神东矿区纳林河二号矿井延安组煤层顶板富水区规律

陈 晨, 贾建称, 董 夔, 巩泽文, 刘云亮

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引言

矿井隐蔽水害是制约着煤矿安全高效生产的重要地质因素。矿井富水性规律不清，尤其是沉积演化对岩石水理学性质影响机理，是造成矿井涌水异常、突水等水害问题主要原因之一。纳林河二号矿井位于蒙陕接壤区神东煤炭基地纳林河矿区南部，面积180.67km2。矿井中侏罗系延安组煤层埋藏深，煤炭资源丰富[1-2]。首采3-1煤层顶板及直罗组含、隔水层空间展布复杂，砂岩富水性存在不均匀现象。如3-1煤层首采工作面中间位置顶板富水性与旧回撤通道附近富水性差异较大，最大涌水量达900m3/h，顶板含水层富水性不均一现象给矿井安全生产带来极大隐患，煤矿防治水形势比较严峻。因此，研究含水层沉积作用、成岩作用及后生作用等地质因素控水规律，对于有效预防水害隐患，保障煤矿安全生产具有重要的现实意义。

1 矿井水文地质背景

纳林河二号矿井与煤炭开采有关的地层由老至新有：上三叠统延长组(T3y)、中侏罗统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、下白垩统志丹群(K1zh)和第四系(Q)。构造上位于陕北斜坡，为倾角1°～3°，向北西西倾斜的近水平构造。研究区内无大中型褶皱和断层，无岩浆侵入，仅有小型褶皱和断层发育。

延安组为矿井主要含煤地层，厚度334.3～365.3m，自下而上分为三段。首采3-1煤层位于延安组二段顶部，全区可采，稳定分布，埋深大于550m。

作为矿井首采煤层3-1之上的含水层自上而下有：第四系、志丹群潜水含水层、安定组、直罗组、延安组三段孔隙含水层。第四系、志丹群含水层之间缺少相对隔水层，水力联系密切。安定组底部发育砂质泥岩夹粉砂岩等相对隔水层，使其与下伏直罗组之间水力联系十分微弱。因此，本文主要研究对矿井高效生产影响较大的延安组三段至直罗组之间的含水层。

延安组三段(J2y3)由灰白色(含砾)粗-中粒砂岩夹深灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及2煤组组成，厚度65.40～112.61m。受燕山运动Ⅱ幕掀斜式抬升运动的影响，该段顶部曾遭受差异风化和剥蚀夷平作用，与上覆直罗组呈平行不整合接触。

直罗组由蓝灰色、灰绿色砂岩、杂色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等组成，厚度105.12～223.3m。直罗组一段(J2z1)由蓝灰色、灰绿色、黄绿色、灰白色、(含砾)中-粗长石砂岩(俗称“七里镇砂岩”)组成，平行不整合于延安组之上，厚度55～114.5m。直罗组二段由灰绿色砂质泥岩、灰紫、暗紫色泥岩与灰绿、黄绿色粉砂岩、细粒长石砂岩(俗称“高桥砂岩”)组成，底部发育(含砾)粗砂岩，厚度54.12～108.8m，对下伏地层的侵蚀冲刷作用强烈(图1)。

根据含水层岩石学特征及水理性质分析，延安组三段、直罗组细粒砂岩渗透能力差，属于承压弱透水孔隙含水层；中粒砂岩属于承压中等透水孔隙含水层；粗粒砂岩为河床相沉积砂体，属于承压强透水孔隙含水层。

2 沉积作用对矿井富水性的控制

2.1 沉积相对砂岩孔渗结构的影响

不同沉积环境中形成的砂体，其岩石成分、结构、沉积构造形态、展布方向等特点不同，蓄水空间和水力学性质有很大差别[3]。矿井3-1煤层之上冲积相较发育，河床亚相砂岩以细粒砂岩和粉砂岩为主，底部为砾石层，向上正粒序层序发育。砂体的分布受河道的控制。垂向上，砂体主要发育在河流“二元结构”的下部，即河道砂坝。河道砂体粒度粗、厚度大，在垂向上彼此叠置。平面上，因侧向加积形成复合砂体。延安组三段为三角洲平原向河流相演变时期的沉积，沉积物主要为浅灰色-灰色细粒砂岩、灰白-灰绿色中粒砂岩及灰白色粗粒砂岩，其中粗粒砂岩主要发育在3-1煤层上部32～65m处。直罗组一、二段为曲流河沉积，由河道砂坝亚相和河漫滩亚相组成。岩性主要呈灰色-灰绿色细粒砂岩、灰白色中粒砂岩，灰白色粗粒砂岩，后者主要发育在直罗组一段、二段的底部。

延安组三段与直罗组砂岩碎屑成份都以石英、长石为主，岩屑较少。其中，延安组三段下部形成于三角洲环境，碎屑颗粒呈次圆状、圆状，以线状、点-线状接触；延安组三段上部、直罗组一段形成于曲流河环境，主要由河道砂坝亚相和河漫滩亚相组成，发育细粒砂岩，碎屑颗粒呈次圆、次棱角状，分选性较好，以孔隙式胶结为主。岩石发育大、中型槽状交错层理、板状交错层理、平行层理。直罗组二段河流沉积规模明显减小，河漫滩相扩大，但古河床亚相仍发育，位置和方向与直罗组一段的具有继承性。砂岩孔隙以粒间孔为主，有少量粒内溶孔、粒间溶孔和晶间孔，裂隙被亮晶方解石和重矿物不完全充填，分布欠均匀，孔隙连通性差(图1)。

沉积环境决定砂岩的碎屑组分、杂基含量、沉积构造，以及成岩作用的类型和强度，进而影响含水层的原始孔隙度、渗透率，砂岩储集性能[4-9]。根据2014年1月，对矿井9块岩心样品所做的常规物性分析测试结果进行整理得知，纳林河二号矿井延安组三段砂岩孔渗条件最好，有效孔隙度平均17.9%、水平渗透率平均539×10-3μm2；其次为直罗组一段砂岩，有效孔隙度平均18.83%，水平渗透率平均157×10-3μm2；直罗组二段砂岩孔渗结构较差，有效孔隙度平均17.7%，水平渗透率平均15.1×10-3μm2(表1)。

表1 矿井砂岩孔渗参数测试结果Table 1 Tested results of coalmine sandstone porosity, permeability parameters

图1 矿井地层综合柱状图Figure 1 Coalmine comprehensive stratigraphic column

2.2 成岩作用对砂岩储水性能的影响

如果沉积相奠定了砂岩碎屑矿物成分和结构的基础，成岩作用则使砂岩碎屑矿物成分和孔隙结构发生了重大的改变[10-13]。岩石在成岩作用过程中产生了许多自生矿物，使其原生孔隙减小，连通性变差，渗透率降低[14]。根据中煤科工集团西安研究院有限公司2014年对纳林河二号矿井采集的样品进行的激光粒度、扫描电子显微镜、粘土矿物、全岩X-衍射及阴极发光鉴定分析结果进行整理得知，延安组三段—直罗组砂岩的矿物塑性弯曲变形和脆性矿物的贴面接触使砂岩更加致密，是造成砂岩储集性能变差的主要原因(图2)。另外，钙质胶结物、石英次生加大、长石次生加大等胶结作用，使得孔隙结构复杂化，同样降低了砂岩的孔隙度(图3)。强烈的压实压溶作用和大量胶结物的生成降低了砂岩孔隙度和渗透率，而后期的长石溶蚀、钙质溶蚀作用改善了含水层物性。纳林河二号矿井砂岩含水层的砂质矿物以石英、长石为主，长石溶蚀形成粒间溶孔。同时，砂岩中钙质胶结物易被水溶解，岩石溶孔发育。次生孔隙的出现是因为长石和钙质受到溶解和蚀变产生的。总的来说，后期成岩阶段的溶蚀作用对砂岩的孔隙度和渗透率有一定程度的改善(图4)。

2.3 沉积作用对矿井富水性的影响

岩石空隙系统的形成与演化，主要受沉积作用的控制[15]。就岩石类型而言，直罗组含水层的岩石粒度越细，密度越大，有效孔隙度就越小。如直罗组细粒砂岩密度2.15～2.45g/cm3，有效孔隙度8.7%～19.8%；粗粒砂岩密度2.04～2.20g/cm3，有效孔隙度18.2%～23.5%。矿井直罗组含水层砂岩孔渗条件以中粒砂岩为最大，平均有效孔隙度为25.7%、平均渗透率为592.5mD，平均渗透系数0.578m/d。其次是粗粒砂岩，细粒砂岩的有效孔隙度、渗透率和渗透系数最小，平均有效孔隙度为14.53%、平均渗透率为2.01mD，平均渗透系数0.000 19m/d，透水能力最差。延安组三段含水层孔渗条件以粗粒砂岩为最好，平均有效孔隙度为24.9%、平均渗透率为1 610mD，平均渗透系数1.57m/d。延安组三段砂岩的平均有效孔隙度比直罗组的要低，而渗透率和渗透系数变化幅度比直罗组的小。岩石孔隙性和水理性质的这种变化规律，反映出其成岩作用越强，其孔隙结构和水理性质的非均质性就越不明显，成岩作用是岩石结构均一化的过程[3-4](表2)。

a-塑性矿物变形(岩心编号HB4-b35，取心深度491.64m，延安组三段，(+)×100) b-脆性矿物贴面接触(岩心编号HB4-b13，取心 深度334.47m，直罗组二段，(+)×40)图2 矿井延安组三段-直罗组砂岩压实作用Figure 2 Sandstone compaction in coalmine’s Yan’an Formation third member and Zhiluo Formation

a-方解石胶结(岩心编号HB1-b24，取心深度528m，直罗组一段，(+)×40) b-石英次生加大胶结、高岭石(岩心 编号HB1-b46，取心深度538m，延安组三段)图3 矿井延安组三段-直罗组砂岩胶结作用Figure 3 Sandstone cementation in coalmine’s Yan’an Formation third member and Zhiluo Formation

a-长石溶蚀(岩心编号HB2-b24，取心深度416.5m，直罗组二段) b-钙质溶蚀(岩心编号HB2-b27， 取心深度435.4m，直罗组二段)图4 矿井矿物溶蚀作用Figure 4 Coalmine mineral dissolution

岩性地层密度/g·cm-3有效孔隙度/%渗透率/mD渗透系数/m·d-1细粒砂岩延安组三段2.3～2.332.32(3)13.4～14.413.9(2)2.23～5.824.03(2)0.0022～0.00570.0039(3)直罗组2.15～2.452.29(3)8.7～19.814.53(3)0.23～4.082.01(3)0.00002～0.0040.00019(3)中粒砂岩延安组三段2.0721.73810.372直罗组1.94～2.01.97(2)24.6～26.825.7(2)265～920592.5(2)0.258～0.8970.578(2)粗粒砂岩延安组三段1.9824.916101.57直罗组2.04～2.22.12(2)18.2～23.520.9(2)40.5～465252.8(2)0.035～0.4530.244(2)

另外，同一种岩石类型可以形成于不同的沉积环境[16]。如延安组细粒砂岩主要见于湖泊三角洲平原分流河道亚相中下部和天然堤亚相中，而直罗组细粒砂岩主要形成于曲流河相河道砂坝亚相，或在辫状河相河道砂坝亚相中发育。同一岩石类型的孔隙结构和水理性质与其形成环境密切相关[17]。如直罗组河流环境河道砂坝砂体的分选性和磨圆度比延安组湖泊三角洲平原分流河道砂体的好，比决口扇砂体的更好，因此其有效孔隙度和渗透率高，透水性能更强。直罗组中粒岩屑长石砂岩是中侏罗统直罗组辫状河道砂体、曲流河河道砂坝亚相的主要岩石类型。同时，沉积环境也与孔隙连通性之间有一定相关性[18]。如同一古河道砂体中，河道边部砂体的有效孔隙度和渗透率低，向河道中心，砂体有充分的分选和磨圆，孔隙变得规则，有效孔隙度和渗透率逐渐变大，透水能力增强。另外，平面上，河流上游砂体分选性和磨圆度差，基质含量比中下游的高，有效孔隙度和渗透性要比中下游的低。表现为小型河道粗粒砂体的有效孔隙度和渗透率相比大型古河道粗粒砂岩的低，砂岩透水能力减小[19]。像矿井直罗组一段、二段底部的小型河道粗粒砂体的有效孔隙度低(18.2%)，水平方向渗透率40.5mD，渗透系数0.034 93 m/d；大型古河道粗粒砂岩的有效孔隙度高(23.5%)，水平方向渗透率增大至465mD，渗透系数增加为0.453 4m/d。含水层砂体胶结物以钙质为主，砂体中钙质含量较高的岩石透水能力要比钙质含量较低岩石的透水能力强。这是因为岩石中的钙容易被水溶解，并随水流失，岩石溶孔就越发育，透水能力增强。这也从另一侧面解释了抽水试验反映的单孔涌水量小，而井下实际涌水量大的原因。

3 后生作用对矿井富水性的影响

构造直接影响到岩层的含水性，是控制地质单元的富水性的重要因素[20-22]。纳林河二号矿井的总体构造形态为向北西西缓倾斜的单斜构造，在此基础上伴生有高角度裂缝、小型平缓褶皱、断层。

3.1 裂缝对砂岩富水性的影响

延安组三段和直罗组的泥岩中发育高角度微裂缝，密度1～4条/10m，宽度0.05～0.4cm，高度1.2～6.1cm，裂面与岩层层面近于垂直(表3、图5)。这些裂缝的存在对于砂岩中水体的连通起到了一定的作用。通过井下观测也发现，凡岩层裂缝发育的地段，井巷涌水量有变化，但是影响不大，一般比不发育或未发育地段的涌水量高出3～7m3/h。

表3 矿井裂缝统计信息 (据中煤科工集团西安研究院有限公司，2014)Table 3 Statistic information of coalmine fractures (after Xi'an Research Institute, CCTEG, 2014)

3.2 小型断层对砂岩富水性的影响

断层对地下水的影响与断层性质、落差、发育层位有关[21-22]。纳林河二号矿井发育2条正断层。其中3DF1含水断层控制程度较差，其落差不超过3m，延展长度85m，未完全错开3-1煤层及其上部岩层(图6a)。从D616测线(局部)视电阻率断面图上可以清楚地看出，3DF1断层处的地层视电阻率值比围岩的要小，推断属于局部含水，为层间导水断层(图7a)。3DF2断层属控制程度较可靠断层， 断面倾角55°～70°，落差0～8m，局部完全错断了3-1煤层、”真武洞砂岩”和“高桥砂岩”，而“七里镇砂岩”虽断仍连(图6b)。该断层含水性在D464线(局部)视电阻率断面图上有清楚的反映(图7b)。该断层属于局部含水和层间导水断层。推断出3DF2断层属局部含水，为层间导水断层。尽管它们已错开或未完全错开煤层及其顶底板，由于煤层顶底板以砂质泥岩局部夹薄层细粒砂岩为主，断层两盘要么是煤层与顶底板接触，要么是顶底板砂质泥岩直接接触，因此顶底板仍是矿井比较稳定的隔水层，断层不会引起矿井涌水量的较大变化。

3.3 褶皱对矿井砂岩富水性的影响

中煤科工集团西安研究院有限公司2014年对矿井进行的三维地震勘探资料分析发现，矿井首采区发育4个平缓褶皱。这些褶皱轴迹大致平行， 枢纽向南西缓倾伏， 两翼大体对称。其中B1背斜沿MDBS5、MDBS2、NL45钻孔连线方向控制，轴向呈NE向，平面延展长度4 530m，背斜波幅5～12m，一般8m，倾角1°左右。B2背斜由NL65、MD30、NL52、MD26钻孔连线控制，轴向NE，地层倾角1°～3°，波幅5～15m，一般10m。X1向斜发育在矿区中北部，轴向NE，平面延伸长度4 500m，地层倾角1°～3°，波幅5～20m，一般10m。X2向斜发育在矿区中南部，轴向NEE，平面延伸长度3 990m，地层倾角1°～2°，波幅5～10m，一般8m(图8)。由于矿区内各含水层之间有较稳定的隔水层(图9)，这类小型褶皱对地下水局部富集不产生明显的影响。

a -裂缝(钻孔HB3，延安组，取心深度482.4m) b -裂缝(钻孔HB3，直罗组，取心深度341.55m)图5 矿井岩石裂缝Figure 5 Coalmine rock fractures

a-3DF1断层 b-3DF2断层图6 矿井断层与富水性关系示意(据中煤科工集团西安研究院有限公司，2014)Figure 6 A schematic diagram of relationship between coalmine fault and water yield property (after Xi'an Research Institute, CCTEG, 2014)

a-3DF1断层在D616线(局部)视电阻率断面上的响应

b-3DF2断层在D464线(局部)视电阻率断面上的响应图7 矿井3DF1、3DF2断层在视电阻率断面上的响应(据中煤科工集团西安研究院有限公司-井下音频电透视勘探，2014)Figure 7 Response features of fault 3DF1 and 3DF2 in coalmine on apparent resistivity section (after Xi'an Research Institute,CCTEG downhole audiofrequency electric perspective prospecting, 2014)

图8 研究区褶皱在水平切面上的响应Figure 8 Response features of study area folds on horizontal section

a-B1背斜、X1向斜 b-B2背斜、X2向斜图9 研究区褶皱在时间剖面上的反映Figure 9 Reflex of study area folds on time section

4 矿井富水性评价

纳林河二号矿井富水性分区侧重考虑沉积环境和不同沉积相中砂岩的发育程度、孔渗特征、矿井构造形迹等因素。应用多元信息综合分析法，用砂地比、含水砂岩厚度、渗透系数、岩石取心率及钻井液消耗量等五个主要评价指标，经过综合分析，将矿井富水区划分为Ⅰ-富水性弱、Ⅱ-富水性中等、Ⅲ—富水性强等三个区域。

从矿井延安组三段及直罗组一、二段含水层富水性分区可以得知富水性强的区域位于研究区的中部部分区域及东部大部分区域(图10，本文以直罗组一段为列进行详细讨论)。一方面因为古河道核部、中心位置、分流河道及大河道处的砂体较厚；一方面这种沉积砂体孔隙连通性好，有效孔隙度高，透水能力强，具有较大范围的水力联系以及一定的储水空间，单位涌水量高，为0.009 35～0.154 7L/(s·m)。

富水性中等的区域多处于古河道中心部位与河道边缘交替部位，即大、小河道交替部位，因而砂体相对较薄，砂体连通性较差、透水能力较弱，具有较小范围的储水空间，单位涌水量较低，为0.062 3～0.120 5L/(s·m)。

富水性弱的区域处于古河道边缘及小河道部位，这里的砂体分选性较差，砂体孔隙连通性、有效孔隙度、砂体透水能力普遍低，单位涌水量低， 为0.000 437～0.018 18L/(s·m)。

a-沉积相展布图 b-富水性区划图图10 研究区直罗组一段沉积相与富水性区划Figure 10 Study area Zhiluo Formation first member sedimentary facies and water yield property zoning

另外，研究区高角度微裂缝、小型规模断层发育，虽然具有层间含水能力，但它们对富水性分区影响不大。

5 结论

1)塑性弯曲变形和脆性矿物的贴面接触等压实作用使砂岩变为致密性储集层，是造成砂岩储集性能变差的主要原因；钙质胶结，少量的泥质胶结和石英次生加大、长石次生加大等胶结作用的结果使得孔隙结构复杂化，降低了砂岩的孔隙度；后期的长石溶蚀、钙质溶蚀作用其对含水层物性的改善起到了至关重要的作用。

2)同一种岩石类型可以形成于不同的沉积环境，如延安组细粒砂岩主要见于三角洲平原分流河道亚相中下部和天然堤亚相中，而直罗组细粒砂岩主要形成于曲流河相河道砂坝亚相，或在辫状河相河道砂坝亚相中发育。同一岩石类型的孔隙结构和水理性质与其形成环境密切相关。如河流环境河道砂坝砂体的分选性和磨圆度比湖泊三角洲平原分流河道砂体的好，比决口扇砂体的更好，因此其有效孔隙度和渗透率高，透水性能更强。

3)同一古河道砂体中，河道边部砂体的有效孔隙度和渗透率低，向河道中心，砂体有充分的分选和磨圆，孔隙变得规则，有效孔隙度和渗透率逐渐变大，透水能力增强。平面上，河流上游砂体分选性和磨圆度差，基质含量比中下游的高，有效孔隙度和渗透性要比中下游的低。

4)高角度裂缝、小层断层的存在对于砂岩中水体的连通起到了一定的作用，但对富水性影响不大。

渠道设计流量1.08～0.32m3/s。设计基本地震加速度值0.10g，对应场地的抗震设防烈度为7°，渠道沿线为中软场地土，土层经验等效剪切波速Vs在140～250m/s之间，场地为Ⅲ类场地，该场地为一般场地［1］。

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