水害问题一直是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一,含水层富水性及富水区域的研究与划分对水害的防治具有重要意义。鄂尔多斯盆地早中侏罗世含煤地层形成于内陆湖盆环境,发育良好的河流及湖相三角洲沉积,砂体分布复杂,在空间上相互叠置,相变迅速,富水性极不均一。因此,研究煤系含水层的空间分布规律,剖析地下水赋存的地质控制机理,预测富水区分布,对制定相应的防治水措施,确保煤矿安全生产具有重大意义。本文以高分辨率层序地层学、地球物理学、沉积地质学和地质统计学等理论为指导,以钻井、岩心、测井和实验分析等资料为基础,应用旋回识别、预测误差滤波分析等方法对含煤地层进行精细划分;应用相标志识别等方法剖析了研究区直罗组的沉积特征,预测不同地层格架内的含水砂体的平面展布;以相分异原理为指导,研究不同相带下的含水层建筑结构模型;从沉积成因与成岩作用两方面总结了含水层富水性控制因素;结合随机与确定性建模的方法,建立三维构型地质模型,表征含水层的三维空间分布,建立相控非均质属性模型,预测地下水富集潜力区;从宏观、细观、微观、三维空间等多个角度剖析研究区含水层非均质性特征。具体认识如下:(1)应用岩性旋回特征结合预测误差滤波分析的方法,识别煤系隐藏的旋回特征,认为直罗组整体上由一个向上变“深”的长期旋回构成。直罗组内识别出3个中期旋回,分别对应着直罗组的上、中、下段。三个中期旋回共划分为6个短期旋回,即6个亚段。(2)在层序地层划分与对比的基础上,识别出了 8种典型的岩石相类型,6种典型的岩石相组合。其中,直罗组下段为辫状河沉积体系,识别出辫状河河道、心滩、泛滥平原和河道漫溢四种沉积微相;直罗组中段为三角洲前缘沉积体系,识别出水下分流河道、河口坝、沙席、前缘沙坝、前缘沙滩等沉积微相;直罗组上段发育曲流河沉积体系,砂体平面发育连片性相对较差,通过单井相和测井相识别出河道、点坝、决口扇、天然堤、泛滥平原等沉积微相。(3)引入砂体建筑结构模型的理念,提出了含水层构型识别、构建的方法,总结了研究区不同级次构型界面的特征。将研究区直罗组各亚段地层的构型界面由大到小分为5个等级。剖析了曲流河点坝侧向加积分布、三角前缘河口坝“上凸下平”透镜状分布、辫状河心滩砂体“砂包泥”分布的建筑结构模式。总结了孤立式、连通式、叠置式三种砂体的接触关系,以及砂体高程差、厚度差和测井曲线相似性三种砂体接触关系差异的识别标志。(4)通过铸体薄片分析认为直罗组砂岩孔隙主要包括粒间孔隙、粒内孔隙、铸模孔隙三类,以粒间孔隙为主,微裂隙不发育。结合岩心观察及薄片分析,直罗组砂岩储水空间主要是孔隙。直罗组砂岩的面孔率高,分选性和连通性较好。建立了井田直罗组岩电关系,评价直罗组砂岩含水层的孔隙性。(5)在研究区沉积砂体展布和微观储水空间特征研究的基础上,从沉积成因和成岩作用两个方面分析了直罗组含水层富水机理。沉积环境及对应的沉积相影响着砂体的平面展布、纵向发育厚度、建筑结构模型、空间接触关系、孔隙性和水力联系。河道、点坝和心滩等沉积区域砂体发育较厚,砂质较纯,孔隙度较高,富水性较强;前三角洲、泛滥平原、河漫滩等沉积区域砂体发育较薄,泥质含量高,孔隙度较低,富水性相对较弱。成岩作用控制着含水层的孔隙发育情况与地下水赋存能力。研究区压实作用较弱,颗粒以点接触、点-线接触为主,溶蚀现象强烈。根据成岩作用影响程度定量分析,研究区成岩作用属于中-低强度压实、中-弱胶结、中等强度溶蚀砂岩。如此强度的成岩作用是导致直罗组砂岩孔隙较发育、富水性较好的重要因素之一。(6)在含水层结构模型研究、微观孔隙分析、岩石物性实验和砂岩含水层富水机理研究的基础上,建立了相控含水层构型地质模型,用于表征含水层的三维空间分布形态,将沉积因素与岩石孔隙度相结合,建立了相控含水层非均质孔隙度模型,对地下水富集潜力区域进行了预测。从宏观、细观、微观、三维空间等多个角度剖析了研究区含水层非均质富水区域特征。根据矿井涌水分布及钻孔抽水试验数据,验证了富水区域预测结果。该预测方法为具有相似地质条件的研究区提供了借鉴意义。