楊 鵬，楊偉峰，馬榮坤

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)指的是砂巖孔隙和喉道的幾何形態(tài)、大小、分布及連通性。砂巖的孔隙大小決定其自身的富水性，而孔喉大小及連通關(guān)系很大程度上決定著自身的滲透性。在陜北侏羅系煤層上賦存著富水性不一的砂巖含水層，研究砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，對于認(rèn)識其與含水層富水性的關(guān)系具有重要的意義，同時也可為侏羅系砂巖頂板水害的防治提供科學(xué)依據(jù)。

目前，學(xué)者們從宏觀和微觀兩個角度對砂巖富水性進(jìn)行了大量研究。宏觀上，主要集中在巖性、巖相和結(jié)構(gòu)特征等地學(xué)信息與富水性關(guān)系的研究。武強(qiáng)等[1]討論了含水層厚度、脆塑性巖厚度比、單位涌水量、巖石質(zhì)量指標(biāo)、滲透系數(shù)、沖洗液消耗量、斷層、陷落柱、褶皺樞紐軸9個地質(zhì)因素對煤層頂板含水層富水性的影響，建立了平朔井工一礦4煤層頂板富水性AHP結(jié)構(gòu)模型；肖樂樂等[2]以金雞灘井田為例，確定了含水層等效厚度、砂泥比、巖心采率、砂泥巖交互層數(shù)等4個獨立評價指標(biāo)，構(gòu)建了基于富水性結(jié)構(gòu)指數(shù)法的含水層富水性評價方法；侯恩科等[3]以紅柳林井田為例，認(rèn)為風(fēng)化基巖富水性主要受風(fēng)化基巖地層時代、巖性組合、風(fēng)化程度和厚度4個因素影響；代革聯(lián)等[4]采用沉積學(xué)方法分析檸條塔井田直羅組砂巖的富水規(guī)律，根據(jù)砂體的展布規(guī)律將檸條塔井田富水性劃分為強(qiáng)、中等和弱3個區(qū)，直羅組砂巖厚度越大，富水性越強(qiáng)，直羅組沉積相與地層的富水性之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。從微觀角度研究砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與富水性關(guān)系的成果不多，主要的研究方法有鑄體薄片、掃描電鏡和壓汞實驗等[5-7]。王蘇健等[8]對檸條塔煤礦中不同時代地層、不同巖性砂巖進(jìn)行微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化程度越高富水性越強(qiáng)，粗、中粒砂巖較粉砂巖富水性強(qiáng)，直羅組富水性強(qiáng)于延安組；徐智敏等[9]對大南湖侏羅系中統(tǒng)西山窯組含水層的沉積環(huán)境、宏觀地層結(jié)構(gòu)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)山窯組巖層的平均孔隙度高達(dá)19. 9%，砂巖平均孔隙度為18. 2%，并估算了含水層的儲量；劉欽等[10]研究弱膠結(jié)砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)砂巖屬高孔隙度巖石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布頻率高的結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)富水性;王春剛[11]對巴拉素井田的2煤頂板直接充水含水層進(jìn)行巖石微觀特征研究，發(fā)現(xiàn)直羅組含水層的孔隙度和滲透率條件要優(yōu)于延安組四段含水層;武超等[12]研究了進(jìn)汞壓力對應(yīng)的不同孔喉大小和分布，劃分出不同孔喉區(qū)間、定量化描述孔喉占孔隙體積的百分比;王長申等[13]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，確定了隔水層厚度范圍。

總體上，從宏觀角度研究巖相、巖性和結(jié)構(gòu)特征等地學(xué)信息與富水性關(guān)系的成果已經(jīng)相當(dāng)豐富，而從微觀角度研究砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與富水性關(guān)系的成果還有所欠缺，且主要成果多集中在致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究。筆者以錦界煤礦3-1煤頂板侏羅系砂巖為研究對象，將現(xiàn)場采集的不同深度不同巖性的砂巖樣品進(jìn)行普通薄片和壓汞實驗測試，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)繪制毛管壓力曲線，根據(jù)毛管壓力曲線的特征和排驅(qū)壓力的大小對侏羅系砂巖進(jìn)行分類。從粒徑分布曲線入手，研究了侏羅系延安組和直羅組砂巖的孔隙大小分布特征，以10 μm以上的孔隙為有效孔隙，計算不同類型砂巖的有效孔隙占比情況。最后通過現(xiàn)場鉆孔單位涌水量數(shù)據(jù)反映了砂巖富水性，研究延安組和直羅組砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型與富水性的關(guān)系，為侏羅系砂巖頂板水害的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 錦界煤礦概況

錦界煤礦位于陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)范圍內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬于榆林市神木市管轄，地處陜北黃土高原北端、毛烏素沙漠東南緣，面積約141.78 km2，核定生產(chǎn)能力為1 800萬t/a。礦區(qū)地形總體呈北高南低、東高西低的特征，最高點高程為+1 313 m，最低點高程為+1 100 m，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條常年性溝流-青草界溝和河則溝，均為黃河二級支流。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造十分簡單，地層平坦，總體趨勢為一個傾角約1°，緩緩向北西傾斜的單斜構(gòu)造。根據(jù)地質(zhì)填圖及鉆孔揭露，礦區(qū)地表絕大部分被第四系沉積物所覆蓋，僅在部分區(qū)域有基巖零星出露，地層由老到新有三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)、第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)、第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)及沖積層(Q4al)。

礦區(qū)含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，屬淺水湖泊～三角洲沉積體系，可采煤層共7層，分別為5-3煤、5-2上煤、5-2煤、4-4煤、4-3煤、4-2煤和3-1煤。目前開采侏羅系延安組3-1煤層。煤層屬淺埋煤層，雖地質(zhì)構(gòu)造十分簡單，但水文地質(zhì)條件為復(fù)雜-極復(fù)雜，正常涌水量達(dá)5 000～5 200 m3/h，已成為影響煤礦安全高效生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。

2 侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過現(xiàn)場鉆孔取樣，獲取了侏羅系砂巖地層7個巖石樣本，并開展了薄片鑒定和壓汞試驗，以獲取該區(qū)3-1煤頂板侏羅系砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，為分析該區(qū)砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征與含水層富水性的關(guān)系提供依據(jù)，砂巖樣品基本情況見表1。

表1 砂巖樣品基本情況

2.1 薄片鑒定分析

根據(jù)薄片鑒定結(jié)果，該區(qū)3-1煤頂板侏羅系砂巖類型主要為泥質(zhì)細(xì)粒長石砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和中粗粒巖屑長石砂巖。泥質(zhì)細(xì)粒長石砂巖的碎屑顆粒主要以石英(平均43%)和長石(平均19%)為主，巖屑較少(平均2%)，填隙物主要由泥質(zhì)(平均26%)、云母、綠泥石、碳酸鹽礦物和鐵質(zhì)組成。泥質(zhì)粉砂巖的碎屑顆粒主要為石英(平均40%)和長石(平均29%)，填隙物主要為泥質(zhì)(平均25%)、云母、綠泥石、碳酸鹽礦物和不透明礦物。中粗粒巖屑長石砂巖的碎屑顆粒主要為石英(平均34%)、長石(平均32%)和巖屑(平均19%)，填隙物主要為泥質(zhì)(平均4%)、云母、細(xì)粉砂和鐵質(zhì)，碎屑顆粒的分選性為較好～差，多數(shù)呈棱角～次棱角狀，接觸類型為孔隙式膠結(jié)和基底式膠結(jié)2種。薄片鑒定結(jié)果如圖1所示。

圖1 薄片鑒定結(jié)果

由此可知，侏羅系延安砂巖中泥質(zhì)的含量(平均25.5%)遠(yuǎn)大于直羅組砂巖中泥質(zhì)的含量(平均4%)，且侏羅系直羅組的粗粒砂巖所占比例高、孔隙大、儲存地下水的能力更強(qiáng)。因此延安組砂巖與直羅組砂巖相比，地下水更易在直羅組砂巖中流動，若煤層開采產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶溝通直羅組砂巖，容易造成水害事故。同時探放水孔打入直羅組砂巖地層中，也更有利于頂板水疏降。

2.2 壓汞試驗分析

壓汞法又稱汞孔隙率法，首先由里特(H.L.Ritter)和德列克(L.C.Drake)提出，基于汞對巖體表面具有不可潤濕性，外壓越大，汞進(jìn)入孔半徑越小，根據(jù)不同外壓下進(jìn)入孔中汞量可獲得相應(yīng)孔大小的孔體積，從而評價巖石孔隙大小、分布等特征[8]。

應(yīng)用美國康塔公司的PoreMaster60GT全自動壓汞儀對錦界煤礦侏羅系砂巖樣品的7個砂巖樣品進(jìn)行壓汞試驗，試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法參照GB/T 29171—2012《巖石毛管壓力曲線的測定》。7個砂巖樣品的毛細(xì)壓力曲線如圖2所示。

圖2 砂巖樣品毛管壓力曲線

將該區(qū)侏羅系砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)按照毛管壓力曲線特征和排驅(qū)壓力大小劃分為3種類型，即：Ⅰ類低排驅(qū)壓力型，Ⅱ類中排驅(qū)壓力型和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型。砂巖樣品毛管壓力曲線主要特征參數(shù)見表2。

表2 砂巖樣品毛管壓力曲線主要特征參數(shù)

由圖2可知，對于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型和Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖，其毛管壓力曲線均不存在中間平緩段，而是隨著汞飽和度的增加，毛管壓力不斷上升，表明其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙的分選性較差。對于Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖，其毛管壓力曲線存在明顯的3個階段，分別為初始上升段、中間平緩段和末端上翹段，中間平緩段越長，說明分選性越好。Ⅰ類低排驅(qū)壓力型包括11-3號直羅組砂巖樣品，此類砂巖排驅(qū)壓力小于0.1 MPa，由于該類型毛管壓力曲線的閾壓較低，表明其孔隙半徑較大。中值壓力在3種砂巖中最低，為0.085 MPa，中值半徑為17.299 2 μm，退汞效率最高，此類型的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育較好。具有該類孔隙結(jié)構(gòu)的砂巖主要發(fā)育在3-1煤頂板直羅組中粗粒砂巖中。

Ⅱ類中排驅(qū)壓力型包括6-6號延安組砂巖樣品和9-1號延安組砂巖樣品，此類砂巖排驅(qū)壓力為0.1 MPa，中值壓力比Ⅰ類高，平均為4.039 MPa，中值半徑平均為0.372 4 μm，退汞效率平均為27.63%，此類型的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育中等。

Ⅲ類高排驅(qū)壓力型包括2-2號延安組砂巖樣品、3-2號延安組砂巖樣品、4-5號延安組砂巖樣品和9-1號延安組砂巖樣品，此類砂巖排驅(qū)壓力大于1.0 MPa，中值壓力為3類中最高，平均為12.740 MPa，中值半徑為0.139 5 μm，退汞效率為25.27%，此類型的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育最差。

2.3 孔徑分布曲線下的砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙大小的分類有多種，例如根據(jù)化學(xué)理論，IUPAC將孔隙系統(tǒng)劃分為3類[14]，即大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)?；诳紫督Y(jié)構(gòu)解剖，朱如凱等[15]提出“孔隙結(jié)構(gòu)四分法”，將孔隙系統(tǒng)分為毫米孔(>1 mm)、微米孔(0.001～1 mm)、亞微米孔(0.1～1.0 μm)及納米孔(<0.1 μm)。LOUCK等[16]根據(jù)油氣儲層的實際，提出了一種新的孔分類法，孔徑為1～1 000 nm是納米孔區(qū)，1～62.5 μm是微孔區(qū)，62.5～4 000 μm是中孔區(qū)。但文中采用謝爾蓋耶夫根據(jù)孔隙成因和水在其中運動特征的4級分類[17]，即：粗大的(>1 000 μm)，中等的(1 000～10 μm)、細(xì)小的(10～0.1 μm)和超毛管微孔隙(小于0.1 μm)，見表3。

表3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

由不同孔徑下進(jìn)汞量所占比例(圖3)可知，對于Ⅱ類中排驅(qū)壓力型和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖來說，第1個進(jìn)汞量所占比例峰值出現(xiàn)在130 μm左右，然后急劇下降一直到1 μm左右峰值開始再次出現(xiàn)，且此次峰值所跨孔隙半徑區(qū)間較大，一直到0.05 μm左右峰值開始結(jié)束。而對于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖來說，在8～100 μm均維持有較大的進(jìn)汞量。

圖3 不同孔隙半徑占進(jìn)汞量占比

說明該區(qū)砂巖的孔徑部分小于0.1 μm，屬超毛管微孔隙，孔隙類型屬于晶粒內(nèi)孔隙，其內(nèi)儲水主要為結(jié)合水，不易流動，在開采過程中不會對煤礦生產(chǎn)產(chǎn)生威脅。而大部分為10～0.1 μm的細(xì)小孔隙，此類孔隙中的重力水一般難以運動，只有在較高水頭下才能運動，這時才能對礦井安全生產(chǎn)造成影響。

進(jìn)一步討論孔容分布特征，由孔容的分布特征圖(圖4)可以看出對于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖，總有效孔隙體積為0.042 3 cm3/g。大于10 μm的孔隙體積占61.68%，所以該型砂巖以粒間和晶間孔隙為主；其次為顆粒內(nèi)和粒間孔隙，孔隙體積占38.52%，基本無晶粒內(nèi)孔隙。

圖4 進(jìn)汞飽和度分布

對于Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖，總有效孔隙體積平均為0.065 4 cm3/g。介于0.1～10 μm的孔隙體積占51.44%，所以該型砂巖以顆粒內(nèi)和粒間孔隙為主；其次為晶粒內(nèi)孔隙，孔隙體積占26.86%；粒間和晶間孔隙占比最少，為21.70%。

對于Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖，總有效孔隙體積平均為0.084 6 cm3/g。小于0.1 μm的孔隙體積占45.32%，所以該型砂巖以晶粒內(nèi)孔隙為主；其次為顆粒內(nèi)和粒間孔隙，孔隙體積占32.56%；粒間和晶間孔隙占比最少，為22.13%。

結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，該區(qū)煤層頂板主要充水含水層為侏羅系直羅組風(fēng)化基巖孔隙裂隙潛水—承壓含水層。侏羅系直羅組風(fēng)化基巖孔隙裂隙潛水—承壓含水層承壓水頭一般在66.30 m左右，具有一定的壓力水頭，因此，依據(jù)表3中微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及水文地質(zhì)意義，初步以10 μm以上的粒間和晶間孔隙為有效孔隙。得到Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖組成的延安組砂巖的有效孔隙僅占21.92%，而Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖組成的直羅組砂巖中有效孔隙高達(dá)61.68%，說明侏羅系直羅組砂巖猶如一塊“海綿”一樣，可以儲存巨大的水量，是礦井突水的主要來源。

3 侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與含水層富水性的關(guān)系

《煤礦防治水細(xì)則》附錄一中給出了含水層富水性的等級標(biāo)準(zhǔn)，按照鉆孔單位涌水量的大小，將含水層富水性分為4級，弱富水性(q≤0.1 L/(s·m))、中等富水性(0.1 L/(s·m)5.0 L/(s·m))[18]。通過對典型巖樣進(jìn)行普通薄片和高壓壓汞等試驗測試，結(jié)合鉆孔單位涌水量，研究該礦區(qū)侏羅系砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與含水層富水性的關(guān)系。砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計見表4。

由表4可知，孔隙結(jié)構(gòu)Ⅰ類的直羅組砂巖鉆孔單位涌水量要比孔隙結(jié)構(gòu)為Ⅱ類和Ⅲ類的延安組砂巖鉆孔單位涌水量大1個數(shù)量級，且前者為中等富水性，后者為弱富水性。

表4 砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與鉆孔單位涌水量統(tǒng)計

由于Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖以粒間和晶間孔隙為主，其有效孔隙占比達(dá)到61.68%，且該含水層承壓水頭在66.30 m左右，具有一定的壓力水頭，大量賦存在孔隙中的重力水在一定的壓力水頭下自由移動，是其中等富水性的原因。而Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖以晶粒間孔隙和顆粒內(nèi)及粒間孔隙為主，該類孔隙體積占78.02%，此類孔隙內(nèi)為結(jié)合水和一定量的重力水，但是壓力水頭有限，重力水并不能在孔隙內(nèi)自由移動，所以該類砂巖僅為弱富水性。

薄片鑒定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所屬直羅組地層的Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖的泥質(zhì)含量僅為4%，而延安組地層的Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖的泥質(zhì)含量高達(dá)25.5%，泥質(zhì)含量高的砂巖具有很強(qiáng)的親水性，遇水膨脹、泥化，裂隙被重新壓實彌合，這是延安組地層的Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖滲透系數(shù)低于直羅組地層的Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖的重要原因。

4 結(jié) 論

1)從微觀角度來看，確定砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型對于認(rèn)識其富水性程度具有重要意義，可以為砂巖富水性的預(yù)測提供一種思路。

2)侏羅系延安砂巖中泥質(zhì)的含量(平均25.5%)遠(yuǎn)大于直羅組砂巖中泥質(zhì)的含量(平均4%)，且侏羅系直羅組的粗粒砂巖所占比例高，孔隙大，儲存地下水的能力更強(qiáng)。

3)根據(jù)毛管壓力曲線形態(tài)和排驅(qū)壓力大小將錦界煤礦3-1煤頂板侏羅系砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)劃分為3種類型，即：Ⅰ類低排驅(qū)壓力型(孔隙結(jié)構(gòu)較好)、Ⅱ類中排驅(qū)壓力型(孔隙結(jié)構(gòu)中等)和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型(孔隙結(jié)構(gòu)較差)。

4)Ⅰ類低排驅(qū)壓力型砂巖以粒間和晶間孔隙為主，其有效孔隙占比達(dá)到61.68%，且該含水層承壓水頭在66.30 m左右，具有一定的壓力水頭，大量賦存在孔隙中的重力水在一定的壓力水頭下自由移動，是其中等富水性的重要原因。

5)Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖以為0.1～10.0 μm的顆粒內(nèi)和粒間孔隙為主，該類孔隙體積占51.44%。Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖以小于0.1 μm的晶粒內(nèi)孔隙為主，該類孔隙體積占45.32%。Ⅱ類中排驅(qū)壓力型砂巖和Ⅲ類高排驅(qū)壓力型砂巖的有效孔隙僅占21.92%。