保德煤礦奧灰含水層頂部地層巖性及孔隙性特征分析

呂情緒，楊茂林，許 峰，惠磐科

(1.神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719300； 2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

華北地區(qū)底板奧灰水害防治問題是確保煤礦生產(chǎn)安全的關(guān)鍵之一，隨著礦產(chǎn)資源開采深度的增加，巖溶發(fā)育且富水的奧陶系地層一度成為研究中的重點(diǎn)[1]。目前，在煤礦防治水工作中，通常將奧陶系灰?guī)r地層當(dāng)作含水層，對其頂部地層的隔水性研究較少，致使某些井田或某些采區(qū)預(yù)測的突水危險(xiǎn)性偏大，大量的下組煤基本上都不敢開采[2-4]。隨著諸多華北石炭、二疊系煤田進(jìn)入下組煤開采，研究奧陶系頂部峰峰組地層巖溶發(fā)育規(guī)律及能否為下組煤開采提供隔水屏障十分重要。

針對奧陶系頂部地層隔水性問題，早在20世紀(jì)40年代，匈牙利學(xué)者韋格弗洛倫斯[5]首次提出隔水層厚度同水壓比的底板相對隔水層概念，并利用相對隔水層厚度進(jìn)行突水判斷。隨后前南斯拉夫、蘇聯(lián)學(xué)者在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了引起突水的條件及影響因素。國外學(xué)者在進(jìn)行奧陶系地層研究時(shí)，由于煤田很少帶壓開采，大多將其視為含水層[6-9]。我國煤礦在多年前受奧灰水威脅并不十分嚴(yán)重，故對奧陶系地層的認(rèn)知基于國外的研究，即將其視為含水層。在進(jìn)行煤礦防治水研究時(shí)，大部分學(xué)者關(guān)注點(diǎn)在已知隔水層上，忽略了奧陶系頂部峰峰組作為隔水層的可能性及價(jià)值。而已有研究多次證明，奧陶系頂部峰峰組地層具有阻、隔水能力[10]。繆協(xié)興等[11-12]對隔水關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了分析，提出了判斷隔水關(guān)鍵層的方法；白海波等[13]指出奧陶系頂部存在2種類型隔水層，并通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬論證了其隔水能力；牟林等[14]采用現(xiàn)場勘探結(jié)合壓水試驗(yàn)等手段，對晉城寺河礦峰峰組阻水能力進(jìn)行了研究，得出了峰峰組水文地質(zhì)特征與上馬家溝組存在巨大差異，具有隔水層的相關(guān)特性。

為了準(zhǔn)確評價(jià)奧灰含水層頂部地層隔水性能，就需要掌握其頂部巖性、微觀結(jié)構(gòu)、孔隙特征和巖溶發(fā)育規(guī)律[15]。本文根據(jù)水文地質(zhì)勘探結(jié)果，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，對山西河?xùn)|煤田保德煤礦的奧灰含水層頂部峰峰組地層巖性及微觀孔隙特征進(jìn)行研究，為奧灰含水層頂部地層隔水性能研究提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為今后的帶壓開采、井下防治水工作提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

保德煤礦位于山西忻州市保德縣，2002年投產(chǎn)，正在開采8號煤層，11號煤層為計(jì)劃開采的下組煤層，其平均煤厚7.16 m(圖1)。煤層開采(尤其是下組煤)主要受到底板奧灰含水層的影響，井田范圍內(nèi)奧灰承壓含水層水位標(biāo)高為+837～+863 m，而11號煤底板標(biāo)高為+410～+876 m，11號煤層幾乎全部處于奧灰水頭之下，且奧灰含水層頂界面距11號煤底板的平均間距較近，為67 m。因此，下組11號煤的開采受到奧灰水害的威脅較大。

圖1 保德煤礦主采煤層頂?shù)装鍘r層空間位置關(guān)系Fig.1 Spatial position relationship diagram of the lower coal roof and floor strata

根據(jù)以往勘探資料顯示，奧陶系地層在井田范圍內(nèi)無出露，揭露最大厚度為210.27 m，平均厚181.9 m。奧陶系地層自下而上分為2個(gè)組：①下部為中統(tǒng)馬家溝組(O2m)。巖性為淺灰—灰黃色灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，局部溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，溶洞直徑為5～7 mm，呈蜂窩狀分布。施工鉆孔均未揭露該地層全部，揭露最大厚度64.18 m，上馬家溝組含水層單位涌水量為0.011～0.278 L/(s·m)，富水性弱—中等。②上部為中統(tǒng)峰峰組(O2f)。巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、碎屑灰?guī)r為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，垂向節(jié)理發(fā)育，局部有星點(diǎn)及團(tuán)塊狀黃鐵礦，厚度為94.09～125.75 m，平均厚104.28 m，該層單位涌水量為0.011 0～0.021 1 L/(s·m)，富水性較弱。

以往多期次的勘探成果表明，峰峰組地層沖洗液消耗量普遍較小，溶蝕及裂隙不發(fā)育，富水性較差，對下部馬家溝組奧灰水有一定阻水作用。如將峰峰組灰?guī)r作為隔水層利用，11號煤的突水系數(shù)將大幅降低，以往研究認(rèn)為帶壓超限區(qū)域的煤炭資源將能夠安全開采。為此，針對奧灰含水層頂部峰峰組地層，進(jìn)一步分析其巖性及微觀孔隙特征，為后續(xù)隔水性能研究提供數(shù)據(jù)支撐。

2 研究方法

研究針對神東保德煤礦奧陶系頂部峰峰組地層開展了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，通過地面探查鉆孔采集巖石樣品，分別進(jìn)行了巖性薄片鑒定試驗(yàn)以及微觀孔隙壓汞試驗(yàn)。其中，采用薄片鑒定試驗(yàn)旨在獲取奧灰頂部峰峰組地層的巖性特征；壓汞試驗(yàn)主要是為了獲取研究目標(biāo)地層的微觀孔隙特征。通過以上2個(gè)關(guān)鍵因素特征分析，結(jié)合其他試驗(yàn)手段，為后續(xù)綜合分析奧灰頂部峰峰組地層的隔水性提供數(shù)據(jù)支撐。

(1)薄片鑒定試驗(yàn)。薄片鑒定是通過偏光顯微鏡(研究采用奧林巴斯顯微鏡BX53)鑒定透明礦物和巖石的一種方法[16-17]。首先選取采集的典型巖心樣本磨制成薄片，在偏光顯微鏡下觀察礦物的結(jié)晶特點(diǎn)，測定其光學(xué)性質(zhì)，確定巖石的礦物成分，研究其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，分析礦物的生成順序，確定巖石類型及其成因特征，最后明確巖石的種類和名稱。

(2)壓汞試驗(yàn)。壓汞試驗(yàn)是依靠外加壓力使汞克服表面張力進(jìn)入巖石孔隙來測定巖石孔隙孔徑和孔隙分布的一種方法。根據(jù)進(jìn)汞的孔隙體積分?jǐn)?shù)和對應(yīng)壓力，就能得到毛管壓力與巖樣含汞飽和度的關(guān)系曲線。毛管壓力與孔徑的關(guān)系見式(1)：

(1)

式中，Pc為毛管壓力；rc為毛管半徑。

研究將采集的巖心制作成1～10 cm3的測試樣品，拋光后洗去粘連的顆粒并使其干燥至恒重，采用9510-Ⅳ型壓汞儀對檢測樣品進(jìn)行壓汞測量，將測量數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算孔徑。

3 巖性特征試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)鉆孔施工

選取井田范圍內(nèi)合適位置，在地面施工Z1號鉆孔(圖2)，鉆孔深度693 m。鉆孔施工自上而下揭露地層分別為第四系、新近系、二疊系、石炭系以及奧陶系地層，進(jìn)入奧灰地層114 m。其中，鉆孔埋深579～688 m為奧灰頂部峰峰組地層，在揭露峰峰組地層施工過程中，鉆液漏失量均較小。

借助地面鉆孔Z1采集峰峰組不同層位巖樣共6組(圖3)，編號為B1—B6進(jìn)行礦物成分鑒定以及裂隙、孔隙的分析試驗(yàn)。取樣深度見表1、圖4。

圖2 試驗(yàn)鉆孔位置Fig.2 Test borehole location

圖3 奧灰峰峰組地層巖心采集照片F(xiàn)ig.3 Core collection photos of the Fengfeng Formation of Ordovician limestone

表1 巖性薄片鑒定樣品統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of lithological thin section identification samples

圖4 巖心取樣位置Fig.4 Core sampling location

2.2 薄片鑒定試驗(yàn)

使用奧林巴斯顯微鏡BX53對以上6組巖樣進(jìn)行了巖性薄片鑒定，各深度樣品巖性鑒定顯微照片如圖5所示。

圖5 巖性鑒定顯微照片F(xiàn)ig.5 Lithology identification photomicrograph

(1)峰峰組頂部B1。巖樣結(jié)構(gòu)組分主要為晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒主要為泥晶方解石，局部發(fā)生重結(jié)晶，晶粒較粗，粒徑為50～500 μm，為粉晶、細(xì)晶、中晶；礦物主要成分為方解石，含少量燧石及黃鐵礦，燧石主要填充在中晶方解石間，黃鐵礦呈分散狀分布。發(fā)育數(shù)條裂縫，大部分裂縫內(nèi)方解石充填，少數(shù)裂縫未充填，孔隙基本不發(fā)育。

(2)峰峰組上部B2。巖樣結(jié)構(gòu)組分主要為晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒主要為粉晶方解石，局部發(fā)生重結(jié)晶，晶粒為細(xì)粒；礦物主要成分為方解石，含少量鐵泥質(zhì)及黃鐵礦、裂縫不發(fā)育?？紫缎暂^差，僅局部發(fā)育少量晶間溶孔。

(3)峰峰組中部B3。巖樣結(jié)構(gòu)組分為晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒主要為泥晶方解石，僅局部發(fā)育少量粉晶方解石；礦物成分主要為方解石，含少量鐵泥質(zhì)。發(fā)育2條裂縫，1條裂縫內(nèi)充填亮晶方解石和鐵泥質(zhì)，裂縫寬150～200 μm；1條裂縫內(nèi)鐵泥質(zhì)充填，裂縫寬3～5 μm。

(4)峰峰組中部B4。巖樣結(jié)構(gòu)組分主要為晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒主要為泥晶方解石，泥晶方解石呈透鏡層狀分布，其次為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，黏土質(zhì)透鏡體呈層狀分布。礦物成分主要為方解石，其次為黏土礦物，含部分硅質(zhì)，含少量黃鐵礦，硅質(zhì)主要為燧石，含少部分石英，黃鐵礦呈分散狀分布。發(fā)育數(shù)條水平縫，裂縫間近平行，裂縫內(nèi)未充填，裂縫寬10～15 μm?？紫痘静话l(fā)育。

(5)峰峰組下部B5。巖樣結(jié)構(gòu)組分為晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒主要為粉晶白云石，大部分白云石自形程度不好，為他形，少部分白云石自形程度較好，半自形—自形，局部發(fā)育少量粉晶方解石；礦物成分主要為白云石，含少部分方解石，含少量鐵泥質(zhì)。發(fā)育數(shù)條裂縫，裂縫內(nèi)未充填或方解石充填或鐵泥質(zhì)充填，裂縫寬5～20 μm。孔隙性好，發(fā)育大量晶間溶孔。

(6)峰峰組底部B6。巖樣結(jié)構(gòu)組分主要為晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒主要為細(xì)粉晶方解石，局部發(fā)生重結(jié)晶，晶粒較粗，達(dá)粗粉晶；礦物成分主要為方解石，含少部分鐵泥質(zhì)，含少量石英。發(fā)育數(shù)條裂縫，裂縫內(nèi)鐵泥質(zhì)充填，裂縫寬20～500 μm?？紫痘静话l(fā)育。

由試驗(yàn)結(jié)果對比分析可知，各巖樣的礦化成分(B5除外)以方解石為主，B5以白云石為主。黏土礦物在B1、B2、B6中約含11%；B4最多，約占整體礦物成分的26%；B3較少，約占6%；而B5在6組巖樣中為最少，約占2%。各巖樣的黏土組分主要為伊利石。其中，B5含量最高，約為81%；B3含量最少，約為46%；其余幾組含量在60%～70%。巖石中的黏土礦物含量是影響巖石吸水、滲透性的主要因素[16]。由此可知，單從礦物組分上分析，B4巖樣的吸水、滲透性最好，而B5巖樣最差。結(jié)合巖樣分析結(jié)果和所處地層深度可知，礦區(qū)峰峰組巖石吸水、滲透性隨深度增加呈先增強(qiáng)再變?nèi)醯内厔荩@與巖層的各向異性息息相關(guān)；而峰峰組上部和下部巖石吸水、滲透性較弱，礦物含量以方解石和黏土礦物為主，不易形成較大裂隙。

3 微觀孔隙性特征試驗(yàn)分析

采用9510-Ⅳ型壓汞儀，對以上6組巖樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。壓汞試驗(yàn)是確定巖石孔隙結(jié)構(gòu)較為準(zhǔn)確的一種方式，通過壓汞試驗(yàn)可以分析巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，巖石中孔隙和孔隙通道的幾何形狀、大小及相互連通和配置關(guān)系[17]。水在巖石中的儲存和流動取決于孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙數(shù)量。其中，孔隙的連通性和可滲流孔隙是水在巖石中滲流的關(guān)鍵。根據(jù)水在巖石孔隙中的可滲流性，將連通的孔隙劃分為3種：孔徑大于0.5 mm，重力作用下流體可流動的超毛細(xì)管孔隙；孔徑0.5～0.000 2 mm，外力大于毛細(xì)壓力時(shí)流體可流動的毛細(xì)管孔隙；孔徑小于0.000 2 mm，流體不可流動的微毛細(xì)管孔隙。在壓汞試驗(yàn)中，隨著液汞的壓力增大，即毛細(xì)管壓力增大，能浸入的孔隙就越多且能浸入更小的孔隙，所以可以用每一個(gè)壓力代表一個(gè)相應(yīng)的孔隙大小，在這個(gè)壓力下進(jìn)入孔隙的汞的體積代表相應(yīng)的孔隙體積。在壓汞試驗(yàn)過程中，將試驗(yàn)得出的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比(表2)，并將試驗(yàn)結(jié)果用孔隙壓力、孔隙直徑和巖樣汞飽和度表示出來(圖6)。

表2 各巖樣壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Mercury intrusion test data of each rock sample

圖6 巖樣毛細(xì)壓力曲線與孔隙分布Fig.6 Capillary curve and pore distribution of the rock samples

通過不同深度巖樣的壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，深度在581～685 m，頂部和中部的孔隙結(jié)構(gòu)性優(yōu)于底部，孔隙率表現(xiàn)出底部低，頂部和中間較高的特點(diǎn)；同時(shí)，也存在特殊點(diǎn)，B5巖樣靠近底部但孔隙率較高，B3巖樣位置在中部但孔隙率較低，說明無論是巖石還是巖層都具有特殊性，該區(qū)域巖石孔隙率并不是一定底部小頂部大，但巖樣平均孔隙率較小，僅為6.5%。通過巖樣孔隙結(jié)構(gòu)系數(shù)可知，頂部巖樣孔隙結(jié)構(gòu)系數(shù)最大(約為8)，底部較小(約為3)，而中部出現(xiàn)特殊點(diǎn)B2和B4，巖樣孔隙結(jié)構(gòu)系數(shù)約為0.1，說明6組巖樣孔隙結(jié)構(gòu)性都不好。綜合孔隙率與孔隙結(jié)構(gòu)系數(shù)可推斷，該深度范圍巖層儲水性差，且不利于水的滲流。

通過巖樣壓汞試驗(yàn)毛細(xì)壓力曲線可以直接看出，壓汞曲線與退汞曲線均相距較遠(yuǎn)，其變化規(guī)律可以反映出在壓汞過程中汞浸入孔隙的壓力和汞的進(jìn)量等情況，由此分析巖樣孔隙的數(shù)量、連通性。壓汞試驗(yàn)開始后壓力逐漸增加，在壓力從0升至0.533 MPa時(shí)，孔隙直徑為2.76 μm的孔隙率先有汞浸入，此時(shí)浸入汞的孔隙為較大的連通性孔隙，汞飽和度為0.291%。隨著壓力不斷增加，浸入汞的孔隙增多，壓力越高能浸入的孔隙直徑就越小，最后在壓力為99.831 MPa時(shí)，浸入了直徑為0.014 μm的微小孔隙，此時(shí)汞飽和度約為26%；退汞后飽和度降為21%，兩者相差5%，說明連通孔隙約占整體的5%。通過壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得，該巖樣滲透系數(shù)約為1.20×10-5μm2。

由此可知，B6巖樣連通孔隙直徑約為2.76 μm，約占孔隙總體積的5%。同樣計(jì)算可知，B5巖樣連通孔隙直徑約為2.74 μm，約占孔隙總體積的6%；B4巖樣連通孔隙直徑約為2.75 μm，約占孔隙總體積的6.5%；B3巖樣連通孔隙直徑約為2.74 μm，約占孔隙總體積的5.8%；B2巖樣連通孔隙直徑約為2.74 μm，約占孔隙總體積的5.5%；B1巖樣連通孔隙直徑約為2.74 μm，約占孔隙總體積的7.1%。6組巖樣連通孔隙直徑均在2.75 μm左右，孔隙率和孔隙連通性均呈上大下小、上好下差的情況。

根據(jù)壓汞試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)計(jì)算孔隙分布情況，從孔隙直徑和孔隙體積頻率曲線上可以看出，B1、B2和B4巖樣主要以直徑<1 μm的微小孔隙為主，其中直徑為0.5 μm的孔隙居多；B3、B5和B6巖樣大部分孔隙直徑<0.5 μm，并在0.25 μm處存在峰值。由于孔徑在0.2 μm左右時(shí)，孔隙已不可供液體自然流動，由此表明峰峰組地層底部巖石中的主要孔隙很難供液體流動，而上部地層巖石中的孔隙孔徑也只是略大于底部，整體表現(xiàn)為不易于液體流動。結(jié)合壓汞試驗(yàn)計(jì)算得，B1、B2、B3、B4、B5、B6巖樣滲透率分別為1.3×10-5、1.1×10-3、0.5×10-5、1.5×10-3、1.5×10-5、1.20×10-5μm2，與孔徑分布表現(xiàn)一致。綜上所述，峰峰組地層巖石從孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)與孔徑大小試驗(yàn)分析呈低滲透性。

4 結(jié)論

(1)通過巖石薄片鑒定試驗(yàn)分析，保德煤礦地層深度579～688 m(峰峰組)在豎直方向上呈差異性，上部主要礦物組分為方解石，底部以白云巖為主，巖石中礦質(zhì)呈晶粒結(jié)構(gòu)，含少量泥晶且分散分布；孔隙類型以晶間孔、晶間溶蝕孔隙，微孔隙為主方解石、黏土礦物及少量黃鐵礦等充填。

(2)通過壓汞試驗(yàn)分析，峰峰組地層平均孔隙率5%，上部體積中值孔徑0.5 μm，下部體積中值孔徑0.25 μm；最大連通孔喉直徑約2.75 μm，細(xì)小和超毛管微孔隙占總孔隙體積的90%以上；微觀孔隙結(jié)構(gòu)中孔喉分布不連續(xù)、不均勻，從孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)與孔徑大小試驗(yàn)分析呈低滲透性。

(3)研究針對奧灰含水層頂部峰峰組地層，進(jìn)一步分析研究其巖性及微觀孔隙特征，為后續(xù)隔水性能研究提供數(shù)據(jù)支撐，為本礦區(qū)乃至其他類似礦區(qū)底板奧灰水害防治及帶壓開采工作奠定了基礎(chǔ)。