焦作矿区煤层气开发的水文地质条件分析

焦作矿区煤层气开发的水文地质条件分析付江伟;傅雪海;胡晓;刘爱华【摘要】水文地质条件对煤层气的富集高产起着重要的控制作用.在系统研究焦作矿区水文地质特征的基础上,分析了水文地质条件对煤层气赋存、渗流、运移及煤层气生产的影响.焦作矿区水文地质条件,整体上有利于煤层气的赋存,但局部地下水强径流带,煤层气以水流为载体被逸散;岩溶裂隙发育区,煤系埋藏较浅而且又接近地表水体的区域,断裂发育且有可能成为导水通道的区域,地表水可能进入煤层,不利于煤层气的开采.煤层气勘探开发选择井位时,在其他条件相同情况下,煤层气井应选择存离断层较远的稍深部位.煤层气生产应合理处理可能造成的环境地质问题.%Hydrogeological conditions play an important role in high concentration of coal-bed methane.Based on the systematic study of hydro-geological characteristics in Jiaozuo Mining Area, the influence made by hydrogeological conditions on the occurrence, seepage, migration, recoverability and production of coal bed methane was analyzed.Hydrogeological conditions in Jiaozuo are over ally beneficial to the occurrence of coal bed methane, but in the strong runoff zone with local groundwater, coal bed methane migrate taking water flow as a carrier.Karsts-cranny developing area, coal region of measures exposed or buried in shallow and also closed to the surface water, which can flow into the seam through fissures will adversely affected coal bed methane mining.More developing fractures may become the water-channels, so when we select wells for coal-bed methane exploration and development, at the same conditions of other cases, the coal bed methane wells shouldbe selected in deeper and more distant from the site of the fault.Coal bed methane production should be reasonable to deal with potential environmental geological problems.【期刊名称】《中国矿业》【年(卷),期】2011(020)004【总页数】6页(P105-110)【关键词】煤层气开发;水文地质条件;焦作矿区;构造;含水层【作者】付江伟;傅雪海;胡晓;刘爱华【作者单位】中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏,徐州,221008;河南省煤层气开发利用有限公司,河南,郑州,450016;中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏,徐州,221008;河南工程学院工商管理系,河南,新郑,451191;中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏,徐州,221008【正文语种】中文【中图分类】P618.11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。