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沁水盆地煤层气的水文地质控制作用

更新时间：2020-12-03　点击量：925

沁水盆地位于华北地台西部, 是我国大的构造聚煤盆地, 也是国家勘探开发煤层气的重点地区之一。在以往研究的基础上, 本文*从盆地基本水文地质条件出发, 分析沁水盆地煤层气赋存及可采性的水文地质控制作用。

　　地下水来源及迳流特征

　　沁水盆地是向斜构造盆地, 被出露的寒武系、奥陶系高山或高地所环绕, 西缘的霍山(海拔2 .0 ～2 .5km)是区域性高地势区。盆地内多为上古生界及中、新生界构成的低山、丘陵, 少部分为平原区。

　　盆地中北部(自霍山东北翼至榆社县与太谷县交界处的梁坪寨、走马坪到昔阳县的老庙山)呈北东—北北东走向低山地带, 构成盆地内区域性分水岭。霍山及该分水岭大气降水是盆地地下水主要补给源地, 年降雨量达500 ～ 650mm ;东北部的太行山西翼及北部高地是盆地局部地区的地下水补给区。地表河流也是地下水补给源之一, 尤其地表切割较深的地区, 河水以垂向裂缝渗漏、侧向渗灌方式注入地层。

　　地下水排泄区位于盆地周缘低地势区, 较大的排泄区为岩溶泉区, 主要有阳泉地区娘子关泉域、长治地区辛安泉域、阳城地区马山泉域和太原晋祠泉域及介休西侧的洪山泉等(见图1), 这些泉的流量可达1 .1 ～ 1 .6L/s 。盆地广大地区为地下水迳流区, 迳流的强弱主要取决于构造条件以及地层变化状况, 基于构造盆地特点, 地下水运动的驱动力主要是重力[ 1] , 因此倾角相对较陡的西部单斜地层迳流条件应强于盆地向斜轴部倾角平缓区。岩溶泉区浅部地层迳流条件强于深部, 如寿阳—阳泉地区地下岩溶水水力坡度平均为0 .0101 , 其中补给区为0 .06～ 0 .08 , 排泄区泉口附近为0 .06 ～ 0 .012 , 而迳流区仅为0 .004 ～ 0 .001 。

　　据全盆地数十口钻孔统计, 地下水中Cl-离子含量一般为10 ～ 150mg/L , 矿化度一般为400 ～2000mg/L (为3706 .8mg/L), 水型多为NaHCO3型, 少部分为Na2SO4 型, 表明地下水循环交替较为强烈, 迳流条件较好。

　　主要含水层与煤层水力的联系盆地区域含水层可分为3 类。

　　新生界松散孔隙含水层距离石炭-二叠系主要煤层较远, 新生界底部粘土层是良好的隔水层, 与煤层发生水力联系的可能性极少。上古生界石千峰组百余米厚的泥质岩伏于中生界裂隙含水层之下, 是区域隔水层, 使该含水层对煤层的影响甚微。下石盒子组有多层较厚泥质岩, 隔水性能良好, 上石盒子组砂岩裂隙含水层对煤层基本没有影响。

　　对山西组煤层有影响的含水层可能主要是其上、下围岩裂隙含水层。作为主煤层之一的3 号煤层, 其顶板砂岩裂隙含水层段位于3 号煤层之上数米, 在盆地中部地区为3 号煤层直接顶板, 由1 ～ 3层细—粗粒砂岩组成, 平均厚度约为6m , 裂隙不发育或较发育地区被泥质或方解石充填, 富水性较弱。

　　盆地南部ZK-2 孔抽水试验, 该含水层涌水量为0 .0011L/s·m ;东部潞安常村井田内的部分钻孔该含水层一抽即干。这表明3 号煤层顶板砂岩裂隙含水层对煤层影响不大, 同时也表明开采山西组煤层气具备有利的水文地质条件。

　　裂隙岩溶含水层与煤层水力关系复杂。在太原组煤层围岩岩溶含水层中, K2 、K3 、K4 灰岩层分别是15 号、13 号和11 号煤层的直接顶板, 岩溶不发育, 裂隙不发育—较发育, 且多被方解石充填, 富水性较弱, 因此不可能导致其下伏煤层开采时发生大规模水窜或漏失。但不能排除局部地段富水性较强(如寿阳寨底煤矿井筒揭露太原组灰岩涌水量达到8 .102L/s)可能带来的不利影响。奥陶系马家沟组区域性灰岩裂隙岩溶含水层对煤层气开采可能造成潜在影响。该承压含水层水头标高一般高于15 号煤层底板标高, 如寿阳—阳泉地区其水头标高为400 ～ 900m(见图2a), 高于15 号煤层底板标高(100～ 700m), 阳城地区其水头标高为500 ～ 575m(见图2b), 亦远高于15 号煤层底板标高;除西部外, 愈向盆地内部, 这种标高逆向关系就愈明显, 地下水涌入煤层的可能性就愈大。地下水能否突入煤层, 还要看隔水层情况。奥陶系灰岩含水层顶面与15 号煤层底板间一般相距5 ～ 60m , 其间地层北厚南薄,由砂质泥岩、泥岩、页岩及薄砂岩和灰岩组成, 可作隔水层。煤层勘探和生产矿井资料表明, 该层段在正常情况下, 能阻隔奥陶系灰岩水突入15 号煤层。

　　但是在构造裂隙发育的地带, 尤其在断层切割剧烈部位, 奥陶系灰岩水可沿断裂或构造裂隙上窜至煤层。同时, 在煤层气开发中应注意不能将奥陶系灰岩承压含水层压穿。

　　煤层与围岩的水力沟通程度主要取决于围岩的裂隙开启及岩溶发育程度。石炭系、二叠系砂岩裂隙含水层富水性较弱, 泥岩隔水层发育, 对煤层气开采影响有限。奥陶系灰岩和石炭系太原组局部灰岩层富水性强, 在断裂及岩溶陷落发育地区对煤层有直接影响, 不利于煤层气开采。

　　对煤层含气性的影响

　　沁水盆地煤层含气性主导因素是煤级。据不*统计, 盆地石炭系、二叠系煤层平均含气量(带可燃基的吨煤含气量)瘦贫煤为11 .73 ～ 14 .41m3/t ,无烟煤为15 .3 ～ 24 .46m3/t 。煤层含气性的后期影响因素中, 水文地质条件与地层抬升或断裂作用密不可分。沁水盆地地下水水动力条件较强, 对煤层可能造成冲洗作用, 溶解并运移部分煤层气, 降低煤层含气性。三叠纪末期以来的构造抬升使盆地南部及周边地层遭受剥蚀, 煤系地层出露地表, 接受大气降水及地表水补给, 促进了地下水与大气水的交替循环, 不利于煤层气的保存。燕山期及喜山期断裂作用使盆地东部、西北部地区产生众多张性断裂, 无疑会形成一定的地下水压降漏斗, 使煤层中气体得以解吸和扩散, 降低煤层甲烷含量。此外, 地下水的溶蚀作用和奥陶系灰岩中岩溶陷落柱的发育, 也能引起煤层甲烷的解吸和逸散。

　　对煤层气可采性的控制作用

　　决定煤层气可采性的地质因素中, 受水文地质控制或影响的主要有地层压力、煤储集层特征及含气饱和程度等。

　　1 　煤系地层压力及压力变化分析

　　过高或过低的地层压力均不利于煤层气开采。

　　沁水盆地大部分地区煤系地层基本为正常压力, 仅东部及北部部分地区属于欠压。

　　沁水盆地煤系地层应当具有正常压力。石炭系、二叠系在盆地形成之前已经被充分压实, 盆地形成后, 地下水主要在重力驱动下从高地势的霍山地区向低地势的盆地东部、南部等地区顺层迳流。在盆地西部单斜高势能区, 地下水在势能差或水头差作用下, 向盆地向斜轴部区流动, 轴部区地层虽平缓, 埋深较大或静岩压力较高, 但宽缓褶皱仍较发育,地层裂缝并未闭合, 地下水也并未停滞(地下水中Cl-离子含量及矿化度没有明显增高), 只是迳流速度有所减缓, 在这种背景下应当具有正常的地层压力, 形成大面积异常高压的可能性极小。在盆地东部、南部单斜区, 地下水主迳流方向与地层倾向相反, 地下水运动不仅要克服水与岩石颗粒的吸附力和摩擦力, 还要克服水自身重力, 地层越陡, 这种阻力就越大, 需要的传动能量就越多, 同时地下水对隔水层的压力也越大, 地层的压力就越大, 这样的地带应具有较高的压力, 如盆地南部的阳城—端氏地区(见表2)。盆地东部及北部也应同南部一样具有正常地层压力, 但现今地层处于欠压状态, 表明这些地区在地质历*发生过地层泄压过程, 可能是断裂或岩溶陷落作用的结果, 如长治—潞安及阳泉地区等, 张性断裂及岩溶陷落柱十分发育, 引起地下水排泄, 降低了地层压力, 对煤层气开采有一定影响。

　　2 　储集层特征

　　沁水盆地煤储集层特征可用水文地质参数来表征, 这是由于煤层割理及裂隙不仅是煤层气体的运移通道, 而且也是地下水赋存空间和有效运移途径。

　　通常, 自流超压区反映了较高渗透率[ 2] 。如盆地南部潘庄井田正常压力区, 煤层试井渗透率可达3 .6×10-3μm2 , 煤层气产量达到4000 ～ 6000m3/d ;盆地北部寿阳矿区局部正常压力区试井渗透率高达0 .5×10-3 ～ 6 .7 ×10-3μm2 。反之, 具有较高渗透率的煤层不一定处在异常高压或正常压力状态, 如盆地东部欠压区, 煤层试井渗透率接近1 ×10-3μm2 。

　　这可解释为地层泄压后, 煤层上覆地层厚度小(一般小于1000m), 没有足够的静岩压力促使煤中割理或裂隙闭合, 从而使煤层具有一定的渗透性。

　　3 　含气饱和程度

　　含气饱和程度也是制约煤层气可采性的关键地质参数, 用煤层实测含气量与该煤层地质条件下的理论吸附气量的比值(百分数)表示。根据煤层实测含气量、试井压力及模拟地下煤层条件的等温吸附曲线特征(见图3), 初步估算出沁水盆地山西组和太原组煤层的含气饱和程度为55 %～ 87 %, 显然煤层中气体是欠饱和的。

　　盆地自三叠纪末期以来, 一直以抬升剥蚀为主。燕山运动期火成岩的侵入使地温剧增, 该期既是石炭-二叠系煤层的主要生气期, 也是煤系地层强烈抬升、地层压力下降、气体大量散失时期。盆地仅在中北部的榆社、武乡一带沉积了中侏罗统(厚为400多米), 新生界除晋中断陷沉积较厚外, 其它地区一般仅几十至百余米。因此, 盆地石炭-二叠系煤层不具备二次生气的条件, 煤层中含气量没有提高, 大部分地区煤储集层压力也没有大幅度增加。由图3 可见, 煤层气理论吸附量没有相应增大, 含气饱和程度也就不会降低太多, 因此, 构造变动不是引起盆地煤层气欠饱和的主要原因。

　　沁水盆地自三叠纪末期以来一直具有较充足的大气水及地表水补给条件和较好的迳流条件, 煤层及其围岩中地下水的交替活跃, 不断地溶解和运移由煤层扩散的气体, 这可能是造成该盆地煤层气欠饱和的主要地质因素。

　　从水文地质条件预测有利勘查区煤层气的排水降压开采必须要有一定的水文地质条件和地层压力相匹配。在煤割理较为发育、煤层水与围岩或大气水交替不太活跃的地区, 煤层往往具有较好的煤层气保存条件, 含气饱和程度和储集层压力较高。沁水盆地南部(尤其是潘庄地区),煤层处于正常压力或微超压状态, 煤层割理发育,渗透性能较好, 并具有较高的含气饱和程度, 是有利的勘查区;其次是盆地北部某些地区(如寿阳地区的南部), 煤层具有较好的地下水补给条件, 渗透率、含气饱和程度较高, 储集层压力正常, 也是有利的煤层气勘查区。盆地东部地区煤层具有一定的渗透性和较高的含气饱和程度, 虽地层普遍欠压, 但并不会导致大范围煤层割理的闭合, 且煤层埋藏较浅, 因此,仍是较为有利的煤层气勘查区。盆地中西部紧邻西部供水区, 补给条件充足, 靠近盆地向斜部位, 煤层气保存条件好, 并具有正常地层压力, 推测煤层有一定的渗透性, 是潜力的后备勘查区。

　　结　　论

　　沁水盆地地下水补给充足, 迳流条件较好, 重力是地下水迳流的驱动力。奥陶系灰岩层是盆地区域性含水层, 对石炭-二叠系煤层气开采具有潜在的不利影响, 石炭系灰岩层局部富水性较强, 对煤层气的开采可能造成直接影响。煤系地层处于正常压力至欠压状态, 断裂作用及岩溶陷落的发育是导致地层欠压的主要原因, 对煤层气可采性具有一定影响。

　　异常高压及正常压力往往反映出煤储集层具有较高的渗透性, 有利于煤层气开采。盆地石炭-二叠系煤层含气饱和程度属中等—较高, 欠饱和的主要原因可能是地下水与煤层水交替活跃, 降低了煤层含气量。煤层气勘查有利区是盆地南部的潘庄地区和北部的寿阳地区南部, 较有利区是盆地东部, 盆地中、西部为煤层气勘查后备区。

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此款系统专门为地源热泵生产企业，新能源技术安装公司，地热井钻探公司以及节能环保产业等单位设计，通过连接我司单总线地热电缆，以及单通道或多通道485接口采集器，可对接到贵司单位的软件系统。欢迎各类单位以及经销商详询！此款设备支持贴牌，具体价格按量定制。

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统【产品介绍】

地源热泵空调系统利用土壤作为埋地管换热器的热源或热汇,对建筑物进行供热和供冷.在埋地管换热器设计中,土壤的导热系数是很重要的参数.而对地温进行长期可靠的监测显得特别重要。在现场实测土壤导热系数时测试时间要足够长,测试时工况稳定后的流体进出口及不同深度的温度会影响测试结果的准确性。因此地埋测温电缆的设计显得尤其重点。较传统的测温电缆设计方法，单总线测温电缆因为接线方便、精度高且不受环境影响、性价比高等优点，目前已广泛应用于地埋管及地源热泵系统进行地温监测，因可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

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RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统：

1. 地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析

2. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究

3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究，埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

竖直地埋管地源热泵温度测量系统，主要是一套*基于现场总线和数字传感器技术的在线监测及分析系统。它能有对地源热泵换热井进行实时温度监测并保存数据，为优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。

二、RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统本系统的重要特点：

１．结构简单，一根总线可以挂接1-60根传感器，总线采用三线制，所有的传感器就灯泡一样，可以直接挂在总线上．

２．总线距离长．采用强驱动模块，普通线，可以轻松测量500米深井.

３．的深井土壤检测传感器，防护等级达到ＩＰ６８，可耐压力高达5Mpa.

４．定制的防水抗拉电缆，增强了系统的稳定性和可靠特点总结：高性价格比，根据不同的需求，比你想象的*．

针对U型管口径小的问题，本系统是传统铂电阻测温系统理想的替代品. 可应用于：

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3. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究

4. 地源热泵地埋管的传热性能实验研究

5. 地源热泵地埋管换热器传热研究

6. 埋地换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究。

本系统技术参数：支持传感器：18B20高精度深井水温数字传感器，测井深：1000米，传感器耐压能力：5Mpa ,配置设备：远距离温度采集模块＋测井电缆＋传感器，

RS485竖直地埋管地源热泵温度监测系统系统功能：

1、温度在线监测

2、报警功能

3、数据存储

4、定时保存设置

5、历史数据报表打印

6、历史曲线查询等功能。

【技术参数】

1、温度测量范围：-10℃ ～ +100℃

2、温度精度：正负0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采样点数：小于128

5、巡检周期：小于3s（可设置）

6、传输技术： RS485、RF(射频技术)、GPRS

7、测点线长：小于350米

8、供电方式： AC220V /内置锂电池可供电1-3年

9、工作温度： -30℃ ～ +80℃

10、工作湿度：小于90%RH

11、电缆防护等级：IP66

使用注意事项：

防水感温电缆经测试与检测，具备一定的防水和耐水压能力，使用时，请按以下方法操作与使用：
1．使用时，建议将感温电缆置于U形管内以方便后期维护。
若置与U形管外，请小心操作，做好电缆防护，防止在安装过程中电缆被划伤，以保持电缆的耐水压能力和使用寿命。
2. 电缆中不锈钢体为传感器所在位置，因温度为缓慢变化量，正常使用时，请等待测物热平衡后再进行测量。
3. 电缆采用三线制总线方式，红色为电源正，建议电源为3-5V DC，黑色为电源负，兰色为信号线。请严格按照此说明接线操作。
4. 系统理论上支持180个节点，实际使用应该限制在150个节点以内。
5.系统具备一定的纠错能力，但总线不能短路。
6. 系统供电，当总线距离在200米以内，则可以采用DC9V给现场模块供电，当距离在500米之内，可以采用DC12V给系统供电。

【北京鸿鸥成运仪器设备有限公司提供定制各个领域用的测温线缆产品介绍】

由北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出的地源热泵温度场测控系统，硬件采取*ARM技术；上位机软件使用编程语言技术设计，富有人性、直观明了；测温传感器直接封装在电缆内部，根据客户距离进行封装。目前该系统广泛应用于地源热泵地埋管、地源热泵温度场检测、地源热泵地埋换热井、地源热泵竖井及地源热泵温度场系统进行地温监测，本系统的可靠性和稳定性在诸多工程中已得到了验证并取得了较好的口啤。

地源热泵诊断中土壤温度的监测方法：
　　为了实现地源热泵系统的诊断，必须首先制定保证系统正常运行的合理的标准。在系统的设计阶段，地下土壤温度的初始值是一个重要的依据参数，它也是在系统运行过程中可能产生变化的参数。如果在一个或几个空调采暖周期（一般一个空调采暖周期为1年）后，系统的取热和放热严重不平衡，则这个初始温度会有较大的变化，将会大大降低系统的运行效率。所以设计选用土壤温度变化曲线作为诊断系统是否正常的标准。
　　首先对地源热泵系统所控制的建筑物进行全年动态能耗分析，即输入建筑物的条件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、围护结构材料和房间功能等条件，计算出该区域全年供暖、制冷的负荷，我们根据该负荷，选择合适的系统配置，即地埋管数量以及必要的辅助冷热源，并动态模拟计算地源热泵植筋加固系统运行过程中土壤温度的变化情况，得到初始土壤温度标准曲线。采用满足土壤温度基本平衡要求的运行方案运行，同时系统实时监测土壤温度变化情况，即依靠埋置在地下的测温传感器监测土壤的温度，并且将测得的温度传递给地源热泵系统。

浅层地温能监测系统概况：

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为方便研究土壤、水质等环境对空调换热井能效等方面的可靠研究或温度测量，目前地源热泵地埋管测温电缆对于地埋换热井，有口径小，深度较深等特点的测温方式,如果测量地下120米的地源热泵井，要放12路线PT100传感器。12根测温线缆若平均放置，即10米放一个探头，则所需线材要1500米，在井上需配置一个至少12通道的巡检仪，若需接入电脑进行温度实时记录，该巡检仪要有RS232或RS485功能,根据以上成本估计，这口井进行地热测温至少成本在8000元，虽然选择高精度的PT100可提高系统的测温精度，但对模拟量数据采集，提供精度的有效办法是提供仪器的AD转换器的位数，即提供巡检仪的测量精度，若能够在长距离测温的条件下进行多点测温，能够做到0.5度的精度，则是非常不容易。针对这一需求，北京鸿鸥成运仪器设备有限公司推出“数字总线式地源热泵地埋管测温电缆”及相应系统。矿井深部地温监测，地源热泵温度监测研究，地源热泵温度测量系统，浅层地热测温系统。

地源热泵数字总线测温线缆与传统测温电缆对比分析：
传统的温度检测以热敏电阻、PT100或PT1000作为温度敏感元件，因其是模拟量，要对温度进行采集，若需较高精度，需要选择12位或以上的AD转换及信号处理电路，近距离时，其精度及可靠性受环境影响不大，但当大于30米距离传输时，宜采用三线制测方式，并需定期对温度进行校正。当进行多点采集时，需每个测温点放置一根电缆，因电阻作为模拟量及相互之间的干扰，其温度测量的准确度、系统的精度差，会受环境及时间的影响较大。模块量传感器在工作过程中都是以模拟信号的形式存在，而检测的环境往往存在电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，每年需要进行校准，因而它们的使用有很大的局限性。

北京鸿鸥成运仪器设备有限公司研发的总线式数字温度传感器，具有防水、防腐蚀、抗拉、耐磨的特性，总线式数字温度传感器采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正，因数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做得很小，直径不大于12mm,且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。这是传统热电阻测温系统*的优势。所以数字总线式测温电缆是地源热泵地埋管管测温、地温能深井和地层温度监测理想的设备。数字总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成适合远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯的识别ID，所以很多传感器可以直接挂接在总线上，从而实现一根电缆检测很多温度点的功能。

地源热泵大数据监控平台建设

一、系统介绍

1、建设自动监测监测平台，可监测大楼内室内温度；热泵机组空调侧和地源侧温度、

压力、流量；系统空调侧和地源侧温度、压力、流量；热泵机组和水泵的电压、电流、功率、

电量等参数；地温场的变化等，实现热泵机组运行情况 24 小时实时监测，异常情况预

警，做到真正的无人值守。可对热泵系统的长期运行稳定性、系统对地温场的影响以及能效

比等进行综合的科学评价，为进一步示范推广与系统优化的工作提供数据指导依据。

具体测量要求如下：

1）各热泵机组实时运行情况；

2）室内温度监测数据及变化曲线；

3）室外环境温度数据及变化曲线；

4）机房内空调侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

5）机房内地埋管侧出回水温度、压力、流量等监测数据及变化曲线；

6）机房内用电设备的电流、电压、功率、电能等监测数据及变化曲线；

7）地温场内不同深度的地温监测数据及变化曲线；

8）能耗综合分析、系统 COP 分析以及系统节能量的评价分析。

2、自动监测平台建成以后可以对已经安装自动监测设备的地热井实施自动监测的数据分

析展示，可实现地热井和回灌井的水位、水温、流量实施传输分析，并可实现数据异常情况预

警，做到实时监管，有地热井运行的稳定性。

1）开采水量及回水水量的流量监测及变化曲线；

2）开采水温及回水水温的温度监测及变化曲线；

3）开采井井内水位监测及变化曲线；

沁水盆地煤层气的水文地质控制作用

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