神府南區(qū)直羅組含水層富水性研究*

方楚婧，楊澤元，范立民，馬雄德，孫 魁，郭人泰， 張奧奇，李 舒，劉勝祖

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心，陜西 西安 710054；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；6.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

陜北榆神府礦區(qū)錦界煤礦涌水量為4 900 m3/h，一度達(dá)到5 499 m3/h，是鄂爾多斯盆地涌水量最大的礦床；榆樹灣、石圪臺(tái)、檸條塔、紅柳林等煤礦初期涌水量為1 300 m3/h，后穩(wěn)定至1 000 m3/h左右，且維持?jǐn)?shù)月不減[1-2]。這些大涌水量礦床的形成機(jī)理及防治技術(shù)一直是礦井水文地質(zhì)學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。早期學(xué)者們認(rèn)為榆神府礦區(qū)薩拉烏蘇組、燒變巖地下水是礦井水的主要充水水源，但煤礦開采后薩拉烏蘇組、燒變巖地下水位下降并不明顯，因而需要從鄂爾多斯盆地地下水系統(tǒng)研究侏羅系砂巖含水層沉積演化及構(gòu)造特征，識(shí)別地下水強(qiáng)徑流帶和局部富水區(qū)，揭示礦井較大涌水量形成機(jī)理[2-3]。

前人主要從宏觀和微觀兩個(gè)角度開展含水層富水性研究。在砂巖微觀孔隙尺寸劃分[4-8]與孔喉劃分[5,9]方面，比較典型的是謝爾蓋耶夫[10]的孔隙劃分和武超等[11]的孔喉劃分方案。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)臨界孔隙度模型和等效介質(zhì)理論Kuster-Toks?z方程，推導(dǎo)巖石的多孔可變臨界孔隙度模型，可用于多重孔隙儲(chǔ)層巖石物理建模和孔隙結(jié)構(gòu)表征[12]。

在砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型對(duì)含水層富水性的影響方面，主要運(yùn)用掃描電鏡、壓汞試驗(yàn)、CT掃描、核磁共振、氣體吸附等測(cè)試技術(shù)對(duì)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，從而探討其富水性。如王蘇健等[13]以檸條塔井田為例，研究發(fā)現(xiàn)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)Ⅰ類低排驅(qū)壓力型較Ⅱ類中排驅(qū)壓力型和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型粗粒與中粒砂巖比例高，風(fēng)化程度高，富水性強(qiáng)；直羅組富水性強(qiáng)于延安組；與楊鵬等[14]在錦界煤礦的研究成果一致。馮潔等[15]采用沉積微相劃分、灰色關(guān)聯(lián)分析、孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試等方法，提出了陜北侏羅系直羅組和延安組砂巖含水層的沉積控水模式。

宏觀方面，從構(gòu)造控水角度看，安定組—志丹群不整合面(志丹群砂巖)、延安組—直羅組不整合面(七里鎮(zhèn)砂巖)、延長(zhǎng)組—延安組不整合面(寶塔砂巖)，是鄂爾多斯盆地侏羅紀(jì)煤田最重要的防治水關(guān)鍵層[16]。從含水層富水性的影響因素看，通過含水層富水性影響因素探討，構(gòu)建其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用綜合指數(shù)法對(duì)其富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)與分區(qū)。富水性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要包括脆塑性巖厚度比、巖石質(zhì)量指標(biāo)、富水結(jié)構(gòu)指數(shù)、斷層、陷落柱、褶皺樞紐軸、風(fēng)化影響指數(shù)、導(dǎo)水裂隙帶高度、單位涌水量、孔隙度、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)分形特征等指標(biāo)[17-23]。此外，也采用物探與鉆探方法相結(jié)合研究富水性[24-25]。

綜上所述，前人在微觀方面主要研究孔隙微觀結(jié)構(gòu)對(duì)含水層富水性的影響，宏觀方面主要研究含水層富水性的影響因素與評(píng)價(jià)，但仍存在以下不足：微觀研究方面前人大多限于某個(gè)煤礦的少量樣品，區(qū)域研究不足；前人采用的孔隙和吼道劃分標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；直羅組含水層富水機(jī)理研究有待深化。為此，本文針對(duì)神府南區(qū)直羅組砂巖的弱—中等富水性與煤礦開采實(shí)踐較大涌水量之間的矛盾，綜合采用普通薄片、鑄體薄片、壓汞試驗(yàn)等測(cè)試技術(shù)，從微觀方面探討直羅組含水層的孔隙結(jié)構(gòu)類型與富水性的關(guān)系；從宏觀方面分析沉積相、天窗、構(gòu)造發(fā)育及巖石風(fēng)化程度和巖層滲透性變異因素等對(duì)直羅組含水層富水性的影響，為陜北侏羅系煤層頂板水害防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯高原毛烏素沙地東南緣，神府礦區(qū)南部，隸屬神木縣管轄，面積約2 714.12 km2(圖1)。研究區(qū)總地勢(shì)中部高四周低，區(qū)內(nèi)地貌類型分為湖群高平原區(qū)、風(fēng)沙草灘區(qū)、蓋沙丘陵區(qū)以及河谷區(qū)。

研究區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，2005—2013年平均降雨量440.42 mm，平均蒸發(fā)量達(dá)1 945.409 mm。東西邊界分別發(fā)育窟野河和禿尾河，均為黃河的一級(jí)支流。

研究區(qū)含水層由新到老有第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、白堊系下統(tǒng)洛河組基巖裂隙孔隙承壓含水層、侏羅系安定組—直羅組—延安組基巖裂隙含水層(表1)、風(fēng)化基巖裂隙含水層及燒變巖含水層組成；弱透水層包括離石組、保德組。研究區(qū)直羅組砂體厚度在研究區(qū)中部最厚，厚度超過30 m，向西南或北東方向逐漸變薄(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置圖

表1 直羅組含水層富水性特征表

2 直羅組含水層富水性分析

直羅組含水層富水性可從微觀和宏觀兩個(gè)角度加以分析。

2.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

按照巖石孔隙空間在地下水儲(chǔ)存和滲流過程中的作用可分為孔隙和孔隙吼道兩個(gè)基本單元[13]，孔隙決定了巖石的儲(chǔ)水能力，吼道決定了巖石中地下水的滲流?；趨^(qū)內(nèi)普通薄片、鑄體薄片和壓汞試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)毛管壓力曲線形態(tài)和排驅(qū)壓力，將直羅組砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四類(表2、表3)。從表2、表3可知，Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)最大粒徑為1.35 mm，溶蝕孔—粒間孔，孔隙平均直徑70.57～301.97 μm，孔隙度平均值23.1%，滲透率均值為448.05×10-15m2，巖性為中砂巖、細(xì)砂巖，孔隙度與滲透率最大，富水性最強(qiáng)，樣品占比最高，約61.82%；Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)最大粒徑為0.75 mm，溶蝕孔—粒間孔、微孔，孔隙平均直徑36.72～89.87 μm，孔隙度平均值17.82%，滲透率均值為9.56×10-15m2，巖性為細(xì)砂巖、極細(xì)砂巖，孔隙度與滲透率均較大，富水性較強(qiáng)，樣品占比約14.55%；Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)最大粒徑為0.35 mm，微孔、溶蝕孔—粒間孔，孔隙平均直徑9.41～75.49 μm，孔隙度平均值11.56%，滲透率均值為0.33×10-15m2，巖性為細(xì)砂巖、極細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖，孔隙度與滲透率較小，富水性較弱，樣品占比約16.36%；Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu)最大粒徑為0.25 mm，微孔，孔隙平均直徑5.74 μm，孔隙度平均值5.74%，滲透率均值為0.03×10-15m2，巖性為粉晶灰?guī)r、粉砂巖、泥巖，孔隙度與滲透率最小，富水性最弱，樣品占比約7.27%。

基于表4的劃分標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)內(nèi)直羅組砂巖含水層的孔隙孔喉組合類型分別為：Ⅰ類中孔隙—大孔喉型，Ⅱ類中孔隙—中孔喉型，Ⅲ類中細(xì)孔隙—小孔喉型，Ⅳ類中細(xì)孔隙—小微孔喉型。對(duì)比鉆孔涌水量，相對(duì)來說，Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)富水性最強(qiáng)，Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)次之，Ⅲ類和Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu)富水性最差。

根據(jù)壓汞試驗(yàn)資料，去掉意義相近的參數(shù)，剔除相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)，篩選出孔隙吼道直徑均值、面孔率、退汞效率、結(jié)構(gòu)優(yōu)度四個(gè)指標(biāo)，分別研究其與物性參數(shù)孔隙度、滲透率之間的關(guān)系(圖2)。從圖2可以看出，孔隙吼道直徑均值、面孔率、退汞效率、結(jié)構(gòu)優(yōu)度與孔隙度、滲透率的相關(guān)性顯著，其相關(guān)關(guān)系依次減弱，這四個(gè)指標(biāo)與滲透率的相關(guān)性強(qiáng)于孔隙度?？紫抖扰c孔隙吼道直徑均值、面孔率相關(guān)關(guān)系更為密切，與退汞效率、結(jié)構(gòu)優(yōu)度強(qiáng)相關(guān)，說明孔隙度主要受孔喉大小、孔隙及吼道面積所控制；滲透率與孔隙吼道直徑均值、面孔率強(qiáng)相關(guān)，與退汞效率、結(jié)構(gòu)優(yōu)度較強(qiáng)相關(guān)，說明滲透能力主要取決于孔喉大小、孔隙及吼道面積，還受孔喉連通性和孔喉分布集中程度的影響。

表2 直羅組含水層孔隙結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 直羅組含水層孔隙結(jié)構(gòu)類型綜合劃分部分結(jié)果

表4 孔隙孔喉分類標(biāo)準(zhǔn)表[10-11]

圖2 孔隙度、滲透率與孔隙特征參數(shù)之間的相關(guān)性分析

從圖3可以看出，隨著孔隙度增大，含水層滲透能力呈指數(shù)型顯著增強(qiáng)，表明除了孔隙度外，還受到孔喉連通性及分選性等其他因素的影響。

圖3 滲透率和孔隙度之間的相關(guān)關(guān)系

2.2 宏觀特征分析

主要分析沉積相、天窗、構(gòu)造發(fā)育與風(fēng)化程度、巖層滲透性變異四個(gè)因素對(duì)直羅組含水層富水性的影響。

2.2.1 沉積相

前人研究成果表明[3,26]，從垂向上看，直羅組下段為辮狀河沉積相，中段為辮狀河三角洲沉積，上段為曲流河與濱淺湖沉積相。辮狀河沉積相粒度粗，部分地段含有底礫巖和礫巖，砂巖厚度一般較大，橫向上的連續(xù)性好；辮狀河三角洲沉積，砂巖沉積層較厚，橫向上的連續(xù)性一般；曲流河與濱淺湖沉積相砂巖層相對(duì)較薄，大多以泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖沉積為主，橫向上的連續(xù)性差，因此，直羅組下段、中段較上段富水性強(qiáng)。從水平方向上看，直羅組含水層富水性差異較大。在同一沉積相內(nèi)，河道巖性以礫巖、粗砂巖、中砂巖為主，因而河道沉積微相較河漫灘沉積微相富水性強(qiáng)[15]。

由此可見，沉積相和沉積微相是直羅組含水層富水性最主要的控制因素，影響了直羅組含水層的孔隙度和滲透率，從根本上決定了直羅組含水層的顆粒大小、組成、分選性、連通性、泥質(zhì)含量等，從而最終決定了直羅組含水層富水性的強(qiáng)弱。

2.2.2 天窗

前人研究表明在15個(gè)水壓力下，粘土層滲透性的臨界破壞厚度為1.67 m[27]，將粘土層小于1.67 m厚的區(qū)域視為“天窗”區(qū)域。根據(jù)區(qū)內(nèi)3 115個(gè)鉆孔資料對(duì)區(qū)內(nèi)隔水層厚度進(jìn)行插值，繪制天窗分布圖(圖1)。從圖1可知，天窗在禿尾河干流段呈大片連續(xù)分布，其次在禿尾河支流河則溝兩側(cè)呈孤立島狀分布，在考考烏素溝、常家溝、麻家塔溝南側(cè)呈零星點(diǎn)狀分布，為大氣降水、潛水入滲補(bǔ)給直羅組含水層提供了補(bǔ)給通道，為礦井充水提供了較豐富的間接充水水源。

由上述可知，天窗為直羅組含水層提供了較為豐富的補(bǔ)給來源，直羅組含水層以上的含水層中的水均可通過天窗補(bǔ)給直羅組含水層。

2.2.3 構(gòu)造發(fā)育與風(fēng)化程度

根據(jù)區(qū)內(nèi)施工的11個(gè)鉆孔的柱狀圖資料可知，部分地段直羅組上部遭受剝蝕，直羅組與下伏延安組之間為平行不整合接觸關(guān)系[26]，SJ02、SJ09底部為礫巖，SJ03、SJ04、SJ06、SJ11底部含礫(七里鎮(zhèn)砂巖)，以粗砂巖和礫巖為主，遇水易呈松散狀，孔隙裂隙發(fā)育，說明直羅組底部富水性強(qiáng)；該平行不整合面導(dǎo)致直羅組底部與含煤巖系廣泛直接接觸，局部可以下蝕切穿延安組頂部2套可采煤層，形成下切幅度達(dá)25 m、寬度達(dá)26.5 km的大規(guī)模古河道沖刷無煤帶[28-30]，直接威脅煤炭安全生產(chǎn)。

SJ01～SJ03、SJ06～SJ08直羅組頂部發(fā)生不同程度風(fēng)化，從直羅組頂部向下，風(fēng)化程度從強(qiáng)風(fēng)化逐漸變?yōu)槲L(fēng)化，其單位涌水量與基巖風(fēng)化層厚度之間呈正相關(guān)關(guān)系，與基巖風(fēng)化率之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4)，表明隨著基巖風(fēng)化率增大，直羅組含水層富水性增強(qiáng)，與前人研究成果一致[25]。延安組燒變巖與直羅組含水層直接接觸[31]，在煤礦開采過程中燒變巖水與直羅組含水層中水均成為礦井涌水來源。

圖4 直羅組鉆孔單位涌水量與基巖風(fēng)化率相關(guān)關(guān)系

表6 J2z含水層中水的混合比例估算表

從區(qū)內(nèi)部分鉆孔巖芯資料可知，SJ01的中部、SJ03的底部和中上部、SJ06的底部、SJ07的底部和中上部、SJ08的底部和上部中細(xì)粒砂巖巖芯裂隙較發(fā)育，這也是影響直羅組含水層富水性的一個(gè)重要因素，增強(qiáng)了充水通道的連續(xù)性。

此外，在煤層開采條件下，通過導(dǎo)水裂隙帶，直羅組含水層的水能直接進(jìn)入采煤工作面，引發(fā)頂板突水。

由此看來，直羅組基巖風(fēng)化帶、直羅組與延安組地層之間的區(qū)域平行不整合面、裂隙發(fā)育和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到直羅組等，都使得直羅組含水層的富水性變得異常復(fù)雜。

2.2.4 巖層滲透性變異

不同勘查階段或煤礦開采會(huì)使含水層滲透系數(shù)發(fā)生變異。如新疆大南湖五號(hào)井侏羅系西山窯組的Ⅲ-1弱膠結(jié)砂巖含水層從詳查—勘探—井筒疏降—抽水試驗(yàn)各階段，滲透系數(shù)變化為1.64×10-4～0.306～0.506～4.33 m/d，單位涌水量為0.000 2～0.237 0～0.350 0～1.180 0 L/(s·m)[32]。在煤礦開采過程中，導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)頂板砂巖、泥巖滲透系數(shù)會(huì)增大，從原始狀態(tài)的2.8 m/d增大到4.1 m/d[33]。因此，巖層滲透性變異使得直羅組含水層富水性差異進(jìn)一步增強(qiáng)。

從上述分析可知，直羅組含水層辮狀河和曲流河沉積相是其富水性大小的決定性控制因素；其次是天窗，為直羅組以上含水層中的水進(jìn)入到直羅組含水層提供了直接的補(bǔ)給通道，使得宏觀上直羅組含水層與直羅組以淺的含水層之間聯(lián)系緊密，甚至在局部地區(qū)形成統(tǒng)一的含水層系統(tǒng)；第三是構(gòu)造發(fā)育、巖石風(fēng)化程度和巖層滲透性變異，加劇了直羅組含水層富水性的差異性和復(fù)雜性。這些影響因素的特定組合，可能導(dǎo)致局部強(qiáng)富水，直接威脅煤礦安全生產(chǎn)，因而需加強(qiáng)陜北煤礦區(qū)含隔水層三維空間展布研究。

3 結(jié)論

針對(duì)神府南區(qū)直羅組砂巖的弱—中等富水性與煤礦開采實(shí)踐較大涌水量之間的矛盾，本文采用普通薄片、鑄體薄片、壓汞試驗(yàn)、水質(zhì)測(cè)試等測(cè)試技術(shù)，基于鉆探和抽水試驗(yàn)資料，從微觀和宏觀角度研究了直羅組含水層的富水性，獲得以下結(jié)論：

(1)基于普通薄片、鑄體薄片、壓汞試驗(yàn)等測(cè)試技術(shù)分析了直羅組含水層孔隙結(jié)構(gòu)類型與富水性的差異。根據(jù)孔隙、孔喉的大小分布及連通性，結(jié)合毛管壓力曲線，將研究區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四種類型，對(duì)比鉆孔單位涌水量，從Ⅰ類到Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu)，其富水性從中等富水逐漸變成弱富水。

(2)探討了直羅組含水層富水性的影響機(jī)理。沉積相、天窗、構(gòu)造發(fā)育及巖石風(fēng)化程度和巖層滲透性變異因素對(duì)直羅組含水層的富水性影響分析表明，直羅組含水層辮狀河和曲流河沉積相是其富水性大小的決定性控制因素；其次是天窗，為直羅組以上含水層中的水進(jìn)入到直羅組含水層提供了直接的補(bǔ)給通道，使得宏觀上直羅組含水層與直羅組以淺的含水層之間水力聯(lián)系緊密，甚至在局部地區(qū)形成統(tǒng)一的含水層系統(tǒng)；第三是構(gòu)造發(fā)育、巖石風(fēng)化程度和巖層滲透性變異，加劇了直羅組含水層富水性的差異性和復(fù)雜性。這些影響因素的特定組合，可能導(dǎo)致局部強(qiáng)富水，直接威脅煤礦安全生產(chǎn)，因而需加強(qiáng)陜北煤礦區(qū)含隔水層三維空間展布研究。