洛河組含水層垂向差異性研究及保水采煤意義

李超峰，虎維岳，劉英鋒

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077; 3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

煤炭是我國當前和未來相當長時期內的主要能源資源[1]。針對煤炭開采對自然環(huán)境影響這一科學問題，我國科學家、學者等作了大量的研究工作。錢鳴高等建立了綠色開采技術體系[2-4]。范立民提出了保水采煤概念，并詮釋了保水采煤的概念和科學內涵，構建了保水采煤研究的基本框架[5-6]。馬雄德等通過建立地下水位變化與植被蒸散發(fā)關系數(shù)值仿真模型定量研究了生態(tài)脆弱礦區(qū)植被生長與地下水位變化的關系[7]。范立民、王雙明等研究得到陜北生態(tài)脆弱區(qū)合理地下水位埋深為1.5～5.0 m，并確定該區(qū)域保水采煤的保水程度是控制采煤區(qū)地下水位降幅在5 m以內[8-9]。趙春虎等研究得出覆巖垮落帶、裂隙帶、彎曲帶及地面沉陷區(qū)的空間尺度是影響地下水損失的主要因素，并建立模型定量研究了補連塔煤礦采煤引起的松散層潛水損失量[10]。武強等提出了“煤-水”雙資源型礦井開采概念與內涵，并提出了礦井地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結合、清污分流、地表與地下聯(lián)合疏排、礦井水資源化等煤炭資源開采技術和方法[11-12]。呂廣羅等對黃隴煤田永隴礦區(qū)崔木井田進行了保水開采區(qū)域劃分研究，將研究區(qū)劃分為自然保水開采區(qū)、可控保水開采區(qū)和保水限采區(qū)，并提出了各分區(qū)相應的保水開采途徑[13]。

查明井田主要含、隔水層的地質與水文地質條件，是《煤礦防治水細則》對防治水工作“勘探清楚”的具體要求[14]，也是進行保水采煤研究的前提。前人普遍將鄂爾多斯盆地巨厚白堊系洛河組地層視為具有統(tǒng)一地下水位、內部水力聯(lián)系密切的整體含水層。近年來，筆者通過分析礦井井筒掘進和工作面煤層回采揭露、以及水文地質補充勘探等資料認識到:黃隴煤田彬長礦區(qū)巨厚洛河組地層是由多層砂巖層段組成的具有多個地下水位的層狀非均質含水層，其水文地質條件和水文地質參數(shù)在垂向上存在顯著差異，具有明顯的分層性。

筆者從保水采煤角度提出了洛河組精細化勘探的概念，給出了考慮地層巖性、厚度、孔隙度等的承壓含水層水垂向富水性評價方法——綜合富水性指數(shù)法，依據(jù)垂向上富水性變化對洛河組分層，研究了洛河組水文地質條件和水文地質參數(shù)等在垂向上的變化規(guī)律、內部各層段的水力聯(lián)系，以及底部砂泥巖互層對保水采煤的科學意義。

1 洛河組精細化勘探基本概念

彬長礦區(qū)位于國家“十三五”規(guī)劃的14個大型煤炭基地之一的黃隴煤田，多以新建礦井為主。白堊系洛河組含水層是各礦井的主要充水水源和水害威脅。

對洛河組含水層的探查與研究，國內學者已做了大量系統(tǒng)性的工作。1999—2005年，中國地質調查局實施了“鄂爾多斯盆地地下水勘查”項目，系統(tǒng)查明了盆地內白堊系含水層的賦存條件、水文地質參數(shù)、水化學特征等[15];李云峰等認識到洛河組地層內由砂巖、泥巖組成的互層狀地層特征及其水文地質意義[16]。但前人鮮有對洛河組進行分層。

隨著彬長礦區(qū)多個新建礦井逐步投入生產，以往對洛河組地層的勘探程度已不能滿足生產需要，主要表現(xiàn)在:① 井筒揭露洛河組時涌水量較大，已超出大多勘探報告的認知;② 勘探報告將洛河組視為內部水力聯(lián)系密切具有統(tǒng)一水位的整體含水層，導致預測的礦井涌水量在考慮洛河組時數(shù)值偏大，不考慮時數(shù)值偏小[17-18]。涌水量預測結果失去對礦井防治水工作的指導意義;③ 在大埋深、大采高、綜放開采等特定條件下，各礦井煤層頂板導水裂隙帶發(fā)育高度已明顯超出《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》中給出的經驗公式預測數(shù)值[19-20];④ 由于洛河組巨厚、富水性中等至強，與礦井相對有限的采掘空間相比其地下水量巨大，洛河組涌水既威脅礦井安全又給排水系統(tǒng)帶來較大壓力。因此，有必要查清洛河組地層的水文地質條件。

2012年初，“陜西彬長胡家河礦井綜合防治水技術研究”項目啟動。該項目是在彬長礦區(qū)實施的首個洛河組含水層精細化勘探項目。劉英鋒等[21]首次發(fā)現(xiàn)“自然條件下巨厚洛河組含水層存在上、下分層現(xiàn)象”。2014年，“高家堡礦井首采區(qū)白堊系含水層精細探查研究”項目啟動。筆者等[22-23]認為“自然條件下，高家堡井田首采區(qū)白堊系洛河組含水層可劃分為上、下2段，上、下段水力聯(lián)系較弱”，“洛河組下段可作為阻隔其上段含水層水進入礦井的相對隔水層利用，對礦井防治水工作有利”。隨后，亭南礦、大佛寺礦、小莊礦等相繼啟動白堊系洛河組含水層精細化勘探和研究項目。

洛河組含水層精細化勘探的實質是:通過多種勘探技術、試驗與測試等綜合對洛河組地層進行勘探，尋找其內部是否存在由于泥巖地層數(shù)量和厚度顯著增多而引起水文地質條件(如巖性、厚度及其組合特征)、水文地質參數(shù)、富水性等與以中、粗粒砂巖為主的主要含水層段存在顯著差異的弱富水地層或隔水層，通過采用保水采煤工藝和利用洛河組底部砂泥巖互層狀地層達到即保護洛河組含水層又安全采煤的目的。

洛河組含水層精細化勘探的意義:通過利用洛河組底部砂泥巖互層狀地層，達到既有效保護洛河組主要含水層段地層結構和地下水資源，又適當提高煤層采高解放煤炭資源、減小工作面和礦井涌水量、一定程度上減弱礦井受到的頂板水害威脅等。

2 洛河組分層

2.1 分層方法

富水性代表含水層給出水的能力，由含水層地下水量多少和給出水速率快慢兩方面因素共同決定。含水層地下水量包括靜儲存水量和動態(tài)補給量兩部分。靜儲存水量既有在巖層孔(空)隙中儲存的水量，也有水受到彈性壓縮儲存的水量。巖層孔(空)隙中儲存的水量與地層巖性、厚度、孔隙度等有關，彈性儲存水量與地層厚度、彈性釋水系數(shù)、地下水位標高等有關。含水層給出水速率受到地層巖性、孔隙度、滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等因素影響。

因此，地層巖性、厚度、孔隙度、水位標高、滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等共同決定著含水層給出水的能力，即富水性的大小。

水位標高、滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等需要通過現(xiàn)場測量和抽水試驗等獲得。一般難以獲取每個含水層段的水位標高、滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等參數(shù)，而且是沒有必要的。

選取地層巖性、厚度、孔隙度3個指標，分別賦值并對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，之后賦權重，將賦值與權重累積得到單個含水層段的富水性指數(shù)(fi)。巖性賦值見表1。

表1 地層巖性賦值Table 1 Parameters value of stratigraphic lithology

地層厚度對含水層富水性的影響，當厚度較小時影響顯著;當?shù)貙雍穸容^大(如>5 m)時影響較小，只是增加了含水層的靜儲存水量。地層厚度賦值見表2。

表2 地層厚度賦值Table 2 Parameters value of stratum thickness

孔隙度采用T1,T2鉆孔巖樣測試結果，見表3。

表3 實測孔隙度數(shù)值與歸一化處理Table 3 Porosity values and it’s normalized value

采用下式將孔隙度數(shù)值歸一化至[0,1]的范圍:

(1)

式中,x′為x歸一化至[0,1]范圍后的數(shù)值;xmax,xmin分別為統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本的最大值和最小值。

對地層巖性、厚度、孔隙度3個指標分別賦權重為0.3,0.4,0.3。

考慮到相鄰地層的影響，基于本地層權重最大，向兩側權重應是對應的且距離越近權重越大等原則，采用如下公式計算地層的綜合富水性指數(shù):

Fi=0.5fi+0.15fi-1+0.1fi-2+0.15fi+1+0.1fi+2

(2)

式中,Fi為第i個地層的綜合富水性指數(shù)，無量綱;fi,fi-1,fi-2,fi+1,fi+2分別為第i,i-1,i-2,i+1,i+2個地層的富水性指數(shù)。

依據(jù)綜合富水性指數(shù)對含水層段垂向富水性進行評價，通過研究垂向富水性變化規(guī)律對洛河組分層。

2.2 分層標準

依據(jù)上述方法，計算求得高家堡井田T1,T2鉆孔洛河組內各巖性地層的富水性指數(shù)(表4)。

表4 高家堡井田T1,T2鉆孔洛河組地層富水性指數(shù)Table 4 Water-rich index of strata in Luohe Formation of the T1 and T2 boreholes in Gaojiabu minefield

一般將泥巖、砂質泥質、粉砂巖等細顆粒地層視為隔水層。取相鄰2種不同巖性的富水性指數(shù)平均值的平均值，作為相應富水性分界標準，得到洛河組含水層富水性劃分標準如下:①F<0.003 289，為隔水層;② 0.003 289≤F<0.012 339，為弱富水;③ 0.012 339≤F<0.015 504，為中等富水;④F≥0.015 504，為強富水。

綜合富水性指數(shù)是通過鉆孔地層巖性、厚度、孔隙度等資料計算后統(tǒng)計得出的，不同區(qū)域數(shù)值可能存在差異。

雖然(含礫)粗砂巖富水性指數(shù)值介于細粒砂巖與中粒砂巖之間(圖1)，但不影響其中等至強富水的性質。

圖1 地層巖性平均富水性指數(shù)Fig.1 Histogram of average water-rich index

圖2 T1鉆孔洛河組綜合富水性指數(shù)Fig.2 Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in T1 borehole

2.3 洛河組分層

以高家堡井田T1,T2鉆孔為例。

結合地層厚度和綜合富水性指數(shù)的突變進行洛河組分層?？傮w來看，T1鉆孔可分為上、中、下3段(圖2)?？咨?95.71～571.06 m層段洛河組單層厚度較小，綜合富水性指數(shù)較小;在571.06 m處綜合富水性指數(shù)急劇增大，富水性由弱變強，之下地層數(shù)值均較大，且單層厚度顯著增大，具有明顯的分層性。因此，將571.06 m作為上段與中段的分界。洛河組中段下部的單層厚度有所減小，但其綜合富水性數(shù)值普遍較大，雖為弱富水但接近中等富水。在829.71 m處綜合富水性指數(shù)急劇減小，其下為10.20 m厚的粉砂巖，之下地層單層厚度普遍較小、富水性弱且接近隔水層，具有明顯的分層性。因此，將829.71 m作為中段與下段的分界。

同樣，將T2鉆孔洛河組地層也劃分為上、中、下3段，上段與中段分界為孔深615.06 m，中段與下段分界為孔深830.31 m(圖3)。

3 洛河組垂向水文地質特征

3.1 洛河組垂向水文地質特征

以高家堡井田T1,T2鉆孔為例。洛河組地層巖性、厚度、出水量、水位、水溫、水質、水文地質參數(shù)、富水性等在垂向上存在明顯差異(表5)。對地層厚度與巖性、富水性、水質等補充說明。

(1)地層厚度與巖性。

洛河組各層段細顆粒與粗顆粒巖性地層累計厚度如表6和圖4，5所示。洛河組上段泥巖類與砂巖類地層累計厚度相當，甚至泥巖類地層稍大，砂巖和泥巖類地層的單層最大厚度和平均厚度相當。中段以細、中、粗粒砂巖為主，砂巖類地層累計厚度達213.72～241.68 m，單層最大厚度達43.36～49.36 m;泥巖類地層厚度可忽略。下段泥巖類地層累計厚度顯著增大，比砂巖類地層累計厚度略小。

圖3 T2鉆孔洛河組綜合富水性指數(shù)Fig.3 Comprehensive water-rich index of Luohe Formation in T2 borehole

項目洛河組上段洛河組中段洛河組下段巖性與厚度泥巖類與砂巖類地層累計厚度和單層最大厚度相當,甚至泥巖類地層稍大。細、中粒砂巖累計厚度為28.90～52.33 m,單層最大厚度為10.12～11.72 m,平均厚度為3.61～4.36 m;未見粗粒砂巖;泥巖類地層累計厚度為46.45～53.75 m,最大厚度為10.20～13.19 m,平均厚度為4.22～4.89 m以細、中、粗粒砂巖為主,累計厚度為213.72～241.68 m,單層最大厚度為43.36～49.36 m,平均厚度為10.07～21.37 m;泥巖類地層厚度微小,累計厚度為1.53～16.97 m,最大為1.03～7.50 m,平均厚度為0.76～1.89 m泥巖類地層厚度比砂巖地層稍小。細、中粒砂巖累計厚度為37.02～54.32 m,單層最大厚度為10.25～30.69 m,平均厚度為2.31～9.05 m;未見粗粒砂巖;泥巖類地層累計厚度為20.42～33.37 m,最大厚度為9.34～10.20 m,平均厚度為1.76～5.11 m鉆孔抽水量4.46～7.89 L/s全段為14.91～22.453 L/s,中上段為15.14～22.453 L/s?？芍卸嗡繎笥?.89 L/s且小于22.453 L/s0.26～0.61 L/s地下水位+925.75～+925.99 m通過混合井水位計算公式計算獲得洛河組中段地下水位標高為+926.28 m和+928.44 m+926.36～+926.52 m水溫28～29 ℃—35～37 ℃水質礦化度為1 033 mg/L,水質類型為SO4HCO3(Cl)-Na型礦化度為1 254～1 655 mg/L,水質類型為SO4HCO3-Na,SO4-Na型礦化度為3 824 mg/L,水質類型為SO4-Na型

續(xù) 表

表6 T1,T2鉆孔洛河組巖性厚度統(tǒng)計Table 6 Stratified lithology thickness of Luohe Formation in T1 and T2 boreholes

圖4 T1鉆孔洛河組地層累計厚度Fig.4 Histogram of accumulated thickness of strata in Luohe Formation of T1 borehole

圖5 T2鉆孔洛河組地層累計厚度Fig.5 Histogram of accumulated thickness of strata in Luohe Formation of T2 borehole

(2)地下水位。

洛河組中段地下水位高于上段和下段(圖6)，洛河組中段通過垂向滲流或越流補給上段和下段。

圖6 洛河組各層段水位標高及地下水垂向滲流示意Fig.6 Groundwater level and vertical seepage in Luohe Formation

2009年，在研究區(qū)勘探期間[21]獲得白堊系洛河組水位為+939.51～+951.31 m，侏羅系延安組水位為+995.90～+1 070.14 m(圖7和表7)，存在含水層埋深越大水位越高的規(guī)律。

高家堡礦井于2012年初開始建設，首采工作面于2015年6月份貫通，2015-12-09開始試生產。本次抽水試驗期間(2014-05-03—2015-04-28)，由于受到井筒建設和井下巷道掘進等工程疏放水的影響，T1,T2鉆孔監(jiān)測的洛河組全段水位分別為+927.74 m和+927.21 m，與距離較近的G2鉆孔2009年水位相比較下降約12 m。

圖7 鉆孔位置示意Fig.7 Location of boreholes

孔號洛河組水位/m延安組水位/m水位差值/mG1+951.31+1 052.63101.32G2+939.53+1 060.09120.56G5+944.92+1 070.14125.22最小值+939.53+995.9053.22最大值+951.31+1 070.14125.22平均值+944.61+1 044.69100.08

正是受到礦井建設的影響，洛河組下段地下水位出現(xiàn)較為顯著的下降;中段巨厚且強富水、接受地下水側向徑流補給的條件相對較好，其水位降幅較小，從而導致中段水位高于下段水位。

洛河組中段地下水位高于上段地下水位，反映著原始地下水位狀況。

(3)富水性。

依據(jù)洛河組中段與其它層段的混合抽水試驗，可得到其單位涌水量的區(qū)間范圍。洛河組全段單位涌水量為1.489 5～3.063 7 L/(s·m)，中上段q為1.370 1～3.184 6 L/(s·m)，而上段q為0.516 4～0.774 1 L/(s·m)，下段q為0.010 7～0.012 8 L/(s·m)。因此，洛河組中段的單位涌水量應大于1.489 5 L/(s·m)且其大值應大于3.184 6 L/(s·m)，富水性強。

(4)水質。

自洛河組上段向下段埋深增大，地下水中重碳酸根離子呈線性減小，硫酸根離子呈線性增大(表8和圖8)。

表8 洛河組地下水水質成果Table 8 Groundwater quality results of Luohe Formaiton

圖8 洛河組地下水水質Piper圖Fig.8 Piper map of groundwater quality in Luohe Formation

洛河組上段礦化度最小，下段礦化度顯著增大，中上段和全段水樣礦化度介于上段和下段之間但更接近上段。洛河組上段、中上段和全段地下水水質類型中多含有重碳酸根離子，表明其接受大氣降水和地表水補給的條件相對較好;下段地下水水質類型中無重碳酸根離子且礦化度較高，反映其地下水徑流條件較差、相對封閉的地下水儲存環(huán)境。

(5)流量測井。

流量測井解釋T1鉆孔出水層段位于洛河組中段，T2鉆孔出水層段位于洛河組上段和中段(圖9)。

由于平面上僅相距80 m，流量測井解釋出的T1,T2鉆孔出水層段基本重合是合理的。

3.2 洛河組內部水力聯(lián)系

由地下水位數(shù)據(jù)可知，洛河組中段地下水位略高于上段和下段(表5)。因此，目前洛河組中段通過垂向越流補給上段和下段。

圖9 流量測井解釋的出水位置Fig.9 Main aquifers explained by the flow logging of Luohe Formation

通過群孔抽水試驗、井下放水試驗等查明，自然狀態(tài)下洛河組中上段與下段存在微弱水力聯(lián)系[21]。

由于受各自水文地質條件影響和采煤形成的垂向裂隙破壞程度的不同，工作面回采期間洛河組中上段與下段水位降幅差異較大，形成了更大的水位差。期間，洛河組下段水位下降139.90～196.37 m，平均168.16 m;而中上段水位下降26.71～43.06 m，平均35.23 m(圖10和表9)。在水力梯度的作用下，洛河組中上段與下段之間的垂向水力聯(lián)系一定程度上有所加強。

4 洛河組下段存在的保水采煤意義

將洛河組底部砂泥巖互層狀地層劃分為下段，既可以一定程度上減緩或阻止煤層頂板導水裂隙帶繼續(xù)向上發(fā)育防止對中上段含水層結構的破壞，又可以作為阻隔中上段含水層水進入礦井的相對隔水層利用。

表9 高家堡礦井首采面回采期間洛河組水位降幅統(tǒng)計Table 9 Groundwater levels decline in Luohe aquifer during the mining of the first face of Gaojiabu Mine

注:T2鉆孔為洛河組中上段水位觀測孔，G2～G5為洛河組全段水位觀測孔。

圖10 高家堡礦井首采面回采期間洛河組不同層段水位變化趨勢Fig.10 Groundwater levels in different sections of Luohe aquifer during the mining of the first face of Gaojiabu Mine

評價地下水資源的主要指標包括水量、水位、水質等。高家堡礦井首采面煤層厚度為11.5～14.0 m，控制煤層為3.5～7.5 m[19]。工作面回采期間實測[20]導水裂隙帶高度為74.00～173.00 m。導水裂隙帶向上最大發(fā)育至洛河組中段和下段分界面位置附近，已基本波及整個洛河組下段含水層，但對洛河組中段的波及程度輕微。期間洛河組中上段地下水位下降26.71～43.06 m，降幅為3.71%～10.63%(表9)，降幅較小，依然承壓。水位降幅可以反映地下水損失量，由洛河組中上段地下水位降幅微小可知其地下水未被大規(guī)模疏放，對其區(qū)域供水的影響較小;洛河組地層埋深較大(T1,T2鉆孔洛河組頂界埋深分別為615.88～627.39 m)，除采煤形成的頂板裂隙使其地下水徑流加速之外，不會造成如水質污染等負面影響。因此，通過控制煤層采高等，實現(xiàn)了對具有區(qū)域供水意義的洛河組中上段含水層結構保護條件下的深埋煤層開采。

5 結 論

(1)給出了考慮地層巖性、厚度、孔隙度的含水層富水性評價方法——綜合富水性指數(shù)法。該方法適用于承壓含水層垂向富水性評價及研究。綜合鉆孔取芯、水文常規(guī)測井、巖樣測試等資料即可進行含水層垂向富水性評價，方法可操作性強，結果可通過抽(放)水試驗等資料驗證。

(2)依據(jù)綜合富水性指數(shù)，將洛河組劃分為上、中、下3段。洛河組中上段富水性中等至強，是具有區(qū)域供水意義的主要含水層段;下段為砂泥巖互層，富水性弱。洛河組下段地層既可以減緩和阻止煤層頂板導水裂隙帶繼續(xù)向上發(fā)育防止對具有供水意義的中上段地層結構的破壞，又可以阻隔中上段含水層水進入礦井，對保水采煤有利。

(3)洛河組地層巖性垂向上存在差異，局部地區(qū)發(fā)育泥巖隔水層，但尚未構成區(qū)域上的隔水層。因此，只有通過精細化勘探之后才能明確洛河組是否具有分層性，即并非洛河組都可以劃分出下段弱含水層(如孟村礦首采區(qū))。

(4)高家堡礦井首采面回采期間，通過控制煤層采高進行巨厚承壓含水層下深埋煤層保水采煤實踐。期間，導水裂隙帶未大規(guī)模波及洛河組中段含水層;洛河組主要含水層段——中上段地下水位下降26.71～43.06 m，降幅為3.71%～10.63%。采煤未對洛河組地下水造成大規(guī)模疏放，對其區(qū)域供水的影響較小;未造成洛河組地下水水質污染等。通過導水裂隙帶高度、含水層水量、水位、水質等指標變化情況分析，高家堡礦井首采面實現(xiàn)了對洛河組中上段含水層結構保護條件下的深埋煤層開采。