李 鑫，孫亞軍，陳 歌，王厚柱，張志軍

高礦化度礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲介質(zhì)條件及影響機制

李 鑫1，孫亞軍1，陳 歌1，王厚柱2,3，張志軍4

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120；3. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；4. 中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

我國西部干旱–半干旱礦區(qū)既面臨水資源匱乏，又面臨礦井涌水量大、礦井水礦化度高等難題。為減少采煤過程中水資源浪費、保護(hù)西部地區(qū)水生態(tài)環(huán)境，基于保水采煤和煤–水雙資源協(xié)調(diào)開采等理論基礎(chǔ)與技術(shù)方法，圍繞“礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲”這一核心科學(xué)理念，提出將處理后的礦井水進(jìn)行高壓深井轉(zhuǎn)移存儲，轉(zhuǎn)移至煤層底板深部含水層中存儲。在鄂爾多斯盆地東部某礦實施試驗井工程，通過開展野外巖樣采集、室內(nèi)電鏡掃描、巖石成分分析、壓汞等實驗與定量–定性方法，研究目的轉(zhuǎn)移存儲層的水文地質(zhì)條件和特征，分析不同高壓水力壓裂增滲試驗主控因素，對比礦井水水質(zhì)、轉(zhuǎn)移存儲層原生地層水水質(zhì)和轉(zhuǎn)移存儲后混合水質(zhì)，獲取了礦井水高壓持續(xù)深井轉(zhuǎn)移存儲的水文地質(zhì)效應(yīng)。結(jié)果表明：目前試驗井單井累計轉(zhuǎn)移存儲礦井水量已滿足設(shè)計預(yù)期，且持續(xù)高壓水力壓裂增滲方式可不斷改善和漸次增強目的存儲層的礦井水存儲能力，延長服役時效。因此，高礦化度礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有可行性，將對西部地區(qū)水資源保護(hù)、水生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要意義；同時，相比高礦化度礦井水處理成本，能夠有效緩解礦井水處理經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，為西部煤礦區(qū)礦井水轉(zhuǎn)移存儲提供典型示范。

西部地區(qū)；礦井水；高礦化度；深部；轉(zhuǎn)移存儲

在以往的礦井水害防治中，常常認(rèn)為我國西部干旱–半干旱地區(qū)煤多水少，礦井涌水量不大。但隨著西部地區(qū)煤炭開采占比增加，采煤過程中出現(xiàn)了一系列不同于東部礦區(qū)的新問題，如鄂爾多斯盆地煤礦礦井涌水量大并伴隨突水潰砂[1]、礦井水礦化度高[2]、燒變巖區(qū)強富水[3]、黃土地區(qū)垂直裂隙發(fā)育及高鹽礦井水腐蝕井壁[4]和井下設(shè)備[5-6]等，不僅導(dǎo)致煤炭資源安全生產(chǎn)成本的提高，還增加了礦井水害防控的不確定性。眾多學(xué)者針對鄂爾多斯盆地的礦井水難題，通過系統(tǒng)性研究，取得了顯著的科學(xué)成果，如范立民等[7]以保護(hù)西北地區(qū)稀缺水資源和含水系統(tǒng)為前提，提出了“保水采煤”開采理念，構(gòu)建了保水開采分區(qū)的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵參數(shù)。顧大釗等[8-9]提出了利用井下采空區(qū)構(gòu)建煤礦區(qū)地下水庫以存儲、保護(hù)水資源，攻克了水源預(yù)測、水庫選址、庫容計算、壩體構(gòu)筑、安全控制和水質(zhì)保障等一系列技術(shù)難題。鄭琳等[10]提出了在含水層破壞前將水資源轉(zhuǎn)移至不受開采影響的其他含水層或同一含水層的其他區(qū)域，闡明了轉(zhuǎn)移存儲的保水理念。武強等[11]提出礦井水排、供、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”模式，基于礦井水控制、處理、利用、回灌、生態(tài)環(huán)?！拔逦灰惑w”理論基礎(chǔ)，形成煤–水雙資源協(xié)調(diào)開采的綜合技術(shù)體系。保水采煤、地下水庫、轉(zhuǎn)移存儲、煤–水雙資源協(xié)調(diào)開采都以保護(hù)煤礦區(qū)水生態(tài)環(huán)境為出發(fā)點，其目的是統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)煤炭資源開發(fā)與水資源保護(hù)，提高礦井水資源化利用水平和程度。

礦井水傳統(tǒng)處理工藝多以地面大型污水廠集中處理為主，使其達(dá)到復(fù)用水質(zhì)要求后再循環(huán)利用，但多存在基建投資大、礦井水提升運行費用高、占地面積大、二次污染、產(chǎn)生危廢等缺點。若將處理后礦井水直接在地表外排，不僅浪費水資源，造成地下水流失，還違背了地方環(huán)保部門礦井水“零排放”管控要求。結(jié)合目前西部地區(qū)礦井所面臨的礦井涌水量大、礦化度高、水質(zhì)差、處理成本高等一系列復(fù)雜礦井水問題[12]，國內(nèi)學(xué)者針對不同類型礦井水的處理方法，開展研究并取得了大量研究成果，如物理法(潔凈礦井水)[13-17]、混凝和超磁分離法(含懸浮物礦井水)[18-20]、蒸餾、離子交換和膜分離法(高礦化度礦井水)[21-23]、物理、化學(xué)和生物法(酸性礦井水)[24-28]、絮凝沉淀和離子交換法(特殊組分礦井水)等[12,29]，這些方法的使用條件和適用范圍各有差異，往往采用多種工藝相結(jié)合共同解決煤礦實際問題。鄂爾多斯盆地煤礦區(qū)最為突出的是高鹽礦井水的處理問題，如何有效解決高鹽礦井水是礦區(qū)水環(huán)境保護(hù)的核心所在。

迥異于常規(guī)礦井水處理方法，在借鑒平原地區(qū)地下水回灌補給工藝和鄂爾多斯盆地特殊水文地質(zhì)條件及石油驅(qū)油采氣技術(shù)的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)行了礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲的研究。

我國開展人工回灌補給地下水研究較早，緩解了華北平原地區(qū)因地下水過度開采而導(dǎo)致的地下水位急劇下降、水資源枯竭、地面沉降等一系列的水資源與水環(huán)境問題[30]。轉(zhuǎn)移存儲工程多用來人工補給地下水資源，而將礦井水進(jìn)行深井轉(zhuǎn)移存儲，尤其是在鄂爾多斯盆地砂巖地層開展礦井水轉(zhuǎn)移存儲的研究鮮有報道。筆者以鄂爾多斯盆地東部某礦為例，圍繞“礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲”這一核心科學(xué)理念，通過實施試驗井工程，將高礦化度礦井水進(jìn)行深部轉(zhuǎn)移存儲，探尋將三疊系下統(tǒng)劉家溝組地層作為轉(zhuǎn)移存儲層的水文地質(zhì)條件、水力壓裂增滲、轉(zhuǎn)移存儲能力和可行性。旨在探索鄂爾多斯地區(qū)礦井水處理的新技術(shù)、新工藝，降低礦井水深度處理成本，緩解煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)壓力，建立典型示范工程，為未來該工藝的可推廣性和可復(fù)制性奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)自然條件

研究區(qū)處于伊陜斜坡北部，總體地貌形態(tài)為構(gòu)造剝蝕高原，是著名的毛烏素沙漠所在區(qū)。從區(qū)域上看，地下水徑流方向整體由西向東，地下水補給區(qū)主要為西緣逆沖帶(多為導(dǎo)水?dāng)鄬?，中部、中東部地區(qū)徑流緩慢甚至停滯，至東部為排泄區(qū)，主要向無定河、黃河北一帶排泄匯流(圖1)。在煤層開采過程中，導(dǎo)水裂隙帶能夠波及并進(jìn)入上覆砂巖含水層，且與含水層間無完整、有效的隔水層。因此，上覆碎屑巖裂隙承壓含水層成為礦井直接充水水源，且上覆各含水層之間水力聯(lián)系密切。根據(jù)對研究區(qū)礦井水的組分分析，其礦化度約2 g/L，屬于高礦化度水，水化學(xué)類型為SO4-Na、SO4-Ca型，根據(jù)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，水質(zhì)屬于Ⅳ—Ⅴ類。

目前礦井涌水量已超地面污水處理廠飽和能力，且受采煤工藝控制，隨著開采面積增大，礦井涌水量的增加將不可避免。如果將礦井水直接排放地表，將會對當(dāng)?shù)氐叵滤鷳B(tài)環(huán)境造成影響，引發(fā)環(huán)境問題，且鄂爾多斯地區(qū)環(huán)保部門嚴(yán)格實行礦井水零排放管控。高鹽礦井水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放已耗費煤炭企業(yè)數(shù)億元的水處理費用，無疑會顯著增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此，探索新的水處理工藝勢在必行。

1.2 煤層頂板水文地質(zhì)條件

1.3 轉(zhuǎn)移存儲層篩選

為了確定和篩選合適的礦井水轉(zhuǎn)移存儲層，基于水文地質(zhì)條件和安全開采要求，對比研究了多種不同的轉(zhuǎn)移存儲思路：①頂板含水層。頂板延安組砂巖段和直羅組底部砂巖段含水層是開采煤層的直接充水含水層，且水力聯(lián)系密切，轉(zhuǎn)移存儲后突水威脅大，不能從根本上消減水量；第四系含水層和志丹群含水層是當(dāng)?shù)氐叵滤嬘盟?，國家環(huán)保生態(tài)紅線明文規(guī)定“實行人工回灌地下水時不得污染當(dāng)?shù)氐叵滤础焙汀爱?dāng)補給源為地表水體時，該地表水體水質(zhì)不應(yīng)低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)”，故頂板含水層的轉(zhuǎn)移存儲不具有可行性。②離層空間、采空區(qū)。離層和采空區(qū)儲水空間有限，較難滿足礦井水大量轉(zhuǎn)移存儲的需求，還伴有嚴(yán)重突(涌)水危險，服務(wù)時效短。鄂爾多斯盆地部分礦井曾進(jìn)行過一些工程嘗試，雖已暫停，但也證明了向深部含水層進(jìn)行礦井水轉(zhuǎn)移存儲的必要性。③底板含水層。通過對比分析煤層底板各巖層巖性、厚度、水文地質(zhì)條件(表2)，將轉(zhuǎn)移存儲層初步確定為延安組下段寶塔山粗砂巖含水層和三疊系下統(tǒng)劉家溝組含水層。

表1 3-1煤層頂板含(隔)水層情況概要

表2 煤層底板含水層對比分析

根據(jù)煤層底板揭露含隔水層對比分析：寶塔山砂巖雖具備一定儲水能力，但厚度小(平均厚度65 m)，距離6-2中煤層較近，對未來該煤層的開采具有安全威脅；劉家溝組含水層屬于孔隙–裂隙雙重儲水介質(zhì)，厚度高達(dá)416 m，原始狀態(tài)下滲透系數(shù)為5.31×10–6m/d，含水層水量匱乏，自然補給很小，表明人為礦井水轉(zhuǎn)移存儲的體量具有前景；劉家溝組含水層底板埋深2 282 m，距開采煤層1 200 m左右，不會對煤層底板造成突水威脅；且根據(jù)巖心采集情況，劉家溝組砂巖交錯層理、垂直裂隙發(fā)育(圖2)，在持續(xù)高壓水力壓裂增滲的條件下，裂隙容易擴展、延伸、貫通和再生。此外，根據(jù)以往的油氣行業(yè)鉆井資料，在鄂爾多斯盆地東緣劉家溝組區(qū)域性漏失比較突出，高于其他地層；在測井曲線變幅特征上，由延長組至劉家溝組段自然電位逐漸增加，呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀波動，劉家溝組的深/淺側(cè)向電阻率差值明顯與其他地層不同，表明劉家溝組垂向構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，綜合考慮，劉家溝組作為回灌層優(yōu)于寶塔山砂巖含水層。依據(jù)綜合對比分析結(jié)果，劉家溝組裂隙–孔隙雙重儲水介質(zhì)含水層是研究區(qū)范圍內(nèi)較為理想的礦井水轉(zhuǎn)移存儲層位。

圖2 劉家溝組交錯層理和垂直裂隙發(fā)育情況

2 轉(zhuǎn)移存儲層儲水特性研究

2.1 巖樣采集

微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特征是分析劉家溝組礦井水轉(zhuǎn)移存儲能力的基礎(chǔ)。筆者團(tuán)隊采用現(xiàn)場巖心采集與室內(nèi)分析測試結(jié)合的方法對轉(zhuǎn)移存儲層的孔隙和裂隙特征、巖石礦物成分、巖石力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行研究。在鄂爾多斯盆地東部某礦井施工一個試驗注水井，取得寶塔山砂巖巖樣4組(圖3)，劉家溝組巖樣16組(圖4)，采樣深度為1 825.80～ 2 298.71 m。

圖3 寶塔山砂巖巖樣橫斷面

圖4 劉家溝組巖樣橫斷面

取心時，重點進(jìn)行現(xiàn)場分析和編錄，記錄巖心層位及巖性變化，將巖樣拍照、包裝、運送實驗室。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

為獲取微觀結(jié)構(gòu)特征，在實驗室內(nèi)開展了掃描電鏡[31-36]，量化微觀孔隙、裂隙特征。通過對比分析寶塔山砂巖和劉家溝組砂巖的微觀結(jié)構(gòu)，可以清晰觀察到巖石的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)。寶塔山砂巖礦物顆粒小，顆粒間孔隙、裂隙不發(fā)育，喉道細(xì)，連通性較差(圖5)；而劉家溝組砂巖粒間孔、微裂隙均較為發(fā)育，屬于孔隙–裂隙雙重介質(zhì)含水結(jié)構(gòu)(圖6)。

通過壓汞試驗得到劉家溝組平均孔喉半徑和喉道大小分布等數(shù)據(jù)[37-41]，結(jié)果表明劉家溝組砂巖孔徑中值為443.9 nm，喉道平均孔徑為48.39 nm，巖樣的總孔隙率為7.5%，平均孔隙率為5.50%，孔徑范圍基本在6.326～12.087 μm，孔徑小于10 μm的孔隙率為5.3%。含水介質(zhì)孔隙多少和大小都會對地下水運動造成顯著的影響[41]，劉家溝組砂巖原生孔隙發(fā)育程度低，這與現(xiàn)場水位恢復(fù)觀測試驗得到的水位回升速率5 cm/h相符，同時也表明低孔隙率的砂巖介質(zhì)富水性差，具備人工高壓注水增大其存儲空間和儲水能力的前景。

圖5 寶塔山砂巖微裂隙和層間裂隙

圖6 劉家溝組砂巖粒間孔隙和裂隙

2.3 巖石成分分析

使用全巖分析方法對巖石成分進(jìn)行分析，選用較為成熟的X射線衍射物相分析法[42-43]，根據(jù)分析測試數(shù)據(jù)(圖7)，劉家溝組巖石中石英、長石含量高，巖性以泥質(zhì)長石砂巖為主，巖石成分成熟度低，整體泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較高，高達(dá)15%～25%。同時，對劉家溝組地層黏土礦物進(jìn)行X射線衍射定量分析(圖8)，劉家溝組砂巖泥質(zhì)成分中伊利石和伊/蒙間層含量高，幾乎沒有高嶺石和綠泥石。泥質(zhì)含量高會造成含水層初始滲透率差，但黏土礦物中的可溶解礦物和可溶鹽經(jīng)過礦井水滲透時的反復(fù)細(xì)微“沖刷”，可不斷溶蝕、溶解，室內(nèi)滲透試驗出水水質(zhì)TDS含量可達(dá)1.1 g/L，持續(xù)水力壓裂和礦井水溶蝕能夠增強地層儲水的能力，可以使轉(zhuǎn)移存儲層孔隙率增大、裂隙擴展。

圖7 巖樣礦物成分柱狀圖

圖8 黏土礦物成分柱狀圖

在巖樣測試分析中，發(fā)現(xiàn)劉家溝組砂巖層泥質(zhì)含量少，導(dǎo)致巖層抗壓強度低，表現(xiàn)出膠結(jié)性差，巖性脆、受壓易碎的特點。因此，可通過持續(xù)水力壓裂改善劉家溝組的介質(zhì)條件，使其更加適合礦井水轉(zhuǎn)移存儲。

3 單孔壓水試驗及結(jié)果分析

現(xiàn)場壓水試驗為單孔壓水試驗，單孔壓水試驗采用大型注水泵高壓轉(zhuǎn)移存儲(圖9)，并配有專門的止水設(shè)備(止水塞)隔離出試驗段，然后向鉆孔中壓水并記錄注入量，根據(jù)壓力和流量關(guān)系來確定含水層的滲透特征。

圖9 轉(zhuǎn)移存儲工程試驗布置

因注水孔鉆進(jìn)過程鉆井液漏失甚微，人眼較難觀測漏失量變化、巖心致密、鉆井液攜帶砂屑量變化不明顯、水位自然恢復(fù)情況不理想等因素，故筆者團(tuán)隊在現(xiàn)場根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備和施工能力，間斷性開展7次壓水試驗(表3)，注水過程未采取排氣措施，通過壓水試驗初步了解單孔的礦井水轉(zhuǎn)移存儲能力和壓力之間的變化情況。

表3 壓水試驗數(shù)據(jù)

注：第4次試驗時停止壓水，觀測壓力衰減情況。

因前3次放水試驗設(shè)備故障、更換不同型號缸套、環(huán)保檢查和未安裝止水閥門等問題，開展了第4次壓水試驗，將井口壓力通過壓水恢復(fù)到6.2 MPa，停止壓水，觀測壓力衰減情況，初始觀測壓力為5.2 MPa，16 d后壓力下降到4.0 MPa，34 d后壓力下降到3.0 MPa。

受壓力表觀測精度差影響，第4次壓水后壓力整體呈現(xiàn)下凹形的消減趨勢，初始階段壓力下降速率快，隨著時間推移其下降速率逐漸降低，與一般孔隙型地?zé)峄毓噙^程類似，初始注水量大，后期注水量逐漸減少。隨后開展了第5、第6、第7次壓水試驗；第5次采用130 mm缸套開展壓水試驗，初期壓力在4.3～6.0 MPa浮動，當(dāng)井口穩(wěn)定壓力6.3 MPa時，壓水量為53.8 m3/h，水力影響半徑為600 m。第6次更換150 mm缸套繼續(xù)壓水試驗，井口穩(wěn)定壓力為6.7 MPa，壓水量為71.8 m3/h，水力影響半徑為725 m。第7次壓水試驗更換為180 mm缸套，井口穩(wěn)定壓力為6.8 MPa，壓水量為103.3 m3/h，水力影響半徑為885 m。根據(jù)現(xiàn)場后期注水觀測，總體上隨著壓水時間的延續(xù)，注水水量逐漸降低，泵壓緩慢上升。壓水試驗期間出現(xiàn)泵壓跳躍式現(xiàn)象，水壓由7 MPa增長到13 MPa，單孔注水量也降低到100 m3/h以下，主要可能是隨著注水時間增加，地下儲水空間若干裂隙逐漸被填滿，需要通過壓力的增加促使裂隙再生、擴展和溝通新的裂隙，也不排除由于地下熱水產(chǎn)生的結(jié)垢封堵導(dǎo)水孔隙、裂隙的現(xiàn)象。

根據(jù)實際礦井水轉(zhuǎn)移存儲流量和回注壓力的變化趨勢，如圖10所示，將其分為2個階段。以2020年3月8日—6月20日第一階段為初始階段，注水量與壓力的變化趨勢相似，即先增加后趨于穩(wěn)定。礦井水運移通道和劉家溝組地層初期水力壓裂形成的裂隙繼續(xù)擴張，當(dāng)壓力和流量穩(wěn)定時，以上通道和儲水空間達(dá)到最大閾值。隨著時間的推移，劉家溝組含水層的蓄水空間逐漸被礦井水充填。

第二階段為2020年6月21日至11月18日的礦井水轉(zhuǎn)移階段。在這一階段，注水速率減緩，注水壓力呈增加趨勢。礦井注水量呈現(xiàn)波動性變化，表明礦井水轉(zhuǎn)移存儲過程中，原始孔隙、裂隙不斷被充填，再生裂隙不斷形成、擴展。當(dāng)井口壓力達(dá)到8.0 MPa時，部分流量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)波動性趨勢，表明深部轉(zhuǎn)移存儲砂巖層出現(xiàn)了再生裂隙、裂縫貫通等。礦井水繼續(xù)向周圍裂隙空間擴展運移，流量也隨之增加。由于西部礦區(qū)特殊的弱膠結(jié)地層條件和超深高壓回灌的原因[44-45]，目的層的水文地質(zhì)條件及參數(shù)在回灌過程中將發(fā)生劇烈變化，如裂隙擴展情況、滲透系數(shù)等；部分問題還難以通過現(xiàn)有技術(shù)和手段解決，關(guān)于計算超深高壓回灌量的理論方法仍需深入研究。

圖10 礦井水注水流量和注水壓力的變化趨勢

采用吸水指數(shù)來表示注水井的壓水能力大小。吸水指數(shù)是日注水量與注水壓力和靜水壓力之差的比[46]，其公式如下：

吸水指數(shù)多用來表示油氣儲層吸水能力的大小，同理，可將該概念和意義引入礦井水轉(zhuǎn)移存儲領(lǐng)域。一般來說，儲層的吸水能力越強，吸水指數(shù)越大，相應(yīng)地其地層的滲透率也越大[47]。

根據(jù)吸水指數(shù)先減小后增加的變化趨勢可知：注水開始時，原始孔隙、裂隙很快被水充填，造成注水水量有一定程度的降低；但隨著持續(xù)的高壓注水，原始地層中的孔隙、裂隙逐漸擴展、延伸，甚至貫通，使劉家溝組含水層的儲水性能逐漸提升，至第7次壓水試驗時，單井注水流量已超過100 m3/h，吸水指數(shù)也增大至15.2 m3/(h·MPa)，使劉家溝組形成持續(xù)回灌能力成為可能。到現(xiàn)階段，單井礦井水轉(zhuǎn)移存儲總量已經(jīng)達(dá)到原先設(shè)計預(yù)期。結(jié)果表明，單井的潛在轉(zhuǎn)移存儲能力，能夠滿足一定量的礦井水轉(zhuǎn)移存儲需求，一定程度上解決了礦井地面排水問題，緩解了礦井水處理的經(jīng)濟(jì)壓力。

4 轉(zhuǎn)移存儲層水化學(xué)特征分析

依據(jù)轉(zhuǎn)移存儲保障礦井水水質(zhì)占優(yōu)的原則，對比分析礦井水、目的層的水質(zhì)情況對轉(zhuǎn)移存儲至關(guān)重要。

4.1 礦井水水質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場采集的礦井水樣，對礦井水進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果見表4。

表4 礦井水水質(zhì)處理前后對比分析

注：數(shù)據(jù)后邊的L表示低于檢出限。

表5 劉家溝組水質(zhì)情況[48]

4.2 劉家溝組含水層水質(zhì)

本文搜集了劉家溝組水質(zhì)資料(表5)[48]，從表中可見，研究區(qū)礦井水中除氨氮、重碳酸根和硝酸鹽濃度高于目的層劉家溝組外，其余指標(biāo)均較低，礦井水與轉(zhuǎn)移存儲層地下水水質(zhì)具有良好的匹配性，轉(zhuǎn)移存儲后呈現(xiàn)“良水回灌”，次生地下水環(huán)境污染風(fēng)險較低。

4.3 轉(zhuǎn)移存儲后影響分析

4.3.1 上部含水層

劉家溝組距當(dāng)?shù)厮磳又镜と汉畬? 500 m左右，在志丹群與轉(zhuǎn)移存儲目的層之間有安定組、直羅組、延安組、延長組、二馬營組，其中含有數(shù)十層隔水層，且整個井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造屬于簡單型，沒有發(fā)育大型斷層或破碎帶，轉(zhuǎn)移存儲不會對上部水源含水層產(chǎn)生任何影響。

4.3.2 上部煤層

在對劉家溝組含水層進(jìn)行底板轉(zhuǎn)移存儲過程中，在壓水井附近必然存在著較高的水壓力，需要結(jié)合底板的巖層結(jié)構(gòu)、強度特征，評價煤層底板隔水層在高強度壓水條件下的抗破壞能力、突水危險性，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》計算突水系數(shù)進(jìn)行評價。以當(dāng)前最大泵壓13 MPa進(jìn)行計算，216 m的隔水層厚度足以保證煤層開采不受轉(zhuǎn)移存儲影響，而劉家溝組上距煤底板1 200 m左右。研究區(qū)內(nèi)不僅發(fā)育含多層隔水層段的巨厚層狀延長組地層，還發(fā)育砂、泥巖互層的二馬營組，上覆巖層的存在起隔水作用，且區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，無斷層影響上覆含水層和煤炭資源的開采利用，由注水產(chǎn)生的地層壓力不會對煤層的開采造成影響。

4.3.3 下部天然氣

研究區(qū)內(nèi)劉家溝組與二疊系中下統(tǒng)石盒子組、山西組天然氣儲層相距300 m以上，中間夾石千峰組地層。石千峰組地層內(nèi)發(fā)育多層隔水層段，能夠有效阻隔深部地下水的垂向水力聯(lián)系，且根據(jù)石油部門在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的勘探工作證實，劉家溝組地層與其下部地層之間沒有貫通性斷層或破碎帶相連，因此，轉(zhuǎn)移存儲對下部儲存天然氣的開發(fā)不會產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

a. 鄂爾多斯東部某礦煤層上覆含水層富水性強、各含水層之間水力聯(lián)系密切，導(dǎo)水裂隙帶高度波及上覆含水層，受開采工藝限制，礦井涌水量會隨著工作面推進(jìn)而遞增的趨勢難以避免，在地面污水處理廠能力飽和的形勢下，礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲是未來礦井水處理的一個新綠色方向。

b.通過對三疊系下統(tǒng)劉家溝組砂巖微觀結(jié)構(gòu)特征的研究，劉家溝組含水層平均孔隙率為5.13%左右，孔徑范圍基本在6.326～12.087 μm，滲透系數(shù)小、滲透性較弱，但相比其他含水層，其垂向裂縫發(fā)育，具備區(qū)域性漏失特征，且劉家溝組含水層平均厚度416 m，儲水潛力大。

c.試驗井單井注水流量可超過100 m3/h，單井轉(zhuǎn)移儲存能力能夠達(dá)到設(shè)計預(yù)期。劉家溝組砂巖段巖性脆、飽和巖石力學(xué)強度低于32 MPa，在持續(xù)水力壓裂下，原生天然裂隙和人工裂隙所構(gòu)成的裂隙體系會進(jìn)一步再生、擴展、延伸和貫通，提高持續(xù)存儲能力和前景。

d.將礦井水和劉家溝組原生地層水水質(zhì)進(jìn)行對比分析，總體上礦井水水質(zhì)優(yōu)于劉家溝組含水層水質(zhì)，經(jīng)過簡單處理后，完全滿足深井轉(zhuǎn)移存儲的水質(zhì)要求，并且正常工況下劉家溝組含水層與其他含水層之間無水力聯(lián)系，礦井水不會對地下水產(chǎn)生二次污染。

e.圍繞“礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲”這一核心科學(xué)理念，通過工程實施實現(xiàn)礦井水的綠色處理，不僅保護(hù)了西部地區(qū)脆弱的水生態(tài)環(huán)境，也減少礦井水的排放量，節(jié)約煤炭開采成本，為轉(zhuǎn)移存儲技術(shù)的深入研究和系統(tǒng)構(gòu)建提供一個理論框架，同時對西部類似礦區(qū)具有重要的參考價值。但轉(zhuǎn)移存儲技術(shù)仍存在很多科學(xué)問題需深入研究，選擇低孔–低滲地層作為目的層其滲透系數(shù)的變化規(guī)律、回灌量理論計算方法、可持續(xù)回灌能力的形成條件、相關(guān)法律法規(guī)制定等。

致謝：特別感謝中煤西北能源有限公司、中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院相關(guān)技術(shù)人員在工程現(xiàn)場的技術(shù)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)記錄工作。

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Medium conditons and influence mechanism of high salinity mine water transfer and storage by deep well recharge

LI Xin1, SUN Yajun1, CHEN Ge1, WANG Houzhu2,3, ZHANG Zhijun4

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. China National Coal Group Corporation, Beijing 100120, China; 3.College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 4. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China)

In the arid and semi-arid regions of the Western China, there is not only a shortage of water resources, but also the problems of large mine water inflow and high salinity of mine water. In order to reduce the waste of water resources in the mining activities and protect water ecological environment in the region, it is proposed to treat the mine water by deeper well recharge to the aquifers under the coal seam based on the theories and technical methods such as mine water transfer and storage, water-preserving mining and coal-water dual resource coordinated mining. A test well project was implemented in a mine in the eastern part of the Ordos Basin. The storage space characteristics of the target recharge aquifers were studied by collecting rock samples, scanning electron microscopy, rock composition analysis and mercury intrusion experiments and quantitative and qualitative methods. Then, the main controlling factors of the in-situ water pressure tests were analyzed, and the quality of mine water and the water quality of the targeted recharge aquifer were compared. Finally the hydrogeological effect of mine water recharge was verified. The research results showed that the potential transport and storage capacity of a single well of the test well could meet a certain amount of mine water recharge demand. Transfer and storage cannot only improve the water richness of the targeted aquifers, but also have a significant impact on the protection of water resources and water ecological environment in the Western China. At the same time, it can reduce the cost of advanced mine water treatment, and relieve the environmental pressure of mine water discharge, which is a typical demonstration for transfer and storage of mine water in western coal mining area.

western China; mine water; high salinity; deep strata; transfer and storage

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語音講解

TD74；TD82

A

1001-1986(2021)05-0017-12

2021-01-19；

2021-07-14

國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFC1805400)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2020ZDPY0201)

李鑫，1997年生，男，河南周口人，博士研究生，研究方向為地下水科學(xué)與工程. E-mail：lixin2020@cumt.edu.cn

孫亞軍，1963年生，男，安徽渦陽人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為礦井水害防治與污染防控. E-mail：syj@cumt.edu.cn

李鑫，孫亞軍，陳歌，等. 高礦化度礦井水深部轉(zhuǎn)移存儲介質(zhì)條件及影響機制[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：17–28. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.002

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(責(zé)任編輯 周建軍)