鄂尔多斯盆地北部中侏罗统沉积相特征及其对中深部矿井涌水量的影响

黄海鱼,丁 湘,吴永辉,刘 溪

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054;2.中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

近年来，随着鄂尔多斯盆地北部呼吉尔特矿区、纳林河矿区的中深部矿井大规模开发(见图1),矿井涌水量呈现大且持续增长的趋势,已成为制约该区域矿井安全高效开采的关键因素。矿井之间涌水量差异较大,同一矿井不同采区工作面的涌水量也存在明显区别。为了做好该区域矿井的防治水工作,前人从导水裂缝带发育规律[1]、矿井涌水量特征[2-3]、沉积环境对矿井顶板含水层富水性影响[4-8]等方面做了一定研究,并初步认定，中侏罗统直罗组底部的“七里镇砂岩”是影响矿井涌水量的重要含水层[9]。但是，前人对造成直罗组底部砂岩与其他顶板砂岩含水差异性的原因研究不足，对研究区侏罗系潜在含水层所处地层的沉积相和重要含水层砂岩展布规律研究不足，导致沉积相及砂体展布规律与矿井涌水量的关联性不够清楚，对造成直罗组底部砂岩与其他顶板砂岩含水层差异性的原因分析不足。为了更加准确地预测矿井涌水量及涌水量变化规律，本次研究以鄂尔多斯盆地北部典型中深部矿井为研究对象，在分析主要充水含水层的基础上，充分考虑沉积相是控制砂体形成的根本因素[10]，对侏罗系含水层所在地层沉积相和砂体空间展布规律进行系统研究。同时，结合矿井涌水量特征和工作面顶板探放水情况，分析鄂尔多斯盆地北部侏罗系含水层所在地层沉积相对中深部矿井涌水量的影响。

图1 鄂尔多斯盆地北部中深部典型矿井地理位置Fig.1 Geographical location of the typical middle and deep mines in northern Ordos Basin

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是在古生代华北克拉通盆地的基础上发育的中生代沉积盆地。中晚三叠世延长期和中侏罗世延安期是盆地发展的鼎盛期[11]。中侏罗世早期，盆地沉积范围和湖区迅速扩张，沉积了一套复陆屑含煤建造——延安组。延安组沉积早期以河流相为主,中期河湖三角洲沉积发育,晚期主要为网状河残余湖相，各期泥炭沼泽广布,煤层发育。延安组形成后,地壳持续稳步下降,连续沉积了复陆屑碎屑岩建造——中侏罗统直罗组、安定组。直罗组以河流相沉积为主,早期主要发育辫状河沉积，中晚期以曲流河和交织河沉积为主，河漫湖广布[12-14]。

目前，鄂尔多斯盆地北部呼吉尔特矿区、纳林河矿区的中深部矿井开采深度为550～750 m,主要开采煤层为延安组上部的2#和3#煤。煤层上覆地层由老到新主要包括中侏罗统延安组(J2y)、中侏罗统直罗组(J2z)、中侏罗统安定组(J2a)、下白垩统志丹群(K1zh)和第四系全新统(Q4)。

2 充水含水层分析

为分析沉积相对涌水量的影响作用,首先需要明确对矿井煤层开采过程中涌水量造成影响的含水层所属的层位。本研究通过导水裂隙带的发育高度进行含水层所属层位的确定。目前，井下仰孔分段注水测漏法实测和钻孔窥视探测是测试矿井导水裂隙带发育高度的重要手段[15-16]。本研究通过该方法对典型矿井导水裂隙带的发育高度进行了探测,裂采比为24.55倍。

研究区典型矿井主要开采位于延安组二段顶部的3-1煤,煤层厚度为3.9～6.35 m,平均4.53 m,采后导水裂隙带发育高度为95.75～155.89 m,平均111.21 m。根据井田内3-1煤层至各地层层间距关系(见表1)可知,直罗组一段至3-1煤层的间距为31.4～86.42 m,属于导水裂隙带发育的高度范围;直罗组二段至3-1煤层的间距为92.35～188.22 m,仅局部地层属于导水裂隙带发育的高度范围;而安定组至3-1煤层间距为179.55～300.50 m,超出了导水裂隙带影响的发育高度范围。另外,3-1煤与上覆延安组三段直接接触。由此可知，导水裂隙带主要波及到的上覆含水层为延安组三段和直罗组一段含水层,局部波及到直罗组二段含水层。

表1 典型矿井3-1煤层至上覆地层层间距 Tab.1 Interval between 3-1coal and overlying strata in typical mines

因此,本研究主要针对直接充水含水层所在的中侏罗统延安组三段、直罗组一段、直罗组二段开展沉积相对中深部矿井涌水量的影响研究。

3 沉积相特征

3.1 地层特征

通过对井田148个钻孔测井数据和区域沉积背景进行分析,利用主要划分标志层,结合前人的研究成果[17-19]，对典型矿井主要研究目的层进行地层划分(见表2)。

表2 典型矿井中侏罗统延安组、直罗组地层划分标准 Tab.2 Stratigraphic division standard of Middle Jurassic Yan′an Formation and Zhiluo Formation in typical mines

1)延安组三段。延安组三段以下伏延安组二段顶部3-1煤顶为底界,以延安组顶部的区域侵蚀不整合面或直罗组底部的“七里镇砂岩”作为顶界。3-1煤层是广泛沼泽化沉积的界面,一定程度上可进行区域对比；“七里镇砂岩”底部为冲刷不整合界面。延安组三段地层厚度72.06～103.44 m,平均88.87 m。岩性以灰白色细砂岩和深灰色粉砂岩、泥岩为主,普遍含煤(见图2A),偶见中砂岩(见图2B)。

2)直罗组。直罗组(J2z)以“七里镇砂岩”为底界,以安定组高阻泥灰岩为顶界。直罗组地层厚度为117.75～219.45 m,平均164.09 m,与下伏延安组(J2y)呈平行不整合接触。根据地层厚度和标志层特征,进一步划分为直罗组一段和直罗组二段。

直罗组一段底部以“七里镇砂岩”为界,顶部以“高桥砂岩”为界。地层厚度为55.3～117.27 m,平均78.67 m,岩性主要为浅黄、灰绿色中—粗粒砂岩及粉砂岩、砂质泥岩(见图2C、D)。直罗组一段下部粒度较粗,向上粒度逐渐变细,显示为正旋回。上部以粉—细砂岩和泥岩为主。

直罗组二段底部以“高桥砂岩”为界,顶部以安定组高阻泥灰岩为界,地层厚度为65.3～116.55 m,平均为85.42 m,岩性以紫红色、杂色砂质泥岩、泥岩与灰绿、黄绿色砂岩、粉砂岩为主(见图2E),发育向上粒度变细的正旋回,砂岩以薄层为主。

3.2 岩石类型及沉积相标志

通过野外露头剖面、钻井岩心等资料,对研究区地层所发育的岩石类型和沉积构造等沉积相标志特征进行分析。在研究区地层中识别出砂岩、粉砂岩、泥岩和煤等4种岩石类型。

砂岩主要包括粗砂岩、中砂岩和细砂岩。其中,粗砂岩主要见于直罗组一段的地层中,反映强水动力条件;中砂岩主要发育于直罗组一段的地层中,少量发育于延安组三段的地层中;细砂岩主要发育于延安组三段、直罗组一段上部和直罗组二段的地层中。砂岩颜色主要有灰白色、灰绿色、灰黄色,其中灰白色砂岩主要发育于延安组三段的地层中,而灰绿色、灰黄色砂岩主要发育于直罗组的地层中(见图2A、B、C、D、E)。粗砂岩发育以块状层理和板状交错层理为主的沉积构造,砂岩厚度大,砂岩底部发育冲刷面,冲刷面附近常见大量泥砾(见图2F),反映强水动力环境。中砂岩主要可见槽状交错层理和平行层理,砂岩厚度以中—薄层为主。细砂岩发育槽状交错层理和平行层理(见图2G),反映较强水动力环境。

粉砂岩在延安组三段和直罗组地层中均有发育,包括粉砂岩和泥质粉砂岩。粉砂岩颜色多以灰白色和深灰色为主,泥质粉砂岩以灰黑色为主。粉砂岩发育以沙纹交错层理、波状层理和透镜状层理为主的沉积构造(见图2H),反映水动力较弱或水动力条件强弱交替的环境。

图2 典型矿井延安组三段、直罗组岩心特征Fig.2 Core characteristics of the third section of Yan′an Formation and Zhiluo Formation in typical mines

泥岩以灰黑色、灰绿色、灰紫色、杂色为主。灰黑色泥岩反映还原环境,灰绿色、灰紫色、杂色泥岩反映弱还原-弱氧化的沉积环境。灰黑色泥岩和炭质泥岩多见于延安组三段的地层中。杂色泥岩多见于直罗组地层中。泥岩中主要发育水平层理和块状层理。泥质粉砂岩和泥岩中可见植物碎屑化石(见图2I),部分发生炭化，反映水动力条件较弱、较稳定的沉积环境。

煤层主要见于延安组三段的地层中,井间分布较稳定,具可对比性。颜色以黑褐色为主,发育块状构造。煤层和炭质泥岩是反映泥炭沼泽沉积环境的重要相标志类型。

3.3 沉积相类型

根据不同岩石类型及沉积相标志在垂向上的分布组合特征,结合区域沉积演化背景,对延安组三段和直罗组沉积相进行判别,认为井田延安组三段、直罗组发育三角洲平原亚相、辫状河亚相和曲流河亚相。

1)三角洲平原亚相。井田三角洲平原亚相沉积主要发育于延安组三段,包括分流河道、分流间湾和泥炭沼泽沉积微相(见图3)。垂向上主要构成灰白色中—细砂岩、深灰色泥岩及煤层的岩石类型组合。分流河道微相以灰白色细砂岩为主,测井曲线多对应箱型、齿状箱型。分流间湾以粉砂岩和深灰色泥岩为主。泥炭沼泽主要以具块状构造、水平层理的煤层为主,对应的测井曲线呈明显的“峰”状,自然伽马呈“指型”低值。

图3 延安组三段、直罗组一段沉积相单井柱状图(HM06钻孔)Fig.3 Sedimentary facies column of the third section in Yan′an Formation and the first section of Zhiluo Formation(drilling HM06)

2)辫状河亚相。辫状河亚相主要发育于直罗组一段下部，可进一步识别出河道砂坝和泛滥平原微相(见图3，4)。其垂向上主要构成灰绿色厚层中—粗砂岩和杂色薄层泥岩的岩石类型组合。河道砂坝以灰绿色中—粗砂岩为主,砂岩发育厚度大,呈厚层块状产出。测井曲线多对应箱型、齿状箱型。砂岩中板状交错层理发育,底部发育冲刷面,冲刷面中可见泥砾。泛滥平原以泥质沉积为主,泥岩发育厚度较小。

3)曲流河亚相。曲流河亚相主要发育于直罗组二段和直罗组一段上部，可进一步识别出河道砂坝和河漫滩微相(见图4)。其垂向上主要构成灰绿色中—细砂岩、粉砂岩和杂色泥岩的岩石类型组合。河道砂坝主要为中—薄层中—细粒砂岩,很少见厚层的块状砂岩,测井曲线多对应齿状钟型、齿状箱型。河漫滩主要为粉砂岩与粉砂质泥岩或泥岩互层。曲流河沉积在垂向上表现为下粗上细的“二元结构”,以河漫滩沉积较为发育为特征,在整个沉积相序中,砂泥比近于1，沉积旋回比较完整。

图4 直罗组沉积相单井柱状图(H017钻孔)Fig.4 Sedimentary facies column of Zhiluo Formation(drilling H017)

3.4 沉积相展布特征

通过综合分析延安组三段、直罗组一段和二段地层砂岩厚度、泥岩厚度、地层厚度及煤层厚度等各种单因素参数,恢复了研究区各地层沉积期的沉积相展布特征。

延安组三段发育三角洲平原沉积,主要发育分流河道与分流间湾微相。井田内发育两条主河道,河道展布方向为北东—南西向(见图5)。对下部延安组煤层产生较大影响的延安组三段含水层主要发育在分流河道微相内,砂体厚度4.5～53.71 m,平均厚度25.58 m。其主砂体分布在井田西南部和东北部的小范围地区,井田中部砂体厚度整体发育不大。

图5 延安组三段沉积相平面图Fig.5 Sedimentary facies plan of the third section of Yan′an Formation

直罗组一段下部发育辫状河沉积,直罗组一段上部发育曲流河沉积。辫状河沉积作为直罗组一段的优势相,主要包括河道砂坝与泛滥平原微相,河道砂坝展布方向为北西—南东向(见图6)。其主河道在研究区发育广泛,井田西南部、北部均有大面积发育。

图6 直罗组一段优势沉积相平面图Fig.6 Sedimentary facies plan of the first section of Zhiluo Formation

直罗组二段发育曲流河沉积,包括河道砂坝和河漫滩微相,河道展布方向为北东—南西向(见图7)。对下部延安组煤层产生较大影响的直罗组二段含水层主要发育在河道砂坝微相内,砂体厚度5.25～73.64 m,平均厚度34.81 m。河道砂坝微相主要分布在研究区的北部和南部小范围地区。井田中部大面积发育河漫滩沉积,夹小型河道砂体,砂体整体发育厚度小,连片发育程度低,连通性较差。

图7 直罗组二段沉积相平面图Fig.7 Sedimentary facies plan of the second section of Zhiluo Formation

4 沉积相对矿井涌水量的影响

4.1 涌水量特征

3101和3103工作面分别位于井田的南北两翼。3101工作面探放水钻孔终孔涌水量平均为115.5 m3/h;3103工作面平均为15.6 m3/h,前者是后者的7.3倍(见图8)。3101工作面探放水终孔水压平均为2.2 MPa;3103工作面平均为1.8 MPa,前者是后者的1.2倍(见图9)。

图8 工作面探放水钻孔终孔涌水量对比图Fig.8 Comparison diagram of water inflow from drainage, drilling and final hole of coalfield working face

图9 工作面探放水钻孔终孔水压对比图Fig.9 Comparison of final hole water pressure of drainage borehole in mine field working face

3101工作面回采过程中正常涌水量为927 m3/h,最大涌水量为1 372 m3/h。3103工作面正常涌水量为550 m3/h,最大涌水量为871 m3/h。工作面正常涌水量前者是后者的1.69倍,最大涌水量前者是后者的1.58倍(见图10)。

图10 工作面涌水量随推进距离变化图Fig.10 Variation of water inflow of working face with advancing distance

根据两个工作面采前探放水钻孔数据和采后涌水量数据对比,南翼3101工作面顶板富水性明显强于北翼的3103工作面。

4.2 涌水量的差异性分析

为探究造成井田南翼3101工作面和北翼3103工作面涌水量差异的原因,本研究选取贯穿两个工作面的南北向沉积相连井剖面进行分析,剖面线具体位置见图7所示。从剖面图中可见(见图11),直罗组一段发育辫状河沉积,在井田北部，泛滥平原沉积微相较为发育,河道砂坝发育规模相对较小,砂体厚度较薄;而在井田南部,河道砂坝沉积微相占据优势地位,砂体较厚,足以成为主要充水含水层。延安组三段和直罗组二段砂体在南北剖面上的侧向展布较稳定,厚度变化较小。直罗组二段主要发育曲流河沉积,河道砂坝沉积微相在井田内控制范围明显小于直罗组一段,砂体总体厚度较薄,且河道变迁频繁,连通性差,使得部分砂体虽具有一定的厚度,但不利于地下水的存储和径流；再者，导水裂隙带局部导通该层,致使直罗组二段砂体不足以对矿井涌水量产生较大影响。延安组三段主要发育三角洲平原沉积,其中分流河道沉积微相在井田范围内面积相对较小,砂体规模与直罗组底部厚层砂体相比明显较薄,对矿井涌水量的影响作用受到限制。

图11 H021钻孔—WW09钻孔中侏罗统延安组三段—直罗组沉积相对比剖面图Fig.11 Sedimentary facies correlation profile of Middle Jurassic from borehole H021 to borehole WW09

另外可以看出, 井田北部延安组三段上部的2-1煤层发育和保存程度较好, 而井田南部的2-1煤层不发育,呈缺失状态。这是因为井田北部河道砂坝发育规模相对较小,河道对下伏地层的冲刷作用相对较弱,而井田南部直罗组一段底部的厚层河道砂坝对下伏延安组三段进行强烈冲刷,造成井田南部延安组三段2-1煤层及部分上部地层缺失。同时,对下伏地层强烈的冲刷侵蚀,致使直罗组砂体至开采对象3-1煤层的层间距减小,使得其充水意义完全不同。

对下部延安组煤层产生较大影响的直罗组一段底部“七里镇砂岩”,岩性组合简单,主要发育中—粗粒砂岩;而延安组三段和直罗组二段砂岩以细粒砂岩为主。通过对延安组和直罗组不同岩性的物性分析可知[17],粗粒砂岩的有效孔隙度平均为22.08%,渗透率平均为425×10-3μm2;中粒砂岩的孔隙度平均为20.52%,渗透率平均为226×10-3μm2;细粒砂岩的孔隙度平均为13.90%,渗透率平均为20.18×10-3μm2。由此可见，中—粗粒砂岩的孔隙度和渗透率明显高于细粒砂岩,导致其透水能力强于细粒砂岩。而辫状河河道砂坝的强水动力条件是形成中—粗粒砂岩的根本原因。

为进一步刻画直罗组底部厚层砂岩的影响作用,对直罗组一段底部“七里镇砂岩”的平面展布特征进行分析(见图12)。从图12中可见,“七里镇砂岩”砂体厚度8～80.45 m,平均厚度43.65 m。井田北部七里镇砂体厚度为8～33 m,相对较薄;而南部砂体厚度40～80.45 m,厚度较大,南北厚度存在明显差异；且南部“七里镇砂岩”砂体连通性好,空间展布较稳定,可以为地下水提供良好的储存空间。

图12 井田七里镇砂岩平面展布图Fig.12 Distribution plan of Qilizhen sandstone in mine field

通过对典型矿井的充水含水层条件、含水层所在层位沉积相特征及矿井涌水量特征进行分析,认为影响矿井涌水量的煤层顶板含水层是多层的,其中直罗组一段底部的“七里镇砂岩”起主导作用;辫状河河道砂坝沉积微相是形成厚层“七里镇砂岩”的根本原因;辫状河、曲流河及三角洲平原沉积特征决定了煤层顶板含水层与隔水层的发育程度及其在平面和剖面的空间配置样式,其差异性导致了所形成砂体展布的不均一性,是造成矿井南北两翼工作面探放水钻孔单孔涌水量、水压及采空区涌水量差异的重要原因。

分析沉积相特征、明确含水层的沉积成因,对研究煤层顶板含水层的富水性规律和矿井涌水量预测具有十分重要的意义。矿井顶板疏放水工程应该根据顶板含水层的沉积展布特征进行差异化布置,此举既可以提高顶板水疏放效率,又可以节约矿井的防治水工程费用。

5 结论

1)通过对鄂尔多斯盆地北部中深部矿井的充水含水层分析可知，3-1煤层顶板直接充水含水层分布于延安组三段、直罗组。

2)井田延安组三段为三角洲平原沉积,发育分流河道和分流间湾沉积微相。分流河道主砂体分布在井田西南部和东北部小范围地区,井田中部砂体厚度整体发育较小;直罗组一段下部为辫状河沉积,发育河道砂坝和泛滥平原沉积微相,主河道在井田西南部、北部大面积发育。直罗组一段上部和直罗组二段为曲流河沉积,发育河道砂坝和河漫滩沉积微相。河道砂坝主要分布在井田北部及南部小范围地区,中部大面积发育河漫滩沉积,夹小型河道砂体。

3)直罗组一段底部的“七里镇砂岩”对矿井涌水量的影响起主导作用;辫状河河道砂坝沉积微相是形成厚层“七里镇砂岩”的根本原因;辫状河、曲流河及三角洲平原沉积特征决定了煤层顶板含水层与隔水层的发育程度及其在平面和剖面的空间配置样式,是造成矿井南北两翼工作面探放水钻孔单孔涌水量、水压及采空区涌水量差异的重要原因。