矿井水深部回灌运移机理及扩散规律研究

刘毅涛， 王国文， 龙陆军， 赵 岳， 赵 明， 薛美平

(1.中煤西北能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017200； 2.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

鄂尔多斯地区煤炭资源丰富，目前己建成一批现代化大型矿井，是我国重要的煤炭能源供给基地之一。由于地层含水层较多且富水性强，该地区矿井普遍涌水量较大，给煤矿的安全生产带来威胁的同时也大大增加了企业生产成本，因此该地区诸多矿井始终积极寻求安全、有效、低成本的矿井水处理方式。

传统矿井水处理利用方法是将矿井水由井下水仓预处理后提升至地表，通过地面上大型污水处理设施集中处置，达到复用水质要求后，部分在地面利用，如化工厂使用，部分再返回到井下利用，这种方法存在基建投资大、矿井水提升运行费用高、占地面积大等缺点。现阶段一些矿井水处理新技术也取得比较广泛的应用，如矿井水井下处理系统专利技术，包括沉淀系统、过滤系统、阻垢系统、以及供水系统，其具有处理效果好、水质稳定，抗冲击负荷强的特点，但由于过滤池占地较大，不适合于较大水量的井下处理[1]；高矿化度矿井水反渗透技术应用也十分广泛，但因投资和运行成本都较高，还要求设备做好防爆、防潮、防静电等工作，只适合于小水量的处理，在井下应用较少[2]。此外，一些煤矿为处理大量矿井水兴建蓄水池，应用蒸发结晶法进行处理，但是处理效率较低，并且占地面积大，运营成本高。为实现鄂尔多斯地区矿井水零排放的环保目标，加快高矿化度矿井水处理效率，降低处理成本，研发了一种新型矿井水深井回灌技术，可实现矿井水的安全、环保、高效处理，具有广泛的推广应用价值。

目前我国废液深井回灌技术的应用和研究刚刚起步，部分地区已开展了相关废液地下回灌处置技术实践[3]，但在矿井水回灌领域鲜有应用。国内唯一成功实施的矿井水回灌工程实例为梧桐庄矿矿井水回灌工程，其回灌属于同层回灌，并且回灌层为灰岩[4-8]。与梧桐庄矿回灌工程不同的是，本次鄂尔多斯地区矿井水目的回灌层岩性为砂岩，且回灌目的层深度大、渗透系数低，实施过程中配套了完整的钻探、固井、射孔工艺及压水试验等工作，取得了预期回灌效果。

1 回灌目的层选取

矿井水深井回灌技术主要原理是将矿井水通过压力泵及回灌井注入到深部合适地层中，此技术成功应用的前提是回灌目的层的选取[9]，目的层应位于煤系下较深层位，与煤层之间存在稳定的间隔距离及隔水层。同时，应定量化选择层位参数指标，并据此建立回灌层遴选综合评价方法，确保回灌目的层的选择更加科学、精准，以进一步增加回灌成功率，最大限度提高回灌总量，延长回灌井使用年限。

1.1 试验区地质背景

本次选取的回灌试验区位于位于内蒙古自治区鄂尔多斯市以南80km处呼吉尔特矿区。试验区在区域构造上位于鄂尔多斯盆地一级构造带伊陕斜坡的中北部。鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造简单，总体为北北向单斜构造，倾角平缓，1°～6°，广泛分布低幅度构造，主要为低缓的长轴鼻隆，由于所受应力的一致性，其延伸方向基本保持一致，通常西部较为平缓，东部比西部略陡[10]。在伊陕斜坡内低幅度构造中，其构造幅度在10～30m，构造类型在鄂尔多斯盆地的伊斜坡上的低幅度构造中，具有继承性发育及演化的特点。

本区回灌井揭露的地层由老到新依次为上二叠统石千峰组(P2sh)，下三叠统刘家沟组(T1l)、和尚沟组(T1h)，中三叠统二马营组(T2e)，上三叠统延长组(T3y)，下中侏罗统延安组(J1-2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，下白垩统志丹群(K1Zd)及第四系(Q)。其中煤层位于下中侏罗统延安组(J1-2y)，埋深在500～800m。

1.2 试验区地下含水系统

试验区位于白垩系碎屑岩裂隙孔隙含水层系统水文地质单元分区的鄂尔多斯东区(Ⅱ)区地下水系统。根据地形地貌，水动力，水化学和补径排等特点，将鄂尔多斯东区(Ⅱ1)区地下水系统分为三个子系统，即乌兰木伦河子系统(Ⅱ1-1)，苏贝淖-红碱淖子系统(Ⅱ1-2)，无定河子系统(Ⅱ1-3)[11-13]。试验矿区位于无定河子系统(Ⅱ1-3)的西北部(图1)。

图1 鄂尔多斯自流水盆地水文地质单元分区[11]Figure 1 Ordos artesian basin hydrogeological unit partition (after reference [11])

纵向上，试验区回灌目的层三叠系底部刘家沟位于石炭-侏罗系裂隙水含水层，其底界为本溪组铝土质泥页岩夹铁矿层，顶界为中上侏罗统发育的大套泥质岩类，此含水系统连续性较好，地下水的补给条件差，水量贫乏，且与其他含水层之间有良好的隔水层，不与其他含水层连通[12-14]。此外刘家沟组含水层厚度较大，是以裂隙水和孔隙水为主的砂岩含水层，储水和导水性能良好，是理想的矿井水回灌层位。

1.3 回灌目的层岩性

回灌目的层的选择应位于地质构造简单的区域，没有贯通上下部隔水层的深大断裂。选择的目的层砂岩总体较厚，与上部煤层保持有效安全距离并有多组隔水层。通过煤层深部地层的筛选，最终选择三叠系底部的刘家沟组为本次优选回灌目的层。根据采取的岩心、捞取的砂样以及测井曲线判断，从1 840m进入刘家沟组，但因刘家沟组与和尚沟组属于整合接触，岩性差异较小。刘家沟组砂岩主要为肉红色、灰白色中砂岩，钙质胶质，致密且硬，分选中等，石千峰组上部为棕红色砂质泥岩、细砂岩、浅灰色中砂岩，界面上下岩层颜色差异比较明显。

刘家沟组孔隙裂隙含水层揭露深度1 840～2 256.40m，厚416.4m，实际砂岩段地层总厚309m，占全段地层(416.4m)比例为74.2%。

1.4 回灌目的层渗透性能

矿井水回灌试验孔成孔后，进行了7次单孔压水试验。第1次至第3次压水试验，单次持续时间24～31h，根据孔口压力及缸套直径的不同，注水量有所变化，孔口压力6.2 MPa，缸套直径130mm时，流量为68.2 m3/h；第4次压水试验停注并观测压力消散情况，39d后压力从6.2 MPa下降至4.0 MPa；第5次至第7次压水试验，单次持续时间72～75h，孔口压力6.8 MPa、缸套直径180mm条件下，流量稳定在100m3/h。试验采用专门的止水设备(止水塞)隔离出试验段，然后向钻孔中压水并测量压入的水量大小，根据压力和流量关系来确定岩体的渗透特征。

根据压水试验观测数据，可以对目的回灌层刘家沟组进行水文地质参数进行求取。在后期稳定阶段满足地下水向承压水完整井的稳定运动条件，即符合圆岛模型假设(广义)：无限含水层，产状水平、等厚、均质、各向同性；长时间抽水后会出现似稳定状态，取R为影响半径。则有：

(1)

记sw=H0-hw，有

(2)

式中：R为影响半径，m；rw为压水井井半径，mm；H0为含水层原水位，m；hw为压水井井水位，m；K为渗透系数，m/d；M为含水层厚度，m。

根据测井资料可知，刘家沟组的砂岩层累计厚度为309m，测井实际过水段井径为107mm。

通过计算结果可以发现，利用五次压水试验数据，在达到稳定状态后所得数据求的渗透系数均在同一数量级，且差别不大，证明所求渗透系数较为可靠，最终取0.011 29m/d作为后期数值模拟中回灌目的层的渗透系数(表1)。

表1 压水试验求参结果

2 回灌流量与压力变化

试验区回灌井注水370d后，孔口压力从6MPa稳步上升至8 MPa，持续注水，流量维持在70～120m3/h。截止到2021年7月，共注水80.67万m3。

对注水试运行期进行数据按月份进行统计，从2020年4月开始，注水平均流量为77.18～104.29m3/h，2021年1月、2月平均流量最低，为77～78m3/h，其他月份注水流量平稳；孔口压力由最初6.9MPa开始，2020年9月平稳增至8MPa，2021年1月、2月孔口平均压力增高至8.42MPa，与低流量时段对应。孔口压力变化的原因是由于内蒙地区冬天天气严寒，注水泵管路低温结冰，引起了注水流量的降低和注水压力的升高。

由于注水试运行期由2020年4月15日开始，2020年4月、2021年4月注水时长少于1个月，故注水量明显偏低。除2021年1月、2月外，其他月份注水稳定(图2)。总体上，在为期一年的注水试运行期间，流量基本保持稳定，孔口压力缓慢上升，注水运行情况平稳。

时间图2 注水试运行期平均注水流量统计Figure 2 Water infusion pilot run period average infusedinflow statistics

3 长期回灌效果预测

3.1 数值模拟目的

根据试验区矿井水长期处理需求，设置不同回灌方案进行数值模拟分析，来预测长期回灌条件下刘家沟组的流场变化情况，评价不同的回灌方案的优劣。

数值模拟分析时主要考虑以下条件：

1)在现有地质参数背景下，拟定不同回灌方案，预测回灌目的层的流场变化情况和回灌量的变化。

2)模拟回灌时间为一年。

3.2 回灌方案

为发挥最佳效能，回灌井需兼具勘探、试验、压水回灌等多种功能，实际回灌过程中将根据现场条件、施工水平和水文地质条件等反馈信息实时调整回灌量。根据已获得压水数据，设计1 600、2 000、2 400、3 000和3 600m3/d五个流量梯度，模拟长期回灌条件下刘家沟组流场变化情况和累计最大回灌值。

根据已有条件，当压水水压达到20MPa时即已达到设备所能承受的最大压力。本次模拟时间为365d。

3.3 模型建立与参数选取

采用有限差分法对不同回灌量及其回灌效果进行模拟，模拟时采用Visual MODFIOW数值模拟软件。

根据现场调研和矿区水文地质条件分析可知，研究区刘家沟组在鄂尔多斯盆地区域内连续稳定，且大型构造不发育，因此，可近似认为无限边界。在实际数值模拟过程中，取100R作为模拟边界(零流量边界)。

首先，拟定刘家沟组整体渗透性分两种条件:第一种条件，根据前述分析，刘家沟组由于裂缝发育，其整体渗透性相对较好，但存在平面与垂向的非均质性。本次钻孔揭露的刘家沟组多位于低渗透区域，由于刘家沟组破碎压力低，压裂后在其影响范围内与周围天然裂缝导通，随着压力的传递，持续形成延续型诱导裂缝，进一步连通天然裂缝，组成的动态裂缝网络，有效扩展网状导水通道。

第二种条件，刘家沟组整体渗透性差，根据有关文献，水力压裂的有效半径为600～700m，有效半径外渗透系数为1.5×10-5m/d。

分两种条件开展流场变化模拟，分析两个月后刘家沟组的流场变化情况与实测资料的吻合程度(图3，图4)。

第一种条件，即边界无限远，模拟参数为：渗透系数0.011m/d，初始水头-80m，回灌量2 400m3/d，模拟时间60d。

经过两个月的回灌后，井口附近水位达到256m，压水压力变为8.1MPa，实际观测压力为7.0MPa，较实际观测压力高。

第二种条件，即以700m为压裂边界，小于700m时，与第一种条件模拟参数相同；大于700m时，渗透系数取1.5×10-5m/d，其它模拟参数与第一种条件模拟参数相同。

回灌量达到2 400m3/d时，两个月后井口水位就已达到773m，实际观测压力为7.5MPa，符合实际情况。

由以上两种不同条件下的回灌模拟结果分析可知，第一种条件下，刘家沟组整体渗透性能较好，与实际观测结果相吻合。由于刘家沟组发育较厚砂岩，原始裂缝发育，因此通过压裂手段可显著增加刘家沟组的渗透性，并进一步扩展和增加可回灌空间。实际回灌过程中回灌量是动态变化的，且实际回灌过程存在中断现象，与理想条件相比总回灌量较小，因此模拟值较实测值偏大。

a理想条件 b非理想条件图3 流场云图Figure 3 Flow field nephogram

图4 不同回灌方案下的流场模拟云图Figure 4 Flow field simulation nephogram under different water infusion schemes

3.4 模拟结果分析

按照不同流量的回灌方案模拟一年后刘家沟组的流场变化情况。回灌一年后，不同回灌流量下的流场差异较大，其中回灌流量为1 600m3/d时，井口附近水位达到176m；回灌流量为3 600m3/d时，井口附近水位达到497m，不同回灌流量均能正常运行(表2)。

以上结果表明，回灌时间满一年后，各回灌流量下的压水压力均变大，其中回灌流量为3 600m3/d时，压水压力达到了20MPa的阈值，达到设备的最大回灌水压，因此需进一步进行压裂增透。回灌流量为2 400m3/d和3 000m3/d时所达到的回灌效果较好，满足一年期的回灌要求，并且可以继续回灌，延长了回灌井的使用期限。

表2 回灌量与压力变化

根据试验数据的研究分析，刘家沟组原生渗透性能较好，但由于埋深较深，无外力干扰情况下，深部地层内的地下水交替循环几乎处于停滞状态；人工外力注入矿井水发生井下压裂后，岩石原生裂缝网络得到了沟通和扩展，形成了可观的裂缝空间网络，矿井水进入存储空间内并形成高压水丘。受地层的“水桶效应”影响，大量的矿井水存储于“水桶”内，少量的矿井水会在原生低渗地层的非均质性及其裂缝发育影响下缓慢向回灌目的层区域下游出露排泄处运移。

4 结论

1)矿井水深部回灌目的层的选择应位于地质构造简单的区域，没有贯通上下部隔水层的深大断裂，砂岩总体厚度厚，与上部煤层保持有效安全距离并有多组隔水层。通过对鄂尔多斯盆地北部试验区深部地层的筛选，最终选择三叠系底部的刘家沟组为本次回灌试验优选目的层。

2)刘家沟组砂岩主要为肉红色、灰白色中砂岩，钙质胶质，致密且硬，分选中等，地层实际砂岩段地层总厚309m，广泛发育平行层理、交错层理。通过压水试验计算出渗透系数为0.011 29m/d。在为期一年的注水试运行期中，流量基本保持稳定，孔口压力缓慢上升，注水运行情况平稳。

3)通过数值模拟分析可知，刘家沟组表现出较为理想的水文地质特征，通过压裂能够进一步增加刘家沟组整体渗透性能，扩展和增加可回灌空间。设计回灌流量为2 400m3/d和3 000m3/d时所达到的回灌效果较好，满足了一年期的回灌要求，并且可持续回灌，使用期限得以延长。