技大学学报，2013，33(5):571 -575.LIU Ying-feng，JU Tian-yi. Exploration technology for water flowing fractured zone of deeply-buried thick coal bed in fully mechanized sublevel condition［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(5):571 -575.

［2］ 刘会彬，胡少博，尹润生，等.鄂尔多斯盆地彬长矿区煤层气赋存特征［J］.煤田地质与勘探，2011，39(4):20 -23.LIU Hui-bin，HU Shao-bo，YIN Run-sheng，et al.Occurrence features of coalbed methane of Binchang mining area in Ordos basin［J］.Coal Geology and Exploration，2011，39(4):20 -23.

［3］ 田 冲，汤达祯，周志军，等.彬长矿区水文地质特征及其对煤层气的控制作用［J］. 煤田地质与勘探，2012，40(1):44 -45.TIAN Chong，TANG Da-zhen，ZHOU Zhi-jun，et al.Hydrogeological characteristics and their control on coalbed methane in Binchang mining area［J］.Coal Geology＆ Exploration，2012，40(1):44 -45.

［4］ 付江伟，傅雪海，胡 晓，等.焦作矿区煤层气开发的水文地质条件分析［J］.中国矿业，2011，20(4):109-110.FU Jiang-wei，FU Xue-hai，HU Xiao，et al. An analysis of hydrogeology in the coalbed methane development in Jiaozuo coal mine area［J］. China Mining Magazine，2011，20(4):109 -110.

［5］ 李五忠，田文广，陈 刚，等.不同煤阶煤层气选区评价参数的研究与应用［J］.天然气工业，2010，30(6):46 -47.LI Wu-zhong，Tian WEN-guang，CHEN Gang，et al.Research and application of appraisal variables for the prioritizing of coalbed methane areas featured by different coal ranks［J］.Natural Gas Industry，2010，30(6):46 -47.

［6］ 尹淮新，谈红梅，坛俊颖，等.新疆低煤阶煤层气勘探选区评价标准的探讨［J］. 中国煤层气，2009，6(6):11 -12.YIN Huai-xin，TAN Hong-mei，TAN Jun-yin，et al.Discussion on criteria for evaluation of selected target areas in prospecting CBM in low rank coal in Xingjiang［J］.China Coalbed Methane，2009，6(6):11 -12.

［7］ 赵庆波，张公明. 煤层气评价重要参数及选区原则［J］.石油勘探与开发，1999，26(2):24 -25.ZHAO Qing-bo，ZHANG Gong-ming. Important parameters in the evaluation of coalbed gas and principles for screening exploration target［J］. Petroleum Exploration and Development，1999，26(2):24 -25.

［8］ 林 然，倪小明，王延斌.山西沁水盆地樊庄区块煤层气高产区预测［J］. 高校地质学报，2012，18(3):558 -562.LIN Ran，NI Xiao-ming，WANG Yan-bin. Prediction of high CBM production area in the Fanzhuang block of the Qinshui Basin of Shanxi province［J］.Geological Journal of China Universities，2012，18(3):558 -562.

［9］ 宁 宁，张建博.煤层气地质选区评价方法研究［J］.天然气工业，1999，19(3):34 -35.NING Ning，ZHANG Jian-bo.A research on the method of geological regional selection evaluation of coalbed gas［J］.Natural Gas Industry，1999，19(3):34 -35.

［10］张培河，张 群，王宝玉，等.煤层气可采性综合评价方法研究——以潘庄井田为例［J］. 煤田地质与勘探，2006，34(1):22 -24.ZHANG Pei-he，ZHANG Qun，WANG Bao-yu，et al.Integrated methods of CBM recoverability evaluation:a case study from Panzhuang mine［J］. Coal Geology ＆Exploration，2006，34(1):22 -24.

［11］吴 鲜，廖 冲，叶玉娟，等.水文地质条件对煤层气富集的影响［J］.重庆科学院学报，2011，13(5):78 -81.WU Xian，LIAO Chong，YE Yu-juan，et al. The influence of hydrogeological conditions on the enrichment of coalbad methane［J］.Journal of Chongqing University of Science and Technology，2011，13(5):78 -81.