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)通過地層壓力對煤層氣吸附聚集起控制作用.

 

  因此, 水文地質(zhì)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, 本文著重討論前者, 水文地質(zhì)條件對煤層氣產(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 種作用導致煤層氣運移、散失, 后兩種作用則有利于煤層氣保存、富集.

 

  1  水力運移逸散作用

 

  水力運移逸散控氣作用常見于導水性強的斷層構造發(fā)育地區(qū).通過導水斷層或裂隙, 溝通煤層與含水層.水文地質(zhì)單元的補、徑、排系統(tǒng)完整, 含水層富水性與水動力強, 含水層與煤層水力聯(lián)系較好.在地下水的運動過程中, 地下水攜帶煤層中氣體運移而逸散.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煤層氣運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、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)為一伸展斷塊構造, 張性斷層發(fā)育.鼓山西的和村-孫莊向斜的構造線方向主要以NE 向為主, 地下水流動方向與斷裂平行或近似平行, 形成了地下水的強徑流帶.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.隨著儲層壓力降低, 導致煤層吸附氣解吸, 并隨強烈的地下水徑流發(fā)生運移(圖1).地下水徑流或含水層遇巨大隔水斷裂阻隔時, 地下水上升流出地面, 攜帶煤層氣逸散, 造成地下水補給區(qū)至隔水斷裂之間地帶煤層的含氣量降低.在河北邢臺礦區(qū)、河南安陽礦區(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煤層氣運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力強, 并通過導水斷層或裂隙與煤層之間產(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 號煤層,太原組含5 號煤層和11 號煤層.3 號煤層含氣量高于5號煤層和11 號煤層.5 號煤層頂部山西組底部的K4 砂巖, 10 , 11 號煤層上部的石炭系K2 灰?guī)r是煤層直接充水含水層.K4 和K2 之間無明顯的隔水層, 合為一個含水層, 灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水、透水性較強, 地下水流動帶動煤層中煤層氣運移, 在裂隙巖溶發(fā)育地段或斷裂帶附近逸散, 導致煤層氣含量偏低.

 

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

 

  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的補給后, 把充沛的水量補給煤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, 重又補給新生界松散含水層,形成了較完整的補、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, 而且斷裂構造主要為不導水性斷裂, 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巖溶裂隙含水層無水力聯(lián)系.區(qū)域水文地質(zhì)條件簡單.

 

  煤層直接充水含水層為頂板含水層, 含水層水動力較弱, 地下水徑流緩慢甚至停滯.地下水以靜水壓力、重力驅(qū)動方式流動.含水層靠淺部露頭的大氣降水補給.水力封閉控氣作用中一般發(fā)生在深部, 地下水通過壓力傳遞作用, 使煤層氣吸附于煤中, 煤層氣相對富集而不發(fā)生運移, 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)為單斜構造形式, 次一級褶皺發(fā)育, 在次級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立, 沒有水力聯(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, 對其下伏灰?guī)r巖溶含水層也起到了相對隔水作用.太原組15 號煤層直接被灰?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.從太原組和山西組含水層等勢圖分析, 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、煤層氣富集的一個主要原因.

 

  3  水力封堵控氣作用

 

  水力封堵控氣特征常見于不對稱向斜或單斜中.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給, 地下水順層由淺部向深部運動, 則煤層中向上擴散的氣體將被封堵, 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移方向相反, 地下水運動對煤層氣運移起封堵作用, 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移方向相反, 煤層本身基本上也不存在地下水的垂向補給, 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動, 與煤層氣運移方向相同, 導致煤層氣順地下水徑流而運移逸散(屬于水力運移逸散作用).

 

  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,處于相對封閉狀態(tài), 含水層對順煤層向上運移的煤層氣具有封堵作用.

 

  以淮南目標區(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, 使煤系地下水補給來源貧乏, 水平運移緩慢, 垂直滲透性差, 近于封閉狀態(tài), 以儲存量為主的含水層.因此, 在這一地區(qū)的單斜、向斜構造中, 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  語

 

  水文地質(zhì)條件控氣具有雙重性, 它既可導致煤層氣逸散, 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.煤儲層和頂板含水層構成一個完整的地下水系統(tǒng), 在高儲層壓力、高含水層勢能的地區(qū), 也是煤層氣富集的地區(qū).而在地下水排泄區(qū), 儲層壓力和含水層勢能降低, 煤層氣逸散.深入研究煤層氣聚集區(qū)的水文地質(zhì)條件, 含水層水動力場特征, 含水層的補、徑、排系統(tǒng)和邊界條件, 以及含水層與煤層組合關系, 含水層勢能及其滲透性能在三維方向上的變化, 對分析煤層氣富集以及預測煤層氣井產(chǎn)能和區(qū)域煤層氣生產(chǎn)潛力都具有十分重要的意義.