許 峰，靳德武，楊俊哲，黃 歡，王世東，姬亞東，石 磊

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團 西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077; 4.神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

華北型煤田底板奧陶紀(jì)灰?guī)r水害是礦井開采面臨的主要水害問題，尤其對于下組煤。隨著煤炭資源深部開發(fā)戰(zhàn)略的實施，奧灰水壓逐漸增高，水害威脅程度日益嚴(yán)重。為了保障礦井安全生產(chǎn)，眾多學(xué)者在煤層帶壓開采水害防治方面開展了大量研究工作。研究表明，整個中奧陶紀(jì)地層并非全段都是含水層，奧灰水壓是在進入中奧陶系頂部峰峰組地層一定深度后才開始顯現(xiàn)[1-4]。對于華北型煤田絕大多數(shù)礦井而言，峰峰組成為能否實現(xiàn)安全開采及解放多少煤炭資源的關(guān)鍵層。因此，研究峰峰組地層的隔水性能及可利用厚度成為一項重要且有意義的工作，也是近年來學(xué)術(shù)界研究的熱點問題。同時，可為礦井實現(xiàn)安全帶壓開采或區(qū)域注漿改造治理煤層底板水害提供基礎(chǔ)和方向。

目前，對于峰峰組隔水性能研究主要集中在3個方面:其一是峰峰組隔水成因研究，研究表明中奧陶系頂部隔水段的存在與古風(fēng)化殼密切相關(guān)，受加里東運動影響，華北地區(qū)奧陶紀(jì)經(jīng)過長達1億a地質(zhì)歷史時期的剝蝕、沉積、充填和壓實作用，從而形成了頂部相對隔水段[5-9];其二是從宏觀方面采用現(xiàn)場勘探試驗手段，基于鉆孔鉆進過程中的水位沖洗液消耗量、壓水量變化等評價峰峰組隔水性能，如牟林等采用壓水試驗、流量測井等手段確定寺河礦峰峰組可利用厚度為35～70 m[10];李波[11]通過水文地質(zhì)觀測、抽水試驗等研究表明斜溝煤礦峰峰組含水層富水性弱且可注性較好;周楊[12]采用水文地質(zhì)鉆探配合壓水試驗、鉆孔窺視等方法研究確定王坡礦峰峰組頂部以下50 m可作為隔水層利用;其三是采用微觀分析方法，分析巖性、溶蝕特征、孔隙特征與微觀結(jié)構(gòu)等，如王長申等采用巖石薄片鑒定、X射線熒光光譜分析等手段分析了峰峰組巖性、孔隙結(jié)構(gòu)特征及其垂向分布規(guī)律，確定漳村礦峰峰組可利用厚度達到142 m[13];白海波等[14]采用孔隙性微觀研究、滲透性試驗等手段確定了白云烏素煤礦奧陶系頂部存在150 m左右的碳酸鹽巖隔水層;崔祥琨等[15]采用壓汞試驗等方法研究表明，古交礦區(qū)峰峰組上段和下段灰?guī)r以極細(xì)小和超毛管微孔隙為主，其頂部以下30 m和下段約70 m層段可作為隔水關(guān)鍵層利用。

隨著峰峰組隔水性能研究的深入，研究方法也越來越全面，峰峰組頂部存在隔水層的觀點也逐步被大家認(rèn)可，基于此，筆者以河?xùn)|煤田保德煤礦峰峰組地層為研究對象，采用基于微-CT掃描技術(shù)的室內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)分析與現(xiàn)場壓水試驗相結(jié)合的手段，多尺度定量化評價其隔水性能。

目前，在地質(zhì)巖石力學(xué)領(lǐng)域，微-CT技術(shù)主要應(yīng)用于油氣儲層密閉性評價與煤巖損傷評價等研究中，如GOLAB等采用微-CT技術(shù)三維重構(gòu)煤巖孔隙微觀結(jié)構(gòu)，揭示了研究區(qū)煤巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[16];WANG等[17]采用微-CT技術(shù)三維重構(gòu)了頁巖孔隙微觀結(jié)構(gòu)，揭示了研究區(qū)頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征;ALEXANDRA等[18]采用微-CT掃描技術(shù)對煤巖孔隙結(jié)構(gòu)進行了三維重構(gòu)，揭示了其微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，在此基礎(chǔ)上研究了煤層氣儲層中孔隙對于氣液兩相流流動的影響特性;劉向君等[19]利用微-CT技術(shù)構(gòu)建了川西須家河組致密砂礫巖儲層的三維孔隙結(jié)構(gòu)特征，并研究了微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對巖心中氣水兩相流的影響規(guī)律;以上研究表明，國內(nèi)外學(xué)者采用微-CT技術(shù)研究對象主要為致密砂礫巖、煤巖[20]等，而很少將其應(yīng)用于灰?guī)r隔水性能研究中。為此，筆者研究引入微-CT掃描技術(shù)，豐富了奧灰頂部峰峰組隔水性能評價方法。

1 研究區(qū)概況

保德井田位于山西省忻州市保德縣，所處的大地構(gòu)造位置為鄂爾多斯盆地東部的河?xùn)|斷凹的北部，所處水文地質(zhì)單元為天橋泉域。井田地層自上而下依次為第四系、新近系、二疊系、石炭系和奧陶系地層。其中山西組和太原組為主要含煤地層，包括2個主要可采煤層8號、11號，井田綜合柱狀簡圖如圖1所示。

圖1 保德井田綜合柱狀簡圖Fig.1 Comprehensive histogram of Baode minefield

其中8號煤層資源將在不久的將來開采完畢，轉(zhuǎn)而開采11號煤層，而11號煤層與奧灰頂部平均間距為72 m，突水系數(shù)最大值達到0.089 MPa/m，部分地段受奧灰水害威脅較為嚴(yán)重?？紤]到奧灰頂部存在平均厚度104 m的峰峰組地層，有必要在11煤開采前，對峰峰組隔水性能進行研究，確定其是否可作為隔水層加以利用，為11號煤層帶壓開采提供技術(shù)依據(jù)。

井田五盤區(qū)開展了大量的奧灰水文地質(zhì)勘探工作，結(jié)果顯示峰峰組地層厚度穩(wěn)定，鉆進過程中鉆液消耗量普遍較小，且未發(fā)現(xiàn)較大構(gòu)造與強徑流帶，加之井田地層總體呈單斜構(gòu)造，西部奧灰水帶壓程度較高，為此，本次研究選擇在井田五盤區(qū)深部區(qū)域地面施工了1個水文補勘鉆孔(Y5)，鉆孔位置如圖2所示，鉆孔終孔層位進入馬家溝組15 m，穿越整個峰峰組地層。利用鉆孔開展巖樣薄片鑒定、微-CT分析以及現(xiàn)場壓水試驗，從巖性特征、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、巖層滲透性等多方面多尺度綜合評判井田內(nèi)峰峰組地層隔水性。

圖2 壓水試驗鉆孔位置Fig.2 Location of drilling holes for water pressure test

2 峰峰組地層巖性特征

通過Y5號鉆孔揭露顯示，峰峰組厚度為109.2 m，根據(jù)巖芯現(xiàn)場觀測，采集峰峰組不同層位、且?guī)r芯相對變化較大具有代表性的巖樣共6組(編號為B1～B6)，每組樣品均采用普通薄片鑒定與鑄體薄片鑒定分別開展了2組測試。

鑒定結(jié)果顯示峰峰組上段(圖3:B1～B3)巖性以泥晶、粉晶灰?guī)r為主，主要礦物成分為方解石(>90%)，另含少量燧石、黃鐵礦以及鐵泥質(zhì)。燧石主要填充在中晶方解石之間，黃鐵礦呈分散狀分布;結(jié)構(gòu)組分呈晶粒結(jié)構(gòu)特征，晶粒主要為泥晶方解石，局部重結(jié)晶，為50～500 μm的晶粒，達粉晶、細(xì)晶、中晶。

峰峰組中段(圖3:B4)巖性以泥晶、泥晶泥質(zhì)灰?guī)r為主，主要成分為方解石(50%)，其次為黏土礦物(40%)，含部分硅質(zhì)(8%)，含少量黃鐵礦，硅質(zhì)主要為燧石，含少部分石英，黃鐵礦呈分散狀分布;結(jié)構(gòu)組分總體呈晶粒結(jié)構(gòu)特征，主要為泥晶方解石，泥晶方解石呈透鏡層狀分布，部分泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，黏土質(zhì)透鏡體呈層狀分布。

峰峰組下段(圖3:B5～B6)巖性以粉質(zhì)、含硅白云巖為主，主要礦物成分為白云石(>90%)，含少部分方解石，含少量鐵泥質(zhì)和石英;呈晶粒結(jié)構(gòu)，主要為粉晶白云石，大部分白云石自形程度不好，為它形，少部分白云石自形程度較好，半自形-自形，局部發(fā)育少量粉晶方解石。

圖3 峰峰組不同層位巖性鑒定結(jié)果Fig.3 Lithologic identification results of different layers in Fengfeng formation

峰峰組巖性鑒定分析結(jié)果與以往保德煤礦勘探資料基本吻合，具有一定的代表性，同時也反映了峰峰組地層巖性在垂向上的差異性，呈現(xiàn)出頂部以下大部分層段以泥晶和粉晶灰?guī)r為主，而底部以白云巖為主的特征。由于峰峰組中上段礦物含量以方解石和黏土礦物為主，不易形成較大裂隙，且礦物晶間以鐵泥質(zhì)充填為主，具有良好的隔水性。五盤區(qū)以往勘探資料表明，峰峰下段含硅質(zhì)白云巖也不易溶蝕形成裂隙，因此，從巖性上來看，井田五盤區(qū)峰峰組地層總體表現(xiàn)為隔水性。

3 峰峰組地層孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過Y5號鉆孔，在峰峰組上段和下段各采取巖樣2組(C1與C2)。采用Zeiss Xradia Versa Micro-CT 520設(shè)備對巖樣切片進行微-CT掃描，結(jié)合Avizo9.2軟件對巖樣孔隙進行三維重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，對重構(gòu)的三維圖像進行數(shù)據(jù)提取和分析，從而得到峰峰組地層孔隙結(jié)構(gòu)特征。

3.1 孔喉網(wǎng)絡(luò)三維分布特征

孔喉(孔隙與喉道)網(wǎng)絡(luò)三維圖(圖4(a)，(d))分析表明，峰峰組灰?guī)r巖芯孔隙發(fā)育程度低，孔隙網(wǎng)絡(luò)中發(fā)育有大孔隙和小孔隙，大孔隙多集中分布，相互疊置，數(shù)量較多的小孔隙相互孤立分布，空間中孔隙分布不均勻，大孔隙集中出現(xiàn)，小孔隙零散分布，計算C1和C2孔隙度分別為3.18%和2.42%，屬于超低孔隙度地層。

3.2 孔喉網(wǎng)絡(luò)連通性特征

在將孔隙從基質(zhì)與顆粒中單獨分割提取的基礎(chǔ)上，對孔隙的空間連通性分布特征進行分析，通過孔喉連通性三維圖(圖4(b)，(e)，相鄰區(qū)域中顏色相近的孔隙為連通孔隙)顯示，峰峰組灰?guī)r巖芯孔隙連通性較差，集中分布的大孔隙相互疊置連通，大部分區(qū)域的微小孔隙多相互孤立不連通，孔隙空間分布的連通性較差。

3.3 孔喉參數(shù)分析

基于分水嶺分割算法[21]對孔喉網(wǎng)絡(luò)的骨架進行提取，得到其等效孔喉網(wǎng)絡(luò)模型(圖4(c)，(f)，藍色球體代表孔隙，黃色棍狀體代表喉道)。通過計算得出，巖芯孔隙半徑分布在0.5～50.0 μm，集中分布于0.5～8.0 μm(圖5)，C1和C2樣品孔隙半徑在0.5～8.0 μm的孔隙累積占比可達96.35%和96.74%;巖芯的喉道半徑在0.5～4.0 μm，集中分布在0.6～1.5 μm(圖6)，C1和C2樣品喉道占比分別達到78.9%和87.6%，表明喉道半徑分布集中，呈現(xiàn)單峰分布特征，且喉道類型單一。

圖5 C1與C2樣品孔隙半徑分布直方圖Fig.5 Histogram of pore radius distribution of C1 and C2 samples

圖6 C1與C2樣品喉道半徑分布直方圖Fig.6 Throat radius histogram of C1 and C2 samples

分析計算結(jié)果顯示，巖芯中孔徑大于12 μm的孔隙和半徑大于2.5 μm的喉道占比較低，表明巖芯中孔隙及喉道類型單一，根據(jù)謝爾蓋耶夫關(guān)于孔隙的4級分類法[22]可知，研究區(qū)峰峰組地層孔隙以細(xì)小孔隙為主，孔隙性較低。分析認(rèn)為峰峰組地層中上部灰?guī)r和底部白云巖多數(shù)呈泥晶、粉晶或晶粒結(jié)構(gòu)，該巖性結(jié)構(gòu)較為致密，晶間孔隙和溶孔多數(shù)被泥晶方解石和泥晶基質(zhì)充填，巖石受到明顯的壓實、膠結(jié)和重結(jié)晶作用，致使峰峰組地層孔隙性較低。

4 峰峰組地層滲透性特征

4.1 試驗方法及過程

在Y5鉆孔成孔后，以《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》[23]為操作規(guī)范，采用專用測試裝置進行雙栓塞分段壓水試驗。試驗流程為:① 壓水段頂界面與峰峰組地層頂界面保持齊平，做好壓水準(zhǔn)備后，開始第1組壓水;② 根據(jù)規(guī)范第1組試驗完畢后，上封隔器移動至下封隔器位置，開始第2組壓水;③ 自上而下依次進行，直至覆蓋整個峰峰組地層(圖7)。

圖7 壓水試驗流程(步驟① →② →③ →…)Fig.7 Flow chart of water pressure test (step①→②→③ →…)

4.2 試驗成果分析

詳細(xì)記錄Y5鉆孔峰峰組全段壓水試驗數(shù)據(jù)，繪制鉆孔單位壓水量隨深度變化趨勢圖(圖8)。結(jié)果表明:Y5鉆孔峰峰組全段壓水量為0.43～1.16 L/(m·min);峰峰組頂部壓水量值最小，進入峰峰組地層96.4 m深度壓水量最大，隨深度呈現(xiàn)出逐步升高的趨勢，變化趨勢稍有波動，但總體較為平穩(wěn);峰峰組地層全段單位壓水量平均值為0.95 L/min，數(shù)值較低。

采用霍斯列夫公式計算峰峰組全段的平均滲透系數(shù):

(1)

式中，K為巖體滲透系數(shù)，mm/d;Q為壓入(水)流量，m3/d;H為試驗段水頭值，m;L為試驗段長度，m;r為鉆孔半徑，m。

計算得到Y(jié)5鉆孔峰峰組滲透系數(shù)值為0.000 66～0.001 55 m/d(表1)，顯示峰峰組整個測試段滲透系數(shù)很小，數(shù)量級在10-3～10-4，透水率在0～2 L/(m·MPa·min)，對照巖石滲透性分級標(biāo)準(zhǔn)[24]，可見測試段巖層的總體透水性弱。

表1 滲透系數(shù)計算統(tǒng)計Table 1 Calculation statistics of permeability coefficient

5 討 論

通過以往研究與開采實踐表明，華北型煤田峰峰組存在相對隔水段已逐步被證實，如晉城寺河礦峰峰組可作為隔水層利用厚度為其上部30～70 m[10];晉城王坡礦峰峰組可利用厚度為其上部50 m[12];邢臺漳村礦峰峰組可利用厚度為上部142 m層段[13]，等等。以上研究表明，峰峰組地層本身隔水性在垂向上存在差異性，并非全段都具有良好的隔水性能。而根據(jù)保德煤礦以往大量的勘探資料顯示，礦井五盤區(qū)整體構(gòu)造條件簡單，巖性結(jié)構(gòu)在平面展布上差異較小，結(jié)合本次研究表明，保德煤礦五盤區(qū)峰峰組全段隔水性均較好。說明對于整個華北型煤田區(qū)域尺度而言，奧灰頂板峰峰組地層沉積規(guī)律與特征有所差異。

根據(jù)研究成果計算，保德煤礦五盤區(qū)奧灰水突水系數(shù)值整體下降了50%左右，最大突水系數(shù)值小于0.06 MPa/m。

6 結(jié) 論

(1)保德井田五盤區(qū)峰峰組地層巖性在垂向上存在差異性，中上段巖性主要為泥晶、粉晶灰?guī)r，總體呈晶粒結(jié)構(gòu)，主要為泥晶方解石，部分為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，黏土質(zhì)透鏡體呈層狀分布;底部巖性主要為粉質(zhì)白云巖，呈晶粒結(jié)構(gòu)，主要為粉晶白云石，局部發(fā)育少量粉晶方解石;晶間孔隙和溶孔多數(shù)被泥晶方解石和泥晶基質(zhì)充填，巖石受到明顯的壓實、膠結(jié)和重結(jié)晶作用。

(2)保德井田五盤區(qū)峰峰組地層巖芯孔隙度為2.42%～3.18%，孔隙發(fā)育程度低，屬于超低孔隙度地層;96.35%～96.74%的孔隙直徑在2～8 μm，78.9%～87.6%的喉道直徑在0.6～1.5 μm，屬細(xì)小孔隙?？傮w來看，峰峰組地層表現(xiàn)為低孔隙性特征。

(3)保德井田五盤區(qū)峰峰組地層全段壓水量為0.43～1.16 L/(m·min)，平均壓水量0.95 L/(m·min);滲透系數(shù)的數(shù)量級為10-3～10-4，透水率為0～2 L/(m·MPa·min)，總體透水性弱。

(4)根據(jù)峰峰組地層巖性、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性特征對比分析，結(jié)合五盤區(qū)以往峰峰組地層勘探資料顯示，峰峰組全段可作為相對隔水層加以利用。

(5)以往針對奧灰頂部峰峰組地層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究手段以壓汞試驗[1,13]為主，本次研究將微-CT掃描技術(shù)引入，結(jié)合現(xiàn)場勘探水文試驗的方法，豐富了奧灰頂部隔水性能研究方法。