大佛寺井田洛河組含水層微觀孔隙結構及富水性研究

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. 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西省渭南市，714000；3.西安科技大學地質與環境學院，陜西省西安市，710054)

大佛寺井田位于陜西彬長礦區南部，屬特大型現代化礦井。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。相關研究顯示，微觀孔隙結構和富水性有直接的聯系，微觀孔隙結構越好，富水性越強[1-4]。目前研究巖石微觀孔隙結構的方法有很多，包括掃描電鏡、鑄體薄片、X射線衍射、常規壓汞實驗、恒速壓汞實驗、核磁共振實驗、CT掃描技術、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育是改善研究區儲層儲集空間和滲透性能的主因，壓實作用和膠結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構進行測試，以研究酸對砂巖孔隙的腐蝕破壞機理。筆者在微觀孔隙結構研究的基礎上，選取了主控因素，建立了富水性評價模型，繪制了富水性分區圖。

1 研究區概況

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，在井田范圍內包含多條支流，礦區內雨熱同期，年降雨量變化大，降雨量小，蒸發量大，常出現干旱。

井田構造主體是褶皺，主要是兩期構造活動形成的。第一期是走向近東西、傾向近北的波狀單斜構造，在單斜構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造并伴生有小型斷裂構造。地層產狀、構造類型、構造形態均說明本區侏羅系以上地層未經受強烈的構造擠壓和變形，構造屬于中等類型。

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造伴生，多為斷距小于5 m 的壓扭性正斷層，不構成規模性的涌(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了多次突水事故，經導水裂縫帶發育高度實測、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。大佛寺井田褶皺構造如圖1所示，圖中字母加數字及數字表示鉆孔號(下圖同)。

圖1 大佛寺井田褶皺構造

2 不同粒度砂巖的微觀孔隙結構研究

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，即微觀孔隙結構不同。儲水空間主要指孔隙，連通空間指孔喉，孔喉本質上是孔隙的狹窄部分，是孔隙連通的“咽喉”。孔隙類型分布是微觀孔隙結構的直接表征，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構之間的內在聯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為研究區洛河組典型儲水細粒砂巖，5-1、5-2、5-11為研究區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參數，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，表明細粒砂巖以發育小孔徑孔隙為主；中粒砂巖T2譜圖發育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，表明粗粒砂巖以發育大孔徑孔隙為主。

根據孔滲測試、核磁共振實驗可知，巖石的微觀孔隙結構與粒度有直接關系，微觀孔隙結構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構表征數據，見表1。由表1可以看出，巖石的粒度越大，微觀孔隙結構中大孔徑孔隙所占比例越高，孔隙度和滲透率數值越大。巖石的滲透率反應介質的補徑排條件，在漫長的地質年代中，滲透過程持續進行，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。基于此，巖石孔隙度可以作為不同粒度砂巖富水性差異研究的依據。根據實驗數據分析，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構表征

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。

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，取0.76；

k2——細粒砂巖與粗粒砂巖的富水性換算系數，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，微觀孔隙結構越好，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量的指標，巖石性脆、膠結差、孔隙裂隙發育時，巖芯采取率就低。研究區內構造格局主體是褶皺，巖體裂隙主要是構造裂隙。裂隙越發育，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育狀況。沖洗液漏失量越大，孔隙裂隙越發育，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

滲透系數是含水層重要的水文地質參數，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1.115×10-6kPa/s，流體密度0.998×103kg/m3。將滲透率換算為滲透系數，結合礦井歷年滲透系數數據，繪制滲透系數分布如圖9所示。由圖9可以看出，井田內洛河組含水層的滲透系數呈明顯的規律性，由東向西逐漸變大。

圖9 洛河組含水層滲透系數

3.6 富水性指標權重確定

層次分析法(AHP)和熵權法都是比較成熟的賦權方法。AHP法以專家打分為賦權依據，較為主觀；熵權法基于指標數據的變異性大小確定權重，較為客觀。將2種方法取平均值進行綜合賦權，既排除了人為因素的影響，又克服了異常數據的干擾，最大程度保證了指標賦權值的科學性，這種方法叫做綜合賦權法。不同賦權法富水性指標計算結果見表2。通過比較分析，最終決定使用綜合賦權法確定各個指標的權重。

表2 不同賦權法富水性指標計算結果

3.7 富水性分區

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疊合，構建洛河組含水層富水性評價模型。引入富水性指數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，j=1、2、3、4、5。

使用Arcgis軟件，將無量綱矢量專題圖轉換為柵格專題圖，利用軟件強大的柵格數據處理功能，按照富水性評價模型對各專題圖進行疊加。使用軟件內嵌的自然間斷法進行富水性指數分級，將井田富水區域分為5類。洛河組含水層富水性強弱分區預測如圖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域的富水性強。

圖10 洛河組含水層富水性強弱分區預測

4 結論

(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構進行研究，進而明晰砂巖粒度與微觀孔隙結構之間的內在聯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構與粒度有直接聯系，粒度越粗，大孔徑孔隙占比越高，孔滲數值越大，微觀孔隙結構越好，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)根據洛河組含水層水文地質特征及微觀孔隙結構研究成果，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5個主控指標，建立富水性評價模型。繪制富水性分區圖，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域的富水性強，為礦井水害防治提供了理論指導。