周對(duì)對(duì),龍良良,劉家鵬 ,何 靜,汪慶國(guó),羅旭東
(1.陜西彬長(zhǎng)大佛寺煤礦有限責(zé)任公司,陜西省咸陽(yáng)市,713500;2. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西省渭南市,714000;3.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054)
大佛寺井田位于陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)南部,屬特大型現(xiàn)代化礦井。洛河組含水層是煤炭開(kāi)采過(guò)程中具威脅性的涌突水水源之一,為保證煤炭資源安全回采,有必要對(duì)洛河組含水層的富水分布進(jìn)行深入研究。相關(guān)研究顯示,微觀孔隙結(jié)構(gòu)和富水性有直接的聯(lián)系,微觀孔隙結(jié)構(gòu)越好,富水性越強(qiáng)[1-4]。目前研究巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)的方法有很多,包括掃描電鏡、鑄體薄片、X射線衍射、常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)、恒速壓汞實(shí)驗(yàn)、核磁共振實(shí)驗(yàn)、CT掃描技術(shù)、孔滲測(cè)試等[5-6]。吳小斌[7]通過(guò)鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、X射線衍射、孔滲測(cè)試多種實(shí)驗(yàn)方法,分析了巖石的孔隙和喉道類(lèi)型,認(rèn)為成巖縫和溶蝕作用的發(fā)育是改善研究區(qū)儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間和滲透性能的主因,壓實(shí)作用和膠結(jié)作用則起到減弱作用;WU Chao等[8]運(yùn)用核磁共振實(shí)驗(yàn)對(duì)3組相同濃度酸液浸泡過(guò)的不同粒度砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試,以研究酸對(duì)砂巖孔隙的腐蝕破壞機(jī)理。筆者在微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,選取了主控因素,建立了富水性評(píng)價(jià)模型,繪制了富水性分區(qū)圖。
大佛寺井田位于陜北黃土高原南部,地形標(biāo)高總趨勢(shì)為西南部高,向東北部逐漸降低。屬?zèng)芎铀?,涇河從煤礦東北部邊緣流過(guò),在井田范圍內(nèi)包含多條支流,礦區(qū)內(nèi)雨熱同期,年降雨量變化大,降雨量小,蒸發(fā)量大,常出現(xiàn)干旱。
井田構(gòu)造主體是褶皺,主要是兩期構(gòu)造活動(dòng)形成的。第一期是走向近東西、傾向近北的波狀單斜構(gòu)造,在單斜構(gòu)造背景上疊加了一系列北東東向與北北西向的寬緩褶皺構(gòu)造并伴生有小型斷裂構(gòu)造。地層產(chǎn)狀、構(gòu)造類(lèi)型、構(gòu)造形態(tài)均說(shuō)明本區(qū)侏羅系以上地層未經(jīng)受強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓和變形,構(gòu)造屬于中等類(lèi)型。
礦井主采4號(hào)煤層,煤層平均厚度13.5 m,屬特厚煤層。礦井生產(chǎn)能力800萬(wàn)t/a,采用綜采放頂煤采煤工藝,全部垮落法管理頂板。含水層從上至下依次為第四系、小章溝組下部、洛河組、宜君組、直羅組、延安組,隔水層從上至下依次為小章溝組上部、華池組、安定組。
礦井?dāng)鄬映梢驗(yàn)轳薨櫂?gòu)造伴生,多為斷距小于5 m 的壓扭性正斷層,不構(gòu)成規(guī)模性的涌(突)水通道,礦井最主要的涌(突)水通道為導(dǎo)水裂縫帶。煤層開(kāi)采過(guò)程中先后出現(xiàn)了多次突水事故,經(jīng)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)、洛河組含水層水文長(zhǎng)觀孔水位觀測(cè)、涌水特征分析及突水水樣水質(zhì)化驗(yàn)等方法綜合分析,認(rèn)為這些突水事故主要由導(dǎo)水裂縫帶導(dǎo)通洛河組含水層導(dǎo)致。大佛寺井田褶皺構(gòu)造如圖1所示,圖中字母加數(shù)字及數(shù)字表示鉆孔號(hào)(下圖同)。
圖1 大佛寺井田褶皺構(gòu)造
不同粒度砂巖的富水性能不同,根本原因在于儲(chǔ)水空間及空間之間連通狀況的差異,即微觀孔隙結(jié)構(gòu)不同。儲(chǔ)水空間主要指孔隙,連通空間指孔喉,孔喉本質(zhì)上是孔隙的狹窄部分,是孔隙連通的“咽喉”??紫额?lèi)型分布是微觀孔隙結(jié)構(gòu)的直接表征,砂巖的粒度差異會(huì)直接導(dǎo)致孔隙類(lèi)型分布的不同,孔隙度和滲透率也會(huì)有所不同。一般來(lái)講,砂巖的孔隙類(lèi)型分布中大孔徑孔隙占比越高,說(shuō)明孔隙類(lèi)型分布越好,孔隙度和滲透率的數(shù)值越大,砂巖的富水性會(huì)越好。基于以上分析,選擇了核磁共振實(shí)驗(yàn)來(lái)研究巖樣的孔隙類(lèi)型分布,使用氣測(cè)孔滲儀測(cè)試巖樣的孔隙度和滲透率,進(jìn)一步研究粒度與微觀孔隙結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系以及不同粒度砂巖富水性能的差異。
使用鉆樣機(jī)、切片機(jī)和研磨拋光機(jī)將巖芯制成直徑2.5 cm、長(zhǎng)度2.5 cm的圓柱體巖石試樣,如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)樣品
試樣中,5-21至5-24為研究區(qū)洛河組典型儲(chǔ)水細(xì)粒砂巖,5-1、5-2、5-11為研究區(qū)洛河組典型儲(chǔ)水中粒砂巖,5-7、5-9、5-10、5-12、5-14、5-16、5-19為研究區(qū)洛河組典型儲(chǔ)水粗粒砂巖。將制成的圓柱體試樣放入鼓風(fēng)干燥箱中101 ℃ 烘干4 h,徹底去除試樣孔隙中的自由流體和束縛流體。將其放入巖樣室,錄入試樣的體積和相關(guān)參數(shù),打開(kāi)真空泵將巖樣室抽真空,通入氮?dú)?,巖樣室的一端有氣體流量檢測(cè)裝置,由此測(cè)試出巖樣的孔隙度和滲透率數(shù)值。氣測(cè)孔滲儀實(shí)物如圖3所示。
圖3 氣測(cè)孔滲儀
根據(jù)核磁共振實(shí)驗(yàn)理論,孔隙中的水弛豫時(shí)間是確定的,即孔隙水中氫離子磁化弛豫時(shí)間越長(zhǎng),孔隙越大。因此,T2譜圖中弛豫時(shí)間可以代表不同大小的孔隙,信號(hào)強(qiáng)度可以代表相對(duì)應(yīng)尺度孔隙的數(shù)量。對(duì)不同粒度砂巖充分飽水,之后進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn),不同砂巖T2譜圖如圖4所示。T2譜圖峰總面積相當(dāng)于孔隙總體積,除以試樣體積,即為試樣的孔隙度。T2譜圖峰的位置受孔隙尺度影響,當(dāng)大孔徑孔隙數(shù)量多,峰位置靠近橫軸弛豫時(shí)間大的那一邊;反之,當(dāng)小孔徑孔隙數(shù)量多,峰位置靠近橫軸馳豫時(shí)間小的那一邊。
圖4 不同砂巖T2譜圖
由圖4可以看出,細(xì)粒砂巖T2譜圖的主峰靠近左邊,表明細(xì)粒砂巖以發(fā)育小孔徑孔隙為主;中粒砂巖T2譜圖發(fā)育2個(gè)峰,2個(gè)峰的峰高、峰面積都相近,表明中粒砂巖小孔徑孔隙與大孔徑孔隙發(fā)育程度相當(dāng);粗粒砂巖T2譜圖的主峰位置靠近右邊,表明粗粒砂巖以發(fā)育大孔徑孔隙為主。
根據(jù)孔滲測(cè)試、核磁共振實(shí)驗(yàn)可知,巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與粒度有直接關(guān)系,微觀孔隙結(jié)構(gòu)又直接影響著巖石的富水性,故巖石的粒度大小直接影響著巖石富水性能的強(qiáng)弱。
依據(jù)孔滲測(cè)試和核磁共振實(shí)驗(yàn),得到不同粒度砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。由表1可以看出,巖石的粒度越大,微觀孔隙結(jié)構(gòu)中大孔徑孔隙所占比例越高,孔隙度和滲透率數(shù)值越大。巖石的滲透率反應(yīng)介質(zhì)的補(bǔ)徑排條件,在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中,滲透過(guò)程持續(xù)進(jìn)行,因此滲透率不是富水性強(qiáng)弱的充分條件。巖石孔隙度是儲(chǔ)水空間和補(bǔ)徑排條件的綜合反應(yīng),孔隙度在一定程度上決定了富水程度的上限,用孔隙度大小來(lái)表征富水性強(qiáng)弱較為科學(xué)?;诖?,巖石孔隙度可以作為不同粒度砂巖富水性差異研究的依據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,細(xì)粒砂巖富水性是同體積粗粒砂巖的0.57倍,中粒砂巖富水性是同體積粗粒砂巖的0.76倍。
表1 不同粒度砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征
以往在預(yù)測(cè)含水層的富水性時(shí),總是簡(jiǎn)單地將含水層中的砂巖和礫巖厚度相加得到含水層厚度指標(biāo),并未考慮不同粒度砂巖對(duì)富水性的不同貢獻(xiàn)度,事實(shí)證明這樣做不科學(xué)。因此,引入含水層等效厚度指標(biāo)代替含水層厚度指標(biāo)。通過(guò)分析洛河組含水層的水文地質(zhì)特征,認(rèn)為儲(chǔ)水空間特征、孔隙裂隙特征及補(bǔ)徑排特征3個(gè)方面最能影響含水層的平面富水分布,影響洛河組含水層平面富水分布的主控因素有含水層等效厚度、砂地比、巖芯采取率、沖洗液漏失量、滲透系數(shù)。
一般而言,砂巖、礫巖等巖段屬于含水層,粉砂巖、泥巖等巖段屬于隔水層。不同粒度砂巖的富水性能是不同的。根據(jù)上文所述,中粒砂巖的富水性能是同體積粗粒砂巖的0.76倍,細(xì)粒砂巖富水性能是同體積粗粒砂巖的0.57倍。引入含水層等效厚度指標(biāo)H,如式(1)所示。
H=a+b+k1·c+k2·d
(1)
式中:a、b、c、d——礫巖、粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖的厚度,m;
k1——中粒砂巖與粗粒砂巖的富水性換算系數(shù),取0.76;
k2——細(xì)粒砂巖與粗粒砂巖的富水性換算系數(shù),取0.57。
洛河組含水層等效厚度如圖5所示。由圖5可以看出,含水層等效厚度西部厚東部薄、南北厚中部薄。
圖5 洛河組含水層等效厚度
砂地比指洛河組含水層砂礫巖段總厚度與地層總厚度的比值,是一個(gè)反應(yīng)沉積環(huán)境的指標(biāo)。砂地比值越大代表沉積物的粒度越粗,微觀孔隙結(jié)構(gòu)越好,富水性也相應(yīng)越好;反之,砂地比值越小代表層位含泥質(zhì)越多,說(shuō)明沉積物的粒度平均較細(xì),富水性相應(yīng)變差。
洛河組含水層砂地比如圖6所示。由圖6可以看出,井田范圍內(nèi)洛河組含水層的砂地比普遍較大,看不出明顯差異。
圖6 洛河組含水層砂地比
巖芯采取率是用來(lái)衡量巖體質(zhì)量的指標(biāo),巖石性脆、膠結(jié)差、孔隙裂隙發(fā)育時(shí),巖芯采取率就低。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局主體是褶皺,巖體裂隙主要是構(gòu)造裂隙。裂隙越發(fā)育,巖芯采取率越低,富水性越好;反之,則富水性差。洛河組含水層巖芯采取率如圖7所示。由圖7可以看出,井田東部和南部巖芯采取率較低,西北部巖芯采取率較高。
圖7 洛河組含水層巖芯采取率
鉆探施工中,沖洗液起到了運(yùn)移巖粉的作用。地層的孔隙、裂隙發(fā)育,沖洗液會(huì)在鉆壓的作用下被壓入地層中,被地下水帶走,沖洗液的損失量稱之為沖洗液漏失量。沖洗液漏失量反映了巖層的孔隙裂隙發(fā)育狀況。沖洗液漏失量越大,孔隙裂隙越發(fā)育,儲(chǔ)水空間、補(bǔ)徑排條件越好,富水性越強(qiáng);反之,富水性則差。洛河組含水層沖洗液消耗量如圖8所示。由圖8可以看出,井田西部的沖洗液漏失量較小,東部的沖洗液漏失量較大。
圖8 洛河組含水層沖洗液消耗量
滲透系數(shù)是含水層重要的水文地質(zhì)參數(shù),表征含水層的補(bǔ)徑排能力。洛河組含水層水的平均水溫16 ℃,動(dòng)力粘滯性指數(shù)1.115×10-6kPa/s,流體密度0.998×103kg/m3。將滲透率換算為滲透系數(shù),結(jié)合礦井歷年滲透系數(shù)數(shù)據(jù),繪制滲透系數(shù)分布如圖9所示。由圖9可以看出,井田內(nèi)洛河組含水層的滲透系數(shù)呈明顯的規(guī)律性,由東向西逐漸變大。
圖9 洛河組含水層滲透系數(shù)
層次分析法(AHP)和熵權(quán)法都是比較成熟的賦權(quán)方法。AHP法以專(zhuān)家打分為賦權(quán)依據(jù),較為主觀;熵權(quán)法基于指標(biāo)數(shù)據(jù)的變異性大小確定權(quán)重,較為客觀。將2種方法取平均值進(jìn)行綜合賦權(quán),既排除了人為因素的影響,又克服了異常數(shù)據(jù)的干擾,最大程度保證了指標(biāo)賦權(quán)值的科學(xué)性,這種方法叫做綜合賦權(quán)法。不同賦權(quán)法富水性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)比較分析,最終決定使用綜合賦權(quán)法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。
表2 不同賦權(quán)法富水性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果
無(wú)量綱化是將不同物理量放在同一水平計(jì)算分析的基礎(chǔ),筆者采用極值法進(jìn)行無(wú)量綱化處理。將處理過(guò)后的無(wú)量綱指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)疊合,構(gòu)建洛河組含水層富水性評(píng)價(jià)模型。引入富水性指數(shù)D,D值越大,富水性越強(qiáng)。富水性評(píng)價(jià)模型表達(dá)式:
(2)
式中:fj(x,y)——第j個(gè)主控指標(biāo)的單信息影響值函數(shù),j=1、2、3、4、5。
使用Arcgis軟件,將無(wú)量綱矢量專(zhuān)題圖轉(zhuǎn)換為柵格專(zhuān)題圖,利用軟件強(qiáng)大的柵格數(shù)據(jù)處理功能,按照富水性評(píng)價(jià)模型對(duì)各專(zhuān)題圖進(jìn)行疊加。使用軟件內(nèi)嵌的自然間斷法進(jìn)行富水性指數(shù)分級(jí),將井田富水區(qū)域分為5類(lèi)。洛河組含水層富水性強(qiáng)弱分區(qū)預(yù)測(cè)如圖10所示。由圖10可以看出,井田富水性強(qiáng)度由東向西逐漸增強(qiáng),西南角和北部局部區(qū)域的富水性強(qiáng)。
圖10 洛河組含水層富水性強(qiáng)弱分區(qū)預(yù)測(cè)
(1)借助核磁共振實(shí)驗(yàn)和孔滲測(cè)試,對(duì)不同粒度砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,進(jìn)而明晰砂巖粒度與微觀孔隙結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系及不同粒度砂巖富水性能的差異。研究表明,洛河組含水層砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與粒度有直接聯(lián)系,粒度越粗,大孔徑孔隙占比越高,孔滲數(shù)值越大,微觀孔隙結(jié)構(gòu)越好,富水性能越強(qiáng)。
(2)不同粒度砂巖的富水性能不同,粒度越粗,砂巖的儲(chǔ)水空間和補(bǔ)徑排條件越好。研究表明,細(xì)粒砂巖富水性能是同體積粗粒砂巖0.57倍,中粒砂巖的富水性能是同體積粗粒砂巖0.76倍。
(3)根據(jù)洛河組含水層水文地質(zhì)特征及微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究成果,選取含水層等效厚度、砂地比、巖芯采取率、沖洗液漏失量、滲透系數(shù)5個(gè)主控指標(biāo),建立富水性評(píng)價(jià)模型。繪制富水性分區(qū)圖,顯示洛河組含水層富水性由東向西逐漸增強(qiáng),西南角和北部局部區(qū)域的富水性強(qiáng),為礦井水害防治提供了理論指導(dǎo)。