煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存在煤的孔隙中, 地下水系統(tǒng)通過(guò)地層壓力對(duì)煤層氣吸附聚集起控制作用.

 

  因此, 水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣賦存、運(yùn)移影響很大, 對(duì)煤層氣的開采至關(guān)重要, 本文著重討論前者, 水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣產(chǎn)能的影響將另文闡述.從現(xiàn)有資料分析, 可將水文地質(zhì)控氣作用概括為3 種特征:① 水力運(yùn)移逸散作用;② 水力封閉作用;③ 水力封堵作用.其中, 第1 種作用導(dǎo)致煤層氣運(yùn)移、散失, 后兩種作用則有利于煤層氣保存、富集.

 

  1  水力運(yùn)移逸散作用

 

  水力運(yùn)移逸散控氣作用常見(jiàn)于導(dǎo)水性強(qiáng)的斷層構(gòu)造發(fā)育地區(qū).通過(guò)導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛄严? 溝通煤層與含水層.水文地質(zhì)單元的補(bǔ)、徑、排系統(tǒng)完整, 含水層富水性與水動(dòng)力強(qiáng), 含水層與煤層水力聯(lián)系較好.在地下水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 地下水攜帶煤層中氣體運(yùn)移而逸散.與煤層有水力聯(lián)系的含水層包括煤系下伏灰?guī)r巖溶裂隙含水層、煤系中灰?guī)r巖溶裂隙含水層和砂巖裂隙含水層及新生界松散孔隙含水層.在我國(guó)具有這種控氣特征的地區(qū)分布廣泛.

 

  1.1  煤系下伏灰?guī)r巖溶裂隙含水層徑流對(duì)煤層氣運(yùn)移逸散的控制在華北, 凡因斷裂發(fā)育, 煤系與下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層強(qiáng)徑流帶產(chǎn)生水力聯(lián)系的地區(qū), 往往也是煤層氣貧乏地區(qū).如:華北太行山東麓煤田的西側(cè)、開灤礦區(qū)開平向斜東南翼、魯西南和魯西北等地區(qū)都具有這種控氣特征, 其中以河北峰峰礦區(qū)最為典型.

 

  峰峰礦區(qū)為一伸展斷塊構(gòu)造, 張性斷層發(fā)育.鼓山西的和村-孫莊向斜的構(gòu)造線方向主要以NE 向?yàn)橹? 地下水流動(dòng)方向與斷裂平行或近似平行, 形成了地下水的強(qiáng)徑流帶.煤系地層與下伏中奧陶系灰?guī)r含水層之間存在水力聯(lián)系.隨著儲(chǔ)層壓力降低, 導(dǎo)致煤層吸附氣解吸, 并隨強(qiáng)烈的地下水徑流發(fā)生運(yùn)移(圖1).地下水徑流或含水層遇巨大隔水?dāng)嗔炎韪魰r(shí), 地下水上升流出地面, 攜帶煤層氣逸散, 造成地下水補(bǔ)給區(qū)至隔水?dāng)嗔阎g地帶煤層的含氣量降低.在河北邢臺(tái)礦區(qū)、河南安陽(yáng)礦區(qū)珍珠泉以西塊段、鶴壁礦區(qū)小南海泉群以西塊段等地都有類似情況, 以致這些地區(qū)的煤層氣含量偏低.

 

  1.2  煤系中灰?guī)r巖溶裂隙含水層或砂巖裂隙含水層徑流對(duì)煤層氣運(yùn)移逸散的控制若煤系中灰?guī)r巖溶裂隙含水層或砂巖裂隙含水層的水動(dòng)力強(qiáng), 并通過(guò)導(dǎo)水?dāng)鄬踊蛄严杜c煤層之間產(chǎn)生水力聯(lián)系, 將造成煤層氣含量降低.

 

  以陜西韓城礦區(qū)為例, 韓城礦區(qū)山西組含3 號(hào)煤層,太原組含5 號(hào)煤層和11 號(hào)煤層.3 號(hào)煤層含氣量高于5號(hào)煤層和11 號(hào)煤層.5 號(hào)煤層頂部山西組底部的K4 砂巖, 10 , 11 號(hào)煤層上部的石炭系K2 灰?guī)r是煤層直接充水含水層.K4 和K2 之間無(wú)明顯的隔水層, 合為一個(gè)含水層, 灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水、透水性較強(qiáng), 地下水流動(dòng)帶動(dòng)煤層中煤層氣運(yùn)移, 在裂隙巖溶發(fā)育地段或斷裂帶附近逸散, 導(dǎo)致煤層氣含量偏低.

 

  1.3  煤系上覆新生界松散孔隙含水層徑流對(duì)煤層氣運(yùn)移逸散的控制在煤系隱伏地區(qū)上覆新生界地層, 當(dāng)新生界松散孔隙含水層具有良好富水性和水動(dòng)力條件, 且具有較完整的補(bǔ)、徑、排條件時(shí), 地下水徑流作用將攜帶煤層氣運(yùn)移逸散.

 

  開平向斜新生界松散孔隙含水層厚約600 余米, 含水豐富, 滲透性好, 其單位涌水量北部為3 ～ 11 L/(s·m), 南部為0.286 ～ 1.704 L/(s·m), 滲透系數(shù)0.896 ～20.626 m/d , 礦化度290.0 ～ 386.0 mg/L , 水化學(xué)類型為HCO3 -Ca·Mg 型, 它不整合于煤系地層之上, 與煤系地層的主要含水層即煤12下砂巖和煤5上砂巖裂隙含水層相接觸.新生界松散孔隙含水層接受大氣降水并接受奧陶系灰?guī)r的補(bǔ)給后, 把充沛的水量補(bǔ)給煤12下和煤5上的砂巖裂隙含水層, 該含水層在淺部由于受褶皺的影響裂隙非常發(fā)育, 含水性和滲透性能都非常好, 成為地下水徑流的良好通道, 然后在東南方向新生界松散層較厚地段(800 ～ 1 000 m)處, 重又補(bǔ)給新生界松散含水層,形成了較完整的補(bǔ)、徑、排條件(圖2).煤12下和煤5上砂巖裂隙含水層把煤系地層中的煤層氣攜移, 這是向斜東南翼的林西、呂家駝、范各莊等井田煤層含氣量降低的原因之一.

 

  2  水力封閉控氣作用

 

  水力封閉控氣作用發(fā)生于斷裂不甚發(fā)育的寬緩向斜或單斜中, 而且斷裂構(gòu)造主要為不導(dǎo)水性斷裂, 特別是一些邊界斷層, 具有擠壓、逆掩性質(zhì), 成為隔水邊界.煤系地層上部和下部存在良好隔水層, 煤系地層中含水層與上覆新生界松散孔隙含水層、下伏灰?guī)r巖溶裂隙含水層無(wú)水力聯(lián)系.區(qū)域水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單.

 

  煤層直接充水含水層為頂板含水層, 含水層水動(dòng)力較弱, 地下水徑流緩慢甚至停滯.地下水以靜水壓力、重力驅(qū)動(dòng)方式流動(dòng).含水層靠淺部露頭的大氣降水補(bǔ)給.水力封閉控氣作用中一般發(fā)生在深部, 地下水通過(guò)壓力傳遞作用, 使煤層氣吸附于煤中, 煤層氣相對(duì)富集而不發(fā)生運(yùn)移, 煤層含氣量較高.在華北地區(qū)這種水力封閉作用分布廣泛, 具有普遍意義.

 

  以山西晉城礦區(qū)潘莊井田為例.該區(qū)總體上表現(xiàn)為單斜構(gòu)造形式, 次一級(jí)褶皺發(fā)育, 在次級(jí)向斜部位是煤層氣富集區(qū).斷層不發(fā)育, 僅有落差約10 m 的稀疏小斷層.水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單, 煤系下伏奧陶系灰?guī)r含水層、太原組含水層、山西組含水層、上下石盒子組及新生界含水層相互獨(dú)立, 沒(méi)有水力聯(lián)系.煤系下伏巨厚高度巖溶化的寒武-奧陶系灰?guī)r與含煤地層組之間有厚達(dá)35 ～ 50 m 的本溪組隔水層相隔, 中奧陶統(tǒng)峰峰組巖溶發(fā)育差, 富水性極弱, 單位涌水量極低, 對(duì)其下伏灰?guī)r巖溶含水層也起到了相對(duì)隔水作用.太原組15 號(hào)煤層直接被灰?guī)r含水層覆蓋, 灰?guī)r含水層富水, 但徑流強(qiáng)度弱.山西組3 煤頂板砂巖裂隙含水層, 含水性弱, 滲透系數(shù)低, 礦化度高, 深部地下水流動(dòng)緩慢.這兩套含水層以靜水壓力形式把煤層中的煤層氣封閉起來(lái).從太原組和山西組含水層等勢(shì)圖分析, 晉城礦區(qū)煤系地層地下水從NE , SW 向潘莊井田匯流, 使潘莊井田地區(qū)形成低地下水等勢(shì)面, 出現(xiàn)一種高壓力區(qū), 這種高壓力分布區(qū)與高含氣量分布區(qū)相吻合, 顯然地下水對(duì)煤層氣產(chǎn)生封閉作用, 這是本區(qū)煤層含氣量高、煤層氣富集的一個(gè)主要原因.

 

  3  水力封堵控氣作用

 

  水力封堵控氣特征常見(jiàn)于不對(duì)稱向斜或單斜中.在一定壓力差條件下, 煤層氣從高壓力區(qū)向低壓力區(qū)滲流, 或者說(shuō)由深部向淺部滲流.壓力降低使煤層氣解吸, 因此在煤層露頭及淺部是煤層氣逸散帶.如果含水層或煤層從露頭接受補(bǔ)給, 地下水順層由淺部向深部運(yùn)動(dòng), 則煤層中向上擴(kuò)散的氣體將被封堵, 致使煤層氣聚集.

 

  3.1  煤系中的含水層或煤層

 

  地下水徑流方向與煤層氣順層運(yùn)移方向相反, 地下水運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層氣運(yùn)移起封堵作用, 有利于煤層氣的保存.以開灤礦區(qū)為例, 開平向斜為一不對(duì)稱向斜, 西北翼陡, 東南翼緩.兩翼巖層露頭為西北翼高而東南翼低, 造成地下水由新生界松散孔隙含水層由西北翼補(bǔ)給, 向東南翼排泄.因此,西北翼地下水徑流方向與煤層氣順層運(yùn)移方向相反, 煤層本身基本上也不存在地下水的垂向補(bǔ)給, 有利于煤層氣的保存, 這是向斜西北翼馬家溝井田和唐山井田煤層含氣量高的原因之一.而東南翼由于地下水順層方向運(yùn)動(dòng), 與煤層氣運(yùn)移方向相同, 導(dǎo)致煤層氣順地下水徑流而運(yùn)移逸散(屬于水力運(yùn)移逸散作用).

 

  3.2  煤系上覆含水層

 

  另一種情況, 在隱伏煤田, 煤系地層被厚度較大的新生界地層覆蓋, 新生界松散含水層由于徑流弱,處于相對(duì)封閉狀態(tài), 含水層對(duì)順煤層向上運(yùn)移的煤層氣具有封堵作用.

 

  以淮南目標(biāo)區(qū)為例, 該區(qū)主要含水層為新生界松散孔隙含水層, 煤系砂巖與灰?guī)r裂隙含水層.新生界松散孔隙含水層自上而下分為4 層含水層, 3 層隔水層, 總厚為200 ～ 700 m , 其中三含和底部含水層(簡(jiǎn)稱“底含”)與下伏煤系地層直接接觸.三含含水層厚度54.0 m , 單位涌水量0.025 ～ 2.3 L/(s·m), 滲透系數(shù)0.82 ～ 15.98 m/d , 含水性弱到中等, 水質(zhì)類型Cl -Na 型水.而底含含水層厚度為50 m , 單位涌水量為0.017 6 ～ 0.83 L/(s·m), 滲透系數(shù)0.002 8 ～ 2.37 m/d , 含水性弱, 水質(zhì)類型Cl -Na 型水.由于上部3 層隔水層的阻隔, 使煤系地下水補(bǔ)給來(lái)源貧乏, 水平運(yùn)移緩慢, 垂直滲透性差, 近于封閉狀態(tài), 以儲(chǔ)存量為主的含水層.因此, 在這一地區(qū)的單斜、向斜構(gòu)造中, 煤系地層凡與“底含” 接觸區(qū), 如張集、潘集(背斜南翼)、謝李深部等井田煤層中的煤層氣都比較富集.

 

  4  結(jié)  語(yǔ)

 

  水文地質(zhì)條件控氣具有雙重性, 它既可導(dǎo)致煤層氣逸散, 又能起到保存聚集煤層氣的作用.其根本原因是含水層壓力的變化.煤儲(chǔ)層和頂板含水層構(gòu)成一個(gè)完整的地下水系統(tǒng), 在高儲(chǔ)層壓力、高含水層勢(shì)能的地區(qū), 也是煤層氣富集的地區(qū).而在地下水排泄區(qū), 儲(chǔ)層壓力和含水層勢(shì)能降低, 煤層氣逸散.深入研究煤層氣聚集區(qū)的水文地質(zhì)條件, 含水層水動(dòng)力場(chǎng)特征, 含水層的補(bǔ)、徑、排系統(tǒng)和邊界條件, 以及含水層與煤層組合關(guān)系, 含水層勢(shì)能及其滲透性能在三維方向上的變化, 對(duì)分析煤層氣富集以及預(yù)測(cè)煤層氣井產(chǎn)能和區(qū)域煤層氣生產(chǎn)潛力都具有十分重要的意義.