大佛寺井田洛河組含水層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及富水性研究

周對對，龍良良，劉家鵬 ，何 靜，汪慶國，羅旭東

(1.陜西彬長大佛寺煤礦有限責任公司，陜西省咸陽市，713500；2. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西省渭南市，714000；3.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西省西安市，710054)

大佛寺井田位于陜西彬長礦區(qū)南部，屬特大型現(xiàn)代化礦井。洛河組含水層是煤炭開采過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，有必要對洛河組含水層的富水分布進行深入研究。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[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)壓汞實驗、恒速壓汞實驗、核磁共振實驗、CT掃描技術(shù)、孔滲測試等[5-6]。吳小斌[7]通過鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、X射線衍射、孔滲測試多種實驗方法，分析了巖石的孔隙和喉道類型，認為成巖縫和溶蝕作用的發(fā)育是改善研究區(qū)儲層儲集空間和滲透性能的主因，壓實作用和膠結(jié)作用則起到減弱作用；WU Chao等[8]運用核磁共振實驗對3組相同濃度酸液浸泡過的不同粒度砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)進行測試，以研究酸對砂巖孔隙的腐蝕破壞機理。筆者在微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究的基礎上，選取了主控因素，建立了富水性評價模型，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，地形標高總趨勢為西南部高，向東北部逐漸降低。屬涇河水系，涇河從煤礦東北部邊緣流過，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)造類型、構(gòu)造形態(tài)均說明本區(qū)侏羅系以上地層未經(jīng)受強烈的構(gòu)造擠壓和變形，構(gòu)造屬于中等類型。

礦井主采4號煤層，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。

礦井斷層成因為褶皺構(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)水通道為導水裂縫帶。煤層開采過程中先后出現(xiàn)了多次突水事故，經(jīng)導水裂縫帶發(fā)育高度實測、洛河組含水層水文長觀孔水位觀測、涌水特征分析及突水水樣水質(zhì)化驗等方法綜合分析，認為這些突水事故主要由導水裂縫帶導通洛河組含水層導致。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(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”?？紫额愋头植际俏⒂^孔隙結(jié)構(gòu)的直接表征，砂巖的粒度差異會直接導致孔隙類型分布的不同，孔隙度和滲透率也會有所不同。一般來講，砂巖的孔隙類型分布中大孔徑孔隙占比越高，說明孔隙類型分布越好，孔隙度和滲透率的數(shù)值越大，砂巖的富水性會越好。基于以上分析，選擇了核磁共振實驗來研究巖樣的孔隙類型分布，使用氣測孔滲儀測試巖樣的孔隙度和滲透率，進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 孔滲測試

使用鉆樣機、切片機和研磨拋光機將巖芯制成直徑2.5 cm、長度2.5 cm的圓柱體巖石試樣，如圖2所示。

圖2 實驗樣品

試樣中，5-21至5-24為研究區(qū)洛河組典型儲水細粒砂巖，5-1、5-2、5-11為研究區(qū)洛河組典型儲水中粒砂巖，5-7、5-9、5-10、5-12、5-14、5-16、5-19為研究區(qū)洛河組典型儲水粗粒砂巖。將制成的圓柱體試樣放入鼓風干燥箱中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)，打開真空泵將巖樣室抽真空，通入氮氣，巖樣室的一端有氣體流量檢測裝置，由此測試出巖樣的孔隙度和滲透率數(shù)值。氣測孔滲儀實物如圖3所示。

圖3 氣測孔滲儀

2.2 核磁共振實驗

根據(jù)核磁共振實驗理論，孔隙中的水弛豫時間是確定的，即孔隙水中氫離子磁化弛豫時間越長，孔隙越大。因此，T2譜圖中弛豫時間可以代表不同大小的孔隙，信號強度可以代表相對應尺度孔隙的數(shù)量。對不同粒度砂巖充分飽水，之后進行核磁共振實驗，不同砂巖T2譜圖如圖4所示。T2譜圖峰總面積相當于孔隙總體積，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，當大孔徑孔隙數(shù)量多，峰位置靠近橫軸弛豫時間大的那一邊；反之，當小孔徑孔隙數(shù)量多，峰位置靠近橫軸馳豫時間小的那一邊。

圖4 不同砂巖T2譜圖

由圖4可以看出，細粒砂巖T2譜圖的主峰靠近左邊，表明細粒砂巖以發(fā)育小孔徑孔隙為主；中粒砂巖T2譜圖發(fā)育2個峰，2個峰的峰高、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；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)孔滲測試、核磁共振實驗可知，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弱。

2.3 不同粒度砂巖富水性差異研究

依據(jù)孔滲測試和核磁共振實驗，得到不同粒度砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)，見表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。巖石的滲透率反應介質(zhì)的補徑排條件，在漫長的地質(zhì)年代中，滲透過程持續(xù)進行，因此滲透率不是富水性強弱的充分條件。巖石孔隙度是儲水空間和補徑排條件的綜合反應，孔隙度在一定程度上決定了富水程度的上限，用孔隙度大小來表征富水性強弱較為科學?；诖耍瑤r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)實驗數(shù)據(jù)分析，細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

以往在預測含水層的富水性時，總是簡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，并未考慮不同粒度砂巖對富水性的不同貢獻度，事實證明這樣做不科學。因此，引入含水層等效厚度指標代替含水層厚度指標。通過分析洛河組含水層的水文地質(zhì)特征，認為儲水空間特征、孔隙裂隙特征及補徑排特征3個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，是一個反應沉積環(huán)境的指標。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，富水性也相應越好；反之，砂地比值越小代表層位含泥質(zhì)越多，說明沉積物的粒度平均較細，富水性相應變差。

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

巖芯采取率是用來衡量巖體質(zhì)量的指標，巖石性脆、膠結(jié)差、孔隙裂隙發(fā)育時，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，沖洗液起到了運移巖粉的作用。地層的孔隙、裂隙發(fā)育，沖洗液會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，儲水空間、補徑排條件越好，富水性越強；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)，表征含水層的補徑排能力。洛河組含水層水的平均水溫16 ℃，動力粘滯性指數(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法以專家打分為賦權(quán)依據(jù)，較為主觀；熵權(quán)法基于指標數(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賦權(quán)值的科學性，這種方法叫做綜合賦權(quán)法。不同賦權(quán)法富水性指標計算結(jié)果見表2。通過比較分析，最終決定使用綜合賦權(quán)法確定各個指標的權(quán)重。

表2 不同賦權(quán)法富水性指標計算結(jié)果

3.7 富水性分區(qū)

無量綱化是將不同物理量放在同一水平計算分析的基礎，筆者采用極值法進行無量綱化處理。將處理過后的無量綱指標進行加權(quán)疊合，構(gòu)建洛河組含水層富水性評價模型。引入富水性指數(shù)D，D值越大，富水性越強。富水性評價模型表達式：

(2)

式中：fj(x，y)——第j個主控指標的單信息影響值函數(shù)，j=1、2、3、4、5。

使用Arcgis軟件，將無量綱矢量專題圖轉(zhuǎn)換為柵格專題圖，利用軟件強大的柵格數(shù)據(jù)處理功能，按照富水性評價模型對各專題圖進行疊加。使用軟件內(nèi)嵌的自然間斷法進行富水性指數(shù)分級，將井田富水區(qū)域分為5類。洛河組含水層富水性強弱分區(qū)預測如圖10所示。由圖10可以看出，井田富水性強度由東向西逐漸增強，西南角和北部局部區(qū)域的富水性強。

圖10 洛河組含水層富水性強弱分區(qū)預測

4 結(jié)論

(1)借助核磁共振實驗和孔滲測試，對不同粒度砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行研究，進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。

(2)不同粒度砂巖的富水性能不同，粒度越粗，砂巖的儲水空間和補徑排條件越好。研究表明，細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個主控指標，建立富水性評價模型。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，西南角和北部局部區(qū)域的富水性強，為礦井水害防治提供了理論指導。