侏罗纪煤田顶板含水层分布规律及防控技术*

冀瑞君,兰 锋

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054;2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710065;3.陕西煤田地质工程科技有限公司,陕西 西安 710000)

0 引言

鄂尔多斯盆地是在滨太平洋构造域和特提斯构造域共同影响下形成的中生代大型内陆凹陷,叠加在早、古生代大型盆地之上,盆地主体具有克拉通盆地特征。中晚三叠世和早中侏罗世富县-延安期是盆地发育的两个鼎盛阶段,广泛接受沉积,形成重要的含油和成煤岩系。鄂尔多斯盆地集煤、油、气和铀于一体是我国高质量发展的重要能源基地[1]。国家批复建设的14个大型亿吨级煤炭基地中,神东、陕北、黄陇及宁东4个基地均开采鄂尔多斯侏罗纪煤炭资源[2]。随着鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田开发程度不断加大,煤矿水害问题也不断凸显,一方面是水害防治成本不断上升;另一方面是粗放式水害治理,激化了生态脆弱矿区的煤-水矛盾。因此,开展区域顶板水害分布规律和科学防控意义重大。

1984年神府煤田发现后,首批矿井逐步投产,采煤对生态环境破坏问题逐步显现,1992年范立民[3]分析了瓷窑湾煤矿巷道冒顶地下水持续下降的原因后提出了“保水采煤”理念,认识到萨拉乌苏组含水层既是煤矿顶板水害的重要水源,又是矿区重要的生态水源。2009年锦界煤矿完成4个工作面回采后,矿井涌水量持续增加,超过2 500 m3/h,崔杰等[4]在重新分析矿井水文地质条件之后提出了直罗组风化基岩含水层是矿井的主要充水水源。2008年,白有社[5]在开展彬长矿区水害防治时提出了洛河组是煤矿的主要充水水源,郭小铭等[6]揭示了该含水层垂向上富水性差异大,发现横向近似“各向同性”。王苏健等[7]在黄陵矿区分析了黄陵二号煤矿井顶板水害,认为直罗组为充水水源。梁向阳等[8]在呼吉尔特矿区开展研究,提出了主要充水含水层为延安组顶部“真武洞砂岩”和直罗组“七里镇砂岩”。针对宁东矿区,赵宝峰等[9]对主要充水含水层直罗组含水层进行了富水性评价。2020年董书宁团队[10]总结了鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩4种典型顶板水害的形成机理、判别方法和防控技术。至此,我国学者对鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田的主要充水含水层的水文地质条件基本掌握。为了进一步研究充水含水层的水文地质参数分布特征,郭小铭、冯洁等[11-12]多位学者应用“沉积相控水”理论分析了单个煤矿或局部矿区开展的研究。范立民等[13]认为应从整个鄂尔多斯盆地地下水系统研究侏罗系砂岩含水层沉积演化及构造特征为水害防治提供思路和方法。王世斌等[14]为提高灾害复杂矿区智能化建设水平提出了灾害防治的系统化思维。为此,以鄂尔多斯盆地为单元,对侏罗纪煤田顶板主要充水含水地层进行含水介质分布规律分析,进而分析含水层的分布规律,提出“生态保护为前提”“安全生产为原则”的顶板水防控措施。

1 研究背景

1.1 鄂尔多斯盆地演化简史

鄂尔多斯盆地发育时期(T2-K1)的沉积-演化过程可划分为4个阶段,分别为中晚三叠世、早中侏罗纪富县-延安期、中侏罗世直罗-安定期和早白垩世。前两个阶段为盆地发育的鼎盛时期,受早侏罗世构造变动影响沉积间断。延安期末盆地抬升变动不强烈,随后进入盆地的第三个沉积阶段。至此,盆地地层由下向上依次为延长组、富县组、延安组、直罗组、安定组。晚侏罗世,鄂尔多斯盆地中东部隆起遭受剥蚀,早白垩世又区域沉降,全盆沉积,进入第四个阶段。在此期间,鄂尔多斯盆地局部地区在安定组之上发育有志丹群(自下而上分别为宜君组、洛河组、华池组、环河组、罗汉洞组、泾川组)。晚白垩世-古新世,盆地整体抬升,沉积间断,区域剥蚀。

鄂尔多斯盆地的沉积作用决定了煤层与岩层的上下关系,剥蚀作用使煤层与多个含水岩层不整合接触,形成了煤层与地下水的复杂空间组合关系。

1.2 主要充水含水层

根据前人的研究成果,目前鄂尔多斯侏罗纪煤田顶板水害的主要充水含水层从上到下依次为:第四系松散层含水层、萨拉乌苏组含水层、洛河组含水层、直罗组含水层以及延安组部分层段含水层。因此,主要研究具有区域水文地质特征的萨拉乌苏组含水层、洛河组含水层和直罗组含水层。

2 含水岩层沉积相与砂岩展布规律

2.1 萨拉乌苏组含水层

第四纪晚更新世,鄂尔多斯盆地东南部迅速沉降,高原中部的风化物被搬运到低洼处沉积,随着堆积作用的进行,地形趋于平坦,形成微砂(0.050～0.100 mm),粗粉砂(0.010～0.050 mm)湖相沉积物。随着湖泊消亡,河流继续堆积形成了细砂(0.100～0.250 mm)为主的河流相[15]。该套砂岩磨圆度和分选性较好,压实程度较低,大孔隙渗透性良好,是榆神矿区的主要充水含水层。该地区萨拉乌苏组沉积厚度受古地形制约,厚度变化较大,在古沟槽和低洼中心沉积厚度大。厚度最大可达160 m。石圪台—哈拉沟煤矿单位涌水量0.369～1.54 L/ (s·m),渗透系数3.89～10.96 m/d;柠条塔煤矿单位涌水量0.004 6～1.413 2 L/ (s·m) , 渗透系数0.044 8～5.904 m/d;锦界煤矿渗透系数0.637～25.7 m/d;榆树湾—杭来湾煤矿单位涌水量1.117 5 L/ (s·m) , 渗透系数8.340 1 m/d。萨拉乌苏组富水性和渗透性在不同区域存在一定变化,整体上渗透性强, 富水性强[16]。

2.2 洛河组含水层

洛河组含水层是鄂尔多斯盆地白垩系碎屑岩孔隙-裂隙含水层的重要组成部分,是全盆地白垩系砂体最发育的地层,覆盖了榆神矿区四期以西以及黄陇侏罗纪煤田的彬长矿区。沉积类型包括沙漠相、河流相、三角洲相、湖泊相及冲(洪)积相[17]。按照岩性组分、沉积韵律、岩相组合变化分为上下两段,其中上段以风成长石石英砂岩为主,中细粒结构,杂基含量少,分选极好,风成交错成立、大型斜层理和大型平行层理发育,如图1所示。下段底部为含砾砂岩,上部仍以风成中砂岩为主[18]。呼吉尔特矿区、新街矿区、纳林河矿区等蒙陕深埋侏罗纪煤田、陕北侏罗纪煤田和彬黄侏罗纪煤田洛河组的沉积相主要为沙漠相,仅在彬县等部分矿区沉积相为冲积扇与辫状河沉积,如图2所示。

图1 洛河组剖面照片

图2 洛河组沉积相

洛河组沙漠相在盆地内砂岩岩性和粒度分布比较稳定。砂岩除了盆地边缘厚度变化大外,盆地内大部分地区的砂岩岩性以及粒度均分布比较稳定,砂岩体之间连通性、横向延展性普遍较好。洛河组砂岩在不同矿区水文地质特征表现不同,榆神矿区四期厚度由南向北从140 m到20 m,富水性从南向北为中等富水到弱富水,中等富水区渗透系数0.118 00～0.640 71 m/d,弱富水区渗透系数为0.018 48～0.527 48 m/d;呼吉尔特矿区厚217.7～328.4 m,富水性中等,渗透系数0.003 3～0.114 1 m/d;彬长矿区洛河组砂岩厚200～320 m,渗透系数0.042 2～0.328 7 m/d。整体表现为厚度大,富水性中等,渗透性一般,释水速度慢,不易直接形成水害,但易形成离层水害。

2.3 直罗组含水层

鄂尔多斯盆地直罗组沉积后,经历多次改造,岩层厚度一般在150～400 m,呈西厚东薄趋势,自乌海向南经鄂托克前旗东、大水坑至镇原一线为厚度400 m左右的较厚带,至东部残留边界一带为100 m左右。直罗组分为上下两段,上段以辫状河、曲流河、三角洲和湖泊沉积为主,下段以辫状河、曲流河沉积为主,主要发育有三角洲沉积。直罗组下段辫状河到砂岩具有良好的渗透性、连通性和成层性[19],是直罗组的主要含水层段。在鄂尔多斯盆地陕北侏罗纪煤田直罗组下段呈多期次河道砂岩叠加形成的宽约25 km的NW-SE向条带状砂体[20-21]。在鄂尔多斯盆地南部黄陇侏罗纪煤田直罗组下段砂体以胡家河—大佛寺—水口为中心,南北向延伸,向东西两侧逐渐变薄,宽5～10 km,砂体厚5～80 m[22]。在宁东侏罗纪煤田直罗组下段砂岩体呈北西向延伸,砂岩厚度10～35 m[23]。

通常辫状河沉积分为河道沉积和心滩沉积,在垂向上底部为河道沉积,上部为心滩沉积,具有明显的沉积韵律[24]。辫状河沉积形成于强水动力条件下,具有强烈的下切作用,早期沉积常被后期冲刷与侵蚀。通常出现后期河道叠加在早期河道沉积上,沉积物在横向上、纵向上、垂向上相互叠加。导致地下水的水力联系较为复杂。整体上直罗组砂岩体具有一定方向呈条带状展布,在局部砂体上因多期次叠加,砂体分布水力联系较为复杂。

1997年，朗格推出先进而精密的自动上链机心——屡获殊荣的Sax-0-Mat型机心，内置归零装置，于表冠拉起时掣停摆轮，秒针即时返回零位，就如计时码表一样。Sax-0-Mat型机心仍为Langematik Perpetual和Saxonia ANNUAL CALENDAR等表款的基本机心。1815 Tourbillon和Richard Lange Jumping Seconds的手动上链机心亦设有归零功能，简化了时间设定过程。往后的表款中，归零装置采用独立模组设计，附设由多个圆盘组成的离合器，使秒针在突然的震荡或反弹中仍平稳运作。

陕北侏罗纪煤田直罗组含水层单位涌水量0.011 3～0.209 L/(s·m),渗透系数0.013～0.377 m/d,富水性弱到中等[25];彬长矿区因直罗组下段泥岩含量较大,单位涌水量0.000 022～0.002 L/(s·m),富水性极弱[26];宁东侏罗纪煤田红柳煤矿直罗组下段含水层单位涌水量0.000 85～0.316 4 L/(s·m),渗透系数0.005 43～0.290 98 m/d,富水性由强到弱,平面分布不均一[27]。

3 含水层防控措施

3.1 含水层防控基本原则

生态保护原则:煤层开采充水含水层埋藏较浅,地下水循环条件好,具有一定的供水意义和生态意义,地下水的防控措施应以隔水层再造、限高开采等技术手段在保证地下水位不发生显著下降的同时,不得破坏地下水的循环条件。帷幕注浆等技术应在环境影响评价的基础上慎重采用。

安全生产原则:在确保生态保护的前提下,根据水害治理成本选择疏、排、堵等水害防治技术措施,确保安全生产。

3.2 含水层防控技术

3.2.1 导水裂隙带发育高度分析

在查明开采煤层厚度分布的条件下,采用裂采比、数值模拟、物理相似模拟、现场实测等技术手段,分析导水裂隙带的发育高度。

3.2.2 充水水源含水层判别

在确定导水裂隙带发育高度的条件下,对煤—水—生态空间组合分布特征开展研究,分析顶板多含水层之间的水力联系。根据煤层顶板隔水层厚度与导水裂隙带高度的关系确定主要充水含水层。

3.2.3 不同充水含水层的防控措施

萨拉乌苏组充水含水层:若充水含水层为萨拉乌苏组含水层,结合萨拉乌苏组含水层分布特征,利用含水层砂体受古地形影响,多以局部独立的含水透镜体的分布规律,重点要查清萨拉乌苏组透镜体沉积中心对应基岩厚度,对基岩薄弱带进行注浆加固,采用限高开采等保水采煤措施,确保萨拉乌苏组下部隔水层不被破坏。

洛河组充水含水层:若充水含水层为洛河组含水层,因其含水层砂体为沙漠相侧向连续性、稳定性、连通性较好,含水层防控难度较大。随着煤层不断回采,矿井涌水量持续增加,易形成离层含水层。针对该含水层首先确定是否为生态用水和生活用水,若埋藏深度约小于300 m,地下水循环条件较好,则应采取保水采煤措施,采用限高开采或充填开采的技术手段,确保含水层不被破坏。若该含水层埋藏深度较大,地下水矿化度高,地下水循环条件差,则注浆截流和疏放技术为主,重点要预测预防离层水害的发生。

直罗组充水含水层:若充水含水层为直罗组含水层,首先要开展三维地震勘探技术,查明河道砂体的具体条带分布规律,对具有生态意义的直罗组含水层在河道砂体下有针对性的局部充填开采或局部限高开采为主,确保生态安全的前提下,降低水害治理成本实现精准治理。若该含水层埋藏深度较大,地下水不具有生态和生活用水意义,则可以判断砂岩体延伸的方向,在砂岩体的上方和下方采用截流方式,截断含水层的地下水补给,在煤层回采前开展地下水疏放技术,降低水害治理成本。

4 结论

(1)沉积环境及其演化决定了砂岩的空间展布特征,进而直接关系到地下水的富水性和渗透性。

(2)煤层回采地下水防控应以生态保护为前提,以煤矿安全生产为底线。萨拉乌苏组砂体分布受古地形控制,呈“鸡窝”状分布;洛河组砂岩体受风积作用控制,侧向连续性强,上段渗透性优于下段;直罗组的砂岩体主要受辫状河沉积作用控制,河道砂体区域上呈定向条带状的透镜体展布,侧向不连续,地下水整体沿砂体定向渗流。

(3)受沉积环境的控制地下水含水层分布存在垂向、横向上具有一定的规律性,在采取含水层水害防控技术措施时一定要利用这一规律,进而可提高含水层防控效果,降低治理成本,实现含水层的精准治理。