巴拉素井田富水煤層頂?shù)装宓V物巖石特征研究

方 剛

（1. 中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710054；2. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077；3. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國煤炭主要生產(chǎn)基地之一，中部的榆橫礦區(qū)（北區(qū)）內(nèi)規(guī)劃有十余個大型礦井（井田面積在100～300 km2之間），且大多數(shù)暫未開發(fā)。近年來，區(qū)內(nèi)的小紀(jì)汗煤礦、袁大灘煤礦、巴拉素煤礦陸續(xù)發(fā)現(xiàn)首采的2號煤層富水，該水害問題嚴(yán)重制約著榆橫礦區(qū)（北區(qū)）內(nèi)各煤礦的發(fā)展，且對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅[1-2]。而該2號煤層在區(qū)內(nèi)的富水性并不均一，存在著相鄰的兩個井田同一2號煤層具有富水和非富水的明顯區(qū)別。由此推斷，煤層的頂?shù)装鍑鷰r的礦物成分、接觸關(guān)系等巖石特征可能存在著一定的差異。鑒于該現(xiàn)象的特殊性，且目前區(qū)內(nèi)針對富水煤層頂?shù)装鍑鷰r開展過的專門研究極少，本文從煤層頂?shù)装鍘r石的礦物巖石特征等方面開展研究，以期為2號煤層富水現(xiàn)象的探索提供依據(jù)。

對于煤層頂?shù)装鍑鷰r的巖石特征研究在不同領(lǐng)域已取得了大量收獲[3]。研究理論思路方面，張媛媛等[4]通過巖體內(nèi)的重礦物綜合分析，探討礦層的物質(zhì)來源和成礦條件；計波等[5]利用沉積學(xué)、巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)等理論對巖石的成因進行研究；呼和等[6]基于礦物顆粒智能分割的思路，解決圖像分割的難題；徐吉豐等[7]根據(jù)“逐級分離”的思想，研究巖石中礦物組分和含量；陳高潮等[8]通過巖石組分和重礦物特征，探索地層基底組成與構(gòu)造演化的關(guān)系；鄧廣哲等[9]通過研究夾矸層物理力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，提出復(fù)配專用巖石酸化壓裂的工作思路。在研究礦物巖石特征的主要方法手段方面，李煥同等[10]、邢慧通等[11]、張志軍[12]和康東雅等[13]利用偏光顯微鏡、X射線衍射、能譜分析、壓汞測試及掃描電鏡等方法手段，對煤巖礦物學(xué)特征、變質(zhì)程度、對外部條件（溫度、壓力等）變化的響應(yīng)、宏微觀特征、構(gòu)造運動、沉積相演化和物源變化等進行研究；張博等[14]、王朝引[15]基于近紅外巖芯光譜掃描技術(shù)、沉積相分析法對成礦的沉積環(huán)境、層序地層格架、巖石粒徑分布、泥砂巖空間展布等進行研究；姜楓等[16]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊聚類技術(shù)，提出了自動顆粒分割方法，以此提高砂巖薄片鑒定效率；張艷博等[17]綜合采用CT技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化模型，以此揭示巖石破裂機制；石志祥等[18]通過對煤樣的工業(yè)分析、全硫分析和發(fā)熱量分析，對礦物成分、化學(xué)成分、微形貌特征等方面進行研究；孫長倫等[19]采用納米壓痕技術(shù)研究砂巖中礦物組分的流變特征和本構(gòu)方程，結(jié)合高精測試儀，從細觀尺度上研究礦物流變特性；謝妮等[20]研究巖石在不同pH值、Na2SO4溶液濃度及浸泡時間后的力學(xué)特征和微觀結(jié)構(gòu)特征，以此預(yù)防及評價水化學(xué)環(huán)境對砂巖腐蝕作用。

上述各研究成果將為本文的研究提供參考和借鑒，但針對富水煤層頂?shù)装宓V物巖石特征在陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)內(nèi)開展的相關(guān)研究工作較為有限。目前區(qū)內(nèi)正在建設(shè)多個大型礦井，該研究對于后期各礦井的水文地質(zhì)及防治水工作具有重要理論意義和實際應(yīng)用價值。因此，本文對區(qū)內(nèi)富水煤層和其他非富水煤層的頂?shù)装鍑鷰r進行對比，通過采用X射線衍射、薄片分析、掃描電鏡等方法，對礦物巖石特征進行研究。

1 研究背景

巴拉素煤礦地處陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫北區(qū)中部，首采2號煤層（埋深454～547 m，平均埋深約498 m；煤厚2.2～5.2 m），現(xiàn)礦井處于基建階段。在建設(shè)過程中，發(fā)現(xiàn)2號煤層富水[2]。而在該煤層底板40～60 m的3號煤層（煤厚4.6～7.8 m）和相鄰的大海則井田2號煤層（埋深548～655 m，平均埋深約597 m；煤厚4.4～11.0 m）均未發(fā)現(xiàn)含（富）水現(xiàn)象。

普遍認(rèn)為煤層形成于高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境，為一種致密固態(tài)有機可燃沉積巖。一般情況下，煤層形成過程中，自身難以形成豐富的地下水。而巴拉素煤礦2號富水煤層的存在，表明與其他煤層所處環(huán)境及水文地質(zhì)條件必然有著較為明顯的區(qū)別。因此，將從不同井田的同一煤層、同一井田的不同煤層的頂?shù)装逯饕獛r層入手，重點研究其礦物巖石特征，分析各地層不同巖石類型及礦物組分的差異性，通過對比分析，探究巴拉素煤礦2號富水煤層的圍巖特征。

為便于研究及突出重點，將區(qū)域內(nèi)主要地層、煤層進行概化，具體研究侏羅系直羅組下段和延安組1號覆巖、2號覆巖的巖石特征（圖1）。

圖1 研究區(qū)主要地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the main stratigraphic structure in the study area

2 巖石分類及特征

利用X射線衍射儀進行礦物組成實驗[21]，偏光顯微鏡進行巖石礦物薄片分析[22]，掃描電子顯微鏡進行礦物微觀形貌觀察[23-24]，以此對各巖層的礦物組成及微觀特征進行研究。

2.1 礦物組分特征

由于巴拉素井田、大海則井田的2號煤層頂?shù)装逯饕獛r層為砂巖層，采用砂巖碎屑成分三角圖投影法[25]對侏羅系直羅組和延安組1號覆巖、2號覆巖的各砂巖樣品進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，巴拉素井田直羅組和延安組1號覆巖以長石砂巖為主，延安組2號覆巖則為長石砂巖和巖屑長石砂巖；而大海則井田直羅組為長石巖屑砂巖，延安組1號覆巖為巖屑長石砂巖（圖2）。

圖2 侏羅系砂巖碎屑組分三角圖Fig. 2 Triangulation of Jurassic sandstone clastic composition

通過X衍射實驗發(fā)現(xiàn)，巴拉素井田侏羅系砂巖以石英、長石和黏土礦物為主，此外在直羅組和延安組2號覆巖還存在少量的黃鐵礦；大海則井田侏羅系砂巖以石英、長石和黏土礦物為主，其次是菱鐵礦，延安組1號覆巖還存在9.8%的黃鐵礦（圖3和圖4）。從圖3和圖4中可以看出，巴拉素井田延安組2號覆巖的黏土含量相對較高；另外，大海則井田直羅組、延安組1號覆巖還分別含有11.1%、8.7%的菱鐵礦。

結(jié)合薄片分析、掃描電鏡實驗發(fā)現(xiàn)，各砂巖樣品中主要常見石英、長石等礦物（圖5和圖6），此外還有高嶺石、方解石和黃鐵礦等礦物（圖7）。

圖5 侏羅系砂巖石英鏡下特征Fig. 5 Quartz characteristics of Jurassic sandstone under microscope

圖6 侏羅系砂巖長石鏡下特征Fig. 6 Feldspar characteristics of Jurassic sandstone under microscope

圖7 侏羅系砂巖粘土礦物鏡下特征Fig. 7 Clay ore characteristics of Jurassic sandstone under microscope

2.2 礦物接觸特征

1）磨圓度。通過薄片觀察和對比分析，認(rèn)為巴拉素井田和大海則井田的侏羅系砂巖均以次圓狀為主，其次為次棱角狀，此外，在部分延安組砂巖中存在少量的棱角狀（圖8）。

圖8 各井田侏羅系砂巖礦物磨圓度Fig. 8 Mineral roundness of Jurassic sandstone in each mine field

2）膠結(jié)類型。膠結(jié)類型是填隙物（膠結(jié)物和雜基）在巖石中的分布、自身結(jié)構(gòu)差異以及顆粒間關(guān)系的表征。通過薄片觀察發(fā)現(xiàn)（圖9），各砂巖均以孔隙膠結(jié)為主，亦可見基底膠結(jié)（大海則井田少量存在）。

圖9 各井田侏羅系砂巖膠結(jié)類型Fig. 9 Types of Jurassic sandstone cementation in each mine field

3）接觸關(guān)系。通過各砂巖樣品薄片觀察可知，直羅組和延安組砂巖礦物均以凹凸接觸為主、其次為線接觸，同時存在少量點接觸（圖10）。在延安組2號覆巖的薄片中還能看到少量縫合線接觸（圖10（c））。

圖10 各井田侏羅系砂巖接觸關(guān)系Fig. 10 Contact relation of Jurassic sandstone in each mine field

3 分析和討論

根據(jù)對各類巖石礦物組分特征的研究發(fā)現(xiàn)，巴拉素井田各砂巖中石英含量隨深度增大而增加，而大海則井田反之。這反映了煤系地層中各巖層成分與沉積時間順序的正向關(guān)系，同時也反映了兩個井田的砂巖不是同一期河流沉積所形成的。此外，賦存于各巖層中的黏土礦物具有親水性，含量越高，導(dǎo)致地下水無法自由流動的可能性越大；在大海則井田樣品中發(fā)現(xiàn)含有不等量的菱鐵礦，該礦物易在孔裂隙中形成碳酸鹽膠結(jié)，堵塞孔隙，由此可造成大海則井田孔隙結(jié)構(gòu)比巴拉素井田差。而黃鐵礦這類硫化物礦物的穩(wěn)定性低，易溶于水，常呈溶液態(tài)流走，在大海則井田延安組1號覆巖中出現(xiàn)10%的黃鐵礦，也說明了該井田的地下水含量相對較少。

通過對各類巖石礦物接觸特征研究發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)侏羅系砂巖均具有一定的磨圓度，由此可反映出侏羅系直羅組、延安組砂巖處于穩(wěn)定強水流的沉積特征；同時，部分延安組砂巖中存在少量的棱角狀情況，對比反映出延安組砂巖較直羅組而言，富水性相對較差。在延安組砂巖中發(fā)現(xiàn)的少量縫合線接觸關(guān)系，也可以說明該層在沉積過程中受到壓溶作用，從而導(dǎo)致富水性的差異。

綜上所述，巴拉素井田和大海則井田2號煤層頂?shù)装鍘r層的礦物類型雖然相似，但組分含量、賦存狀態(tài)及反映出的沉積環(huán)境差異較大，從微觀角度出發(fā)，礦物組分和接觸關(guān)系特征可明顯體現(xiàn)出巴拉素井田2號煤層頂?shù)装鍘r層的特殊性，由此導(dǎo)致對2號煤層富水性的影響效果也較為突出。

4 結(jié)論

1）通過對研究區(qū)各地層主要砂巖層的礦物組分特征分析，發(fā)現(xiàn)巴拉素井田、大海則井田的直羅組和延安組砂巖以長石砂巖、長石巖屑砂巖及巖屑長石砂巖為主，礦物成分主要為石英、長石、黏土礦物，大海則井田的侏羅系砂巖中還有一定量的菱鐵礦和黃鐵礦。

2）根據(jù)對各砂巖中不同礦物組分情況分析，如石英、黏土礦物含量，菱鐵礦、黃鐵礦含量及聚集狀態(tài)等，認(rèn)為巴拉素井田和大海則井田2號煤層的頂?shù)装迳皫r結(jié)構(gòu)存在明顯區(qū)別；根據(jù)礦物接觸特征分析，發(fā)現(xiàn)直羅組與延安組存在一定差異。上述兩類條件可能是造成區(qū)域內(nèi)不同井田、同一2號煤層的富水情況具有天壤之別的原因之一。

3）通過開展2號煤層頂?shù)装宓V物巖石特征研究，同時與相鄰的大海則井田進行對比，發(fā)現(xiàn)了巴拉素井田2號煤層的圍巖可能為充水提供了環(huán)境條件和補給能力，并揭示了大海則井田2號煤層非富水的圍巖環(huán)境特征。該研究為后期開展煤層富水機理、展布規(guī)律等研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)，并提供了參考和指導(dǎo)。