保德煤矿峰峰组隔水性能多尺度定量化评价

许 峰，靳德武，杨俊哲，黄 欢，王世东，姬亚东，石 磊

(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; 3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077; 4.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

华北型煤田底板奥陶纪灰岩水害是矿井开采面临的主要水害问题，尤其对于下组煤。随着煤炭资源深部开发战略的实施，奥灰水压逐渐增高，水害威胁程度日益严重。为了保障矿井安全生产，众多学者在煤层带压开采水害防治方面开展了大量研究工作。研究表明，整个中奥陶纪地层并非全段都是含水层，奥灰水压是在进入中奥陶系顶部峰峰组地层一定深度后才开始显现[1-4]。对于华北型煤田绝大多数矿井而言，峰峰组成为能否实现安全开采及解放多少煤炭资源的关键层。因此，研究峰峰组地层的隔水性能及可利用厚度成为一项重要且有意义的工作，也是近年来学术界研究的热点问题。同时，可为矿井实现安全带压开采或区域注浆改造治理煤层底板水害提供基础和方向。

目前，对于峰峰组隔水性能研究主要集中在3个方面:其一是峰峰组隔水成因研究，研究表明中奥陶系顶部隔水段的存在与古风化壳密切相关，受加里东运动影响，华北地区奥陶纪经过长达1亿a地质历史时期的剥蚀、沉积、充填和压实作用，从而形成了顶部相对隔水段[5-9];其二是从宏观方面采用现场勘探试验手段，基于钻孔钻进过程中的水位冲洗液消耗量、压水量变化等评价峰峰组隔水性能，如牟林等采用压水试验、流量测井等手段确定寺河矿峰峰组可利用厚度为35～70 m[10];李波[11]通过水文地质观测、抽水试验等研究表明斜沟煤矿峰峰组含水层富水性弱且可注性较好;周杨[12]采用水文地质钻探配合压水试验、钻孔窥视等方法研究确定王坡矿峰峰组顶部以下50 m可作为隔水层利用;其三是采用微观分析方法，分析岩性、溶蚀特征、孔隙特征与微观结构等，如王长申等采用岩石薄片鉴定、X射线荧光光谱分析等手段分析了峰峰组岩性、孔隙结构特征及其垂向分布规律，确定漳村矿峰峰组可利用厚度达到142 m[13];白海波等[14]采用孔隙性微观研究、渗透性试验等手段确定了白云乌素煤矿奥陶系顶部存在150 m左右的碳酸盐岩隔水层;崔祥琨等[15]采用压汞试验等方法研究表明，古交矿区峰峰组上段和下段灰岩以极细小和超毛管微孔隙为主，其顶部以下30 m和下段约70 m层段可作为隔水关键层利用。

随着峰峰组隔水性能研究的深入，研究方法也越来越全面，峰峰组顶部存在隔水层的观点也逐步被大家认可，基于此，笔者以河东煤田保德煤矿峰峰组地层为研究对象，采用基于微-CT扫描技术的室内微观结构分析与现场压水试验相结合的手段，多尺度定量化评价其隔水性能。

目前，在地质岩石力学领域，微-CT技术主要应用于油气储层密闭性评价与煤岩损伤评价等研究中，如GOLAB等采用微-CT技术三维重构煤岩孔隙微观结构，揭示了研究区煤岩的微观孔隙结构特征[16];WANG等[17]采用微-CT技术三维重构了页岩孔隙微观结构，揭示了研究区页岩的微观孔隙结构特征;ALEXANDRA等[18]采用微-CT扫描技术对煤岩孔隙结构进行了三维重构，揭示了其微观孔隙结构特征，在此基础上研究了煤层气储层中孔隙对于气液两相流流动的影响特性;刘向君等[19]利用微-CT技术构建了川西须家河组致密砂砾岩储层的三维孔隙结构特征，并研究了微观孔隙结构特征对岩心中气水两相流的影响规律;以上研究表明，国内外学者采用微-CT技术研究对象主要为致密砂砾岩、煤岩[20]等，而很少将其应用于灰岩隔水性能研究中。为此，笔者研究引入微-CT扫描技术，丰富了奥灰顶部峰峰组隔水性能评价方法。

1 研究区概况

保德井田位于山西省忻州市保德县，所处的大地构造位置为鄂尔多斯盆地东部的河东断凹的北部，所处水文地质单元为天桥泉域。井田地层自上而下依次为第四系、新近系、二叠系、石炭系和奥陶系地层。其中山西组和太原组为主要含煤地层，包括2个主要可采煤层8号、11号，井田综合柱状简图如图1所示。

图1 保德井田综合柱状简图Fig.1 Comprehensive histogram of Baode minefield

其中8号煤层资源将在不久的将来开采完毕，转而开采11号煤层，而11号煤层与奥灰顶部平均间距为72 m，突水系数最大值达到0.089 MPa/m，部分地段受奥灰水害威胁较为严重。考虑到奥灰顶部存在平均厚度104 m的峰峰组地层，有必要在11煤开采前，对峰峰组隔水性能进行研究，确定其是否可作为隔水层加以利用，为11号煤层带压开采提供技术依据。

井田五盘区开展了大量的奥灰水文地质勘探工作，结果显示峰峰组地层厚度稳定，钻进过程中钻液消耗量普遍较小，且未发现较大构造与强径流带，加之井田地层总体呈单斜构造，西部奥灰水带压程度较高，为此，本次研究选择在井田五盘区深部区域地面施工了1个水文补勘钻孔(Y5)，钻孔位置如图2所示，钻孔终孔层位进入马家沟组15 m，穿越整个峰峰组地层。利用钻孔开展岩样薄片鉴定、微-CT分析以及现场压水试验，从岩性特征、微观孔隙结构特征、岩层渗透性等多方面多尺度综合评判井田内峰峰组地层隔水性。

图2 压水试验钻孔位置Fig.2 Location of drilling holes for water pressure test

2 峰峰组地层岩性特征

通过Y5号钻孔揭露显示，峰峰组厚度为109.2 m，根据岩芯现场观测，采集峰峰组不同层位、且岩芯相对变化较大具有代表性的岩样共6组(编号为B1～B6)，每组样品均采用普通薄片鉴定与铸体薄片鉴定分别开展了2组测试。

鉴定结果显示峰峰组上段(图3:B1～B3)岩性以泥晶、粉晶灰岩为主，主要矿物成分为方解石(>90%)，另含少量燧石、黄铁矿以及铁泥质。燧石主要填充在中晶方解石之间，黄铁矿呈分散状分布;结构组分呈晶粒结构特征，晶粒主要为泥晶方解石，局部重结晶，为50～500 μm的晶粒，达粉晶、细晶、中晶。

峰峰组中段(图3:B4)岩性以泥晶、泥晶泥质灰岩为主，主要成分为方解石(50%)，其次为黏土矿物(40%)，含部分硅质(8%)，含少量黄铁矿，硅质主要为燧石，含少部分石英，黄铁矿呈分散状分布;结构组分总体呈晶粒结构特征，主要为泥晶方解石，泥晶方解石呈透镜层状分布，部分泥质结构，黏土质透镜体呈层状分布。

峰峰组下段(图3:B5～B6)岩性以粉质、含硅白云岩为主，主要矿物成分为白云石(>90%)，含少部分方解石，含少量铁泥质和石英;呈晶粒结构，主要为粉晶白云石，大部分白云石自形程度不好，为它形，少部分白云石自形程度较好，半自形-自形，局部发育少量粉晶方解石。

图3 峰峰组不同层位岩性鉴定结果Fig.3 Lithologic identification results of different layers in Fengfeng formation

峰峰组岩性鉴定分析结果与以往保德煤矿勘探资料基本吻合，具有一定的代表性，同时也反映了峰峰组地层岩性在垂向上的差异性，呈现出顶部以下大部分层段以泥晶和粉晶灰岩为主，而底部以白云岩为主的特征。由于峰峰组中上段矿物含量以方解石和黏土矿物为主，不易形成较大裂隙，且矿物晶间以铁泥质充填为主，具有良好的隔水性。五盘区以往勘探资料表明，峰峰下段含硅质白云岩也不易溶蚀形成裂隙，因此，从岩性上来看，井田五盘区峰峰组地层总体表现为隔水性。

3 峰峰组地层孔隙结构特征

通过Y5号钻孔，在峰峰组上段和下段各采取岩样2组(C1与C2)。采用Zeiss Xradia Versa Micro-CT 520设备对岩样切片进行微-CT扫描，结合Avizo9.2软件对岩样孔隙进行三维重构，在此基础上，对重构的三维图像进行数据提取和分析，从而得到峰峰组地层孔隙结构特征。

3.1 孔喉网络三维分布特征

孔喉(孔隙与喉道)网络三维图(图4(a)，(d))分析表明，峰峰组灰岩岩芯孔隙发育程度低，孔隙网络中发育有大孔隙和小孔隙，大孔隙多集中分布，相互叠置，数量较多的小孔隙相互孤立分布，空间中孔隙分布不均匀，大孔隙集中出现，小孔隙零散分布，计算C1和C2孔隙度分别为3.18%和2.42%，属于超低孔隙度地层。

3.2 孔喉网络连通性特征

在将孔隙从基质与颗粒中单独分割提取的基础上，对孔隙的空间连通性分布特征进行分析，通过孔喉连通性三维图(图4(b)，(e)，相邻区域中颜色相近的孔隙为连通孔隙)显示，峰峰组灰岩岩芯孔隙连通性较差，集中分布的大孔隙相互叠置连通，大部分区域的微小孔隙多相互孤立不连通，孔隙空间分布的连通性较差。

3.3 孔喉参数分析

基于分水岭分割算法[21]对孔喉网络的骨架进行提取，得到其等效孔喉网络模型(图4(c)，(f)，蓝色球体代表孔隙，黄色棍状体代表喉道)。通过计算得出，岩芯孔隙半径分布在0.5～50.0 μm，集中分布于0.5～8.0 μm(图5)，C1和C2样品孔隙半径在0.5～8.0 μm的孔隙累积占比可达96.35%和96.74%;岩芯的喉道半径在0.5～4.0 μm，集中分布在0.6～1.5 μm(图6)，C1和C2样品喉道占比分别达到78.9%和87.6%，表明喉道半径分布集中，呈现单峰分布特征，且喉道类型单一。

图5 C1与C2样品孔隙半径分布直方图Fig.5 Histogram of pore radius distribution of C1 and C2 samples

图6 C1与C2样品喉道半径分布直方图Fig.6 Throat radius histogram of C1 and C2 samples

分析计算结果显示，岩芯中孔径大于12 μm的孔隙和半径大于2.5 μm的喉道占比较低，表明岩芯中孔隙及喉道类型单一，根据谢尔盖耶夫关于孔隙的4级分类法[22]可知，研究区峰峰组地层孔隙以细小孔隙为主，孔隙性较低。分析认为峰峰组地层中上部灰岩和底部白云岩多数呈泥晶、粉晶或晶粒结构，该岩性结构较为致密，晶间孔隙和溶孔多数被泥晶方解石和泥晶基质充填，岩石受到明显的压实、胶结和重结晶作用，致使峰峰组地层孔隙性较低。

4 峰峰组地层渗透性特征

4.1 试验方法及过程

在Y5钻孔成孔后，以《水利水电工程钻孔压水试验规程》[23]为操作规范，采用专用测试装置进行双栓塞分段压水试验。试验流程为:① 压水段顶界面与峰峰组地层顶界面保持齐平，做好压水准备后，开始第1组压水;② 根据规范第1组试验完毕后，上封隔器移动至下封隔器位置，开始第2组压水;③ 自上而下依次进行，直至覆盖整个峰峰组地层(图7)。

图7 压水试验流程(步骤① →② →③ →…)Fig.7 Flow chart of water pressure test (step①→②→③ →…)

4.2 试验成果分析

详细记录Y5钻孔峰峰组全段压水试验数据，绘制钻孔单位压水量随深度变化趋势图(图8)。结果表明:Y5钻孔峰峰组全段压水量为0.43～1.16 L/(m·min);峰峰组顶部压水量值最小，进入峰峰组地层96.4 m深度压水量最大，随深度呈现出逐步升高的趋势，变化趋势稍有波动，但总体较为平稳;峰峰组地层全段单位压水量平均值为0.95 L/min，数值较低。

采用霍斯列夫公式计算峰峰组全段的平均渗透系数:

(1)

式中，K为岩体渗透系数，mm/d;Q为压入(水)流量，m3/d;H为试验段水头值，m;L为试验段长度，m;r为钻孔半径，m。

计算得到Y5钻孔峰峰组渗透系数值为0.000 66～0.001 55 m/d(表1)，显示峰峰组整个测试段渗透系数很小，数量级在10-3～10-4，透水率在0～2 L/(m·MPa·min)，对照岩石渗透性分级标准[24]，可见测试段岩层的总体透水性弱。

表1 渗透系数计算统计Table 1 Calculation statistics of permeability coefficient

5 讨 论

通过以往研究与开采实践表明，华北型煤田峰峰组存在相对隔水段已逐步被证实，如晋城寺河矿峰峰组可作为隔水层利用厚度为其上部30～70 m[10];晋城王坡矿峰峰组可利用厚度为其上部50 m[12];邢台漳村矿峰峰组可利用厚度为上部142 m层段[13]，等等。以上研究表明，峰峰组地层本身隔水性在垂向上存在差异性，并非全段都具有良好的隔水性能。而根据保德煤矿以往大量的勘探资料显示，矿井五盘区整体构造条件简单，岩性结构在平面展布上差异较小，结合本次研究表明，保德煤矿五盘区峰峰组全段隔水性均较好。说明对于整个华北型煤田区域尺度而言，奥灰顶板峰峰组地层沉积规律与特征有所差异。

根据研究成果计算，保德煤矿五盘区奥灰水突水系数值整体下降了50%左右，最大突水系数值小于0.06 MPa/m。

6 结 论

(1)保德井田五盘区峰峰组地层岩性在垂向上存在差异性，中上段岩性主要为泥晶、粉晶灰岩，总体呈晶粒结构，主要为泥晶方解石，部分为泥质结构，黏土质透镜体呈层状分布;底部岩性主要为粉质白云岩，呈晶粒结构，主要为粉晶白云石，局部发育少量粉晶方解石;晶间孔隙和溶孔多数被泥晶方解石和泥晶基质充填，岩石受到明显的压实、胶结和重结晶作用。

(2)保德井田五盘区峰峰组地层岩芯孔隙度为2.42%～3.18%，孔隙发育程度低，属于超低孔隙度地层;96.35%～96.74%的孔隙直径在2～8 μm，78.9%～87.6%的喉道直径在0.6～1.5 μm，属细小孔隙。总体来看，峰峰组地层表现为低孔隙性特征。

(3)保德井田五盘区峰峰组地层全段压水量为0.43～1.16 L/(m·min)，平均压水量0.95 L/(m·min);渗透系数的数量级为10-3～10-4，透水率为0～2 L/(m·MPa·min)，总体透水性弱。

(4)根据峰峰组地层岩性、孔隙结构、渗透性特征对比分析，结合五盘区以往峰峰组地层勘探资料显示，峰峰组全段可作为相对隔水层加以利用。

(5)以往针对奥灰顶部峰峰组地层微观孔隙结构特征的研究手段以压汞试验[1,13]为主，本次研究将微-CT扫描技术引入，结合现场勘探水文试验的方法，丰富了奥灰顶部隔水性能研究方法。