錦界煤礦侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型及富水性研究

楊 鵬，楊偉峰，馬榮坤

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)指的是砂巖孔隙和喉道的幾何形態(tài)、大小、分布及連通性。砂巖的孔隙大小決定其自身的富水性，而孔喉大小及連通關(guān)系很大程度上決定著自身的滲透性。在陜北侏羅系煤層上賦存著富水性不一的砂巖含水層，研究砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，對于認識其與含水層富水性的關(guān)系具有重要的意義，同時也可為侏羅系砂巖頂板水害的防治提供科學依據(jù)。

目前，學者們從宏觀和微觀兩個角度對砂巖富水性進行了大量研究。宏觀上，主要集中在巖性、巖相和結(jié)構(gòu)特征等地學信息與富水性關(guān)系的研究。武強等[1]討論了含水層厚度、脆塑性巖厚度比、單位涌水量、巖石質(zhì)量指標、滲透系數(shù)、沖洗液消耗量、斷層、陷落柱、褶皺樞紐軸9個地質(zhì)因素對煤層頂板含水層富水性的影響，建立了平朔井工一礦4煤層頂板富水性AHP結(jié)構(gòu)模型；肖樂樂等[2]以金雞灘井田為例，確定了含水層等效厚度、砂泥比、巖心采率、砂泥巖交互層數(shù)等4個獨立評價指標，構(gòu)建了基于富水性結(jié)構(gòu)指數(shù)法的含水層富水性評價方法；侯恩科等[3]以紅柳林井田為例，認為風化基巖富水性主要受風化基巖地層時代、巖性組合、風化程度和厚度4個因素影響；代革聯(lián)等[4]采用沉積學方法分析檸條塔井田直羅組砂巖的富水規(guī)律，根據(jù)砂體的展布規(guī)律將檸條塔井田富水性劃分為強、中等和弱3個區(qū)，直羅組砂巖厚度越大，富水性越強，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。從微觀角度研究砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與富水性關(guān)系的成果不多，主要的研究方法有鑄體薄片、掃描電鏡和壓汞實驗等[5-7]。王蘇健等[8]對檸條塔煤礦中不同時代地層、不同巖性砂巖進行微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，發(fā)現(xiàn)風化程度越高富水性越強，粗、中粒砂巖較粉砂巖富水性強，直羅組富水性強于延安組；徐智敏等[9]對大南湖侏羅系中統(tǒng)西山窯組含水層的沉積環(huán)境、宏觀地層結(jié)構(gòu)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行研究，發(fā)現(xiàn)山窯組巖層的平均孔隙度高達19. 9%，砂巖平均孔隙度為18. 2%，并估算了含水層的儲量；劉欽等[10]研究弱膠結(jié)砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)砂巖屬高孔隙度巖石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布頻率高的結(jié)構(gòu)特征和強富水性;王春剛[11]對巴拉素井田的2煤頂板直接充水含水層進行巖石微觀特征研究，發(fā)現(xiàn)直羅組含水層的孔隙度和滲透率條件要優(yōu)于延安組四段含水層;武超等[12]研究了進汞壓力對應(yīng)的不同孔喉大小和分布，劃分出不同孔喉區(qū)間、定量化描述孔喉占孔隙體積的百分比;王長申等[13]分析了峰峰組巖性，孔隙結(jié)構(gòu)特征及其垂向分布規(guī)律，確定了隔水層厚度范圍。

總體上，從宏觀角度研究巖相、巖性和結(jié)構(gòu)特征等地學信息與富水性關(guān)系的成果已經(jīng)相當豐富，而從微觀角度研究砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與富水性關(guān)系的成果還有所欠缺，且主要成果多集中在致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究。筆者以錦界煤礦3-1煤頂板侏羅系砂巖為研究對象，將現(xiàn)場采集的不同深度不同巖性的砂巖樣品進行普通薄片和壓汞實驗測試，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制毛管壓力曲線，根據(jù)毛管壓力曲線的特征和排驅(qū)壓力的大小對侏羅系砂巖進行分類。從粒徑分布曲線入手，研究了侏羅系延安組和直羅組砂巖的孔隙大小分布特征，以10 μm以上的孔隙為有效孔隙，計算不同類型砂巖的有效孔隙占比情況。最后通過現(xiàn)場鉆孔單位涌水量數(shù)據(jù)反映了砂巖富水性，研究延安組和直羅組砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型與富水性的關(guān)系，為侏羅系砂巖頂板水害的防治提供科學依據(jù)。

1 錦界煤礦概況

錦界煤礦位于陜西省陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)范圍內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬于榆林市神木市管轄，地處陜北黃土高原北端、毛烏素沙漠東南緣，面積約141.78 km2，核定生產(chǎn)能力為1 800萬t/a。礦區(qū)地形總體呈北高南低、東高西低的特征，最高點高程為+1 313 m，最低點高程為+1 100 m，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條常年性溝流-青草界溝和河則溝，均為黃河二級支流。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造十分簡單，地層平坦，總體趨勢為一個傾角約1°，緩緩向北西傾斜的單斜構(gòu)造。根據(jù)地質(zhì)填圖及鉆孔揭露，礦區(qū)地表絕大部分被第四系沉積物所覆蓋，僅在部分區(qū)域有基巖零星出露，地層由老到新有三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)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)風積沙(Q4eol)及沖積層(Q4al)。

礦區(qū)含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，屬淺水湖泊～三角洲沉積體系，可采煤層共7層，分別為5-3煤、5-2上煤、5-2煤、4-4煤、4-3煤、4-2煤和3-1煤。目前開采侏羅系延安組3-1煤層。煤層屬淺埋煤層，雖地質(zhì)構(gòu)造十分簡單，但水文地質(zhì)條件為復雜-極復雜，正常涌水量達5 000～5 200 m3/h，已成為影響煤礦安全高效生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。

2 侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過現(xiàn)場鉆孔取樣，獲取了侏羅系砂巖地層7個巖石樣本，并開展了薄片鑒定和壓汞試驗，以獲取該區(qū)3-1煤頂板侏羅系砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，為分析該區(qū)砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征與含水層富水性的關(guān)系提供依據(jù)，砂巖樣品基本情況見表1。

表1 砂巖樣品基本情況

2.1 薄片鑒定分析

根據(jù)薄片鑒定結(jié)果，該區(qū)3-1煤頂板侏羅系砂巖類型主要為泥質(zhì)細粒長石砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和中粗粒巖屑長石砂巖。泥質(zhì)細粒長石砂巖的碎屑顆粒主要以石英(平均43%)和長石(平均19%)為主，巖屑較少(平均2%)，填隙物主要由泥質(zhì)(平均26%)、云母、綠泥石、碳酸鹽礦物和鐵質(zhì)組成。泥質(zhì)粉砂巖的碎屑顆粒主要為石英(平均40%)和長石(平均29%)，填隙物主要為泥質(zhì)(平均25%)、云母、綠泥石、碳酸鹽礦物和不透明礦物。中粗粒巖屑長石砂巖的碎屑顆粒主要為石英(平均34%)、長石(平均32%)和巖屑(平均19%)，填隙物主要為泥質(zhì)(平均4%)、云母、細粉砂和鐵質(zhì)，碎屑顆粒的分選性為較好～差，多數(shù)呈棱角～次棱角狀，接觸類型為孔隙式膠結(jié)和基底式膠結(jié)2種。薄片鑒定結(jié)果如圖1所示。

圖1 薄片鑒定結(jié)果

由此可知，侏羅系延安砂巖中泥質(zhì)的含量(平均25.5%)遠大于直羅組砂巖中泥質(zhì)的含量(平均4%)，且侏羅系直羅組的粗粒砂巖所占比例高、孔隙大、儲存地下水的能力更強。因此延安組砂巖與直羅組砂巖相比，地下水更易在直羅組砂巖中流動，若煤層開采產(chǎn)生的導水裂隙帶溝通直羅組砂巖，容易造成水害事故。同時探放水孔打入直羅組砂巖地層中，也更有利于頂板水疏降。

2.2 壓汞試驗分析

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，汞進入孔半徑越小，根據(jù)不同外壓下進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[8]。

應(yīng)用美國康塔公司的PoreMaster60GT全自動壓汞儀對錦界煤礦侏羅系砂巖樣品的7個砂巖樣品進行壓汞試驗，試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法參照GB/T 29171—2012《巖石毛管壓力曲線的測定》。7個砂巖樣品的毛細壓力曲線如圖2所示。

圖2 砂巖樣品毛管壓力曲線

將該區(qū)侏羅系砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)按照毛管壓力曲線特征和排驅(qū)壓力大小劃分為3種類型，即：Ⅰ類低排驅(qū)壓力型，Ⅱ類中排驅(qū)壓力型和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型。砂巖樣品毛管壓力曲線主要特征參數(shù)見表2。

表2 砂巖樣品毛管壓力曲線主要特征參數(shù)

由圖2可知，對于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型和Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖，其毛管壓力曲線均不存在中間平緩段，而是隨著汞飽和度的增加，毛管壓力不斷上升，表明其孔隙結(jié)構(gòu)復雜，孔隙的分選性較差。對于Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖，其毛管壓力曲線存在明顯的3個階段，分別為初始上升段、中間平緩段和末端上翹段，中間平緩段越長，說明分選性越好。Ⅰ類低排驅(qū)壓力型包括11-3號直羅組砂巖樣品，此類砂巖排驅(qū)壓力小于0.1 MPa，由于該類型毛管壓力曲線的閾壓較低，表明其孔隙半徑較大。中值壓力在3種砂巖中最低，為0.085 MPa，中值半徑為17.299 2 μm，退汞效率最高，此類型的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育較好。具有該類孔隙結(jié)構(gòu)的砂巖主要發(fā)育在3-1煤頂板直羅組中粗粒砂巖中。

Ⅱ類中排驅(qū)壓力型包括6-6號延安組砂巖樣品和9-1號延安組砂巖樣品，此類砂巖排驅(qū)壓力為0.1 MPa，中值壓力比Ⅰ類高，平均為4.039 MPa，中值半徑平均為0.372 4 μm，退汞效率平均為27.63%，此類型的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育中等。

Ⅲ類高排驅(qū)壓力型包括2-2號延安組砂巖樣品、3-2號延安組砂巖樣品、4-5號延安組砂巖樣品和9-1號延安組砂巖樣品，此類砂巖排驅(qū)壓力大于1.0 MPa，中值壓力為3類中最高，平均為12.740 MPa，中值半徑為0.139 5 μm，退汞效率為25.27%，此類型的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育最差。

2.3 孔徑分布曲線下的砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙大小的分類有多種，例如根據(jù)化學理論，IUPAC將孔隙系統(tǒng)劃分為3類[14]，即大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)?；诳紫督Y(jié)構(gòu)解剖，朱如凱等[15]提出“孔隙結(jié)構(gòu)四分法”，將孔隙系統(tǒng)分為毫米孔(>1 mm)、微米孔(0.001～1 mm)、亞微米孔(0.1～1.0 μm)及納米孔(<0.1 μm)。LOUCK等[16]根據(jù)油氣儲層的實際，提出了一種新的孔分類法，孔徑為1～1 000 nm是納米孔區(qū)，1～62.5 μm是微孔區(qū)，62.5～4 000 μm是中孔區(qū)。但文中采用謝爾蓋耶夫根據(jù)孔隙成因和水在其中運動特征的4級分類[17]，即：粗大的(>1 000 μm)，中等的(1 000～10 μm)、細小的(10～0.1 μm)和超毛管微孔隙(小于0.1 μm)，見表3。

表3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

由不同孔徑下進汞量所占比例(圖3)可知，對于Ⅱ類中排驅(qū)壓力型和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖來說，第1個進汞量所占比例峰值出現(xiàn)在130 μm左右，然后急劇下降一直到1 μm左右峰值開始再次出現(xiàn)，且此次峰值所跨孔隙半徑區(qū)間較大，一直到0.05 μm左右峰值開始結(jié)束。而對于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖來說，在8～100 μm均維持有較大的進汞量。

圖3 不同孔隙半徑占進汞量占比

說明該區(qū)砂巖的孔徑部分小于0.1 μm，屬超毛管微孔隙，孔隙類型屬于晶粒內(nèi)孔隙，其內(nèi)儲水主要為結(jié)合水，不易流動，在開采過程中不會對煤礦生產(chǎn)產(chǎn)生威脅。而大部分為10～0.1 μm的細小孔隙，此類孔隙中的重力水一般難以運動，只有在較高水頭下才能運動，這時才能對礦井安全生產(chǎn)造成影響。

進一步討論孔容分布特征，由孔容的分布特征圖(圖4)可以看出對于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖，總有效孔隙體積為0.042 3 cm3/g。大于10 μm的孔隙體積占61.68%，所以該型砂巖以粒間和晶間孔隙為主；其次為顆粒內(nèi)和粒間孔隙，孔隙體積占38.52%，基本無晶粒內(nèi)孔隙。

圖4 進汞飽和度分布

對于Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖，總有效孔隙體積平均為0.065 4 cm3/g。介于0.1～10 μm的孔隙體積占51.44%，所以該型砂巖以顆粒內(nèi)和粒間孔隙為主；其次為晶粒內(nèi)孔隙，孔隙體積占26.86%；粒間和晶間孔隙占比最少，為21.70%。

對于Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖，總有效孔隙體積平均為0.084 6 cm3/g。小于0.1 μm的孔隙體積占45.32%，所以該型砂巖以晶粒內(nèi)孔隙為主；其次為顆粒內(nèi)和粒間孔隙，孔隙體積占32.56%；粒間和晶間孔隙占比最少，為22.13%。

結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，該區(qū)煤層頂板主要充水含水層為侏羅系直羅組風化基巖孔隙裂隙潛水—承壓含水層。侏羅系直羅組風化基巖孔隙裂隙潛水—承壓含水層承壓水頭一般在66.30 m左右，具有一定的壓力水頭，因此，依據(jù)表3中微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及水文地質(zhì)意義，初步以10 μm以上的粒間和晶間孔隙為有效孔隙。得到Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖組成的延安組砂巖的有效孔隙僅占21.92%，而Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖組成的直羅組砂巖中有效孔隙高達61.68%，說明侏羅系直羅組砂巖猶如一塊“海綿”一樣，可以儲存巨大的水量，是礦井突水的主要來源。

3 侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與含水層富水性的關(guān)系

《煤礦防治水細則》附錄一中給出了含水層富水性的等級標準，按照鉆孔單位涌水量的大小，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))[18]。通過對典型巖樣進行普通薄片和高壓壓汞等試驗測試，結(jié)合鉆孔單位涌水量，研究該礦區(qū)侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與含水層富水性的關(guān)系。砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計見表4。

由表4可知，孔隙結(jié)構(gòu)Ⅰ類的直羅組砂巖鉆孔單位涌水量要比孔隙結(jié)構(gòu)為Ⅱ類和Ⅲ類的延安組砂巖鉆孔單位涌水量大1個數(shù)量級，且前者為中等富水性，后者為弱富水性。

表4 砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計

由于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖以粒間和晶間孔隙為主，其有效孔隙占比達到61.68%，且該含水層承壓水頭在66.30 m左右，具有一定的壓力水頭，大量賦存在孔隙中的重力水在一定的壓力水頭下自由移動，是其中等富水性的原因。而Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖以晶粒間孔隙和顆粒內(nèi)及粒間孔隙為主，該類孔隙體積占78.02%，此類孔隙內(nèi)為結(jié)合水和一定量的重力水，但是壓力水頭有限，重力水并不能在孔隙內(nèi)自由移動，所以該類砂巖僅為弱富水性。

薄片鑒定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所屬直羅組地層的Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖的泥質(zhì)含量僅為4%，而延安組地層的Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖的泥質(zhì)含量高達25.5%，泥質(zhì)含量高的砂巖具有很強的親水性，遇水膨脹、泥化，裂隙被重新壓實彌合，這是延安組地層的Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖滲透系數(shù)低于直羅組地層的Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖的重要原因。

4 結(jié) 論

1)從微觀角度來看，確定砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型對于認識其富水性程度具有重要意義，可以為砂巖富水性的預測提供一種思路。

2)侏羅系延安砂巖中泥質(zhì)的含量(平均25.5%)遠大于直羅組砂巖中泥質(zhì)的含量(平均4%)，且侏羅系直羅組的粗粒砂巖所占比例高，孔隙大，儲存地下水的能力更強。

3)根據(jù)毛管壓力曲線形態(tài)和排驅(qū)壓力大小將錦界煤礦3-1煤頂板侏羅系砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)劃分為3種類型，即：Ⅰ類低排驅(qū)壓力型(孔隙結(jié)構(gòu)較好)、Ⅱ類中排驅(qū)壓力型(孔隙結(jié)構(gòu)中等)和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型(孔隙結(jié)構(gòu)較差)。

4)Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖以粒間和晶間孔隙為主，其有效孔隙占比達到61.68%，且該含水層承壓水頭在66.30 m左右，具有一定的壓力水頭，大量賦存在孔隙中的重力水在一定的壓力水頭下自由移動，是其中等富水性的重要原因。

5)Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖以為0.1～10.0 μm的顆粒內(nèi)和粒間孔隙為主，該類孔隙體積占51.44%。Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖以小于0.1 μm的晶粒內(nèi)孔隙為主，該類孔隙體積占45.32%。Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖的有效孔隙僅占21.92%。