登封煤田新登煤礦水文地質(zhì)特征及瓦斯賦存規(guī)律

黃波 ，喬軍好，喬曉軍，鄭啟明

(1.河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 451191；2.中煤新登鄭州煤業(yè)有限公司,河南 鄭州 452470)

0 引 言

煤礦瓦斯是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一，掌握煤層瓦斯賦存規(guī)律是進(jìn)行煤與瓦斯突出預(yù)測、有效綜合治理瓦斯的地質(zhì)保障[1-3]。微觀上，煤層瓦斯賦存受煤儲層流體壓力影響，主要吸附于煤層孔隙表面[4-5]；宏觀上，影響煤層瓦斯賦存的因素往往為構(gòu)造、埋深、圍巖性質(zhì)、工業(yè)組分、煤變質(zhì)程度以及巖漿巖的侵入等[6-9]。事實上，地下水動力場控制著煤儲層流體壓力、氣水成分及分布，地下水動力條件也是煤層瓦斯賦存的關(guān)鍵影響因素[10-16]。地下水動力條件對瓦斯賦存的控制主要體現(xiàn)在2個方面：一是地下水動力場直接控制著瓦斯的運移、散失，對瓦斯賦存的控制分為水力封閉、水力封堵、水力運移3種類型[17-20]；二是通過地層水礦化度、涌水量間接反映水動力場對瓦斯賦存的影響[3,21]。新登煤礦位于典型滑動構(gòu)造發(fā)育的豫西地區(qū)，以往對該區(qū)瓦斯賦存規(guī)律影響的研究中，未考慮地下水動力條件對瓦斯賦存的影響。新登煤礦煤層受滑動構(gòu)造揉皺作用，煤體結(jié)構(gòu)以靡棱煤為主，煤層松軟易突出，煤層瓦斯是制約本區(qū)安全生產(chǎn)的主要因素。因此，本文以生產(chǎn)過程中積累的水文地質(zhì)、瓦斯地質(zhì)資料為研究基礎(chǔ)，綜合分析傳統(tǒng)因素(構(gòu)造、沉積)和地下水條件對新登煤層瓦斯賦存的影響，找出影響瓦斯賦存的主控因素，預(yù)測礦井深部未采區(qū)瓦斯含量，以期為礦井向縱深開采過程中瓦斯安全治理提供參考。

1 地質(zhì)概況

新登煤礦位于登封煤田箕山勘探區(qū)之東北一隅，地層劃分屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)嵩箕小區(qū)(圖1)。主要含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組。礦區(qū)總體為走向北東、南西的單斜構(gòu)造，構(gòu)造組合為—組NE向斷裂和NE向褶皺。斷層主要分布于煤礦的南北邊界附近，其中對煤礦地質(zhì)條件和生產(chǎn)影響最大的斷層為礦區(qū)北部的DF14正斷層，斷層走向NE，傾向SE，傾角約70°，區(qū)內(nèi)最大落差約43 m，延展長度約1 800 m。主要褶皺為南煙莊向斜，與DF14斷層平行延伸，軸向NE50°，區(qū)內(nèi)延伸長約1 750 m，向SW傾沒，西北翼被DF14斷層切割，東南翼完整，地層翼部傾角8°～31°。

圖1 新登煤礦構(gòu)造綱要圖及含煤地層綜合柱狀圖

新登煤礦主采二1煤層，煤層傾角一般小于10°，結(jié)構(gòu)簡單，頂板之上基巖埋深60～380 m，由東向西南基巖埋深逐漸增加(圖1)。煤厚0～16.10 m，生產(chǎn)揭露煤平均厚為3.41 m，煤層厚度不穩(wěn)定。二1煤層宏觀煤巖成分以鏡煤、亮煤為主，暗煤次之，絲炭少量，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為2.25%～2.34%，煤體結(jié)構(gòu)以碎粒煤-糜棱煤為主，煤體強度低。

新登煤礦目前采取立井、斜井混合多水平開拓方式。煤層賦存標(biāo)高+230～0 m，以采區(qū)上下山的布置方式開拓全井田，設(shè)計多水平開拓，第一水平標(biāo)高+155 m，第二水平標(biāo)高+90 m。目前井田+100 m水平以淺已基本開采完畢，礦井正進(jìn)入第二水平開采。2018年新登煤礦瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井，但2019年提交的補充勘探鉆孔測試結(jié)果表明，二1煤層瓦斯成分中CH4組分為0.70%～90.05%，平均值37.77%。CH4氣體含量0.02～7.35 mL/g·daf，平均1.67 mL/g·daf。其中，32采區(qū)補勘階段在補1和3—5孔測定了瓦斯壓力，分別為0.5 MPa和0.6 MPa，具有煤與瓦斯突出的危險，因此，亟需厘清礦井深部未采區(qū)瓦斯賦存規(guī)律，為瓦斯防治提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

2 礦井水文地質(zhì)條件

新登煤礦二1煤層直接充水水源主要為煤層露頭接受的大氣降水、地表水下滲補給、煤層頂部山西組砂巖裂隙含水和下部太原組灰?guī)r巖溶裂隙承壓水。受邊界斷層郜F(xiàn)2、煤層底板裂隙的影響，二1煤層與頂部山西組砂巖裂隙含水層、底部太原組L7—L8灰?guī)r巖溶裂隙承壓水均有一定的水力聯(lián)系[22]。另外，礦井DF14斷層補充勘探結(jié)果表明DF14斷層為一導(dǎo)水?dāng)鄬樱瓜蛏咸M含水層與煤層有一定水力聯(lián)系。其中，頂部山西組砂巖裂隙含水層抽水鉆孔涌水量 0.000 49 L/(s·m)，富水性弱；底部太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層抽水鉆孔涌水量0.019 4 L/(s·m)，富水性中等。因此，太原組灰?guī)r含水層是影響煤層的主要含水層。含煤地層的水文地質(zhì)條件是控制瓦斯賦存、抽采的關(guān)鍵因素[10]。本文在分析礦井水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，主要對太原組含水層動力場、化學(xué)場進(jìn)行研究。

2.1 水動力特征

新登煤業(yè)位于登封煤田的西南部，水文地質(zhì)分區(qū)屬穎陽-登封水文地質(zhì)區(qū)的Ⅱ水文地質(zhì)分區(qū)的Ⅱ2水文地質(zhì)亞區(qū)[22]。通過收集的新登煤礦水文孔20余口，其中山西組含水層抽水試驗孔4口，太原組含水層抽水試驗孔12口,進(jìn)行水動力特征研究。

在綜合分析地形、地貌、地層、構(gòu)造與地下水動力配置的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究成果，將新登煤礦劃分為獨立的地下水流動系統(tǒng)。新登煤礦含煤地層向南、南西傾斜，東部、東北部為含煤層地層及煤層露頭或者隱伏露頭區(qū)，太原組含水層靜水位受含煤地層產(chǎn)狀的影響，亦向南、西變低。因此，地下水流動系統(tǒng)以東部煤層露頭線為界接受補給，北部以邊界斷層為界，地下水由東、北向西，北東向南西流動，通過徑流排泄到礦區(qū)外(圖2)。此外，礦井疏排，機井和供水井也是地下水排泄途徑之一。

圖2 新登煤礦太原組水位及礦化度等值線圖

2.2 水化學(xué)特征

基于礦井生產(chǎn)過程中的水質(zhì)化驗和抽水試驗孔水質(zhì)化驗結(jié)果，繪制了山西組和太原組含水層水質(zhì)Piper圖(圖3～4)。

除了地層水水質(zhì)化驗結(jié)果外，地下水礦化度也是衡量地下水動力強弱的指標(biāo)[12]。依據(jù)新登煤礦水質(zhì)取樣點位置，繪制了新登煤礦太原組灰?guī)r含水層礦化度等值線(圖2)。新登煤礦深部發(fā)育有南煙莊向斜和DF14斷層，太原組灰?guī)r含水層礦化度明顯受含煤地層產(chǎn)狀和斷層控制。礦化度等值線表明，在南煙莊向斜南翼礦化度明顯增加，礦化度一般高于500 mg/L，說明水動力較弱；在DF14導(dǎo)水?dāng)鄬痈浇捅辈窟吔鐢鄬又g，礦化度小于400 mg/L，水動力較強(圖2)。礦化度規(guī)律性較強，隨著煤層埋深增加、遠(yuǎn)離地下水補給區(qū)礦化度明顯增加。在礦井東部、東北部邊緣礦化度甚至低于350 mg/L，礦化度低，水動力強。

3 瓦斯賦存特征及模式

礦井瓦斯的賦存受生成和保存條件的影響。中國煤層含氣量為3.50 ～30.00 m3/t，遠(yuǎn)小于煤自身生氣量，大部分氣體逸散，而保存氣量的多少主要取決于保存條件[6]。

3.1 構(gòu)造-沉積對瓦斯賦存控制

區(qū)域上，受構(gòu)造運動的影響，尤其是喜山期形成的典型重力滑動構(gòu)造，使全區(qū)煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞，瓦斯大量逸散，統(tǒng)計礦井瓦斯等級鑒定實測數(shù)據(jù)表明，煤層瓦斯含量為1.81～7.35 m3/t·daf，瓦斯分布非均質(zhì)性強。瓦斯含量與煤層埋深、煤層厚度、灰分產(chǎn)率、直接頂板厚度散點圖表明，總體上煤層埋深越大，地應(yīng)力增加，煤層透氣性差，瓦斯含量越高(圖5(a)；煤層厚度影響著瓦斯生成量，煤層直接頂板厚度對瓦斯保存影響較大，煤層、煤層直接頂板厚度越大，瓦斯含量越高(圖5(b)(c))，但在圖5(a)(b)(c)散點圖的下方均存在一系列瓦斯含量異常點。瓦斯含量異常點具有瓦斯含量低，與瓦斯賦存構(gòu)造因素不相關(guān)的特點。另外，灰分產(chǎn)率越高，煤巖吸附瓦斯的能力越弱[23]，瓦斯含量隨著灰分產(chǎn)率的增加而降低，相關(guān)性較好(圖5(d))，而與煤層直接頂板巖性相關(guān)性較差(圖6)。因此，煤層瓦斯含量與煤層構(gòu)造、沉積環(huán)境等保存條件關(guān)系較為復(fù)雜，而與煤層灰分等自身屬性呈線性相關(guān)關(guān)系。

分析瓦斯賦存影響因素表明，除煤層自身屬性因素外，煤層瓦斯賦存并非完全受構(gòu)造、沉積環(huán)境控制，而是多因素疊加控制的結(jié)果。圖5中瓦斯含量異常點一般位于水動力條件活躍的DF14斷層斷面及南煙莊向斜北翼附近區(qū)域，究其異常原因為，DF14是一開放性導(dǎo)水正斷層，斷層上盤下降至南煙莊向斜核部附近，雖然煤層埋深增加，但是斷層面附近水動力條件增強，有利于瓦斯沖洗逸散，同時斷層面也是瓦斯逸散的良好通道，使此處瓦斯大量逸散，瓦斯含量低于正常值。因此，新登煤礦瓦斯賦存受構(gòu)造和水文地質(zhì)雙重控制。

3.2 構(gòu)造-水文地質(zhì)對瓦斯賦存控制及模式

新登煤礦煤層埋藏淺，地下水水動力對瓦斯的控制作用主要為側(cè)向水動力封堵作用和水力沖洗作用。在分析水位變化趨勢和礦化度變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，借鑒文獻(xiàn)[11-12]劃分方法，結(jié)合新登煤礦實際地質(zhì)情況，將水位大于220 m、礦化度小于450 mg/L劃分為徑流帶，水位190～220 m、礦化度450～500 mg/L劃分為中等徑流帶，水位小于190 m、礦化度大于500 mg/L劃分為滯留-弱徑流帶，其中滯留-弱徑流水動力條件對瓦斯賦存最為有利。

為研究構(gòu)造-水位地質(zhì)對瓦斯的控制作用，繪制新登煤層水文地質(zhì)及瓦斯含量剖面圖(A—A′)，刻畫瓦斯賦存與地下水動力場的關(guān)系(圖7)。可以看出，瓦斯賦存分區(qū)與地下水水動力條件變化協(xié)同一致，礦井深部位于水動力處于滯留-弱徑流帶內(nèi)，水動力對瓦斯形成側(cè)向封堵作用(圖7)，煤層瓦斯含量高，在(A—A′)剖面中的3-4、4-2鉆孔瓦斯含量分別為4.25，3.64 m3/t，明顯高于徑流帶、中等徑流帶的瓦斯含量。

圖7 新登煤礦水文地質(zhì)及含氣量剖面(A—A′)

再結(jié)合地下水化學(xué)場特征分析，地下水礦化度從煤層露頭處(補給區(qū))向深部滯留-弱徑流帶逐漸增加。在煤層露頭附近，地下水運移距離短、交替循環(huán)作用強，地下水礦化度低，瓦斯含量低。隨著地下水沿著地層斜坡向深部長距離運移，礦化度升高，水動力弱甚至滯留，對瓦斯的賦存影響趨于有利(圖7)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，新登煤礦地下水礦化度低于450 mg /L的徑流帶，形成瓦斯逸散區(qū)，瓦斯含量低；礦化度為450～500 mg /L的中等徑流帶，形成瓦斯較為富集的過渡區(qū)；礦化度大于500 mg /L的滯留-弱徑流帶，有利瓦斯賦存，瓦斯含量最高，形成瓦斯富集區(qū)。另外，在徑流區(qū)、滯留區(qū)水質(zhì)類型也不相同，在滯留區(qū)水化學(xué)類型一般為重碳酸鈉型。

地下水的運移離不開構(gòu)造的作用，綜合構(gòu)造來看，礦井西部的DF14斷層與淺部的滑動構(gòu)造相互切割，補充勘探證明該斷層為一導(dǎo)水?dāng)鄬印Ｒ环矫鏀鄬俞尫帕藰?gòu)造應(yīng)力；另一方面斷層導(dǎo)致地下水與地表水、大氣降水頻繁交替，使本區(qū)雖然煤層埋深較大，但是瓦斯得以逸散，瓦斯含量低。在南煙莊向斜軸部以南，由兩翼沿著斜坡向下運移的地下水對瓦斯保存形成了兩側(cè)封堵，有利于瓦斯的保存。在礦井東部的單斜地層斜坡上，隨著運移距離的減小，對瓦斯賦存的影響逐漸不利(圖7)。分析構(gòu)造和地下水的配置關(guān)系，得出3種瓦斯賦存控制模式(圖8)。

圖8 構(gòu)造-水動力控氣模式剖面(B—B′)

構(gòu)造-水動力沖洗模式，地層水在側(cè)向上與瓦斯運移方向相反，將沿著斜坡向上運移的瓦斯沖刷至斷層破碎帶，沿著斷層面方向向上逸散，造成本區(qū)為瓦斯含量最低(圖8)。單斜-水動力封堵模式，由B—B′構(gòu)造-水動力控氣模式剖面可知，南煙莊向斜屬于不對稱向斜，南翼地層水流向深部，北翼受DF14斷層導(dǎo)水的影響，DF14斷層附近水位高于南翼，地層水流向南翼，南、北翼地層水運移方向與瓦斯順層逸散方向相反。因此，在南煙莊向斜南翼瓦斯受構(gòu)造-水動力雙重影響而富集，在向斜南翼的3-4鉆孔瓦斯含量達(dá)到4.25 m3/t，新登煤礦目前開采的31011綜放面即位于此處，測試的瓦斯含量為4.49～5.79 m3/t，明顯高于礦井其他區(qū)域瓦斯含量。在礦井東部為單斜-水動力沖洗模式，地層水隨著大氣降水向單斜地層深部流動，地層水與大氣降水、地表水交替較為頻繁，對瓦斯保存不利，瓦斯含量普遍較低(圖8)。

4 煤層瓦斯分布及預(yù)測

4.1 瓦斯富集區(qū)識別

在礦井實際生產(chǎn)中繪制瓦斯地質(zhì)等值線圖時，往往采用擬合瓦斯含量與其影響因素之間的數(shù)值關(guān)系來進(jìn)行瓦斯含量的預(yù)測。而采用剖面的形式來刻畫構(gòu)造、水文地質(zhì)條件對瓦斯賦存的雙重控制，直觀反映了瓦斯賦存的地質(zhì)控制因素配置關(guān)系。依據(jù)其配置關(guān)系，將登煤礦分為瓦斯富集區(qū)、過渡區(qū)和瓦斯逸散區(qū)3個分區(qū)(表1)。富集區(qū)瓦斯含量高，過渡區(qū)次之，瓦斯破壞、逸散區(qū)最低。對瓦斯富集識別發(fā)現(xiàn)，新登煤礦由東邊緣至深部，水動力由徑流、中等徑流、弱徑流至滯留變化，構(gòu)造-地下水因素配置關(guān)系趨好，瓦斯賦存條件逐漸有利(表1)，瓦斯含量增高(圖9)；由深部至西北部邊界，水動力又由滯留帶過渡至徑流帶，構(gòu)造-地下水因素配置關(guān)系趨于不利，瓦斯賦存條件逐漸變差(表1)，瓦斯含量降低(圖9)。因此，在新登煤礦南煙莊向斜南翼的斜坡部位水動力條件弱，對瓦斯形成側(cè)向封堵，為礦井煤層瓦斯富集區(qū)，瓦斯含量高(圖10)。

不同瓦斯分區(qū)瓦斯賦存主控因素不同。對于瓦斯富集區(qū)和過渡區(qū)，構(gòu)造性質(zhì)、位置為地下水運移提供了勢能，決定水動力變化特征，地下水動力變化特征主要反映在礦化度的變化上。但瓦斯富集區(qū)水位變化小，而過渡區(qū)水位變化較大，因此，瓦斯富集區(qū)、過渡區(qū)的主控因素分別為礦化度、礦化度和水位(表1)；瓦斯破壞逸散區(qū)主要位于構(gòu)造及煤層露頭附近，瓦斯富集條件復(fù)雜，構(gòu)造除了提供地下水運移的勢能外，構(gòu)造自身直接影響著瓦斯的逸散，例如開放性DF14斷層斷面也是瓦斯運移的良好通道，因此，其主控因素較為復(fù)雜，歸納起來主要為礦化度、水位和構(gòu)造(表1)。

表1 瓦斯賦存分區(qū)構(gòu)造-水文地質(zhì)參數(shù)指標(biāo)

4.2 礦井深部瓦斯預(yù)測

目前新登煤礦東北部100 m以淺煤炭資源基本采完。隨著礦井開采向西部深埋區(qū)至西北構(gòu)造復(fù)雜的淺部區(qū)域延伸，瓦斯含量變化先增加后減小，分別對應(yīng)瓦斯富集區(qū)和瓦斯破壞、逸散區(qū)。識別的瓦斯富集區(qū)位于礦井西部構(gòu)造緩坡至南煙莊向斜南翼，瓦斯破壞區(qū)位于西北的DF14開放斷層以北至礦井邊界，瓦斯含量受構(gòu)造-水文地質(zhì)雙重控制。目前礦井未采區(qū)主要位于瓦斯富集區(qū)，由前述可知，地下水礦化度是影響該區(qū)瓦斯賦存的主控因素(表1)。將瓦斯含量測試點投到礦井二1煤層底板灰?guī)r水礦化度等值線上，采用插值法求得新登煤礦已采區(qū)煤層(淺部瓦斯風(fēng)氧化帶未參入統(tǒng)計)瓦斯含量測試點對應(yīng)的水樣的礦化度(表2)。通過礦化度和瓦斯含量擬合數(shù)值模擬來預(yù)測礦井未采區(qū)瓦斯含量(圖9)。

表2 新登煤礦已采區(qū)瓦斯含量與礦化度

續(xù)表2

如圖9所示，煤層瓦斯含量與礦井底板灰?guī)r水礦化度擬合相關(guān)性好，煤層瓦斯含量隨著灰?guī)r水礦化度的增加而增加。依據(jù)礦井中生產(chǎn)過程中積累大量的礦井水化驗數(shù)據(jù)和識別的瓦斯富集區(qū)，將礦井深部煤層底板灰?guī)r水礦化度代入圖(9)擬合公式中，預(yù)測了新登礦二1煤層未采區(qū)瓦斯含量，見圖10。預(yù)測結(jié)果表明，未采區(qū)埋深介于260～462 m，對應(yīng)的瓦斯含量介于5～7.5 m3/(t·daf)，主要位于礦井西北部的南煙莊向斜南翼附近(圖10)。

圖9 瓦斯含量與太原組含水層礦化度的關(guān)系

圖10 新登煤礦二1煤層瓦斯含量等值線圖

5 結(jié) 論

(1)新登煤礦為一獨立的地下水流動系統(tǒng)，地下水流動系統(tǒng)以東部煤層露頭線為界接受補給，西部以邊界斷層為界，地下水由東、北向西，北東向南西流動，在礦井北部南煙莊向斜南翼斜坡上，水動力活動較弱，形成有利于瓦斯賦存的弱徑流-滯留帶。

(2)通過分析含煤地層水文地質(zhì)條件和水化學(xué)類型，地下水弱徑流-滯留帶礦化度高，水位低，瓦斯賦存條件好，瓦斯含量高；地下水徑流帶地層水礦化低、水位高、水動力活躍，不利于瓦斯賦存，瓦斯含量低。

(3)依據(jù)構(gòu)造-水文地質(zhì)的配置關(guān)系，提出了單斜水動力封堵、單斜水動力沖洗、構(gòu)造水動力沖洗3種瓦斯賦存模式，對應(yīng)于瓦斯含量富集區(qū)、過渡區(qū)、瓦斯破壞、逸散區(qū)，識別了礦井瓦斯含量富集區(qū)。厘清了不同分區(qū)瓦斯賦存的主控因素，預(yù)測礦井未采區(qū)瓦斯含量為5～7.5 m3/t。