王蘇健，馮 潔，侯恩科，黃克軍，薛衛(wèi)峰，段會軍

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065; 2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 3.三秦學(xué)者“礦山地質(zhì)學(xué)”創(chuàng)新團(tuán)隊，陜西 西安 710065; 4.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

受沉積環(huán)境的影響，陜北侏羅紀(jì)煤田砂巖含水層在空間上巖性、巖相、富水性等特征差異較大，錦界煤礦實際涌水量與勘探階段預(yù)測涌水量甚至相差一個數(shù)量級，影響含水層富水性的因素眾多[1-2]，檸條塔煤礦南翼S1210工作面頂板直羅組基巖風(fēng)化帶在初次來壓后大面積出水，最大涌水量達(dá)1 300 m3/h，至今仍有400 m3/h涌水量，工作面被淹停產(chǎn)，損失巨大。因此，理清影響含水層富水性的因素及其影響程度是富水性預(yù)測與礦井防治水工作急需解決的難題。對于巖性、巖相與富水性關(guān)系的研究已取得了一定成果，武強(qiáng)等[3]選取砂泥質(zhì)量比、巖性結(jié)構(gòu)指數(shù)等巖性指標(biāo)預(yù)測了含水層富水性;侯恩科等[4]對比紅柳林煤礦風(fēng)化基巖巖性組合與鉆孔單位涌水量，認(rèn)為粗砂巖含量大的強(qiáng)風(fēng)化基巖厚度大、裂隙孔隙發(fā)育，富水性相對較好;代革聯(lián)等[5]根據(jù)砂體的展布規(guī)律將檸條塔煤礦直羅組地層在垂向上分為辮狀河沉積相、辮狀河三角洲沉積相、曲流河沉積相和濱淺湖沉積相3段，直羅組砂巖厚度越大，富水性越強(qiáng)，直羅組沉積相與地層的富水性之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。目前，尚未從微觀角度研究砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系，研究致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的方法與成果較多，研究方法主要有薄片鑒定[6-7]、掃描電鏡法[8-9]、壓汞法[10-12]、核磁共振法[13-15]、微米/納米CT法[16]等，成果集中于孔隙-喉道的特征(形狀、大小、分布、連通性等)、孔隙類型劃分、不同類型孔隙與產(chǎn)能(油、氣)的關(guān)系。筆者通過對檸條塔煤礦不同巖性砂巖的巖樣進(jìn)行普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實驗測試，研究直羅組、延安組砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國最大煤田、世界七大煤田之一，煤炭資源儲量約2 216億t，占全陜西省煤炭資源總量的53.5%，煤質(zhì)優(yōu)良，開采條件相對簡單。檸條塔煤礦是陜西煤業(yè)化工集團(tuán)公司在神府礦區(qū)興建的特大型礦井，核定生產(chǎn)能力1 800萬t/a。井田位于陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠東南緣。地形西北、西南高，中部低，面積約119.77 km2。井田鉆探揭露的地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)，侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y),直羅組(J2z)、新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)，第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)，第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)，第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)和沖積層(Q4al)。含煤地層為延安組，含可采煤層8層，分別為1-2上，1-2,2-2上，2-2,3-1,4-2,4-3,5-2煤層，其中主要可采煤層為2-2,3-1,4-2,5-2層。檸條塔井田含水層、隔水層劃分及其主要參數(shù)見表1。

2 砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

巖石孔隙空間[17]為一個復(fù)雜的立體孔隙(廣義)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可按其在地下水儲存和流動過程中所起的作用分為孔隙(狹義)和孔隙喉道兩個基本單元，被巖石骨架顆粒包圍著并對地下水儲存起較大作用的相對膨大部分稱為孔隙(圖1)，在擴(kuò)大孔隙容積中所起作用不大，但在溝通孔隙形成通道中起著關(guān)鍵作用的相對狹窄部分稱為喉道，也就是說孔隙通道最寬大的部分稱作孔隙，其含量決定巖石的存儲能力，最細(xì)小的部分稱作喉道，喉道對地下水流動的影響更大，其大小控制巖石的滲流能力。李易霖等[18]運用X-CT掃描成像技術(shù)研究了不同孔滲的樣品孔隙喉道的形態(tài)、尺寸，得出喉道半徑較窄是造成樣品的實測滲透率較低的主要原因的結(jié)論。

表1 檸條塔井田含(隔)水層劃分及其主要參數(shù)

圖1 巖石孔隙結(jié)構(gòu)示意(據(jù)張厚福修改，1999)

2.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試

本次微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試在檸條塔煤礦采集7塊直羅組、延安組不同巖性巖樣，運用普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等技術(shù)開展巖樣孔喉特征研究。巖樣采集信息與孔隙度、滲透率見表2。

(1)普通薄片與鑄體薄片。普通薄片與鑄體薄片測試成果見表3，普通薄片獲得粗砂、中砂、細(xì)砂、極細(xì)砂、粉砂所占比例，鑄體薄片測得平均孔喉比、平均配位數(shù)，以此將檸條塔煤礦砂巖孔隙結(jié)構(gòu)分為3類。

由表3可知，直羅組孔隙結(jié)構(gòu)整體較延安組好，粗粒砂巖所占比例高，孔隙大，儲存地下水的能力強(qiáng)，孔喉比、平均配位數(shù)大，說明連通性好，利于地下水流動。為更加清楚、直觀的觀察孔隙結(jié)構(gòu)，利用Matlab軟件圖像二值化功能處理鑄體薄片成果，如圖2所示。

表2 巖樣基本物性參數(shù)

表3 普通薄片與鑄體薄片測試成果匯總

圖2 典型巖樣鑄體薄片與處理后二值化圖對比

相同地層時代相同巖性孔隙結(jié)構(gòu)特征:圖2(a)，(b)與圖2(c)，(d)為直羅組地層粗中粒砂巖圖像對比，結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，相同地層時代相同巖性巖樣孔隙度值接近，但氣測滲透率Y-W1-2-2-2巖樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Y-K8-2-1巖樣，分別為1 662×10-15,11.9×10-15m2，推測主要原因在于巖樣風(fēng)化程度影響滲透率。

相同地層時代不同巖性孔隙結(jié)構(gòu)特征:圖2(c)，(d)與圖2(g)，(h)為直羅組粗中粒砂巖與含灰質(zhì)粉砂巖。前者以粗、中、細(xì)砂為主，后者則為細(xì)、極細(xì)、粉砂;雖然兩塊巖樣均風(fēng)化，但前者巖石內(nèi)孔隙多為粒間孔，平均孔喉比8.28，分布較均勻，平均配位數(shù)0.46，連通性較好，自生黏土薄膜內(nèi)含微孔隙，后者巖石內(nèi)未見孔隙。

不同地層時代相同巖性孔隙結(jié)構(gòu)特征:圖2(a)，(b)與圖2(e)，(f)為直羅組與延安組粗中粒砂巖圖像對比，結(jié)合表3數(shù)據(jù)可知，直羅組地層中砂巖粗粒比例高于延安組，直羅組巖石內(nèi)孔隙發(fā)育，多為粒間孔，分布較均勻，連通性較好，自生黏土薄膜內(nèi)含微孔隙;延安組微孔主要分布在自生黏土內(nèi)，微孔面孔率約3%，巖石內(nèi)未見其他可測孔隙。因此，直羅組地層相比延安組地層地下水易于流通，若煤層開采的導(dǎo)水裂隙帶溝通該含水層，容易造成水害事故，同時也利于頂板水疏放。

(2)高壓壓汞法。壓汞法又稱汞孔隙率法，首先由里特(H.L.RITTER)和德列克(L.C.DRAKE)提出，基于汞對巖體表面具有不可潤濕性，外壓越大，汞進(jìn)入孔半徑越小，根據(jù)不同外壓下進(jìn)入孔中汞量可獲得相應(yīng)孔大小的孔體積，從而評價巖石孔隙大小、分布等特征。本次壓汞測試使用麥克9505高壓壓汞儀進(jìn)行，實驗方法和數(shù)據(jù)處理方法參照GB/T 29171—2012《巖石毛管壓力曲線的測定》。按照毛管壓力曲線形態(tài)將檸條塔煤礦7塊巖樣孔隙結(jié)構(gòu)劃分為3種類型，具體劃分標(biāo)準(zhǔn):排驅(qū)壓力Pc≤0.1 MPa，孔隙結(jié)構(gòu)為Ⅰ類;0.1 MPa1 MPa，孔隙結(jié)構(gòu)為Ⅲ類(圖3,表4)。

圖3 毛管壓力曲線分布

表4 巖石毛管壓力曲線主要特征參數(shù)

一般認(rèn)為排驅(qū)壓力的大小及毛管壓力曲線平臺的高低受孔徑大小決定，孔徑越小，排驅(qū)壓力越大且毛管壓力曲線平臺越高，相反，孔徑越大，排驅(qū)壓力越小且毛管壓力曲線平臺越低;毛管壓力曲線越平緩，分選越好;分選越好、歪度越粗，滲透率越高。

由圖3,表4可知，Ⅰ類型巖樣毛管壓力曲線平臺高，排驅(qū)壓力低，分選系數(shù)為5.416 3，分選差，歪度0.374，較細(xì)歪度，最大孔喉半徑大，達(dá)40.540 5 μm;Ⅱ類型巖樣中毛管壓力曲線平臺降低，近于一條斜線，比Ⅰ類型曲線平緩，分選系數(shù)變小，分選較差，歪度變粗，直羅組Y-K8-2-1巖樣曲線位于延安組Y-SK8-2-2巖樣下方，前者分選系數(shù)大于后者，說明前者比后者分選好，前者最大孔喉半徑較后者大，排驅(qū)壓力較后者小，表明前者孔、滲性好于后者;Ⅲ類型巖樣毛管壓力曲線比Ⅱ類型平臺更低，更平緩，因此，分選系數(shù)更小，分選更好。

高滲儲層具有的一般特征為分選越好、歪度越粗;低滲儲層歪度越粗、分選越差，其滲流性能反而更好[19]。本文所取巖樣普遍分選一般，歪度細(xì)，如Ⅰ類型巖樣分選最差，歪度最細(xì)，但最大孔喉半徑大，排驅(qū)壓力低，使得滲透性增加，氣測滲透率1 662×10-15m2，滲透率與其他巖樣相差3個數(shù)量級。

(3)核磁共振法。核磁共振技術(shù)根據(jù)核磁共振弛豫機(jī)制和巖石物性測量原理，當(dāng)飽和水的巖石處于均勻磁場的情況下，核磁共振橫向弛豫時間T2與孔喉半徑呈正比關(guān)系，通過獲得巖石的孔隙半徑分布曲線，反映巖石孔隙結(jié)構(gòu)[20]。本次核磁共振測試采用MARAN DRX2核磁共振分析儀進(jìn)行，參照SY/T 6490—2014《巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范》，核磁孔隙度8.6%～26.9%，核磁束縛水飽和度0.80%～30.64%。

核磁共振T2分布與孔隙結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，其形態(tài)特征主要與巖芯的孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，一般認(rèn)為T2譜峰的位置受孔徑大小決定;孔徑越小，T2譜峰的位置越靠前，相反，孔徑越大，T2譜峰的位置越靠后。研究區(qū)巖樣測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 核磁共振T2譜分布

圖4為3種孔隙結(jié)構(gòu)類型的核磁共振T2譜形態(tài)特征，由圖4可看出Y-W1-2-2-2號巖樣T2譜主峰的位置靠后，Y-SK8-1-2,Y-W1-2-4-1,Y-W1-2-3-1,Y-K8-4-2號巖樣T2譜主峰的位置靠前，Y-SK8-2-2,Y-K8-2-1號巖樣T2譜主峰的位置介于前面7塊巖芯中間，綜上，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類型巖樣孔徑依次減小，對應(yīng)孔隙度依次減小。

2.2 高壓壓汞與核磁共振聯(lián)合測試

高壓壓汞和核磁共振均可很好地反映孔隙半徑與孔隙度之間的相關(guān)關(guān)系[21]，研究巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。高壓壓汞最大進(jìn)汞壓力大，有效分析范圍大，從壓汞毛管壓力曲線中衍生出多種有關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)，主要有排驅(qū)壓力、最大喉道半徑、中值壓力、中值半徑、主流喉道半徑、滲透貢獻(xiàn)率等，但加壓速率較難控制，易產(chǎn)生次生裂縫，影響測試結(jié)果精度;核磁共振T2分布與孔隙結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，可反映巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，具有快速、無損害等特點，但無法將T2分布轉(zhuǎn)換為孔隙半徑分布曲線。因此，本文聯(lián)合高壓壓汞與核磁共振法獲得孔喉半徑分布，轉(zhuǎn)換方法參考文獻(xiàn)[22]采用冪函數(shù)對T2分布構(gòu)造核磁共振毛管壓力曲線，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，高壓壓汞與核磁共振所得孔隙半徑分布基本一致，核磁共振計算孔隙半徑稍大于高壓壓汞，差異主要由薄膜束縛水體積部分引起，原因在于壓汞法不能將巖石所有孔隙中的薄膜束縛水完全甩干，部分孔隙空間被薄膜束縛水占據(jù)，從而所測孔隙半徑減小;核磁共振檢測到的信號全部為水相信息。何雨丹等[23]、朱林奇等[24]在對比研究壓汞與核磁兩種方法時均提出薄膜束縛水對測試結(jié)果的影響。

3 砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對含水層富水性的影響

不同沉積相形成于不同的沉積環(huán)境，沉積相控制巖性，巖性控制微觀結(jié)構(gòu)，包括孔隙大小、孔隙之間的聯(lián)通性、滲透性等特征。在含水層沒有補(bǔ)給量的條件下，含水層具有定期的出水能力，含水層的富水性，主要決定于含水層的儲存量和含水層的導(dǎo)水性。本文僅探討含水層沒有補(bǔ)給量條件下的富水性，《煤礦防治水細(xì)則》(2018年)附錄2中給出了含水層富水性的等級標(biāo)準(zhǔn)，按照鉆孔單位涌水量(q)將含水層富水性分為4級，弱富水性(q≤0.1 L/(s·m))、中等富水性(0.1 L/(s·m)5.0 L/(s·m))。筆者通過對典型巖樣進(jìn)行普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實驗測試，結(jié)合鉆孔單位涌水量、氣測滲透率研究不同地層、不同巖性、不同區(qū)域砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對含水層富水性的影響，見表5。

圖5 高壓壓汞與核磁共振轉(zhuǎn)換孔隙半徑分布

表5 砂巖微觀結(jié)構(gòu)與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計

3.1 相同地層時代相同巖性不同風(fēng)化程度條件下砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對含水層富水性的影響

Y-W1-2-2-2巖樣與Y-K8-2-1巖樣同屬直羅組地層粗中粒砂巖。微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試成果顯示前者孔隙度稍大、最大孔喉半徑高達(dá)40.540 5 μm，儲存地下水能力強(qiáng)，孔喉比、平均配位數(shù)大，連通性好，滲透率大，屬于Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)類型;鉆孔抽水試驗結(jié)果顯示前者鉆孔單位涌水量q為0.070 7 L/(s·m)，后者鉆孔單位涌水量q為0.165 3 L/(s·m)。兩塊巖樣均風(fēng)化，普通薄片檢測含2%自身黏土，具有很強(qiáng)的親水性，風(fēng)化后遇水膨脹、泥化、裂隙容易被壓實彌合，會降低滲透性;兩塊巖樣中粗砂、中砂粒度砂巖含量差不多?？紫督Y(jié)構(gòu)屬Ⅰ類、富水性弱的主要原因在于，風(fēng)化程度，侯恩科等[4]以鄰區(qū)紅柳林井田為例，研究認(rèn)為風(fēng)化程度越強(qiáng)，富水性越好，Y-W1-2-2-2巖樣屬弱風(fēng)化，Y-K8-2-1巖樣屬中等風(fēng)化，結(jié)果與紅柳林井田研究成果相吻合。綜上，相同地層時代相同巖性條件下，富水性強(qiáng)弱與風(fēng)化程度成正比。

3.2 相同地層時代不同巖性條件下砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對富水性的影響

Y-K8-2-1巖樣與Y-SK8-1-2巖樣同屬直羅組地層，前者為粗中粒砂巖，后者為含灰質(zhì)粉砂巖。微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試成果顯示前者屬Ⅱ類，后者屬Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu);前者鉆孔單位涌水量為0.165 3 L/(s·m)，富水性中等，后者鉆孔單位涌水量0.034 6 L/(s·m)，富水性弱。綜合，相同地層時代條件下，粗中粒砂巖較粉砂巖富水性強(qiáng)，Y-K8-2-1巖樣位于推測古直羅河區(qū)域，這也是檸條塔煤礦南翼S1210工作面頂板直羅組風(fēng)化基巖突水的主要原因。

3.3 不同地層時代相同巖性條件下砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)對富水性的影響

Y-W1-2-2-2巖樣與Y-SK8-2-2巖樣同屬粗中粒砂巖，前者為直羅組、后者為延安組。微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試成果顯示前者屬Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)，后者屬Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)，前者粒度為粗砂含量40%，后者為32%;前者鉆孔單位涌水量q為0.070 7 L/(s·m)，后者鉆孔單位涌水量q為0.034 6 L/(s·m)，說明直羅組Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)較延安組Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)好，富水性直羅組較延安組強(qiáng)。

4 結(jié) 論

(1)陜北侏羅紀(jì)煤田侏羅系砂巖富水性差異大，通過砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試研究砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)，對比鉆孔抽水試驗單位涌水量分析微觀孔隙結(jié)構(gòu)與富水性之間的關(guān)系，可為砂巖含水層富水性預(yù)測與礦井防治水工作提供依據(jù)。

(2)采用普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實驗測試技術(shù)與Matlab圖像處理技術(shù)對檸條塔煤礦典型巖樣進(jìn)行微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，結(jié)合鉆孔抽水試驗單位涌水量大小可知:相同地層時代相同巖性條件下，風(fēng)化程度越強(qiáng)，富水性越強(qiáng);相同地層時代不同巖性條件下，粗中粒砂巖較粉砂巖富水性強(qiáng);不同地層時代相同巖性條件下，微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ類的直羅組較Ⅱ類型的延安組富水性強(qiáng)。