焦作礦區煤層氣開發的水文地質條件分析

付江偉，傅雪海，胡 曉，劉愛華

（1．中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州221008；2．河南省煤層氣開發利用有限公司，河南 鄭州450016；3．河南工程學院工商管理系，河南 新鄭451191）

焦作礦區位于河南省北部，處在華北聚煤區中部，區內煤層氣資源豐富，煤層吸附性好，含氣量為10～42m3／t。據2000年中聯煤層氣公司和煤炭科學研究院預測資料顯示，焦作礦區煤層氣資源總量在2000m以淺達1733．5億m3，1000以淺為416億m3［1］。成煤后礦區經歷了多期構造演化，地質條件復雜［2］。近年來，焦作礦區投入大量資金進行地面煤層氣開發，先后對34口井進行了壓裂排采。對于焦作礦區煤層氣開發，國內做了大量的研究［3－6］，對礦區內二1煤含氣特征、吸附性、滲透性以及開發潛勢等進行了詳細的探討和評價，但關于煤層氣開發的水文地質條件研究尚顯薄弱。本文通過對焦作礦區水文地質特征的研究，認為水文地質條件對煤層氣賦存特征以及開發過程中煤層氣開采都有較大影響。

1 礦區地質特征

焦作礦區地處華北板塊之內的太行山斷隆區南緣山前斷裂帶，整體形態為一走向NE、傾向SE的單斜構造。石炭－二疊紀含煤地層沉積之后，經歷了印支、燕山和喜馬拉雅等多期構造運動［2］，本區構造以斷裂形態為主，且多為高角度正斷層，分為NE向、NW向、近EW向三組。其中，NE向斷層最為發育，在礦區西部密度大，多呈地壘、地塹型構造，在礦區東部多呈階梯狀構造；近EW向斷層規模大、切割NE向斷層；NW向斷層數量很少，主要發育在礦區東北部，切割NE向斷層。走向近EW向的鳳凰嶺斷層和走向NW向的峪河斷層，將礦區分割成三大斷塊，即鳳凰嶺斷層以南為南部斷塊；鳳凰嶺斷層和峪河斷層之間為中部斷塊；峪河斷層以東為北部斷塊。這些斷塊又被斷塊內斷裂構造分割成一系列小斷塊。

本區含煤地層為石炭－二疊系，含煤地層總厚945．76m，含煤26層，煤層平均總厚16．04m，可采煤層總厚7．57m。其中，山西組下部的二1煤層，煤厚0．65～19．59m，平均5．51m。二1煤層位穩定，普遍可采，結構簡單，是焦作礦區山西組煤層氣主要儲層，也是目前煤層氣開發的主要層位。礦區二1煤層頂板為粉砂巖、細砂巖互層，粉砂巖致密，膠結良好；頂板和煤層之間發育一層0．2～1．0m的致密碳質泥巖；煤層底板普遍發育一層1．2～2．5m的泥巖，使煤層處在封閉條件良好的環境中，對煤層氣的保存十分有利。

2 礦區水文地質條件

太行山海拔千余米，構造形態為一寬緩背斜，地層大面積向東南傾斜，影響著區域地下水流向，北部晉城一帶地下水位＋600m，往南至焦作為＋90m，水位高差510m，平均水力坡度12．7‰。礦區地下水除接受大氣降水與隱伏露頭區附近新近系、第四系孔隙水在 “天窗”（奧陶系灰巖直接與第四系沖積層直接接觸）地段直接補給外，還接受來自太行山區的側向徑流補給，礦區位于區域地下水徑流帶。據區域水文地質資料，西北部山區補給區，石灰巖面積1000多km2，基巖大面積裸露，以透水性良好的寒武和奧陶系碳酸鹽巖為主，具有良好的天然補給條件。因而，地下水通過巖溶與斷裂發育帶匯集于山前礦區下部，由于受EW向壓性斷裂與石炭－二疊系弱透水巖體的阻隔和導向，向E、ES運移，總體流向為NW→SE（圖1）。從圖1中可以進一步看出，區域地形特征和地質構造是地下水徑流的主要控制因素，礦區水文地質特征可以劃分為兩個水文地質單元：太行山巖溶水補給區；山麓平原孔隙潛水與層巖溶水徑流排泄區。總體上峪河口斷裂以北地下水流方向為SW，以南為地下水流向為SE。區域地下水的徑流通道，由于構造、巖性、地貌等差異，存在諸多強巖溶帶，比較典型有：朱村斷層強巖溶地下水徑流帶、鳳凰嶺斷層強巖溶地下水徑流帶、九里山斷層強巖溶地下水徑流帶、蘇莊－方莊斷層強巖溶地下水徑流帶。

圖1 焦作礦區水文地質圖

2.1 含水組劃分及水力聯系特征

2．1．1 含水組劃分

按巖性、巖溶、裂隙發育程度、水力性質和富水程度，礦區內含水巖組自下而上可分為：

碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層組：主要為寒武、奧陶系的厚層狀灰巖、泥質灰巖，總厚度800～1000m，裸露區或斷裂帶常有大泉出露，泉流量0．01～7m3／s，礦區北部雙頭泉水位標高為＋850m、山前為＋110m，區內巖溶裂隙發育不均勻，煤礦涌水量1000～5000m3／d，水文標高＋110～＋82m，屬強富水含水層。

碎屑巖夾碳酸巖巖溶裂隙含水層組：由太原組石灰巖夾砂巖組成，其中灰巖含水層9層，以上段L8、下段L2灰巖層含水最為豐富，厚度分別為6～8m和8～21m，巖溶裂隙較發育，滲透系數為1～15m／d。L8灰巖簡稱八灰，上距二1煤 （俗稱大煤）20m左右，其間是以粉砂巖為主的隔水巖層，巖溶以裂隙為主，溶洞為輔，靜水位標高＋90m。八灰承壓水通過斷裂突破上覆隔水層與二1煤發生水力聯系；L2灰巖簡稱二灰，上距二1煤70m左右，水文標高－90m，受斷裂及溶洞影響，二灰可直接與奧灰發生水力聯系 （焦作礦區煤系水文地質柱狀圖見圖2）。

圖2 焦作礦區煤系水文地質柱狀圖

碎屑巖類砂巖裂隙水含水層組：主要由山西組砂巖組成，其中頂部風化巖層厚度一般30m左右，滲透系數0．2～1．0m／d；未風化砂巖含水層單位涌水量0．01～1．31L／s·m，滲透系數0．01～0．5m／d，為弱含水層組。

松散巖類孔隙水含水層組：由新生界地層中的砂、礫石層組成。近山前地帶以礫、卵石層為主，頂板埋深20～40m，富水程度由北向南遞減，南部沖積平原以中細砂含水層為主，在沖積扇前緣常有泉群出現，目前多已干涸。

2．1．2 含水層水力聯系特征

由于該區受北東向、北西和近東西向三組高角度斷裂的影響與控制，基巖地層被切割破碎，導致各含水層之間發生了一定的水力聯系。在斷裂帶附近，巖溶裂隙相對發育，常常形成強富水、導水帶，如鳳凰嶺斷層強徑流帶、朱村斷層強徑流帶、方莊斷層強徑流帶、馬坊泉斷層強徑流帶和百泉斷層強徑流帶等 （圖1），是焦作礦區內諸礦井、勘探區的補給邊界，因而成為煤層氣開發選區和井網布置必須考慮的邊界條件。斷裂的力學性質是影響煤層與含水層之間水力聯系的主要條件，強導水斷層是影響地下水流向的重要因素［7］。根據焦作礦井多次突水資料，從礦區斷裂形成的相對年齡、規模、性質、巖性等方面分析可知：鳳凰嶺斷裂是礦區控制性斷裂，是強徑流帶，沿九里山斷層、朱村斷層形成本區較強徑流帶，徑流帶斷裂發育區巖石破碎，巖溶發育，裂隙密集，連通性強，巖溶水沿斷裂帶富集、運移 （見表1）。

2.2 礦區巖溶地下水補給、徑流與排泄

大氣降水為焦作礦區巖溶裂隙水的主要補給來源，西部、北部裸露山區廣泛出露的石灰巖是巖溶地下水良好的補給場所，補給的地下水沿地層斷面、巖溶裂隙或斷層由高至低徑流入井田；另外，受區內導水斷裂構造的影響，下伏奧陶系灰巖巖溶裂隙水垂向補給其上各含水層，致使石灰巖巖溶裂隙水量大、補給水源充沛，構成了區內礦井主要沖水水源。礦區內最大的九里山巖溶水系統，補給面積約4900km2，天然資源量為38541萬 m3／a。其中，灰巖裸露補給區面積1395km2，大氣降水補給量10～15m3／s，河流及水庫滲入補給量26．28m3／s。

在天然狀態下，補給區地下水水力坡度為11‰，徑流區為5‰，進入礦區后為2%～0．44‰。以東井交斷層至黃水河斷層北側的分水嶺和紙坊溝以北的奪火鄉至峪河口地下分水嶺，將本區九里山巖溶水系統分為北部百泉巖溶水子系統、中部十里河巖溶水子系統和南部的雙頭泉巖溶水子系統。十里河巖溶水子系統與百泉巖溶水系統的石灰巖裸露區，是峪河斷裂以北的各區的補給區；雙頭泉巖溶水子系統的石灰巖裸露區，為焦作礦區巖溶水的直接補給區，演馬莊礦區即處于該區的徑流排泄區內，排泄的主要方式是礦井人工疏排。

巖溶水一部分沿山前沖洪積扇形成泉群排泄，總排泄量3．14～14．3m3／s，其中，九里山泉群流量9．2m3／s，隕城塞間歇泉流量2．4m3／s，百泉最大流量2．32m3／s＊；另一部分向深部循環徑流或由人工排泄。由于焦作礦區補給面積大，巖溶裂隙發育，因此九里山巖溶水系統具有巨大調蓄功能，儲存資源約為88．73億m3。

3 礦區水文地質條件對煤層氣開發影響

水文地質條件對煤層氣賦存、運移的影響與控制作用，主要是通過水、氣在煤層空隙中的相互制約作用而體現。在煤層空隙中，水、氣處于一種壓力平衡狀態，在煤層氣的解吸、擴散、滲流過程中，水頭壓力、被疏排含水層的富水性及滲透性能起著決定性的控制作用。

表1 焦作礦區主要斷層幾何特征及控水意義

3.1 對煤層氣賦存的影響

煤層氣主要以吸附狀態賦存在煤的孔隙中，地下水系統通過地層壓力對煤層氣吸附起控制作用。因此，水文地質條件對煤層氣賦存、運移影響很大，對煤層氣的開采至關重要。關于水文地質條件對煤層氣賦存的影響，前人做了大量工作［8，9］，提出了水動力對煤層氣的運移、逸散作用（導致煤層氣運移、散失）和水力封閉、封堵作用（有利于煤層氣保存、富集）。

焦作礦區北為太行山區，海拔標高＋200～＋1700m，為構造剝蝕的中低山地貌，廣泛出露奧陶－寒武系巨厚 （800～1000m）的碳酸鹽巖，地形陡峭，深山峽谷，巖溶裂隙發育。大氣降水后，由地表短暫徑流轉入地下徑流，地下水由高向低，自北和西北方向向礦區內徑流，在礦區南部受到武陟隆起 （前震旦系地層）和斷距千米以上斷層（董村、朱村、耿黃等）的阻擋，使地下水在礦區內排泄。焦作礦區近距供水區，遠距泄水區，二1煤層下部主要有L8、L2、奧灰三個主要含水層，富水性極強且水壓很大，煤層底板泥巖封閉，使煤層氣處于水壓封堵狀態。二1煤層上部山西組砂巖含水層與泥巖、砂質泥巖隔水層相間沉積，富水性較弱，呈滯流或微流狀態，具有一定靜水壓，煤層氣上浮力小于靜水壓，對煤層氣保存有利［10］。如九里山礦井風氧化帶深度為160m，淺部埋深220m時，煤層氣含量高達19．16m3／t，但含氣量梯度較小為3m3／t／100m，這說明淺部露頭水沿煤層向深部運移，對沿煤層向淺部運移的煤層氣具有封堵作用。

焦作礦區水文條件整體上有利于煤層氣的賦存，但局部地區大斷裂附近形成地下水強徑流帶，煤層氣以水流為載體進行運移。例如朱村強徑流帶，斷層落差大于1000m。由于礦區北部山區巖溶裂隙地下水及沁河、丹河、西石河地表水垂直或橫跨斷層形成有利得補給條件，在與北東向斷層交匯地帶，地下巖溶更為發育，致使距該斷裂250m范圍，煤層甲烷實測含量由正常梯度下的16．18m3／t下降為7．83m3／t，最大下降百分比達到52%；受馬坊泉強徑流帶影響，在演馬莊礦田中部的馬坊泉斷層附近100m內，煤層氣含量低于15m3／t。

另一方面，井下人工排水破壞了地下水自然的補－流－排動態平衡，造成補給遠遠小于排泄，導致地下水斷流和淺部潛水乃至包氣帶水嚴重虧空，滯水封閉作用消失，為煤層氣游離部分開辟了良好的逸散通道。例如涌水量較大、突水嚴重的九里山礦，隨著礦井對地下水的輸排，原地下水徑流方向被打破，改由四周流向礦井，形成以16－9孔為中心的水位漏斗區。地下水的人工排采，使得距離排泄中心區較近的區域水壓的下降較快，致使原來吸附于煤孔隙中的吸附氣解吸出來并隨水流運移，表現為漏斗區附近區域的11071工作面回采期間，絕對瓦斯涌出量在4．42～6．76m3／min之間變化，而距排泄中心較遠的區域氣體含量受影響較小，絕對瓦斯涌出量一般7．66～9．89m3／min。

3.2 對煤層氣滲流、運移的影響

在一定的構造條件下，水頭壓力對煤層氣的封存、圈閉起著重要的控制作用。一般來說，只有通過排水降壓，儲層壓力降到臨界解吸壓力之后，被吸附的煤層氣體才能解吸、游離出來。解吸后的煤層氣，在孔隙－裂隙網絡中擴散、滲流的過程，除了受網絡本身的透氣、透水性能影響外，氣、水兩相滲流之間還存在一定的相互制約作用。

煤層中采氣的機理與所觀察到的常規儲層采氣機理大不相同，煤層中很少或不存在游離氣，割理裂隙系統中的一部分孔隙空間被水飽和［11］。盡管割理裂隙系統中可能存在一些游離氣，但大多數氣體被吸附在煤表面上，因此，采出這種氣體，必須降低割理系統的壓力使氣體從煤表面解吸，運移至割理系統并通過煤基質擴散。通常，為了降低割理系統壓力，必須采出大量的水，這樣氣體才能不斷解吸。從這個方面來說，煤儲層中的水是有利的，對于煤系含水層的補給、徑流條件較好的焦作礦區，地下水的流動可以較好地達到煤層氣開發排水降壓的目的。但是，局部煤系含水層富水較強、補給條件較好，在煤層氣勘探開發時，容易發生因煤層富水或與含水層的貫穿，勢必增加了煤層氣井的排水費用和時間。特別是在煤系暴露或煤系埋藏較淺而且又接近地表水體的區域，由于巖溶裂隙發育，地表水可通過裂隙進入煤層，造成排采期間產水量大、產氣量小的現象，對煤層氣開采具有十分不利的影響。例如九里山區塊JLS－X井排采530d，累計產水18303m3的情況下，始終沒有開始產氣；而區塊內JLS－Y井，累計排水360m3時，產氣量就達128140m3。局部斷裂導水是致使部分井產水量大、產氣量小的重要原因之一。因次，在煤層氣井選址和布置時，研究和分析儲層地下水的 “水源”，即查明排采期間水的來源十分重要。

3.3 對煤層氣可采性的影響

在可采性評價中，水文地質條件是極為重要的因素，它不但直接影響到對儲層產能的評價，而且對完井方式、增產措施、開發選區、井網布置等的實用性等，也有一定的控制作用。焦作礦區地下水補給、徑流條件較好，而且部分張性斷層具有導水性，地下水的徑流不可避免地帶走大量的煤層氣，引起煤層氣含量降低。因此，在煤層氣開發選區時，應考慮水文地質因素對氣含量的影響。另外，焦作礦區巖溶裂隙發育，地表水可通過裂隙進入煤層，對煤層氣具有不利的影響。因此，在煤層氣勘探開發時，地貌因素應是一個考慮的方面。焦作礦區構造復雜，斷裂發育，斷裂有可能成為導水通道，煤層氣勘探開發選擇井位時，在其他條件相同情況下，本區煤層氣井應選擇在較深部，且離斷層較遠的部位上。在煤層氣鉆井、壓裂作業時，應做好預防突水的準備工作。

對于礦區特征鮮明的多尺度斷塊構造，造成煤層氣儲層的地質、水文地質特征及可采性評價參數，在平面上差異很大。在不同區塊水頭壓力變化，含水層的富水、導水性能以及地下水本身的物性特征 （如比重、粘度、壓縮性等）差別較大的情況下，對煤層氣生產過程中氣體的解吸、擴散、滲流、產出的各個環節影響都是不同的。另外，在排采過程中，被疏排層段的含水層、隔水層在空間上的配置關系及均勻程度，對儲層壓力傳播特征和疏排效果具有較大影響。如1995年中原油田在焦作礦區古漢山井田的煤層氣排采試驗中［12］，抽排水量的大小對產氣顯現了極為敏感和重要的影響。在距G－3井300m左右G－1、G－2、G－4井，由于各種地質、水文地質的影響，在排采試驗中壓力傳播特征各不相同：產水量差別大；動液面降低快慢速度不均；儲層壓力梯度下降不同步；井與井之間連通性差。排水量的大小表現，主要由于臨界解吸壓力與儲層壓力的比值偏低、煤層及疏排含水層的結構復雜、不均勻性差異變化大等水文地質因素的影響，而未達到預期效果。因此，在研究水文地質條件對煤層氣滲流、運移的影響時，要對焦作礦區水文地質邊界特征進行研究。例如比較典型的線狀斷裂 （帶）、裂隙型內邊界，這種導水斷裂的作用，一方面可能是由于大型斷裂的相互錯動，在其影響帶形成了比較發育的裂隙網絡，成為溝通多層含水層聯系的通道，另一方面，可能是斷裂本身導水。據統計，焦作礦區發生與斷裂帶內邊界有關的突水占突水總次數的80%，線狀斷裂 （帶）內邊界多分布于井田中、深部。

3.4 對煤層氣生產的影響

作為一項系統工程，煤層氣開發既涉及到地質選區、井網布置、開采方式、管路鋪設等地質和經濟因素外，同時還要考慮開采時對環境的影響情況。目前，地面煤層氣開發一般都通過排水降壓來實現對煤層氣的開采，這就涉及到排水造成的環境地質問題，如礦區水環境惡化及區域水位下降如何處理。對煤層氣井的生產開采來說，如果水質 （化學成分及礦化度等）較好，就要考慮對疏排水源的綜合利用問題；如果水質差或含有某些有害組分而可能對生態環境造成污染或破壞時，就必須考慮賠償或凈化處理問題。

焦作礦區是我國著名的突水礦區，長期煤礦生產，必須大量疏排礦坑水，據測算噸煤需排水4．5m3，目前礦坑水排放量5．4 m3／s，造成了大面積漏斗區。漏斗區主要為九里山漏斗區、焦南漏斗區、東小莊水源地漏斗區。崗莊水源地漏斗區，九里山漏斗區面積約9km2，中心水位90m以下，主要有礦坑排水造成［13］。近年來，區域地下水位下降造成區內泉點枯竭，對礦區居民人畜用水和工農業用水造成極大影響。另外，因礦坑排水及工業廢水、生活污水污染，現大部分地表水質污染嚴重，同時也給礦區內地下水帶來嚴重污染。據水質化驗資料分析［14］，礦區地下水已遭到較大范圍污染，污染面積343．25km2，巖溶地下水主要污染因子為氯離子，鐵、錳、總硬度等。中馬村礦、韓莊礦、王封礦、馮營礦、演馬莊礦等地，部分水井超標，其中中馬村礦水井氯離子含量為2135mg／L，超標8．5倍。目前，焦作煤層氣開發還處于探索試驗階段，由生產因素產生的負面影響還不十分突出。但是，如果商業化大規模進行開采情況下，就需要加強礦區區域地下水水位降落漏斗范圍及變化趨勢的監測，調整地下水開采布局，對地下水開采層位進行人工回灌，并采取分層取水、以豐補枯等措施控制地下水水位下降的幅度等措施，從而在安全、經濟、環保等綜合因素上，實現焦作礦區煤層氣可持續發展。

4 結論

（1）焦作礦區地質構造條件復雜，在特征鮮明的多尺度斷塊構造影響下，造成水文地質條件地區差異顯著，即使同一井田范圍內，被疏排層段的含水層、隔水層在空間上的配置關系及均勻程度都有很大差別。

（2）焦作礦區水文地質條件整體上有利于煤層氣的賦存，但局部地區大斷裂附近形成地下水強徑流帶，煤層氣以水流為載體被運移逸散。

（3）焦作礦區巖溶裂隙發育，在煤系暴露或煤系埋藏較淺而且又接近地表水體的區域，地表水可通過裂隙進入煤層，對煤層氣開采具有不利影響。因此，在進行井網選址與布置時，應充分分析水文地質條件對煤層氣排采的影響。

（4）焦作礦區構造復雜，斷裂發育，斷裂有可能成為導水通道。煤層氣勘探開發選擇井位時，在其他條件相同情況下，煤層氣井應選擇在離斷層較遠、埋藏較深部。

（5）考慮到煤層氣開發可能由于排水造成的環境地質問題，應合理處理水環境惡化及區域水位下降等問題。

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