保德煤矿奥灰含水层顶部地层岩性及孔隙性特征分析

2022-08-02吕情绪杨茂林惠磐科

能源与环保 2022年7期

吕情绪，杨茂林，许峰，惠磐科

(1.神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木 719300； 2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054)

华北地区底板奥灰水害防治问题是确保煤矿生产安全的关键之一，随着矿产资源开采深度的增加，岩溶发育且富水的奥陶系地层一度成为研究中的重点[1]。目前，在煤矿防治水工作中，通常将奥陶系灰岩地层当作含水层，对其顶部地层的隔水性研究较少，致使某些井田或某些采区预测的突水危险性偏大，大量的下组煤基本上都不敢开采[2-4]。随着诸多华北石炭、二叠系煤田进入下组煤开采，研究奥陶系顶部峰峰组地层岩溶发育规律及能否为下组煤开采提供隔水屏障十分重要。

针对奥陶系顶部地层隔水性问题，早在20世纪40年代，匈牙利学者韦格弗洛伦斯[5]首次提出隔水层厚度同水压比的底板相对隔水层概念，并利用相对隔水层厚度进行突水判断。随后前南斯拉夫、苏联学者在此基础上系统研究了引起突水的条件及影响因素。国外学者在进行奥陶系地层研究时，由于煤田很少带压开采，大多将其视为含水层[6-9]。我国煤矿在多年前受奥灰水威胁并不十分严重，故对奥陶系地层的认知基于国外的研究，即将其视为含水层。在进行煤矿防治水研究时，大部分学者关注点在已知隔水层上，忽略了奥陶系顶部峰峰组作为隔水层的可能性及价值。而已有研究多次证明，奥陶系顶部峰峰组地层具有阻、隔水能力[10]。缪协兴等[11-12]对隔水关键层的结构、原理进行了分析，提出了判断隔水关键层的方法；白海波等[13]指出奥陶系顶部存在2种类型隔水层，并通过试验和数值模拟论证了其隔水能力；牟林等[14]采用现场勘探结合压水试验等手段，对晋城寺河矿峰峰组阻水能力进行了研究，得出了峰峰组水文地质特征与上马家沟组存在巨大差异，具有隔水层的相关特性。

为了准确评价奥灰含水层顶部地层隔水性能，就需要掌握其顶部岩性、微观结构、孔隙特征和岩溶发育规律[15]。本文根据水文地质勘探结果，结合室内试验，对山西河东煤田保德煤矿的奥灰含水层顶部峰峰组地层岩性及微观孔隙特征进行研究，为奥灰含水层顶部地层隔水性能研究提供数据支撑，同时为今后的带压开采、井下防治水工作提供数据支持和理论依据。

1 研究区水文地质概况

保德煤矿位于山西忻州市保德县，2002年投产，正在开采8号煤层，11号煤层为计划开采的下组煤层，其平均煤厚7.16 m(图1)。煤层开采(尤其是下组煤)主要受到底板奥灰含水层的影响，井田范围内奥灰承压含水层水位标高为+837～+863 m，而11号煤底板标高为+410～+876 m，11号煤层几乎全部处于奥灰水头之下，且奥灰含水层顶界面距11号煤底板的平均间距较近，为67 m。因此，下组11号煤的开采受到奥灰水害的威胁较大。

图1 保德煤矿主采煤层顶底板岩层空间位置关系Fig.1 Spatial position relationship diagram of the lower coal roof and floor strata

根据以往勘探资料显示，奥陶系地层在井田范围内无出露，揭露最大厚度为210.27 m，平均厚181.9 m。奥陶系地层自下而上分为2个组：①下部为中统马家沟组(O2m)。岩性为浅灰—灰黄色灰岩，隐晶质结构，中厚层状构造，局部溶蚀现象发育，溶洞直径为5～7 mm，呈蜂窝状分布。施工钻孔均未揭露该地层全部，揭露最大厚度64.18 m，上马家沟组含水层单位涌水量为0.011～0.278 L/(s·m)，富水性弱—中等。②上部为中统峰峰组(O2f)。岩性以白云质灰岩、碎屑灰岩为主，隐晶质结构，厚层状构造，垂向节理发育，局部有星点及团块状黄铁矿，厚度为94.09～125.75 m，平均厚104.28 m，该层单位涌水量为0.011 0～0.021 1 L/(s·m)，富水性较弱。

以往多期次的勘探成果表明，峰峰组地层冲洗液消耗量普遍较小，溶蚀及裂隙不发育，富水性较差，对下部马家沟组奥灰水有一定阻水作用。如将峰峰组灰岩作为隔水层利用，11号煤的突水系数将大幅降低，以往研究认为带压超限区域的煤炭资源将能够安全开采。为此，针对奥灰含水层顶部峰峰组地层，进一步分析其岩性及微观孔隙特征，为后续隔水性能研究提供数据支撑。

2 研究方法

研究针对神东保德煤矿奥陶系顶部峰峰组地层开展了水文地质补充勘探，通过地面探查钻孔采集岩石样品，分别进行了岩性薄片鉴定试验以及微观孔隙压汞试验。其中，采用薄片鉴定试验旨在获取奥灰顶部峰峰组地层的岩性特征；压汞试验主要是为了获取研究目标地层的微观孔隙特征。通过以上2个关键因素特征分析，结合其他试验手段，为后续综合分析奥灰顶部峰峰组地层的隔水性提供数据支撑。

(1)薄片鉴定试验。薄片鉴定是通过偏光显微镜(研究采用奥林巴斯显微镜BX53)鉴定透明矿物和岩石的一种方法[16-17]。首先选取采集的典型岩心样本磨制成薄片，在偏光显微镜下观察矿物的结晶特点，测定其光学性质，确定岩石的矿物成分，研究其结构、构造，分析矿物的生成顺序，确定岩石类型及其成因特征，最后明确岩石的种类和名称。

(2)压汞试验。压汞试验是依靠外加压力使汞克服表面张力进入岩石孔隙来测定岩石孔隙孔径和孔隙分布的一种方法。根据进汞的孔隙体积分数和对应压力，就能得到毛管压力与岩样含汞饱和度的关系曲线。毛管压力与孔径的关系见式(1)：

(1)

式中，Pc为毛管压力；rc为毛管半径。

研究将采集的岩心制作成1～10 cm3的测试样品，抛光后洗去粘连的颗粒并使其干燥至恒重，采用9510-Ⅳ型压汞仪对检测样品进行压汞测量，将测量数据代入式(1)计算孔径。

3 岩性特征试验分析

3.1 试验钻孔施工

选取井田范围内合适位置，在地面施工Z1号钻孔(图2)，钻孔深度693 m。钻孔施工自上而下揭露地层分别为第四系、新近系、二叠系、石炭系以及奥陶系地层，进入奥灰地层114 m。其中，钻孔埋深579～688 m为奥灰顶部峰峰组地层，在揭露峰峰组地层施工过程中，钻液漏失量均较小。

借助地面钻孔Z1采集峰峰组不同层位岩样共6组(图3)，编号为B1—B6进行矿物成分鉴定以及裂隙、孔隙的分析试验。取样深度见表1、图4。

图2 试验钻孔位置Fig.2 Test borehole location

图3 奥灰峰峰组地层岩心采集照片Fig.3 Core collection photos of the Fengfeng Formation of Ordovician limestone

表1 岩性薄片鉴定样品统计Tab.1 Statistics of lithological thin section identification samples

图4 岩心取样位置Fig.4 Core sampling location

2.2 薄片鉴定试验

使用奥林巴斯显微镜BX53对以上6组岩样进行了岩性薄片鉴定，各深度样品岩性鉴定显微照片如图5所示。

图5 岩性鉴定显微照片Fig.5 Lithology identification photomicrograph

(1)峰峰组顶部B1。岩样结构组分主要为晶粒结构，晶粒主要为泥晶方解石，局部发生重结晶，晶粒较粗，粒径为50～500 μm，为粉晶、细晶、中晶；矿物主要成分为方解石，含少量燧石及黄铁矿，燧石主要填充在中晶方解石间，黄铁矿呈分散状分布。发育数条裂缝，大部分裂缝内方解石充填，少数裂缝未充填，孔隙基本不发育。

(2)峰峰组上部B2。岩样结构组分主要为晶粒结构，晶粒主要为粉晶方解石，局部发生重结晶，晶粒为细粒；矿物主要成分为方解石，含少量铁泥质及黄铁矿、裂缝不发育。孔隙性较差，仅局部发育少量晶间溶孔。

(3)峰峰组中部B3。岩样结构组分为晶粒结构，晶粒主要为泥晶方解石，仅局部发育少量粉晶方解石；矿物成分主要为方解石，含少量铁泥质。发育2条裂缝，1条裂缝内充填亮晶方解石和铁泥质，裂缝宽150～200 μm；1条裂缝内铁泥质充填，裂缝宽3～5 μm。

(4)峰峰组中部B4。岩样结构组分主要为晶粒结构，晶粒主要为泥晶方解石，泥晶方解石呈透镜层状分布，其次为泥质结构，黏土质透镜体呈层状分布。矿物成分主要为方解石，其次为黏土矿物，含部分硅质，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。发育数条水平缝，裂缝间近平行，裂缝内未充填，裂缝宽10～15 μm。孔隙基本不发育。

(5)峰峰组下部B5。岩样结构组分为晶粒结构，晶粒主要为粉晶白云石，大部分白云石自形程度不好，为他形，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；矿物成分主要为白云石，含少部分方解石，含少量铁泥质。发育数条裂缝，裂缝内未充填或方解石充填或铁泥质充填，裂缝宽5～20 μm。孔隙性好，发育大量晶间溶孔。

(6)峰峰组底部B6。岩样结构组分主要为晶粒结构，晶粒主要为细粉晶方解石，局部发生重结晶，晶粒较粗，达粗粉晶；矿物成分主要为方解石，含少部分铁泥质，含少量石英。发育数条裂缝，裂缝内铁泥质充填，裂缝宽20～500 μm。孔隙基本不发育。

由试验结果对比分析可知，各岩样的矿化成分(B5除外)以方解石为主，B5以白云石为主。黏土矿物在B1、B2、B6中约含11%；B4最多，约占整体矿物成分的26%；B3较少，约占6%；而B5在6组岩样中为最少，约占2%。各岩样的黏土组分主要为伊利石。其中，B5含量最高，约为81%；B3含量最少，约为46%；其余几组含量在60%～70%。岩石中的黏土矿物含量是影响岩石吸水、渗透性的主要因素[16]。由此可知，单从矿物组分上分析，B4岩样的吸水、渗透性最好，而B5岩样最差。结合岩样分析结果和所处地层深度可知，矿区峰峰组岩石吸水、渗透性随深度增加呈先增强再变弱的趋势，这与岩层的各向异性息息相关；而峰峰组上部和下部岩石吸水、渗透性较弱，矿物含量以方解石和黏土矿物为主，不易形成较大裂隙。

3 微观孔隙性特征试验分析

采用9510-Ⅳ型压汞仪，对以上6组岩样进行压汞试验。压汞试验是确定岩石孔隙结构较为准确的一种方式，通过压汞试验可以分析岩石的孔隙结构，岩石中孔隙和孔隙通道的几何形状、大小及相互连通和配置关系[17]。水在岩石中的储存和流动取决于孔隙结构和孔隙数量。其中，孔隙的连通性和可渗流孔隙是水在岩石中渗流的关键。根据水在岩石孔隙中的可渗流性，将连通的孔隙划分为3种：孔径大于0.5 mm，重力作用下流体可流动的超毛细管孔隙；孔径0.5～0.000 2 mm，外力大于毛细压力时流体可流动的毛细管孔隙；孔径小于0.000 2 mm，流体不可流动的微毛细管孔隙。在压汞试验中，随着液汞的压力增大，即毛细管压力增大，能浸入的孔隙就越多且能浸入更小的孔隙，所以可以用每一个压力代表一个相应的孔隙大小，在这个压力下进入孔隙的汞的体积代表相应的孔隙体积。在压汞试验过程中，将试验得出的参数数据进行统计对比(表2)，并将试验结果用孔隙压力、孔隙直径和岩样汞饱和度表示出来(图6)。

表2 各岩样压汞试验数据Tab.2 Mercury intrusion test data of each rock sample

图6 岩样毛细压力曲线与孔隙分布Fig.6 Capillary curve and pore distribution of the rock samples

通过不同深度岩样的压汞试验数据可以发现，深度在581～685 m，顶部和中部的孔隙结构性优于底部，孔隙率表现出底部低，顶部和中间较高的特点；同时，也存在特殊点，B5岩样靠近底部但孔隙率较高，B3岩样位置在中部但孔隙率较低，说明无论是岩石还是岩层都具有特殊性，该区域岩石孔隙率并不是一定底部小顶部大，但岩样平均孔隙率较小，仅为6.5%。通过岩样孔隙结构系数可知，顶部岩样孔隙结构系数最大(约为8)，底部较小(约为3)，而中部出现特殊点B2和B4，岩样孔隙结构系数约为0.1，说明6组岩样孔隙结构性都不好。综合孔隙率与孔隙结构系数可推断，该深度范围岩层储水性差，且不利于水的渗流。

通过岩样压汞试验毛细压力曲线可以直接看出，压汞曲线与退汞曲线均相距较远，其变化规律可以反映出在压汞过程中汞浸入孔隙的压力和汞的进量等情况，由此分析岩样孔隙的数量、连通性。压汞试验开始后压力逐渐增加，在压力从0升至0.533 MPa时，孔隙直径为2.76 μm的孔隙率先有汞浸入，此时浸入汞的孔隙为较大的连通性孔隙，汞饱和度为0.291%。随着压力不断增加，浸入汞的孔隙增多，压力越高能浸入的孔隙直径就越小，最后在压力为99.831 MPa时，浸入了直径为0.014 μm的微小孔隙，此时汞饱和度约为26%；退汞后饱和度降为21%，两者相差5%，说明连通孔隙约占整体的5%。通过压汞试验数据计算得，该岩样渗透系数约为1.20×10-5μm2。

由此可知，B6岩样连通孔隙直径约为2.76 μm，约占孔隙总体积的5%。同样计算可知，B5岩样连通孔隙直径约为2.74 μm，约占孔隙总体积的6%；B4岩样连通孔隙直径约为2.75 μm，约占孔隙总体积的6.5%；B3岩样连通孔隙直径约为2.74 μm，约占孔隙总体积的5.8%；B2岩样连通孔隙直径约为2.74 μm，约占孔隙总体积的5.5%；B1岩样连通孔隙直径约为2.74 μm，约占孔隙总体积的7.1%。6组岩样连通孔隙直径均在2.75 μm左右，孔隙率和孔隙连通性均呈上大下小、上好下差的情况。

根据压汞试验过程数据计算孔隙分布情况，从孔隙直径和孔隙体积频率曲线上可以看出，B1、B2和B4岩样主要以直径<1 μm的微小孔隙为主，其中直径为0.5 μm的孔隙居多；B3、B5和B6岩样大部分孔隙直径<0.5 μm，并在0.25 μm处存在峰值。由于孔径在0.2 μm左右时，孔隙已不可供液体自然流动，由此表明峰峰组地层底部岩石中的主要孔隙很难供液体流动，而上部地层岩石中的孔隙孔径也只是略大于底部，整体表现为不易于液体流动。结合压汞试验计算得，B1、B2、B3、B4、B5、B6岩样渗透率分别为1.3×10-5、1.1×10-3、0.5×10-5、1.5×10-3、1.5×10-5、1.20×10-5μm2，与孔径分布表现一致。综上所述，峰峰组地层岩石从孔隙率、孔隙结构与孔径大小试验分析呈低渗透性。