榆横北区富水煤层与上覆含水层的水力联系

方刚

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司, 西安 710054; 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室, 西安 710077; 3.西安科技大学地质与环境学院, 西安 710054)

近年来,煤层水害在中国陕北侏罗纪煤田榆横北区内的多个矿井屡见发生,该类水害问题也逐渐引起了人们的关注和重视[1-3]。然而,一直以来,煤层为一种致密、隔水的有机沉积体则是人们的普遍认识,随着煤层富水问题的出现,以往传统的认知不断被颠覆打破。煤层水害严重制约并威胁着区内矿井的建设生产工作,其作为一类新问题,也是一类大问题亟须解决。由于煤层水的特殊性,其水体赋存于煤层中,但该地下水从何而来?则是需要回答的首要问题。但是,目前区内关于煤层水源或相关水力联系方面的专项研究尚为不足[4-5],因此,现从地下含水层水化学特征研究的角度出发,针对煤层水的补给来源和条件进行分析研究。

多年来,关于地下水含水层之间水力联系及水化学特征方面的研究成果丰富,业内学者们采用的研究思路、理论方法、试验手段等均可为研究工作提供借鉴[6-7]。

通过对地下含水层之间水力联系及水化学特征的研究,有助于了解含水层的水质类型、补给来源、形成条件及发展过程等。白晓等[8]基于地下水流模型建立对地下含水层之间水力联系、水资源和水位动态变化进行模拟和预测研究。刘洋等[9]利用地下水的无机组分、环境同位素和有机组分开展水质综合研究,分析各含水层的水力联系。还有学者通过示踪试验[10]、抽水试验[11]对地下水含水层水力联系进行探查。郭小铭等[12]根据已知各含水层水化学特征,进行地下水水质运移演变研究,还原突水过程中各含水层沟通的时空变化情况。高家平等[13]通过地下含水层水化学特征分析,对含水层水、断层水进行对比识别,从而根据含水层受断层导通影响所改变的水源补给方式,可提出相应的防治水措施。杨建等[14]通过进行“地表处理+含水层储存”实验,对矿井水中有机污染组分的来源进行分析,根据含水层水体运移、储存环境和发展过程,提出相应的治污去除规律。还通过分析地下含水层水化学异常原因和构建判别标准,剔除受钻探过程等外界因素干扰的异常水样数据,可确保对含水层水质分析的正确判断[15]。许进鹏等[16]根据各含水层水化学特征,结合水质分割法得到矿井工作面出水的水源组成,有助于判断煤层回采后覆岩导裂带发育高度。

综上所述,前人从不同方向、领域对地下水的水文地球化学特征、水力联系及影响因素等方面开展了丰富的研究工作,其采用的部分方法手段均可提供参考和借鉴。但针对所研究的陕北侏罗纪煤田榆横北区内的富水煤层而言,其地下水特征及水力联系在业内开展的相关研究较少,因此,现采用多种实验方法和手段,研究地下含水层水化学特征及水力联系情况,探索诠释区内2号煤层水的补给来源和形成条件,并力求为矿井后期的煤层水形成机理研究提供理论依据。

1 研究背景

巴拉素井田位于中国陕北侏罗纪煤田榆横北区内,含煤岩系为侏罗系中统延安组。矿井首采2号煤层(埋深在454～547 m,平均约498 m;煤厚2.2～5.2 m)。但在其建设过程中,发现该2号煤层富(含)水,其下伏约40 m的3号煤层(煤厚4.6～7.8 m)不含水[17-18]。井田内2号富水煤层上覆的各地层自上而下主要为:第四系、白垩系洛河组、侏罗系安定组、直罗组、延安组等。井田内主要含水层自上而下为第四系松散含水层、洛河组孔裂隙含水层、直罗-延安组基岩裂隙含水层及2号煤局部富(含)水体。侏罗系安定组地层作为区内稳定隔水层赋存于洛河组与直罗组之间。为便于描述,将2号煤层至直罗组底部的延安组地层统称为“2号煤上覆岩层”(简称2煤覆岩),将2号煤层至3号煤顶部的延安组地层统称为“2号煤下伏岩层”(简称2煤伏岩)。

巴拉素井田2号煤层富水问题作为一类特殊的水害现象,给矿井建设过程中的安全生产工作带来了极大的威胁和挑战。而煤层为地质沉积体,其本身不应存储水体,初步分析该2号煤层水应与相关含水层水存在一定的水力联系。因此,将巴拉素井田作为研究区,2号煤层水作为主要研究对象,结合分析本井田其他含水层水化学特征,探究其煤层水体的主要来源与补给条件。

2 地下水水化学基本特征

通过对巴拉素井田地下水化学特征及其成因进行分析,结合2号煤层水特征,判断其地下水联系,对煤层水来源、运移条件等进行研究,为煤层富水机理的总结提供依据。

2.1 离子组成特征

图1 研究区地下水主要阳、阴离子组成Piper图Fig.1 Piper chart of main positive and anion composition of groundwater in the study area

发现巴拉素井田2号煤层水的阴阳离子浓度整体与2号煤上覆岩层、直罗组离子情况接近(表1),认为2号煤层水与其含水层属于同一类型水,推断2号煤层水极有可能为侏罗系2号煤上覆岩层和直罗组含水层水下渗形成。

表1 研究区直罗组No.2号煤地下水主要离子统计表

2.2 矿化度特征

根据矿化度测试结果,发现巴拉素井田深部地下水整体矿化度偏高,平均矿化度为4.78 g/L,而地表水矿化度主要在1 g/L以下(图2);洛河组及以上地层(0.34 g/L)与直罗组及以下地层(5.38 g/L)的平均矿化度相差约15倍,这源于直罗组上覆的安定组为区内连续性较好的隔水层,有效阻隔了地表及浅层地下水与其深部地下水的沟通。

图2 研究区地下水矿化度频率分布图Fig.2 Frequency distribution of groundwater salinity in the study area

其中,2号煤上覆岩层(5.79 g/L)、2号煤层(5.37 g/L)、3号煤岩段(6.42 g/L)的平均矿化度接近,由此认为延安组煤岩层之间的地下水矿化度相差不大(图3)。

图3 研究区地下水矿化度分布柱状图Fig.3 Histogram of groundwater salinity distribution in the study area

2.3 地下水类型

地下水的分类方法通常依赖于水中所溶解的离子组分及其化学性质,目前中国主要采用的地下水分类方法为苏林分类法[19]。按照阴离子和阳离子间化学亲和力的强弱顺序将地下水主要分为4类:CaCl2、MgCl2、NaHCO3和Na2SO4。其中,Na2SO4型水占比85.7%,其次为NaHCO3(12.5%)型水,这两个水型说明了巴拉素井田主要以大陆水为主;代表海水的MgCl2型水较少(仅1.79%)。由于所研究的地层深度有限,故代表深层水的CaCl2水型在区内未出现(图4)。

图4 研究区地下水类型统计图Fig.4 Statistical map of groundwater types in the study area

巴拉素井田侏罗系直罗组及其下伏各含水层的水质类型以Na2SO4型为主,与其上覆的白垩系洛河组及以上地层的NaHCO3型水具有明显差异,由此,进一步验证了上述两套地层是相对独立的水循环系统。而Na2SO4水型多出现于地表水或浅层地下水中,由此推断2号煤层水与其上部直罗组、延安组含水层水联系紧密。

3 地下水成因分析

3.1 氢氧同位素特征

由图5可知,不同来源的水,其氢氧同位素存在差异,且δD和δ18O的值越小,就更显示出封闭水的特征[15,19]。其中,溶滤-渗入水主要来源于大气降水,其δD和δ18O一般遵循全球大气降水线:δD=8δ18O+10;鄂尔多斯盆地大气降水线方程:δD=6.35δ18O-4.6。

图5 研究区不同水源氢氧同位素分布关系图Fig.5 Distribution of hydrogen and oxygen isotopes in different water sources in the study area

实验发现,巴拉素井田地表水与第四系的δD和δ18O比较接近,δD在-63%～-52%,δ18O在-8.3%～-7.2%,属于现代地下水;洛河组中地下水的δD在-79.2%～-75.1%,δ18O在-10.9%～-9.4%;直罗组及以下地层的δD分布在-82%～-59%,δ18O在-11%～-7.8%,显示了其古水的特征。

侏罗系直罗组(δD和δ18O均值为-82.4%和-10.72%)、2号煤上覆延安组(δD和δ18O均值为-84%和-10.7%)、2号煤层(δD和δ18O均值为-73%和-9.4%)的同位素特征近似,也说明该区段各层间存在一定的水力联系。氢氧同位素值越低,说明地层封闭性好,而3号煤岩地下水的氢氧同位素比2号煤的小,说明3号煤岩比2号煤的封闭性好,2号煤层水及其下伏含水层水难以渗入至3号煤层中。

3.2 离子组合参数特征

地下水离子组合参数能够反映地下水受外来流体混合作用及水岩作用的改造情况,表明地层的封闭程度和地下水参与水岩作用的强弱程度[19-20]。目前,常用的离子组合系数主要有钠氯系数、脱硫系数和变质系数(表2)。钠氯系数说明了地下水环境的封闭性和活跃程度。变质系数越小,说明地下水的封闭保存条件被破坏。脱硫系数越大,表明地下水受上部水体淋滤渗入的可能性越大。

表2 研究区地下水化学特征一览表

4 煤层水补给来源

巴拉素井田2号煤层水并非自身沉积过程所产生,其补给水源必然与之存在一定的水力联系。该2号煤孔隙、裂隙发育,煤层内部连通性较好,在原始状态下,水赋存在煤层中,基本处于一个静态稳定状态,但在受到自然影响(如地震等构造运动)、人为干预(如采掘、钻探等)的情况下,将会发生失稳变化。区内地质构造简单、地层平缓,近百年内无大型地震等极端地质现象,井田于近10年内开发建设,人为原因造成的地下水原始状态变化为其主要影响因素。

4.1 煤岩接触关系

根据地层结构,巴拉素井田2号煤层顶板与侏罗系延安组第四段上下堆叠沉积。但与本井田3号煤层、大海则井田2号煤层赋存条件有所不同的是,巴拉素井田2号煤层顶板岩层的主要岩性为细砂岩、粉砂岩,部分区域有少量中砂岩,且存在煤层变薄现象;顶板泥岩、砂质泥岩分布较少,区内煤层与其顶板之间未发现有明显的隔水层。在井下实际观测中发现有局部顶板砂岩与2号煤层直接接触,结合现场煤岩样品采集(图6),分析认为该2号煤层在部分区域沉积过程中,煤层顶板曾经历了古河流的侵蚀,并可能对煤层进行冲刷[21-22]。

图6 研究区2号煤层顶板砂岩冲刷接触采样照片Fig.6 Scour contact sampling photos of sandstone roof of No.2 coal seam in the study area

4.2 抽水试验成果分析

根据巴拉素井田2号煤顶板各主要含水层的单孔、多孔抽水试验成果[5, 23-24],对各层之间的水力联系情况进行分析,结果如表3所示。

表3 研究区各含水层抽水试验水位变化情况一览表

4.2.1 第四系与洛河组

对LHG-1号钻孔洛河组进行抽水实验,同时观测DSG-1号钻孔第四系水位变化情况。发现LHG-

1号钻孔洛河组水位标高(+1 202.283 m)与DSG-1号钻孔第四系水位标高(+1 205.426 m)基本一致,结合其水质特征,认为第四系松散潜水含水层与白垩系洛河组含水层水力联系密切。

4.2.2 洛河组与直罗组

通过对ZLG-1号钻孔直罗组含水层进行抽水试验,同时观测LHG-1号钻孔洛河组含水层水位变化情况,发现其相互无影响。结合两含水层水质化验成果,其离子含量差距较大,认为这两含水层之间无水力联系。

4.2.3 直罗组与2号煤层

通过上述4组钻孔对2号煤进行抽水试验并观测直罗组水位,发现各观测孔水位均无变化。但通过对比发现其水化学特征基本一致,且该两层之间直接接触、无区域内相对隔水层,认为该两层之间存在水力联系的可能。另外,位于矿井工业广场的DCC-1钻孔反映出2号煤的涌水量、渗透系数等参数远大于其他抽水钻孔数据。单从抽水试验成果分析得出的2号煤层富水性相对较弱,与矿井立井井筒实际揭露2号煤层时的富水状态截然不同,分析原因可能是由于区域内侏罗系含煤地层在地质历史时期不均匀沉积这一普遍规律所导致。

同时,还可能存在抽水试验的钻孔组与地下含水层大小局限、时空差距等影响因素。此外,直罗组含水层水位埋深-16.3～25.40 m,水位标高 +1 184.08～+1 212.91 m;2号煤上覆延安组含水层水位埋深22.91～31.28 m,水位标高+1 153.96～+1 184.95 m;水位埋深21.12～117.25 m,水位标高+1 104.96～+1 216.23 m。上述3个含水层之间水位埋深、水位标高接近,因此,仅从地表抽水试验角度来看,不能完全以此断定研究区内侏罗系直罗组与2号煤之间未发生水力联系。

4.3 水文监测成果分析

4.3.1 井筒出水期间

2018年7—9月,巴拉素煤矿副立井、一号回风立井井筒发生了2号煤马头门出水,其间对煤层出水情况观测。同时监测附近水文长观孔(第四系DSG-1孔、洛河组LHG-1孔和直罗组ZLG-1孔)水位变化情况,发现第四系、洛河组长观孔基本无变化,而直罗组长观孔水位有所变化(图7)。

图7 研究区井筒煤层出水期间直罗组ZLG-1孔水位变化曲线图Fig.7 Variation curve of water level of ZLG-1 drill hole in Zhiluo Formation during water discharge from coal seam of wellbore in the study area

在ZLG-1孔进行水位监测的近40 d内,直罗组含水层水位在前8 d呈波动起伏状态(15～20 cm),说明该阶段含水层内水有衰减和补增。在之后的近20 d内,其水位逐步下降,其间略有小幅度增加,但整体水位呈下降趋势,说明该阶段直罗组含水层水不断进行消耗,存在少量水的补给,但补给量小于消耗量。在监测期间的最后10 d,该观测孔内的水位趋于稳定,基本维持在+1 199 m标高左右,说明侏罗系直罗组含水层水增减基本平衡。总体来看,监测期间的直罗组水位下降约70 cm,平均下降约1.75 cm/d,而井下2号煤层总出水量超30万m3。由此可见,直罗组含水层水与2号煤层水具有一定的水力联系。

4.3.2 井下疏放水期间

2020年9月起,巴拉素煤矿开始2号煤疏放水工作,至2021年12月底,共计疏放2号煤层水约650.524万m3,结合水文长观孔监测数据,发现在工业广场附近的第四系DSG-1孔、洛河组LHG-1孔、直罗组ZLG-1孔水位均有不同程度的变化,距目前采掘范围较远的直罗组ZLG-2、ZLG-3孔(相距7～8 km),进一步分析井下2号煤层水的疏放与直罗组含水层之间的关系(图8)。

可以看出,自2020年9月以来,各孔水位均有所下降。其中,第四系DSG-1孔水位下降约 0.40 m,洛河组LHG-1孔水位下降约2.35 m,直罗组ZLG-1、ZLG-2、ZLG-3孔水位分别下降约2.39、1.75、0.50 m。

第四系和洛河组含水层为区内主要生活、工业用水来源,而两者观测孔水位下降数据差距较大,源于第四系主要为松散沙土层,水量补给来源较为丰富,相对于洛河组含水层自愈能力较好、恢复水位较快。如前所述,白垩系洛河组含水层与侏罗系直罗组含水层基本无水力联系,洛河组含水层水位下降数据虽与直罗组ZLG-1孔数据较为接近,但并非因井下2号煤层疏放水所致。

由3个直罗组观测孔水位变化情况可知,在矿井建设期间,最为靠近工业广场及井下采掘活动频繁区域的ZLG-1孔水位下降最为明显,其他2个距离较远的直罗组观测孔水位则变化相对较缓慢。同时,自2021年7月以来,井下开展了工作面顶板含水层水集中疏放工作,疏放水钻孔的终孔目标层位即为开采2号煤层后覆岩破坏将波及至的侏罗系直罗组含水层(钻孔全部穿过2号煤层顶板延安组地层)。发现ZLG-1孔的水位变化较为明显,另外2个观测孔水位局部变化则相对较为滞后或平缓。通过钻孔疏放2号煤层顶板含水层水后,直罗组含水层水位有明显下降,说明2号煤层顶板的直罗组、延安组含水层之间也存在一定的联系。

根据水化学特征分析、钻孔岩心及地层结构组合,侏罗系直罗组和2号煤上覆岩层主要发育中-细砂岩,泥岩分布较少,在区域范围内无法形成良好的相对隔水层,由此认为2号煤层水是其上覆侏罗系直罗组、延安组第四段地层中的砂岩含水层水向下入渗所形成。综上所述,认为巴拉素井田2号煤层水与上覆的侏罗系直罗组、延安组含水层均具有一定的水力联系,并判断原始状态赋存的2号煤层水来源于侏罗系直罗组、延安组含水层水。

5 讨论

根据地下水水化学实验成果可知,2号煤层水的离子组成、矿化度、氢氧同位素等特征与侏罗系直罗组、延安砂岩地下水基本相似;且2号煤层与其上覆的延安组第四段部分砂岩段直接接触,基本无泥岩或黏土等相对隔水层,煤层上覆含水层水下渗进入煤层裂隙、孔隙内,2号煤层接受了上覆侏罗系地下含水层水的逐层入渗补给。

通过对比和分析发现,研究区2号煤层裂隙水的补给特征总体与侏罗系承压水的补给情况相类似。但其补给条件主要为上覆侏罗系含水层自上而下的接力传递入渗补给,随着2号煤层自身的产状形态及地形变化,水在煤层介质内依靠发育的孔隙裂隙由高向低侧向运移。

6 结论

(1)通过对研究区地下水水化学基本特征进行分析,发现区别于地表水和浅层地下水,2号煤层水与其上覆直罗组、延安组含水层水质类型均为Na2SO4型。

(2)根据对不同水源的氢氧同位素特征及离子组合参数特征分析,认为浅层地下水(洛河组含水层及以上水体)与深部地下水(直罗组含水层及以下水体)为两套独立的地下水系统,且2号煤层水与其上覆的直罗-延安组含水层水联系紧密。

(3)结合煤岩接触关系、抽水试验成果及水文监测结果,分析各含水层之间的水力联系,认为巴拉素井田2号煤层水主要源于上覆侏罗系直罗组、延安组砂岩裂隙含水层水的垂向下渗补给。

(4)开展的各地下含水层水化学特征研究工作揭示了研究区2号煤层水的补给来源和形成条件,研究成果为后期开展相关煤层富水机理、展布规律等研究奠定了有力的理论基础。