焦作矿区煤层气开发的水文地质条件分析

2011-12-06付江伟傅雪海刘爱华

中国矿业 2011年4期

付江伟，傅雪海，胡晓，刘爱华

（1．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州221008；2．河南省煤层气开发利用有限公司，河南郑州450016；3．河南工程学院工商管理系，河南新郑451191）

焦作矿区位于河南省北部，处在华北聚煤区中部，区内煤层气资源丰富，煤层吸附性好，含气量为10～42m3／t。据2000年中联煤层气公司和煤炭科学研究院预测资料显示，焦作矿区煤层气资源总量在2000m以浅达1733．5亿m3，1000以浅为416亿m3［1］。成煤后矿区经历了多期构造演化，地质条件复杂［2］。近年来，焦作矿区投入大量资金进行地面煤层气开发，先后对34口井进行了压裂排采。对于焦作矿区煤层气开发，国内做了大量的研究［3－6］，对矿区内二1煤含气特征、吸附性、渗透性以及开发潜势等进行了详细的探讨和评价，但关于煤层气开发的水文地质条件研究尚显薄弱。本文通过对焦作矿区水文地质特征的研究，认为水文地质条件对煤层气赋存特征以及开发过程中煤层气开采都有较大影响。

1 矿区地质特征

焦作矿区地处华北板块之内的太行山断隆区南缘山前断裂带，整体形态为一走向NE、倾向SE的单斜构造。石炭－二叠纪含煤地层沉积之后，经历了印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动［2］，本区构造以断裂形态为主，且多为高角度正断层，分为NE向、NW向、近EW向三组。其中，NE向断层最为发育，在矿区西部密度大，多呈地垒、地堑型构造，在矿区东部多呈阶梯状构造；近EW向断层规模大、切割NE向断层；NW向断层数量很少，主要发育在矿区东北部，切割NE向断层。走向近EW向的凤凰岭断层和走向NW向的峪河断层，将矿区分割成三大断块，即凤凰岭断层以南为南部断块；凤凰岭断层和峪河断层之间为中部断块；峪河断层以东为北部断块。这些断块又被断块内断裂构造分割成一系列小断块。

本区含煤地层为石炭－二叠系，含煤地层总厚945．76m，含煤26层，煤层平均总厚16．04m，可采煤层总厚7．57m。其中，山西组下部的二1煤层，煤厚0．65～19．59m，平均5．51m。二1煤层位稳定，普遍可采，结构简单，是焦作矿区山西组煤层气主要储层，也是目前煤层气开发的主要层位。矿区二1煤层顶板为粉砂岩、细砂岩互层，粉砂岩致密，胶结良好；顶板和煤层之间发育一层0．2～1．0m的致密碳质泥岩；煤层底板普遍发育一层1．2～2．5m的泥岩，使煤层处在封闭条件良好的环境中，对煤层气的保存十分有利。

2 矿区水文地质条件

太行山海拔千余米，构造形态为一宽缓背斜，地层大面积向东南倾斜，影响着区域地下水流向，北部晋城一带地下水位＋600m，往南至焦作为＋90m，水位高差510m，平均水力坡度12．7‰。矿区地下水除接受大气降水与隐伏露头区附近新近系、第四系孔隙水在 “天窗”（奥陶系灰岩直接与第四系冲积层直接接触）地段直接补给外，还接受来自太行山区的侧向径流补给，矿区位于区域地下水径流带。据区域水文地质资料，西北部山区补给区，石灰岩面积1000多km2，基岩大面积裸露，以透水性良好的寒武和奥陶系碳酸盐岩为主，具有良好的天然补给条件。因而，地下水通过岩溶与断裂发育带汇集于山前矿区下部，由于受EW向压性断裂与石炭－二叠系弱透水岩体的阻隔和导向，向E、ES运移，总体流向为NW→SE（图1）。从图1中可以进一步看出，区域地形特征和地质构造是地下水径流的主要控制因素，矿区水文地质特征可以划分为两个水文地质单元：太行山岩溶水补给区；山麓平原孔隙潜水与层岩溶水径流排泄区。总体上峪河口断裂以北地下水流方向为SW，以南为地下水流向为SE。区域地下水的径流通道，由于构造、岩性、地貌等差异，存在诸多强岩溶带，比较典型有：朱村断层强岩溶地下水径流带、凤凰岭断层强岩溶地下水径流带、九里山断层强岩溶地下水径流带、苏庄－方庄断层强岩溶地下水径流带。

图1 焦作矿区水文地质图

2.1 含水组划分及水力联系特征

2．1．1 含水组划分

按岩性、岩溶、裂隙发育程度、水力性质和富水程度，矿区内含水岩组自下而上可分为：

碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组：主要为寒武、奥陶系的厚层状灰岩、泥质灰岩，总厚度800～1000m，裸露区或断裂带常有大泉出露，泉流量0．01～7m3／s，矿区北部双头泉水位标高为＋850m、山前为＋110m，区内岩溶裂隙发育不均匀，煤矿涌水量1000～5000m3／d，水文标高＋110～＋82m，属强富水含水层。

碎屑岩夹碳酸岩岩溶裂隙含水层组：由太原组石灰岩夹砂岩组成，其中灰岩含水层9层，以上段L8、下段L2灰岩层含水最为丰富，厚度分别为6～8m和8～21m，岩溶裂隙较发育，渗透系数为1～15m／d。L8灰岩简称八灰，上距二1煤（俗称大煤）20m左右，其间是以粉砂岩为主的隔水岩层，岩溶以裂隙为主，溶洞为辅，静水位标高＋90m。八灰承压水通过断裂突破上覆隔水层与二1煤发生水力联系；L2灰岩简称二灰，上距二1煤70m左右，水文标高－90m，受断裂及溶洞影响，二灰可直接与奥灰发生水力联系（焦作矿区煤系水文地质柱状图见图2）。

图2 焦作矿区煤系水文地质柱状图

碎屑岩类砂岩裂隙水含水层组：主要由山西组砂岩组成，其中顶部风化岩层厚度一般30m左右，渗透系数0．2～1．0m／d；未风化砂岩含水层单位涌水量0．01～1．31L／s·m，渗透系数0．01～0．5m／d，为弱含水层组。

松散岩类孔隙水含水层组：由新生界地层中的砂、砾石层组成。近山前地带以砾、卵石层为主，顶板埋深20～40m，富水程度由北向南递减，南部冲积平原以中细砂含水层为主，在冲积扇前缘常有泉群出现，目前多已干涸。

2．1．2 含水层水力联系特征

由于该区受北东向、北西和近东西向三组高角度断裂的影响与控制，基岩地层被切割破碎，导致各含水层之间发生了一定的水力联系。在断裂带附近，岩溶裂隙相对发育，常常形成强富水、导水带，如凤凰岭断层强径流带、朱村断层强径流带、方庄断层强径流带、马坊泉断层强径流带和百泉断层强径流带等（图1），是焦作矿区内诸矿井、勘探区的补给边界，因而成为煤层气开发选区和井网布置必须考虑的边界条件。断裂的力学性质是影响煤层与含水层之间水力联系的主要条件，强导水断层是影响地下水流向的重要因素［7］。根据焦作矿井多次突水资料，从矿区断裂形成的相对年龄、规模、性质、岩性等方面分析可知：凤凰岭断裂是矿区控制性断裂，是强径流带，沿九里山断层、朱村断层形成本区较强径流带，径流带断裂发育区岩石破碎，岩溶发育，裂隙密集，连通性强，岩溶水沿断裂带富集、运移（见表1）。

2.2 矿区岩溶地下水补给、径流与排泄

大气降水为焦作矿区岩溶裂隙水的主要补给来源，西部、北部裸露山区广泛出露的石灰岩是岩溶地下水良好的补给场所，补给的地下水沿地层断面、岩溶裂隙或断层由高至低径流入井田；另外，受区内导水断裂构造的影响，下伏奥陶系灰岩岩溶裂隙水垂向补给其上各含水层，致使石灰岩岩溶裂隙水量大、补给水源充沛，构成了区内矿井主要冲水水源。矿区内最大的九里山岩溶水系统，补给面积约4900km2，天然资源量为38541万 m3／a。其中，灰岩裸露补给区面积1395km2，大气降水补给量10～15m3／s，河流及水库渗入补给量26．28m3／s。

在天然状态下，补给区地下水水力坡度为11‰，径流区为5‰，进入矿区后为2%～0．44‰。以东井交断层至黄水河断层北侧的分水岭和纸坊沟以北的夺火乡至峪河口地下分水岭，将本区九里山岩溶水系统分为北部百泉岩溶水子系统、中部十里河岩溶水子系统和南部的双头泉岩溶水子系统。十里河岩溶水子系统与百泉岩溶水系统的石灰岩裸露区，是峪河断裂以北的各区的补给区；双头泉岩溶水子系统的石灰岩裸露区，为焦作矿区岩溶水的直接补给区，演马庄矿区即处于该区的径流排泄区内，排泄的主要方式是矿井人工疏排。

岩溶水一部分沿山前冲洪积扇形成泉群排泄，总排泄量3．14～14．3m3／s，其中，九里山泉群流量9．2m3／s，陨城塞间歇泉流量2．4m3／s，百泉最大流量2．32m3／s＊；另一部分向深部循环径流或由人工排泄。由于焦作矿区补给面积大，岩溶裂隙发育，因此九里山岩溶水系统具有巨大调蓄功能，储存资源约为88．73亿m3。

3 矿区水文地质条件对煤层气开发影响

水文地质条件对煤层气赋存、运移的影响与控制作用，主要是通过水、气在煤层空隙中的相互制约作用而体现。在煤层空隙中，水、气处于一种压力平衡状态，在煤层气的解吸、扩散、渗流过程中，水头压力、被疏排含水层的富水性及渗透性能起着决定性的控制作用。

表1 焦作矿区主要断层几何特征及控水意义

3.1 对煤层气赋存的影响

煤层气主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中，地下水系统通过地层压力对煤层气吸附起控制作用。因此，水文地质条件对煤层气赋存、运移影响很大，对煤层气的开采至关重要。关于水文地质条件对煤层气赋存的影响，前人做了大量工作［8，9］，提出了水动力对煤层气的运移、逸散作用（导致煤层气运移、散失）和水力封闭、封堵作用（有利于煤层气保存、富集）。

焦作矿区北为太行山区，海拔标高＋200～＋1700m，为构造剥蚀的中低山地貌，广泛出露奥陶－寒武系巨厚（800～1000m）的碳酸盐岩，地形陡峭，深山峡谷，岩溶裂隙发育。大气降水后，由地表短暂径流转入地下径流，地下水由高向低，自北和西北方向向矿区内径流，在矿区南部受到武陟隆起（前震旦系地层）和断距千米以上断层（董村、朱村、耿黄等）的阻挡，使地下水在矿区内排泄。焦作矿区近距供水区，远距泄水区，二1煤层下部主要有L8、L2、奥灰三个主要含水层，富水性极强且水压很大，煤层底板泥岩封闭，使煤层气处于水压封堵状态。二1煤层上部山西组砂岩含水层与泥岩、砂质泥岩隔水层相间沉积，富水性较弱，呈滞流或微流状态，具有一定静水压，煤层气上浮力小于静水压，对煤层气保存有利［10］。如九里山矿井风氧化带深度为160m，浅部埋深220m时，煤层气含量高达19．16m3／t，但含气量梯度较小为3m3／t／100m，这说明浅部露头水沿煤层向深部运移，对沿煤层向浅部运移的煤层气具有封堵作用。

焦作矿区水文条件整体上有利于煤层气的赋存，但局部地区大断裂附近形成地下水强径流带，煤层气以水流为载体进行运移。例如朱村强径流带，断层落差大于1000m。由于矿区北部山区岩溶裂隙地下水及沁河、丹河、西石河地表水垂直或横跨断层形成有利得补给条件，在与北东向断层交汇地带，地下岩溶更为发育，致使距该断裂250m范围，煤层甲烷实测含量由正常梯度下的16．18m3／t下降为7．83m3／t，最大下降百分比达到52%；受马坊泉强径流带影响，在演马庄矿田中部的马坊泉断层附近100m内，煤层气含量低于15m3／t。

另一方面，井下人工排水破坏了地下水自然的补－流－排动态平衡，造成补给远远小于排泄，导致地下水断流和浅部潜水乃至包气带水严重亏空，滞水封闭作用消失，为煤层气游离部分开辟了良好的逸散通道。例如涌水量较大、突水严重的九里山矿，随着矿井对地下水的输排，原地下水径流方向被打破，改由四周流向矿井，形成以16－9孔为中心的水位漏斗区。地下水的人工排采，使得距离排泄中心区较近的区域水压的下降较快，致使原来吸附于煤孔隙中的吸附气解吸出来并随水流运移，表现为漏斗区附近区域的11071工作面回采期间，绝对瓦斯涌出量在4．42～6．76m3／min之间变化，而距排泄中心较远的区域气体含量受影响较小，绝对瓦斯涌出量一般7．66～9．89m3／min。

3.2 对煤层气渗流、运移的影响

在一定的构造条件下，水头压力对煤层气的封存、圈闭起着重要的控制作用。一般来说，只有通过排水降压，储层压力降到临界解吸压力之后，被吸附的煤层气体才能解吸、游离出来。解吸后的煤层气，在孔隙－裂隙网络中扩散、渗流的过程，除了受网络本身的透气、透水性能影响外，气、水两相渗流之间还存在一定的相互制约作用。

煤层中采气的机理与所观察到的常规储层采气机理大不相同，煤层中很少或不存在游离气，割理裂隙系统中的一部分孔隙空间被水饱和［11］。尽管割理裂隙系统中可能存在一些游离气，但大多数气体被吸附在煤表面上，因此，采出这种气体，必须降低割理系统的压力使气体从煤表面解吸，运移至割理系统并通过煤基质扩散。通常，为了降低割理系统压力，必须采出大量的水，这样气体才能不断解吸。从这个方面来说，煤储层中的水是有利的，对于煤系含水层的补给、径流条件较好的焦作矿区，地下水的流动可以较好地达到煤层气开发排水降压的目的。但是，局部煤系含水层富水较强、补给条件较好，在煤层气勘探开发时，容易发生因煤层富水或与含水层的贯穿，势必增加了煤层气井的排水费用和时间。特别是在煤系暴露或煤系埋藏较浅而且又接近地表水体的区域，由于岩溶裂隙发育，地表水可通过裂隙进入煤层，造成排采期间产水量大、产气量小的现象，对煤层气开采具有十分不利的影响。例如九里山区块JLS－X井排采530d，累计产水18303m3的情况下，始终没有开始产气；而区块内JLS－Y井，累计排水360m3时，产气量就达128140m3。局部断裂导水是致使部分井产水量大、产气量小的重要原因之一。因次，在煤层气井选址和布置时，研究和分析储层地下水的 “水源”，即查明排采期间水的来源十分重要。

3.3 对煤层气可采性的影响

在可采性评价中，水文地质条件是极为重要的因素，它不但直接影响到对储层产能的评价，而且对完井方式、增产措施、开发选区、井网布置等的实用性等，也有一定的控制作用。焦作矿区地下水补给、径流条件较好，而且部分张性断层具有导水性，地下水的径流不可避免地带走大量的煤层气，引起煤层气含量降低。因此，在煤层气开发选区时，应考虑水文地质因素对气含量的影响。另外，焦作矿区岩溶裂隙发育，地表水可通过裂隙进入煤层，对煤层气具有不利的影响。因此，在煤层气勘探开发时，地貌因素应是一个考虑的方面。焦作矿区构造复杂，断裂发育，断裂有可能成为导水通道，煤层气勘探开发选择井位时，在其他条件相同情况下，本区煤层气井应选择在较深部，且离断层较远的部位上。在煤层气钻井、压裂作业时，应做好预防突水的准备工作。

对于矿区特征鲜明的多尺度断块构造，造成煤层气储层的地质、水文地质特征及可采性评价参数，在平面上差异很大。在不同区块水头压力变化，含水层的富水、导水性能以及地下水本身的物性特征（如比重、粘度、压缩性等）差别较大的情况下，对煤层气生产过程中气体的解吸、扩散、渗流、产出的各个环节影响都是不同的。另外，在排采过程中，被疏排层段的含水层、隔水层在空间上的配置关系及均匀程度，对储层压力传播特征和疏排效果具有较大影响。如1995年中原油田在焦作矿区古汉山井田的煤层气排采试验中［12］，抽排水量的大小对产气显现了极为敏感和重要的影响。在距G－3井300m左右G－1、G－2、G－4井，由于各种地质、水文地质的影响，在排采试验中压力传播特征各不相同：产水量差别大；动液面降低快慢速度不均；储层压力梯度下降不同步；井与井之间连通性差。排水量的大小表现，主要由于临界解吸压力与储层压力的比值偏低、煤层及疏排含水层的结构复杂、不均匀性差异变化大等水文地质因素的影响，而未达到预期效果。因此，在研究水文地质条件对煤层气渗流、运移的影响时，要对焦作矿区水文地质边界特征进行研究。例如比较典型的线状断裂（带）、裂隙型内边界，这种导水断裂的作用，一方面可能是由于大型断裂的相互错动，在其影响带形成了比较发育的裂隙网络，成为沟通多层含水层联系的通道，另一方面，可能是断裂本身导水。据统计，焦作矿区发生与断裂带内边界有关的突水占突水总次数的80%，线状断裂（带）内边界多分布于井田中、深部。

3.4 对煤层气生产的影响

作为一项系统工程，煤层气开发既涉及到地质选区、井网布置、开采方式、管路铺设等地质和经济因素外，同时还要考虑开采时对环境的影响情况。目前，地面煤层气开发一般都通过排水降压来实现对煤层气的开采，这就涉及到排水造成的环境地质问题，如矿区水环境恶化及区域水位下降如何处理。对煤层气井的生产开采来说，如果水质（化学成分及矿化度等）较好，就要考虑对疏排水源的综合利用问题；如果水质差或含有某些有害组分而可能对生态环境造成污染或破坏时，就必须考虑赔偿或净化处理问题。

焦作矿区是我国著名的突水矿区，长期煤矿生产，必须大量疏排矿坑水，据测算吨煤需排水4．5m3，目前矿坑水排放量5．4 m3／s，造成了大面积漏斗区。漏斗区主要为九里山漏斗区、焦南漏斗区、东小庄水源地漏斗区。岗庄水源地漏斗区，九里山漏斗区面积约9km2，中心水位90m以下，主要有矿坑排水造成［13］。近年来，区域地下水位下降造成区内泉点枯竭，对矿区居民人畜用水和工农业用水造成极大影响。另外，因矿坑排水及工业废水、生活污水污染，现大部分地表水质污染严重，同时也给矿区内地下水带来严重污染。据水质化验资料分析［14］，矿区地下水已遭到较大范围污染，污染面积343．25km2，岩溶地下水主要污染因子为氯离子，铁、锰、总硬度等。中马村矿、韩庄矿、王封矿、冯营矿、演马庄矿等地，部分水井超标，其中中马村矿水井氯离子含量为2135mg／L，超标8．5倍。目前，焦作煤层气开发还处于探索试验阶段，由生产因素产生的负面影响还不十分突出。但是，如果商业化大规模进行开采情况下，就需要加强矿区区域地下水水位降落漏斗范围及变化趋势的监测，调整地下水开采布局，对地下水开采层位进行人工回灌，并采取分层取水、以丰补枯等措施控制地下水水位下降的幅度等措施，从而在安全、经济、环保等综合因素上，实现焦作矿区煤层气可持续发展。