彬長礦區(qū)水文地質(zhì)條件對煤層氣成藏的影響

彬長礦區(qū)水文地質(zhì)條件對煤層氣成藏的影響

彬昌礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南緣。是陜西省北部黃土高原南部的一個支流。它具有典型的黃土-黃土高原梁和谷的地形特征。區(qū)內(nèi)海拔高度一般800~1200m,平均降水量為561.3mm/a,平均蒸發(fā)量大于900mm/a。地處涇河流域中游地段,涇河支流呈樹枝分布,主要有黑河、四郎河等,均常年流水。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造較簡單,總體為一向西北緩傾的單斜構(gòu)造,地層傾角一般小于10o。在礦區(qū)中南部發(fā)育短軸背斜與寬緩向斜,軸向近東—西,自北向南背斜起伏變大。區(qū)內(nèi)斷層不甚發(fā)育,未發(fā)現(xiàn)有巖漿侵入。礦區(qū)西北部煤層埋藏深,達1300m左右,東南部埋藏較淺,500m左右。研究區(qū)煤炭資源豐富,含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組地層,主采煤層為延安組中下部的4號煤層,該煤層以長焰煤為主,全區(qū)分布較穩(wěn)定,平均厚度9.91m,為煤層氣的生成及儲集提供了充足的條件。1各含水層間的水力聯(lián)系根據(jù)地層巖性和地層富水性資料分析,研究區(qū)自上而下依次發(fā)育的主要含水層有(如圖1):(1)第四系孔隙含水層;(2)新近系小章組下部砂卵礫石含水層;(3)白堊系洛河組砂巖含水層;(4)白堊系宜君組礫巖含水層;(5)侏羅系安定組下部砂巖含水層;(6)侏羅系直羅組下部砂巖含水層;(7)侏羅系延安組砂巖含水層;(8)侏羅系延安組4煤含水層;(9)三疊系胡家村組砂巖弱含水層。主要隔水層有:(1)新近系小章組上部紅粘土隔水層;(2)白堊系華池—環(huán)河組泥巖隔水層;(3)侏羅系安定組上部泥巖隔水層;(4)侏羅系直羅組上部泥巖隔水層;(5)侏羅系延安組頂部泥巖隔水層;(6)侏羅系延安組4煤頂板泥巖隔水層;(7)侏羅系延安組4煤底板泥巖隔水層;(8)侏羅系富縣組泥巖隔水層。各含水層間的水力聯(lián)系一般有兩種方式:(1)含水層之間的垂向滲濾,主要由相關(guān)巖層巖性及透水性決定;(2)含水層之間存在斷層連通,主要由斷層性質(zhì)、規(guī)模和上下盤含水性決定。由于研究區(qū)斷裂構(gòu)造幾乎不發(fā)育,各含水層之間缺乏直接的水力聯(lián)系通道,含水層之間只能通過垂向的滲濾作用發(fā)生水力聯(lián)系。彬長地區(qū)延安組煤系含水層以及可能與煤系地層發(fā)生水力聯(lián)系的幾個含水層的水文地質(zhì)特征如下。1.1涌水砂粒砂巖類型區(qū)內(nèi)廣泛分布,地表未見出露。延安組含水層包括4煤含水層和砂巖含水層。砂巖含水層巖性主要為中—粗粒砂巖。據(jù)鉆孔抽水試驗:單位涌水量0.000046~0.1036L/s·m,富水性弱而不均一;水質(zhì)類型以SO4·Cl—Na型為主,東南部為Cl—Na型(如圖2);礦化度6.192~15.79g/L,向東南部礦化度值逐漸增大(如圖3)。1.2單位涌水量及水質(zhì)出露于礦區(qū)東南部。含水層巖性為中—粗粒砂巖。據(jù)鉆孔抽水試驗:單位涌水量0.000022~0.002L/s·m,富水性極弱;水質(zhì)類型以SO4—Na為主,向東南部過渡為Cl—Na型(如圖4);礦化度5.531~20.45g/L。1.3涌水量和水質(zhì)出露位置與安定組基本一致。含水層巖性為中粗粒砂巖。據(jù)鉆孔抽水試驗:單位涌水量0.000037~0.000076L/s·m,富水性極其微弱;水質(zhì)類型SO4—Na型;礦化度2.37~3.38g/L。1.4外圍地段富水性宜君礫巖含水層段主要出露于火石咀、朱家灣及南溝等礦區(qū)南部及外圍地段。巖性為淺紫色、紫灰色塊狀礫巖。據(jù)鉆孔抽水試驗:單位涌水量0.0088~0.145L/s·m,富水性極弱—弱;水質(zhì)類型SO4—Na型;礦化度2.59~5.39g/L。1.5含水層礦化度洛河砂巖含水層全區(qū)均有分布。主要出露于涇河亭口以東河谷及其支溝。巖性以紫紅色—暗紫色中、粗粒砂巖為主,礫巖、砂礫巖次之,泥巖、砂質(zhì)泥巖少見。據(jù)鉆孔抽水試驗結(jié)果:單位涌水量0.0182~1.1303L/s·m,富水性中—強;水質(zhì)多為SO4—Na型;礦化度0.93~5.10g/L。通過比較各含水層的礦化度和水質(zhì)類型,易見延安組煤系含水層比洛河組、宜君組、安定組含水層的礦化度都明顯偏大,而且在水質(zhì)類型上有明顯不同。由此判斷,延安組煤系含水層與洛河組、宜君組、安定組含水層不具明顯水力聯(lián)系。而與直羅組含水層相比,礦化度值范圍雖然相似,但在礦化度高低分布和水質(zhì)類型分布情況有明顯區(qū)別。從礦化度值的平面分布上看,在詳查區(qū)西北部地區(qū),直羅組含水層礦化度為20g/L左右,礦化度向礦區(qū)東南部變小,而延安組含水層礦化度略大于10g/L,礦化度向東南部大佛寺向斜區(qū)逐漸增大;從水質(zhì)類型看,延安組含水層以SO4·Cl—Na型為主,而直羅組含水層以SO4—Na型為主。由上說明,延安組煤系含水層與直羅組含水層水化學(xué)特征存在明顯差異,兩含水層之間也不具明顯水力聯(lián)系。2含水層地下水補徑排特征礦區(qū)延安組煤系含水層水,賦存于傾向NW呈緩波狀起伏的單斜構(gòu)造之中,系區(qū)域性承壓水斜地之東南翼組成部分,向斜西北翼為鄂爾多斯盆地西緣地區(qū),地勢相對東南翼較高。礦區(qū)延安組含水層水位標高為800~1100m,在礦區(qū)西北部水位最高,向東南部逐漸降低,至東南部最低(如圖5),在東南部形成水勢“低洼帶”,地下水向礦區(qū)東南部水勢低洼帶匯聚。延安組地層在礦區(qū)內(nèi)未見出露,在研究區(qū)內(nèi)基本不直接接受大氣降水的補給;而延安組含水層與其他含水層不具明顯水力聯(lián)系,補給主要來源為礦區(qū)外四周相鄰的延安組含水層的側(cè)向徑流補給。由于彬長礦區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育,煤系含水層不與其他含水層構(gòu)成聯(lián)系,礦區(qū)內(nèi)煤礦開采過程中的疏、排水為延安組含水層的主要排泄方式。3礦井地下水水動力類型隨著埋深的增加,水中礦物質(zhì)溶解度低者先沉積,表現(xiàn)為HCO3-,SO42-,Cl-的沉積順序,即近地表為低礦化度的HCO3-,水流活躍;向下為中礦化度的SO42-型水,水流趨緩;更深為高礦化度的Cl-型水,水流趨于停滯。因此,通過地下水位變化和水中離子的狀況可以判斷地下水的水動力強弱。根據(jù)礦區(qū)延安組含水層的水動力相對強弱情況將彬長礦區(qū)延安組含水層分為側(cè)向徑流補給區(qū)、弱徑流區(qū)和相對滯流區(qū)3個區(qū)(如圖6)。側(cè)向徑流補給區(qū):位于彬長礦區(qū)西北角,由于延安組含水層在彬長礦區(qū)基本不出露,幾乎不接受大氣降水補給和其他含水層補給,主要補給來源于礦區(qū)外相鄰延安組含水層的側(cè)向徑流補給,該區(qū)地下水水質(zhì)類型為SO4·Cl—Na型,礦化度較礦區(qū)其他區(qū)域小,水流相對較活躍。弱徑流區(qū):礦區(qū)除西北角和東南部的廣大區(qū)域,整體上礦化度較高,水質(zhì)類型為SO4·Cl—Na型,徑流強度弱。相對滯流區(qū):礦區(qū)東南部大佛寺向斜區(qū)域,礦化度大于15.0g/L,水質(zhì)類型為Cl—Na型,區(qū)域劃分為相對滯流區(qū),該處水流基本處于滯流狀態(tài)。4地下水流變學(xué)特性彬長礦區(qū)構(gòu)造簡單,斷裂構(gòu)造不發(fā)育,延安組煤系含水層與其他含水層之間的泥巖隔水層穩(wěn)定發(fā)育,阻隔了延安組煤系含水層與其他含水層之間的水力聯(lián)系,使得延安組煤層中的氣體不易向其它含水層中逸散,起到良好的蓋層作用,使煤層氣處于一個相對有利的賦存條件。延安組含水層中地下水向礦區(qū)東南部水勢“低洼帶”匯聚,地下水的流動攜帶煤層氣沿著水流方向運移,其結(jié)果是煤層氣向東南部運移,在礦區(qū)東南部形成有利富集區(qū)。礦區(qū)延安組地下水整體上處于較高的礦化度,礦化度呈向東南部地區(qū)逐漸升高的趨勢;礦區(qū)延安組含水層水質(zhì)類型為以SO4·Cl—Na型為主,東南部局部地區(qū)為Cl—Na型。由此說明整體上延安組地下水流動較緩慢,對煤層氣的保存有利,而位于礦區(qū)東南部的相對滯流區(qū)最有利于煤層氣的保存。研究區(qū)含氣量在0.12~6.34m3/t,中部煤層氣含量基本大于3m3/t,向邊緣煤層氣含量降低,中部的向斜區(qū)以及背斜間的區(qū)域煤層氣含量相對較高,一般高于4m3/t,在礦區(qū)東南部亭南—大佛寺地區(qū)有大于5m3/t的異常高值。含氣量最好的區(qū)域恰好是水文條件最有利的煤層氣富集區(qū)域,說明水文地質(zhì)條件是礦區(qū)煤層氣成藏的重要因素。5地下水的補給、徑流補給、含水層內(nèi)的地下水a(chǎn).彬長礦區(qū)構(gòu)造簡單,斷裂構(gòu)造不發(fā)育,含水層之間泥巖隔水層穩(wěn)定分布,延安組煤系含水層與其他含水層之間不具明顯水力聯(lián)系,有利于煤層氣的保存。b.礦區(qū)延安組含水層補給主要來源為礦區(qū)外四周相鄰的延安組含水層的側(cè)向徑流補給,在礦區(qū)東南部形成水勢“低洼地”,延安組含水層中地下水向東南部亭南—大佛寺地區(qū)