彬長(cháng)礦區水文地質(zhì)特征及其對煤層氣的控制作用

  彬長(cháng)礦區位于鄂爾多斯盆地西南緣，屬陜北黃土高原南部塬梁溝壑區的一部分，具有典型的黃土塬梁、溝壑地貌特征。區內海拔高度一般800~1 200 m，平均降水量為561.3 mm/a，平均蒸發(fā)量大于900 mm/a。

 

  地處涇河流域中游地段，涇河支流呈樹(shù)枝分布，主要有黑河、四郎河等，均常年流水。

 

  礦區內構造較簡(jiǎn)單，總體為一向西北緩傾的單斜構造，地層傾角一般小于10?。在礦區中南部發(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。區內斷層不甚發(fā)育，未發(fā)現有巖漿侵入。礦區西北部煤層埋藏深，達1 300 m 左右，東南部埋藏較淺，500 m 左右。

 

  研究區煤炭資源豐富，含煤地層為中侏羅統延安組地層，主采煤層為延安組中下部的4 號煤層，該煤層以長(cháng)焰煤為主，全區分布較穩定，平均厚度9.91 m，為煤層氣的生成及儲集提供了充足的條件。

 

  1 礦區含水 隔水層及水力聯(lián)系

 

  根據地層巖性和地層富水性資料分析，研究區自上而下依次發(fā)育的主要含水層有：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)、規模和上下盤(pán)含水性決定[1-2]。由于研究區斷裂構造幾乎不發(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(guò)垂向的滲濾作用發(fā)生水力聯(lián)系。彬長(cháng)地區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(gè)含水層的水文地質(zhì)特征如下。

 

  1.1 侏羅系延安組煤系含水層

 

  區內廣泛分布，地表未見(jiàn)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。據鉆孔抽水試驗：?jiǎn)挝挥克?.000 046~0.103 6 L/s·m，富水性弱而不均一；水質(zhì)類(lèi)型以SO4·Cl—Na 型為主，東南部為Cl—Na 型；礦化度6.192~15.79 g/L，向東南部礦化度值逐漸增大。

 

  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)、規模和上下盤(pán)含水性決定[1-2]。由于研究區斷裂構造幾乎不發(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(guò)垂向的滲濾作用發(fā)生水力聯(lián)系。彬長(cháng)地區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(gè)含水層的水文地質(zhì)特征如下。

 

  1.1 侏羅系延安組煤系含水層

 

  區內廣泛分布，地表未見(jiàn)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。據鉆孔抽水試驗：?jiǎn)挝挥克?.000 046~0.103 6 L/s·m，富水性弱而不均一；水質(zhì)類(lèi)型以SO4·Cl—Na 型為主，東南部為Cl—Na 型；礦化度6.192~15.79 g/L，向東南部礦化度值逐漸增大。

 

  1.2 侏羅系直羅組下部砂巖含水層

 

  出露于礦區東南部。含水層巖性為中—粗粒砂巖。據鉆孔抽水試驗： 單位涌水量0.000 022~0.002 L/s·m，富水性極弱；水質(zhì)類(lèi)型以SO4—Na 為主，向東南部過(guò)渡為Cl—Na 型(如圖4)；礦化度5.531~20.45 g/L。

 

  1.3 侏羅系安定組下部砂巖含水層

 

  出露位置與安定組基本一致。含水層巖性為中粗粒砂巖。據鉆孔抽水試驗：?jiǎn)挝挥克?.000 037~0.000 076 L/s·m，富水性極其微弱；水質(zhì)類(lèi)型SO4—Na 型；礦化度2.37~3.38 g/L。

 

  1.4 白堊系宜君組礫巖含水層

 

  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南部及外圍地段。巖性為淺紫色、紫灰色塊狀礫巖。據鉆孔抽水試驗：?jiǎn)挝挥克?.008 8~0.145 L/s·m，富水性極弱—弱；水質(zhì)類(lèi)型SO4—Na 型；礦化度2.59~5.39 g/L。

 

  1.5 白堊系洛河組砂巖含水層

 

  洛河砂巖含水層全區均有分布。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(jiàn)。據鉆孔抽水試驗結果：?jiǎn)挝挥克?.018 2~1.130 3 L/s·m，富水性中—強；水質(zhì)多為SO4—Na 型；礦化度0.93~5.10 g/L。

 

  通過(guò)比較各含水層的礦化度和水質(zhì)類(lèi)型，易見(jiàn)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(lèi)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(lèi)型分布情況有明顯區別。從礦化度值的平面分布上看，在詳查區西北部地區，直羅組含水層礦化度為20 g/L 左右，礦化度向礦區東南部變小，而延安組含水層礦化度略大于10 g/L，礦化度向東南部大佛寺向斜區逐漸增大；從水質(zhì)類(lèi)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(shuō)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 礦區含水層水的徑流補給及排泄特征

 

  礦區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造之中，系區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，地勢相對東南翼較高。礦區延安組含水層水位標高為800~1 100 m，在礦區西北部水位最高，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”，地下水向礦區東南部水勢低洼帶匯聚。

 

  延安組地層在礦區內未見(jiàn)出露，在研究區內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(lái)源為礦區外四周相鄰的延安組含水層的側向徑流補給。

 

  由于彬長(cháng)礦區斷裂構造不發(fā)育，煤系含水層不與其他含水層構成聯(lián)系，礦區內煤礦開(kāi)采過(guò)程中的疏、排水為延安組含水層的主要排泄方式。

 

  3 礦區地下水動(dòng)力分區

 

  隨著(zhù)埋深的增加，水中礦物質(zhì)溶解度低者先沉積，表現為HCO?3 ，SO2?4 ，Cl?的沉積順序，即近地表為低礦化度的HCO?3 ，水流活躍；向下為中礦化度的SO2?4 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(guò)地下水位變化和水中離子的狀況可以判斷地下水的水動(dòng)力強弱[3-4]。

 

  根據礦區延安組含水層的水動(dòng)力相對強弱情況將彬長(cháng)礦區延安組含水層分為側向徑流補給區、弱徑流區和相對滯流區3 個(gè)區。

 

  側向徑流補給區：位于彬長(cháng)礦區西北角，由于延安組含水層在彬長(cháng)礦區基本不出露，幾乎不接受大氣降水補給和其他含水層補給，主要補給來(lái)源于礦區外相鄰延安組含水層的側向徑流補給，該區地下水水質(zhì)類(lèi)型為SO4·Cl—Na 型，礦化度較礦區其他區域小，水流相對較活躍。

 

  弱徑流區：礦區除西北角和東南部的廣大區域，整體上礦化度較高，水質(zhì)類(lèi)型為SO4·Cl—Na 型，徑流強度弱。

 

  相對滯流區：礦區東南部大佛寺向斜區域，礦化度大于15.0 g/L，水質(zhì)類(lèi)型為Cl—Na 型，區域劃分為相對滯流區，該處水流基本處于滯流狀態(tài)。

 

  4 礦區水文地質(zhì)條件對煤層氣成藏的控制作用

 

  彬長(cháng)礦區構造簡(jiǎn)單，斷裂構造不發(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(gè)相對有利的賦存條件。

 

  延安組含水層中地下水向礦區東南部水勢“低洼帶”匯聚，地下水的流動(dòng)攜帶煤層氣沿著(zhù)水流方向運移，其結果是煤層氣向東南部運移，在礦區東南部形成有利富集區。

 

  礦區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逐漸升高的趨勢；礦區延安組含水層水質(zhì)類(lèi)型為以SO4·Cl—Na 型為主，東南部局部地區為Cl—Na 型。由此說(shuō)明整體上延安組地下水流動(dòng)較緩慢，對煤層氣的保存有利，而位于礦區東南部的相對滯流區最有利于煤層氣的保存[8-10]。

 

  研究區含氣量在0.12~6.34 m3/t，中部煤層氣含量基本大于3 m3/t，向邊緣煤層氣含量降低，中部的向斜區以及背斜間的區域煤層氣含量相對較高，一般高于4 m3/t，在礦區東南部亭南—大佛寺地區有大于5 m3/t 的異常高值。含氣量最好的區域恰好是水文條件最有利的煤層氣富集區域，說(shuō)明水文地質(zhì)條件是礦區煤層氣成藏的重要因素。

 

  5 結 論

 

  a. 彬長(cháng)礦區構造簡(jiǎn)單，斷裂構造不發(fā)育，含水層之間泥巖隔水層穩定分布，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. 礦區延安組含水層補給主要來(lái)源為礦區外四周相鄰的延安組含水層的側向徑流補給，在礦區東南部形成水勢“低洼地”，延安組含水層中地下水向東南部亭南—大佛寺地區匯聚，地下水的流動(dòng)攜帶煤層氣向東南部聚集。

 

  c. 礦區延安組地下水整體上處于較高的礦化度，水質(zhì)類(lèi)型為以SO4·Cl—Na 型為主，東南部局部地區為Cl—Na 型。由此說(shuō)明整體上延安組地下水流動(dòng)較緩慢，對煤層氣的保存有利，而位于礦區東南部的相對滯流區最有利于煤層氣的保存。

 

  d. 彬長(cháng)礦區東南部亭南—大佛寺地區煤層氣富集條件最好，且含氣量最高，是進(jìn)行煤層氣開(kāi)發(fā)的優(yōu)選區。