黑龙江省煤系裂隙含水层岩性划分研究

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(1.中煤地质工程总公司，北京100043；2.黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司，黑龙江 哈尔滨150090)

黑龙江省煤系裂隙含水层岩性划分研究

陆斌法1，肖雨江2

(1.中煤地质工程总公司，北京100043；2.黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司，黑龙江 哈尔滨150090)

针对巨厚砂岩和泥岩互层地层难以按照传统的岩性划分方法追踪含水层的难题，近年来在黑龙江省煤矿水文地质补充勘探实践的基础上，提出根据白垩系煤系裂隙含水层的发育特点，利用钻探、简易水文、物探测井、抽水试验、水质分析等野外实际资料综合分析，采用“二分法”将研究区巨厚的砂岩、泥岩互层组合结构的白垩系煤系裂隙含水层，按照深度划分为强裂隙承压含水带和弱裂隙承压含水带，为节省水文地质勘探中的工作量提供新的途径。

砂岩和泥岩互层；含水层划分；裂隙含水层；“二分法”

Abstract:To solve the difficulty of tracking the aquifers of the thick sandstone and mudstone interbedding strata with traditional lithological classification method, a new method was put forward based on the coal mine hydrogeological exploration practice in Heilongjiang Province in recent years. According to the development characteristics of Cretaceous coal fractured aquifer, a comprehensive analysis of the field data such as drilling, simple hydrology, geophysical logging, pumping test, and water quality analysis was first made. “Dichotomy” was then adopted to divide the thick sandstone and mudstone interbedding structure fracture aquifer in the study area into strong pressure-bearing fractured aquifers and weak pressing-bearing fractured aquifers according to the depth. This method provides a new approach to the workload reduction in hydrogeological explorations.

Keywords:sandstone and mudstone interbedding structure; aquifer division; fractured aquifer; “dichotomy”

黑龙江省是我国东北主要产煤省份。三江平原位于黑龙江省东部，由黑龙江、乌苏里江和松花江三条大江冲积而成，属中新生代内陆断陷[1]。白垩系下统鸡西群为区域含煤地层。根据鹤岗[2]、双鸭山、七台河、鸡西分公司的勘探资料可知，研究区各煤矿赋存的煤层形成于同一时期，除了地层厚度由于古地理环境[3]和地壳运动的影响不尽一致以外，地层岩性和沉积韵律均很相近[4-5]，地质和水文地质特征类似。因煤矿而兴起的鹤岗、双鸭山、七台河、鸡西市自北而南依次分布于小兴安岭东麓的三江平原中西部(图1)，规划面积为18 637 km2，查明煤炭资源储量211.92亿 t[6]，年产煤炭5000万t，为保障东北老工业基地的能源供给发挥了重要作用。

图1 黑龙江省产煤区分布示意图Fig.1 Distribution of coal producing area in Heilongjiang Province

随着煤炭开采向深部延伸，矿井水文地质条件趋于复杂，作为煤炭开采直接充水含水层的煤系裂隙含水层自然成为煤矿水文地质勘查和煤矿水害防治工作的主要研究对象。近3年来，作者参与了该矿区8个矿井的水文地质补充勘探工作，并对以往地质工作中的水文地质钻孔资料进行了统计分析，针对巨厚砂岩和泥岩互层地层划分难题，对煤系地层裂隙发育深度规律进行了对比研究，采用“二分法”划分为强裂隙承压含水带和弱裂隙承压含水带，减少了近1/4的钻探工作量，为企业节约投资近3 000万元。

1 煤系地层发育特征

黑龙江省三江平原属中新生代内陆断陷，白垩系下统鸡西群为区域含煤地层。在复合褶皱基底上堆积有千米以上的中、新生代沉积盖层。位于平原中西部的储煤盆地地层由老至新可分为元古界麻山群，中生界白垩系下统鸡西群滴道组、城子河组、穆棱组，白垩系下统桦山群东山组，新近系、第四系[7]等(表1)。

表1 黑龙江省煤矿区域地层简表Tab.1 Coal mine strata in Heilongjiang province

注：1)根据鹤岗、双鸭山、七台河、鸡西分公司资料汇编；2)东山组地层厚度有待考证；3)鸡西群下部滴道组地层在双鸭山煤矿区名为“东荣组”

以下仅以龙煤集团双鸭山分公司勘探资料为例简述。

穆棱组(K1m)：整合接触于城子河组之上，岩石组合以湖相静水环境细碎屑沉积岩为主，由深灰色泥质粉砂岩、灰色细砂岩、厚层中粒砂岩夹薄层泥岩和薄煤组成。底部为20～30 m长石石英质局部含细粒的中砂岩，中下部含不可采薄煤和炭质泥岩9层，个别煤层顶底板和夹石层为凝灰质岩石，上部不含煤，泥质粉砂岩较发育，层状凝灰岩增多，岩性组合呈等厚互层状出现。厚度50～1 000 m。

城子河组(K1ch)：不整合接触于滴道组之上，由一套陆相碎屑含煤建造和海陆交互相地层组成，由灰-灰白色的中、粗、细砂岩与深灰色或黑色的粉砂岩、薄层泥岩、凝灰岩等组成，底部有一层厚约5～20 m细砾岩-含砾粗砂岩。含煤40～60层，为主要含煤地层。据岩相特征、岩层和煤层的组合特征，将城子河组划分为上、中、下三个含煤岩段，分别称上含煤段、中含煤段和下含煤段。厚度150～1 300 m。

滴道组(K1di)：不整合接触于元古界麻山群之上，主要由砾岩、砂岩、凝灰质砂岩、炭质泥岩夹薄煤层和安山质熔岩、凝灰岩组成，底部为花岗质砾岩。该组地层在七台河、鸡西矿区局部发育，在双鸭山矿区缺失，在东荣井田称为“东荣组”。厚度0～400 m。

2 煤系裂隙含水层发育特征

根据地层时代、岩性、含水介质、孔隙发育特征等，可将各赋煤盆地内地下水含水层划分为：第四系孔隙含水层、白垩系煤系裂隙含水层和煤系基底裂隙含水层。其中白垩系煤系裂隙含水层直接与新生界松散地层不整合接触，分布广泛、沉积巨厚，其岩层发育特征为砂岩、泥岩互层叠置结构，煤层间夹其中，为矿井直接充水含水层，为煤矿水文地质条件重点研究对象。根据钻孔揭露情况统计，白垩系碎屑岩地层中砂岩厚度约占整个揭露基岩厚度的75%，其中单孔揭露最多的是安泰矿DT1钻孔，钻孔揭露砂岩110层，单层砂岩厚度0.15～29.85 m，平均厚度15.18 m，单孔揭露最少的砂岩也达38层，为东保卫矿SY7钻孔。揭露的砂岩多以细砂岩和中砂岩为主，和泥岩呈互层状结构(图2)。研究区内相变复杂，如果按岩性追踪和对比地层则比较困难。

3 煤系裂隙含水层“二分法”必要性及依据

3.1 必要性及原则

根据多年来的勘查实践，尤其是近年来开展的煤矿水文地质补充勘探工作，从钻探、简易水文、物探测井、抽水试验、水质分析等实际资料，对煤系地层裂隙发育深度规律进行了统计对比，将巨厚的砂岩、泥岩互层的白垩系煤系裂隙含水层，按一定的埋藏深度划分为强裂隙含水带和弱裂隙含水带，即“二分法”。对研究区进行含水层“二分法”的必要性在于：

1) 煤系裂隙含水层主要由煤层间发育的砂岩层构成，砂岩层数多、厚度变化大、与泥岩和煤层呈互层结构，在单个井田内有尖灭和合并的现象，层位难以追踪和对比，在地层倾角较大的矿区按垂向水平划分“含水层”十分困难。

2) 煤系地层与新生代地层在漫长的地史演化过程中，经历了长期的沉积间断和风化剥蚀，在煤系地层顶部形成了一定厚度的风化裂隙带，并与上覆松散地层呈不整合接触，成为地下水补给、运移、赋存的良好空间，并具有随着埋藏深度的增加岩石裂隙发育趋弱，富水性也逐渐变弱的特征。

3) 煤系地层本身就是开采煤层的直接充水含水层，对于厚达千余米的砂岩、泥岩互层叠置的“含水层”，加之构造十分发育，地层错断之后又重新复杂组合，这种地层特点无法按传统意义上的地层岩性特征来划分含水层。若要硬性按照煤系地层岩性特征作为“含水层”的话，对于巨厚碎屑岩含煤地层则意味着需要耗费大量的水文地质钻探工程量。

对研究区进行含水层“二分法”的原则为：①地层岩性互层、叠置组合、厚度巨大，需进一步划分；②符合地层裂隙垂向发育规律原则；③满足水文地质参数计算和矿井涌水量预测评价原则；④达到技术、经济效益双赢原则。

图2 煤系裂隙含水层地层柱状示意图Fig.2 Stratigraphic diagram of tcoal fractured aquifers

3.2 划分依据

1) 岩芯采取率。根据大量钻探资料分析，上部强裂隙承压含水带由于风化强烈，裂隙发育，多为张裂隙，钻进时速度较快，岩芯破碎成块状，较松散，岩芯采取率较低，一般小于60%。下部弱裂隙承压含水带，裂隙不发育，且多被方解石充填，钻速降低，岩芯完整，致密坚硬，岩芯采取率一般大于70%。

2) 简易水文特征。根据大量的勘查钻孔简易水文观测资料分析，钻孔在上部强裂隙承压含水带钻进时漏水的钻孔比例超过70%，大部份钻孔在上部强裂隙承压含水带严重漏水；钻孔在下部地层泥浆消耗量明显比上部地层有所减小。这说明上部地层裂隙发育，连通性好，随着埋深的增大，地层裂隙的连通性逐渐减弱，相应的富水性也减弱。

3) 物探测井。根据勘查钻孔测井曲线显示，白垩系煤系地层上部强裂隙承压含水带电阻率曲线值明显低于下部弱裂隙承压含水带，下部地层自然伽马曲线值增大，泥质含量相对于上部增加，盐化曲线反映含水段也主要位于上部层段[8-10]。

4) 抽水试验。根据双鸭山分公司近年来水文地质补勘33个水文地质钻孔抽水试验资料分析，当抽水试验段位于白垩系强裂隙带时，钻孔统一标准单位涌水量一般q>0.1 L/s·m；当位于弱裂隙带时，钻孔统一标准单位涌水量一般q<0.1 L/s·m[11]。上部含水层的富水性明显要大于下部。

5) 水质分析。根据水文地质补勘数10个钻孔水样的水化学分析，水质类型垂向上的变化规律为：白垩系上部强裂隙带以HCO3-Ca·Na型为主，下部弱裂隙含水带以HCO3-Na·Ca型为主。

综合以上各种特征，对各个钻孔的煤系裂隙含水层按照深度划分出了强裂隙含水带和弱裂隙含水带，整体上规律性较明显(图3)。

图3 安泰矿DT1孔煤系强、弱裂隙含水带特征图Fig.3 Characteristics of the strong and weak coal fractured aquifers of DT1 drill in Antai coal mine

3.3 划分结果

依据以上“二分法”划分原则和方法，统计大量近年施工的水文地质钻孔资料，得到各矿区煤系裂隙含水层的强、弱裂隙含水带分布规律。由于各煤矿的地质条件不同，因此强、弱裂隙含水带的划分界限也各异。从垂向上看，覆盖层厚的矿区其分界面埋深较大，而覆盖层薄的矿区其界面埋深较浅。位于双鸭山煤盆地内的5个煤矿，煤系地层直接上覆数十米厚的第四系松散层，煤系强、弱裂隙含水带的划分界限变化范围为120～180 m。东荣井田内因煤系地层上覆第四系、新近系厚约200 m，煤系强、弱裂隙含水带的划分界限变化范围为300～350 m(表2)。

表2 煤系强、弱裂隙含水带的划分界限统计表Tab.2 Boundary data of the strong and weak coal fractured aquifers

4 含水层“二分法”的意义

1) 符合地下水动力学“完整井”理念。地下水动力学中的水文地质参数计算，无论是稳定流还是非稳定流计算公式都要求是“完整井”条件，即抽水试验段应包括全部含水层厚度，试验孔的底端必须位于含水层下部的隔水层段，以保证试验孔底部不进水。对于本区巨厚的砂岩、泥岩互层的煤系裂隙“含水层”，易于满足此“完整井”的要求，亦满足含水层水文地质参数计算理论公式要求[12]。

2) 利于勘查“目的层段”深度的确定。对于中生界煤系地层而言，本身就是开采煤层的直接充水含水层，其富水性具有随埋藏深度的增加而减弱的一般规律，影响煤矿安全生产的水患主要是开采煤层上部含水层的水[13-14]。因此，煤矿水文地质勘探及防治水工作的主要“目的层段”，可确定为井田煤系上部相对强裂隙发育带，加上适当深度的弱裂隙含水带。其深度的确定可根据上述原则和方法，从而钻探工作不必为盲目追求水文地质勘探试验孔的“完整性”而钻穿全部煤系地层。

3) 减少企业勘探成本。在水文地质勘探中，钻探费用往往占整个综合勘探费用的50%以上，上述勘查“目的层段”深度确定以后，在满足勘查精度的同时，将合理节省大量的钻探工作量，从而为煤矿企业节约大量勘探成本[15]。

4) 具有推广价值。煤系裂隙含水层“二分法”的方法同样适用于我国其他类似的地质与水文地质条件的矿区。

5 结论

1) 研究区的煤系地层组合特征为巨厚的砂岩和泥岩互层结构，传统的岩性划分法追踪含水层方法在该地区适用性不强；

2) 基于大量钻探、简易水文、物探测井、抽水试验、水质分析资料的“二分法”能够确定强裂隙含水层带和弱裂隙含水带的界限；

3) 煤系裂隙含水层“二分法”在满足水文地质勘查精度要求的同时，能够节省大量的钻探工程量。

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(责任编辑:高丽华)

StudyonLithologicalDivisionofCoalBearingFracturedAquiferinHeilongjiangProvince

LU Binfa1, XIAO Yujiang2

(1.China Coal Geological Engineering Corporation, Beijing 100043, China；2. Helongjiang Longmay Mining Group Co., LTD, Harbin, Heilongjiang 150090, China)

TD741；P631

A

1672-3767(2017)06-0096-07

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.014

2016-06-22

中国地质调查局地质调查项目(12120113103500)

陆斌法(1963—)，男，江苏苏州人，教授级高级工程师，从事煤田水文地质、工程地质及环境地质工作. E-mail：lubinfa@sohu.com