榆橫北區巴拉素井田富水煤層微觀特征研究

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重點實驗室，陜西 西安 710077）

陜北侏羅紀煤田榆橫北區內多分布大型礦井（井田面積約100～300 km2），現基本處于建設開發初期。近年來，區內多個礦井發現其首采的2號煤層富水，水害問題嚴重制約著各煤礦的建設生產[1-2]，而且該2 號煤層在區內的富水性并不均一，存在著相鄰的2 個井田同一2 號煤層具有富水和非富水的明顯區別，由此推斷，煤層內部結構必然存在一定的差異。鑒于這一現象的特殊性，且目前區內未針對富水煤層開展過專門研究，由此，從微觀角度出發，研究區內各煤層的內部空間結構。

研究區內2 號煤層作為特殊的含（富）水介質，本身仍為普通地層沉積體。多年來，不同學者在該領域的研究工作中已取得了大量成果[3]。王蘇健等[4]運用普通薄片、鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等實驗測試技術，結合MATLAB 圖像分析功能，研究了不同砂巖微觀孔隙特征，并將其孔隙結構按照孔喉大小、分布及連通性分為3 種類型；唐代學等[5]利用壓汞試驗、掃描電鏡等方法研究煤層孔隙發育特征；楊青等[6]通過掃描電鏡電子成像技術，結合低溫液氮吸附實驗、高壓壓汞實驗，探討了褐煤孔隙結構的影響因素；李波波等[7]采用FHH 表面分形計算構建滲透率模型，研究煤巖孔隙結構與滲透率內在關系；武東強等[8]采用分形理論中孔隙分形維數法和數理統計法，探究了含水巖層孔隙結構對水位動態的影響；高杰等[9]利用大尺寸真三軸水力壓裂系統開展砂煤產層組組合物理模擬實驗，研究了砂煤互層水力壓裂裂縫穿層擴展規律；林海飛等[10]基于低溫氮吸附實驗，采用BET、BJH 模型計算孔隙比表面積和體積等參數，分析其分布規律，以此研究煤層吸附孔孔隙結構特征；劉欽等[11]通過滲流實驗及室內測試、理論分析研究弱膠結砂巖微觀孔隙結構演變規律，提出了有關孔隙結構儲水空間變異性及滲透突變性的保水采煤理念；武猛猛等[12]利用PFC 軟件模擬研究煤層覆巖垮落期間垂直應力變化特征及孔隙率演化規律。

上述研究成果從理論、思路、方法等方面出發，為富水煤層相關的微觀結構特征研究提供了借鑒。然而，針對富水煤層本身而言，目前在陜北侏羅紀煤田榆橫北區內開展的相關研究工作還相對不足。巴拉素煤礦作為榆橫北區內正在建設的大型礦井，對其2 號富水煤層開展微觀結構特征研究具有重要的指導意義和實際應用價值。為此，將研究區內富水煤層和其他非富水煤層進行對比，采用孔滲實驗、掃描電鏡、核磁共振、CT掃描等方法，對各煤層微觀結構進行研究，分析各自內部特征，為富水煤層的展布規律、賦存條件、形成機理研究提供基礎，也為礦井防治水工作提供依據。

1 研究背景

巴拉素井田位于陜北侏羅紀煤田榆橫北區中部，首采2 號煤層（埋深在454～547 m，平均約498 m；煤厚2.2～5.2 m），現礦井處于基建階段。在巴拉素煤礦建設過程中，發現其2 號煤層富（含）水[13-14]。但在該2 號煤層下伏約40 m 左右的3 號煤層（煤厚4.6～7.8 m）基本不含水；同時，與巴拉素井田北部相鄰的大海則井田的2 號煤層（埋深在548～655 m，平均約597 m；煤厚4.4～11.0 m）也幾乎不含水。

巴拉素井田2 號煤層作為區內特殊的富（含）水介質載體，該2 號煤層必然與其它煤層存在較為明顯的區別。為此，對不同井田的同一煤層、同一井田的不同煤層的微觀特征進行研究，分析各煤層微觀內部結構的差異性，通過將巴拉素井田2 號富水煤層與本井田3 號非富水煤層、相鄰大海則井田2 號非富水煤層進行對比，探究其富水煤層的介質微觀特征。

2 研究方法

通過孔滲分析法[15]、掃描電鏡法[16]、核磁共振法[17]、CT 掃描法[18]等方法，對煤層微觀孔隙特征進行研究，由于各方法研究的側重點及優劣性差異，需進行分析遴選、綜合考慮，確定相對最能準確地反映研究對象微觀孔隙特征的研究結果。

2.1 孔滲分析法

孔隙度、滲透率（簡稱“孔滲”）是進行含水層評價和相關水文地質預測的核心內容，含水層的微觀物性也主要通過其表征，其中，孔隙度為總孔隙度。

通過實驗發現，巴拉素井田2 號煤孔隙度為30.16%～31.93%，平均約30.89%，滲透率為（0.14～0.44）×10-15m2，平均約0.26×10-15m2；3 號煤孔隙度為17.55%～20.75%，平均約19.15%，滲透率為（0.23～0.49）×10-15m2，平均約0.34×10-15m2；大海則井田2 號煤孔隙度為12.38%～28.88%，平均約22.1%，滲透率為（0.01～7.69）×10-15m2，平均約2.6×10-15m2。各煤層孔隙度與滲透率分布圖如圖1。

圖1 各煤層孔隙度與滲透率分布圖Fig.1 Distribution diagram of porosity and permeability of each coal seam

2.2 掃描電鏡法

煤層是孔隙-裂隙型地質沉積體，裂隙將煤體劃分為若干基質塊，每個基質塊中包括有多種成因和級別的孔隙、裂隙。

煤層孔隙。煤層孔隙的成因類型劃分為原生孔、后生孔、外生孔、礦物質孔共4 大類、9 小類[19]，煤的孔隙類型及其成因如下：

1）原生孔。①生物孔：成煤植物本身所具有的各種孔隙；②屑間孔：碎屑鏡質體、碎屑惰質體和碎屑殼質體等有機質碎屑之間的孔。

2）后生孔。①氣孔：煤變質過程中由生氣、聚氣和氣體逸散后留下的孔；②角礫孔：煤受構造應力破壞而形成的角礫之間的孔。

3）外生孔。①摩擦孔：壓應力作用下面與面之間摩擦形成的孔；②碎粒孔：煤受構造應力破壞而形成的碎粒之間的孔。

4）礦物質孔。①溶蝕孔：可溶性礦物質在長期氣、水作用下受溶蝕而形成的孔；②晶間孔：礦物晶粒之間的孔；③鑄模孔：煤中礦物質在有機質中因印度差異而鑄成的印坑。

各煤層樣品微觀孔隙結構如圖2。

圖2 各煤層樣品微觀孔隙結構Fig.2 Microscopic pore structure of each coal seam sample

由圖2 可知：各煤層樣品微觀孔隙結構分為：①生物孔：生物孔常見的是細胞腔（也稱胞腔孔），一般大小為20 μm 左右，保存完整的生物孔一般排列有序、形狀規則、大小均等，常被礦物質充填（圖2（a））；②摩擦孔：摩擦孔形狀多為短線狀、溝槽狀、長三角狀等，并長具方向性，邊緣多為鋸齒狀，大小不等，與糜棱質共生（圖2（b））；③碎粒孔：碎粒孔的碎粒呈次圓狀、片狀或條狀，大小為2～10 μm，有的小于1 μm，其孔隙形狀不規則，大小為納米-微米級（圖2（c））；④晶間孔：晶間孔主要發育于晶形比較好的礦物集合體中，孔徑小于礦物，大孔級-小孔級均存在（圖2（d））；⑤溶蝕孔：煤層孔隙中最發育的是溶蝕孔，長石碎屑也常發育，溶蝕孔的發育程度反映了煤層中水的徑流活動（圖2（e））；⑥鑄模孔：鑄模孔在層面、裂面或組分界面上多見（圖2（f））。

煤層微裂隙的發育程度取決于煤體結構演化及變形特征，反映了溫度、應力、流體與煤巖相互作用的關系。根據前人研究[3]，煤中的裂隙可分為內生裂隙和外生裂隙；而內生裂隙可分為失水裂隙、縮聚裂紋和靜壓裂隙；外生裂隙可分為張性裂隙、壓性裂隙等。各煤層樣品微裂隙如圖3。

圖3 各煤層樣品微裂隙Fig.3 Micro fissure of each coal seam sample

由圖3 可知：各煤層中存在2 種微裂隙：①靜壓裂隙：煤層在上覆巖層的單向靜壓作用下形成的與層理大體垂直的定向裂隙，主要形態特征是短、直、定向，寬度為大孔-小孔級；②張性裂隙：由張應力作用產生的啟開狀裂隙，直線狀或彎曲狀，垂直或斜角層理，寬度一般為幾微米至幾十微米，也有小于1 μm，適度發育的張性裂隙有利于提高煤層透水性和連通性。

2.3 核磁共振法

通過測量巖心飽和水條件下的自旋回波串信號（不同大小孔隙流體信號疊加），經傅里葉變換擬合得到能夠反映巖心孔隙結構的橫向弛豫時間，即核磁共振T2譜，根據煤樣T2譜測試結果，可分析其內部孔隙結構特征、流固類型及性質等。

在煤巖孔隙內主要存在強結合水、弱結合水、重力水等，由于不同大小孔隙空間中的流體存在不同的T2弛豫時間：T2弛豫時間分布在0.3～3 ms，巖心孔隙流體基本為強結合水；T2弛豫時間分布在3～33 ms，巖心孔隙流體基本為弱結合水；T2弛豫時間分布區間大于33 ms，巖心孔隙流體基本為重力水。各煤樣T2譜形態圖如圖4。

圖4 各煤樣T2 譜形態圖Fig.4 The T2 spectrum morphology of each coal sample

由圖4 可知：巴拉素井田2 號煤、3 號煤的T2譜形態主要為雙峰（各樣品中僅1 個單峰），T2弛豫時間分布在0.3～3 ms、10～70 ms，孔隙內流體以重力水為主；大海則井田2 號煤的T2譜形態出現單峰（2 個樣品）、雙峰（1 個樣品）2 種形態，T2弛豫時間分布在0.3～33 ms，主要以弱結合水為主。

2.4 CT 掃描法

CT 掃描法是以三維CT 掃描圖像為基礎，通過圖像處理和數字重構，協助觀測巖心內部微觀孔隙結構。圖像以灰度表示，顏色越深代表該處密度越低；煤巖體內部物質的相對密度由CT 圖像中的灰度值表征，其中，高密度物質的亮度最高，孔隙結構則為最黑暗的部分。

通過 AVIZO 軟件對灰度圖像進行處理，其中藍色區域為樣本內的孔隙和礦物，白色區域為巖石基質[18]。煤孔隙分割圖和三維可視化分析圖如圖5～圖8。

圖5 不同井田各煤層孔隙分割圖Fig.5 Pore segmentation diagrams of each coal seam in different mine fields

圖6 巴拉素井田2 號煤孔隙結構三維可視化分析圖Fig.6 3D visualization analysis of pore structure of No.2 coal in Balasu Mine Field

圖7 巴拉素井田3 號煤孔隙結構三維可視化分析圖Fig.7 3D visualization analysis of pore structure of No.3 coal in Balasu Mine Field

圖8 大海則井田2 號煤孔隙結構三維可視化分析圖Fig.8 3D visualization analysis of pore structure of No.2 coal in Dahaize Mine Field

利用三維分析軟件對CT 掃描的煤層樣品進行孔隙提取，發現巴拉素井田2 號煤的孔隙發育情況相對較好（占總體積16%）。橫向對比發現，大海則井田2 號煤孔隙比巴拉素井田發育少（占比6%）；縱向對比發現，巴拉素井田3 號煤的孔隙發育較少（占比10%）。由此可知，巴拉素井田2 號煤的孔隙最為發育，可為地下水提供存儲空間和滲流通道。

3 煤層微觀特征

通過對比孔滲實驗結果發現：巴拉素井田3號煤孔隙度最差，其上覆的2 號煤孔隙度比大海則井田2 號煤更為發育，說明巴拉素井田2 號煤擁有更多的孔隙空間，以滿足一定量的地下水存儲；而大海則井田2 號煤的滲透率極為不均，但在其孔隙度較差的條件下，滲流能力受到自身有限空間制約，煤層內難以形成有效可動流體，導致幾乎無實質性水的滲流。

通過掃描電鏡實驗發現：各煤層的孔隙結構中均含有生物孔和摩擦孔（約占總孔隙6%），但巴拉素井田2 號煤還發育有溶蝕孔（3%），該類孔隙的發育表明其煤層內存在有活躍的水流情況。實驗還發現：大海則井田2 號煤的孔隙、裂隙發育相對最少（2%）；巴拉素井田2、3 號煤雖然均發育有張性裂隙，但其2 號煤的裂隙類型、數量均比3 號煤層明顯要多（10%），說明巴拉素井田2 號煤具有更好的空間和通道以接受地下水的存儲和流動。

通過核磁共振實驗發現：巴拉素井田2 號煤的重力水含量比3 號煤平均高10%～20%；大海則井田2 號煤的弱結合水含量比巴拉素井田2 號煤平均多10%～15%，巴拉素井田2 號煤的重力水含量整體比大海則井田高。由此說明巴拉素井田2號煤的富水性相對最強。

通過對CT 掃描結果定量提取煤樣的孔隙半徑和體積分布，發現巴拉素井田2 號煤的孔隙分布（0～5 μm）比其他煤層均要多，各煤層孔隙結構定量表征如圖9～圖11。

圖9 巴拉素井田2 號煤不同孔隙體積分布頻率柱狀圖Fig.9 Histogram of distribution frequency of different pore volumes in No.2 coal of Balasu Mine Field

圖10 巴拉素井田3 號煤不同孔隙體積分布頻率柱狀圖Fig.10 Histogram of distribution frequency of different pore volumes in No.3 coal of Balasu Mine Field

圖11 大海則井田2 號煤不同孔隙體積分布頻率柱狀圖Fig.11 Histogram of distribution frequency of different pore volumes in No.2 coal of Dahaize Mine Field

由圖9～圖11 可知：0～5 μm 孔隙分布，巴拉素井田2 號煤占50%，巴拉素井田3 號煤占44%，大海則井田2 號煤占11%，由此認為巴拉素井田2 號煤的孔隙儲水能力比其他煤層強。

4 結 語

1）綜合對比各煤層的孔滲實驗、掃描電鏡實驗成果，表征了巴拉素井田2 號煤層內部孔隙最為發育；其存在的溶蝕孔，表明了在孔隙內部存在明顯的水體流動現象，并認為煤層滲流能力也將主要受到孔隙空間的影響。

2）根據各煤層核磁共振實驗成果對比認為，具有較高含量重力水的巴拉素井田2 號煤層內部，可自由流動水體較為活躍，而其他煤層的結合水含量相對更多，不利于其內部水體的運移活動。

3）結合CT 掃描實驗成果對比認為，巴拉素井田2 號煤層依然在相同孔隙直徑范圍內的孔隙分布占比最高，相比而言，可為地下水體存儲提供更為有利的介質條件，也表現了其具有更好的儲水能力。

4）通過開展煤層微觀結構特征研究，其微觀成果證明了巴拉素井田2 號煤層作為富水體的自身本質特性，為后期開展相關煤層富水機理、展布規律等研究奠定了重要的理論基礎。