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。

1 研究區(qū)概況

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

2 不同粒度砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究

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。

2.1 孔滲測(cè)試

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

2.2 核磁共振實(shí)驗(yàn)

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。

2.3 不同粒度砂巖富水性差異研究

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

3 洛河組含水層平面富水分布研究

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)。

3.1 含水層等效厚度

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

3.2 砂地比

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

3.3 巖芯采取率

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

3.4 沖洗液漏失量

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

3.5 滲透系數(shù)

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)

3.6 富水性指標(biāo)權(quán)重確定

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

3.7 富水性分區(qū)

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)

4 結(jié)論

(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)。