劉毅濤， 王國文， 龍陸軍， 趙 岳， 趙 明， 薛美平

(1.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200； 2.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

鄂爾多斯地區(qū)煤炭資源豐富，目前己建成一批現(xiàn)代化大型礦井，是我國重要的煤炭能源供給基地之一。由于地層含水層較多且富水性強，該地區(qū)礦井普遍涌水量較大，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來威脅的同時也大大增加了企業(yè)生產(chǎn)成本，因此該地區(qū)諸多礦井始終積極尋求安全、有效、低成本的礦井水處理方式。

傳統(tǒng)礦井水處理利用方法是將礦井水由井下水倉預(yù)處理后提升至地表，通過地面上大型污水處理設(shè)施集中處置，達到復用水質(zhì)要求后，部分在地面利用，如化工廠使用，部分再返回到井下利用，這種方法存在基建投資大、礦井水提升運行費用高、占地面積大等缺點?，F(xiàn)階段一些礦井水處理新技術(shù)也取得比較廣泛的應(yīng)用，如礦井水井下處理系統(tǒng)專利技術(shù)，包括沉淀系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、阻垢系統(tǒng)、以及供水系統(tǒng)，其具有處理效果好、水質(zhì)穩(wěn)定，抗沖擊負荷強的特點，但由于過濾池占地較大，不適合于較大水量的井下處理[1]；高礦化度礦井水反滲透技術(shù)應(yīng)用也十分廣泛，但因投資和運行成本都較高，還要求設(shè)備做好防爆、防潮、防靜電等工作，只適合于小水量的處理，在井下應(yīng)用較少[2]。此外，一些煤礦為處理大量礦井水興建蓄水池，應(yīng)用蒸發(fā)結(jié)晶法進行處理，但是處理效率較低，并且占地面積大，運營成本高。為實現(xiàn)鄂爾多斯地區(qū)礦井水零排放的環(huán)保目標，加快高礦化度礦井水處理效率，降低處理成本，研發(fā)了一種新型礦井水深井回灌技術(shù)，可實現(xiàn)礦井水的安全、環(huán)保、高效處理，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

目前我國廢液深井回灌技術(shù)的應(yīng)用和研究剛剛起步，部分地區(qū)已開展了相關(guān)廢液地下回灌處置技術(shù)實踐[3]，但在礦井水回灌領(lǐng)域鮮有應(yīng)用。國內(nèi)唯一成功實施的礦井水回灌工程實例為梧桐莊礦礦井水回灌工程，其回灌屬于同層回灌，并且回灌層為灰?guī)r[4-8]。與梧桐莊礦回灌工程不同的是，本次鄂爾多斯地區(qū)礦井水目的回灌層巖性為砂巖，且回灌目的層深度大、滲透系數(shù)低，實施過程中配套了完整的鉆探、固井、射孔工藝及壓水試驗等工作，取得了預(yù)期回灌效果。

1 回灌目的層選取

礦井水深井回灌技術(shù)主要原理是將礦井水通過壓力泵及回灌井注入到深部合適地層中，此技術(shù)成功應(yīng)用的前提是回灌目的層的選取[9]，目的層應(yīng)位于煤系下較深層位，與煤層之間存在穩(wěn)定的間隔距離及隔水層。同時，應(yīng)定量化選擇層位參數(shù)指標，并據(jù)此建立回灌層遴選綜合評價方法，確?；毓嗄康膶拥倪x擇更加科學、精準，以進一步增加回灌成功率，最大限度提高回灌總量，延長回灌井使用年限。

1.1 試驗區(qū)地質(zhì)背景

本次選取的回灌試驗區(qū)位于位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市以南80km處呼吉爾特礦區(qū)。試驗區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地一級構(gòu)造帶伊陜斜坡的中北部。鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構(gòu)造簡單，總體為北北向單斜構(gòu)造，傾角平緩，1°～6°，廣泛分布低幅度構(gòu)造，主要為低緩的長軸鼻隆，由于所受應(yīng)力的一致性，其延伸方向基本保持一致，通常西部較為平緩，東部比西部略陡[10]。在伊陜斜坡內(nèi)低幅度構(gòu)造中，其構(gòu)造幅度在10～30m，構(gòu)造類型在鄂爾多斯盆地的伊斜坡上的低幅度構(gòu)造中，具有繼承性發(fā)育及演化的特點。

本區(qū)回灌井揭露的地層由老到新依次為上二疊統(tǒng)石千峰組(P2sh)，下三疊統(tǒng)劉家溝組(T1l)、和尚溝組(T1h)，中三疊統(tǒng)二馬營組(T2e)，上三疊統(tǒng)延長組(T3y)，下中侏羅統(tǒng)延安組(J1-2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，下白堊統(tǒng)志丹群(K1Zd)及第四系(Q)。其中煤層位于下中侏羅統(tǒng)延安組(J1-2y)，埋深在500～800m。

1.2 試驗區(qū)地下含水系統(tǒng)

試驗區(qū)位于白堊系碎屑巖裂隙孔隙含水層系統(tǒng)水文地質(zhì)單元分區(qū)的鄂爾多斯東區(qū)(Ⅱ)區(qū)地下水系統(tǒng)。根據(jù)地形地貌，水動力，水化學和補徑排等特點，將鄂爾多斯東區(qū)(Ⅱ1)區(qū)地下水系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)，即烏蘭木倫河子系統(tǒng)(Ⅱ1-1)，蘇貝淖-紅堿淖子系統(tǒng)(Ⅱ1-2)，無定河子系統(tǒng)(Ⅱ1-3)[11-13]。試驗礦區(qū)位于無定河子系統(tǒng)(Ⅱ1-3)的西北部(圖1)。

圖1 鄂爾多斯自流水盆地水文地質(zhì)單元分區(qū)[11]Figure 1 Ordos artesian basin hydrogeological unit partition (after reference [11])

縱向上，試驗區(qū)回灌目的層三疊系底部劉家溝位于石炭-侏羅系裂隙水含水層，其底界為本溪組鋁土質(zhì)泥頁巖夾鐵礦層，頂界為中上侏羅統(tǒng)發(fā)育的大套泥質(zhì)巖類，此含水系統(tǒng)連續(xù)性較好，地下水的補給條件差，水量貧乏，且與其他含水層之間有良好的隔水層，不與其他含水層連通[12-14]。此外劉家溝組含水層厚度較大，是以裂隙水和孔隙水為主的砂巖含水層，儲水和導水性能良好，是理想的礦井水回灌層位。

1.3 回灌目的層巖性

回灌目的層的選擇應(yīng)位于地質(zhì)構(gòu)造簡單的區(qū)域，沒有貫通上下部隔水層的深大斷裂。選擇的目的層砂巖總體較厚，與上部煤層保持有效安全距離并有多組隔水層。通過煤層深部地層的篩選，最終選擇三疊系底部的劉家溝組為本次優(yōu)選回灌目的層。根據(jù)采取的巖心、撈取的砂樣以及測井曲線判斷，從1 840m進入劉家溝組，但因劉家溝組與和尚溝組屬于整合接觸，巖性差異較小。劉家溝組砂巖主要為肉紅色、灰白色中砂巖，鈣質(zhì)膠質(zhì)，致密且硬，分選中等，石千峰組上部為棕紅色砂質(zhì)泥巖、細砂巖、淺灰色中砂巖，界面上下巖層顏色差異比較明顯。

劉家溝組孔隙裂隙含水層揭露深度1 840～2 256.40m，厚416.4m，實際砂巖段地層總厚309m，占全段地層(416.4m)比例為74.2%。

1.4 回灌目的層滲透性能

礦井水回灌試驗孔成孔后，進行了7次單孔壓水試驗。第1次至第3次壓水試驗，單次持續(xù)時間24～31h，根據(jù)孔口壓力及缸套直徑的不同，注水量有所變化，孔口壓力6.2 MPa，缸套直徑130mm時，流量為68.2 m3/h；第4次壓水試驗停注并觀測壓力消散情況，39d后壓力從6.2 MPa下降至4.0 MPa；第5次至第7次壓水試驗，單次持續(xù)時間72～75h，孔口壓力6.8 MPa、缸套直徑180mm條件下，流量穩(wěn)定在100m3/h。試驗采用專門的止水設(shè)備(止水塞)隔離出試驗段，然后向鉆孔中壓水并測量壓入的水量大小，根據(jù)壓力和流量關(guān)系來確定巖體的滲透特征。

根據(jù)壓水試驗觀測數(shù)據(jù)，可以對目的回灌層劉家溝組進行水文地質(zhì)參數(shù)進行求取。在后期穩(wěn)定階段滿足地下水向承壓水完整井的穩(wěn)定運動條件，即符合圓島模型假設(shè)(廣義)：無限含水層，產(chǎn)狀水平、等厚、均質(zhì)、各向同性；長時間抽水后會出現(xiàn)似穩(wěn)定狀態(tài)，取R為影響半徑。則有：

(1)

記sw=H0-hw，有

(2)

式中：R為影響半徑，m；rw為壓水井井半徑，mm；H0為含水層原水位，m；hw為壓水井井水位，m；K為滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m。

根據(jù)測井資料可知，劉家溝組的砂巖層累計厚度為309m，測井實際過水段井徑為107mm。

通過計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，利用五次壓水試驗數(shù)據(jù)，在達到穩(wěn)定狀態(tài)后所得數(shù)據(jù)求的滲透系數(shù)均在同一數(shù)量級，且差別不大，證明所求滲透系數(shù)較為可靠，最終取0.011 29m/d作為后期數(shù)值模擬中回灌目的層的滲透系數(shù)(表1)。

表1 壓水試驗求參結(jié)果

2 回灌流量與壓力變化

試驗區(qū)回灌井注水370d后，孔口壓力從6MPa穩(wěn)步上升至8 MPa，持續(xù)注水，流量維持在70～120m3/h。截止到2021年7月，共注水80.67萬m3。

對注水試運行期進行數(shù)據(jù)按月份進行統(tǒng)計，從2020年4月開始，注水平均流量為77.18～104.29m3/h，2021年1月、2月平均流量最低，為77～78m3/h，其他月份注水流量平穩(wěn)；孔口壓力由最初6.9MPa開始，2020年9月平穩(wěn)增至8MPa，2021年1月、2月孔口平均壓力增高至8.42MPa，與低流量時段對應(yīng)?？卓趬毫ψ兓脑蚴怯捎趦?nèi)蒙地區(qū)冬天天氣嚴寒，注水泵管路低溫結(jié)冰，引起了注水流量的降低和注水壓力的升高。

由于注水試運行期由2020年4月15日開始，2020年4月、2021年4月注水時長少于1個月，故注水量明顯偏低。除2021年1月、2月外，其他月份注水穩(wěn)定(圖2)?？傮w上，在為期一年的注水試運行期間，流量基本保持穩(wěn)定，孔口壓力緩慢上升，注水運行情況平穩(wěn)。

時間圖2 注水試運行期平均注水流量統(tǒng)計Figure 2 Water infusion pilot run period average infusedinflow statistics

3 長期回灌效果預(yù)測

3.1 數(shù)值模擬目的

根據(jù)試驗區(qū)礦井水長期處理需求，設(shè)置不同回灌方案進行數(shù)值模擬分析，來預(yù)測長期回灌條件下劉家溝組的流場變化情況，評價不同的回灌方案的優(yōu)劣。

數(shù)值模擬分析時主要考慮以下條件：

1)在現(xiàn)有地質(zhì)參數(shù)背景下，擬定不同回灌方案，預(yù)測回灌目的層的流場變化情況和回灌量的變化。

2)模擬回灌時間為一年。

3.2 回灌方案

為發(fā)揮最佳效能，回灌井需兼具勘探、試驗、壓水回灌等多種功能，實際回灌過程中將根據(jù)現(xiàn)場條件、施工水平和水文地質(zhì)條件等反饋信息實時調(diào)整回灌量。根據(jù)已獲得壓水數(shù)據(jù)，設(shè)計1 600、2 000、2 400、3 000和3 600m3/d五個流量梯度，模擬長期回灌條件下劉家溝組流場變化情況和累計最大回灌值。

根據(jù)已有條件，當壓水水壓達到20MPa時即已達到設(shè)備所能承受的最大壓力。本次模擬時間為365d。

3.3 模型建立與參數(shù)選取

采用有限差分法對不同回灌量及其回灌效果進行模擬，模擬時采用Visual MODFIOW數(shù)值模擬軟件。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析可知，研究區(qū)劉家溝組在鄂爾多斯盆地區(qū)域內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定，且大型構(gòu)造不發(fā)育，因此，可近似認為無限邊界。在實際數(shù)值模擬過程中，取100R作為模擬邊界(零流量邊界)。

首先，擬定劉家溝組整體滲透性分兩種條件:第一種條件，根據(jù)前述分析，劉家溝組由于裂縫發(fā)育，其整體滲透性相對較好，但存在平面與垂向的非均質(zhì)性。本次鉆孔揭露的劉家溝組多位于低滲透區(qū)域，由于劉家溝組破碎壓力低，壓裂后在其影響范圍內(nèi)與周圍天然裂縫導通，隨著壓力的傳遞，持續(xù)形成延續(xù)型誘導裂縫，進一步連通天然裂縫，組成的動態(tài)裂縫網(wǎng)絡(luò)，有效擴展網(wǎng)狀導水通道。

第二種條件，劉家溝組整體滲透性差，根據(jù)有關(guān)文獻，水力壓裂的有效半徑為600～700m，有效半徑外滲透系數(shù)為1.5×10-5m/d。

分兩種條件開展流場變化模擬，分析兩個月后劉家溝組的流場變化情況與實測資料的吻合程度(圖3，圖4)。

第一種條件，即邊界無限遠，模擬參數(shù)為：滲透系數(shù)0.011m/d，初始水頭-80m，回灌量2 400m3/d，模擬時間60d。

經(jīng)過兩個月的回灌后，井口附近水位達到256m，壓水壓力變?yōu)?.1MPa，實際觀測壓力為7.0MPa，較實際觀測壓力高。

第二種條件，即以700m為壓裂邊界，小于700m時，與第一種條件模擬參數(shù)相同；大于700m時，滲透系數(shù)取1.5×10-5m/d，其它模擬參數(shù)與第一種條件模擬參數(shù)相同。

回灌量達到2 400m3/d時，兩個月后井口水位就已達到773m，實際觀測壓力為7.5MPa，符合實際情況。

由以上兩種不同條件下的回灌模擬結(jié)果分析可知，第一種條件下，劉家溝組整體滲透性能較好，與實際觀測結(jié)果相吻合。由于劉家溝組發(fā)育較厚砂巖，原始裂縫發(fā)育，因此通過壓裂手段可顯著增加劉家溝組的滲透性，并進一步擴展和增加可回灌空間。實際回灌過程中回灌量是動態(tài)變化的，且實際回灌過程存在中斷現(xiàn)象，與理想條件相比總回灌量較小，因此模擬值較實測值偏大。

a理想條件 b非理想條件圖3 流場云圖Figure 3 Flow field nephogram

圖4 不同回灌方案下的流場模擬云圖Figure 4 Flow field simulation nephogram under different water infusion schemes

3.4 模擬結(jié)果分析

按照不同流量的回灌方案模擬一年后劉家溝組的流場變化情況。回灌一年后，不同回灌流量下的流場差異較大，其中回灌流量為1 600m3/d時，井口附近水位達到176m；回灌流量為3 600m3/d時，井口附近水位達到497m，不同回灌流量均能正常運行(表2)。

以上結(jié)果表明，回灌時間滿一年后，各回灌流量下的壓水壓力均變大，其中回灌流量為3 600m3/d時，壓水壓力達到了20MPa的閾值，達到設(shè)備的最大回灌水壓，因此需進一步進行壓裂增透?；毓嗔髁繛? 400m3/d和3 000m3/d時所達到的回灌效果較好，滿足一年期的回灌要求，并且可以繼續(xù)回灌，延長了回灌井的使用期限。

表2 回灌量與壓力變化

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的研究分析，劉家溝組原生滲透性能較好，但由于埋深較深，無外力干擾情況下，深部地層內(nèi)的地下水交替循環(huán)幾乎處于停滯狀態(tài)；人工外力注入礦井水發(fā)生井下壓裂后，巖石原生裂縫網(wǎng)絡(luò)得到了溝通和擴展，形成了可觀的裂縫空間網(wǎng)絡(luò)，礦井水進入存儲空間內(nèi)并形成高壓水丘。受地層的“水桶效應(yīng)”影響，大量的礦井水存儲于“水桶”內(nèi)，少量的礦井水會在原生低滲地層的非均質(zhì)性及其裂縫發(fā)育影響下緩慢向回灌目的層區(qū)域下游出露排泄處運移。

4 結(jié)論

1)礦井水深部回灌目的層的選擇應(yīng)位于地質(zhì)構(gòu)造簡單的區(qū)域，沒有貫通上下部隔水層的深大斷裂，砂巖總體厚度厚，與上部煤層保持有效安全距離并有多組隔水層。通過對鄂爾多斯盆地北部試驗區(qū)深部地層的篩選，最終選擇三疊系底部的劉家溝組為本次回灌試驗優(yōu)選目的層。

2)劉家溝組砂巖主要為肉紅色、灰白色中砂巖，鈣質(zhì)膠質(zhì)，致密且硬，分選中等，地層實際砂巖段地層總厚309m，廣泛發(fā)育平行層理、交錯層理。通過壓水試驗計算出滲透系數(shù)為0.011 29m/d。在為期一年的注水試運行期中，流量基本保持穩(wěn)定，孔口壓力緩慢上升，注水運行情況平穩(wěn)。

3)通過數(shù)值模擬分析可知，劉家溝組表現(xiàn)出較為理想的水文地質(zhì)特征，通過壓裂能夠進一步增加劉家溝組整體滲透性能，擴展和增加可回灌空間。設(shè)計回灌流量為2 400m3/d和3 000m3/d時所達到的回灌效果較好，滿足了一年期的回灌要求，并且可持續(xù)回灌，使用期限得以延長。