陕北侏罗系砂岩宏观−微观特征及其富水性响应机制

冯 洁 ，丁 湘 ，蒲治国 ，李兆扬 ，段东伟 ，段会军

（1.中煤能源研究院有限责任公司, 陕西 西安 710054；2.三秦学者“矿山地质学”创新团队, 陕西 西安 710065；3.中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西 西安 710077）

0 引 言

我国西部煤炭资源占全国煤炭资源总量的70%以上[1]，其中90%以上为侏罗系煤层，担负着我国基础能源自主供给的核心角色。随着国家“一带一路”战略的实施与煤炭开发加速西移[2]，陕北侏罗纪煤田煤炭开发强度逐年加大，煤层顶板砂岩水害问题日益凸显，实际矿井涌水量与预计值相差甚远，顶板砂岩水疏放目标靶区难以科学获取。陕北侏罗系砂岩含水层非均质性、富水性等方面尚需深入系统的研究，砂岩非均质性[3-4]及其与富水性的关系将是未来应给予重点关注的关键性问题。

近些年，针对砂岩含水层富水性不均一的问题，众多学者从沉积学角度研究砂体与富水性的关系，指导砂岩含水层富水性评价与矿井水害防治。武强[5-6]、侯恩科[7]、代革联[8]、曾一凡[9]、王洋等[10]、郭小铭等[11]构建了含有砂泥质量比、含水层厚度、构造等指标的含水层富水性评价模型，研究了不同地质条件下煤层顶板含水层的富水性。岩体微观孔隙结构的研究成果多集中于油气领域致密储层孔喉特征，主要研究方法有扫描电镜[12]、薄片鉴定[13-14]、压汞法[15-17]、核磁共振法[18-20]、铸体薄片[21]、微米/纳米CT 法[22]、低温氮吸附法[23]等，通过系统研究油气生产动态规律，为油气生产提供科学依据。笔者采取陕北侏罗纪煤田榆神府矿区侏罗系不同岩性砂岩样品，采用压汞法、铸体薄片图像分析、核磁共振法等方法划分了砂岩微观孔隙结构类型，系统研究了微观孔隙结构对含水层富水性的影响，提出了4 种沉积控水模式[24-25]，为含水层富水性的研究提供了一种新思路。陕北侏罗纪煤田煤层顶板上覆非均质砂岩孔隙裂隙含水层，沉积相变频繁，富水性极不均一，矿井涌水量大，砂岩沉积相、微观孔隙结构特征及其与富水性的关系是必须首先研究的关键问题，也是顶板水疏放与矿井防治水的基础。因此，以大海则煤矿侏罗系砂岩为例，在划分侏罗系砂岩沉积相的基础上，通过开展铸体薄片图像分析、压汞、核磁共振等试验测试，研究直罗组、延安组砂岩沉积相、微观孔隙结构及其与富水性的关系。

1 研究区概况

大海则井田属于陕北侏罗纪煤田，位于陕西省榆林市西北约30 km，是中煤集团重点建设的蒙陕亿吨级煤炭基地的主力矿井之一，面积265.66 km2，设计产能15.0 Mt/a。研究区处于毛乌素沙漠南缘，地表以沙漠滩地及半固定沙丘地貌为主，地形总体表现为东北高、西南低的特征，最大相对高差127.3 m。区内地层由老至新有三叠系上统瓦窑堡组（T3w），侏罗系下统富县组（J1f），侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a），白垩系下统洛河组（K1l）及新近系静乐组（N2j）和第四系（Q）（图1）。含煤地层为延安组，主要可采煤层为2 号煤和3 号煤。地层总体上向西微倾伏，局部发育宽缓的波状起伏，地层倾角约1°，构造简单。

图1 研究区水文地质综合柱状图Fig.1 Hydrogeological comprehensive histogram of the study area

该区属于干旱温带高原大陆性气候，日照丰富，干燥少雨，据榆林气象站多年资料，研究区最高气温36.7 ℃，最低气温−29.7 ℃，年降水量279～541 mm，年蒸发量1 720～2 085 mm。

研究区无地表河流，水文地质单元分区属鄂尔多斯高原区，高原碎屑岩类孔隙裂隙水亚区。含水层自上而下依次为第四系松散孔隙含水层（Q）、白垩系下统洛河组孔隙裂隙含水层（K1l）、侏罗系中统安定组（J2a）、直罗组（J2z）、延安组（J2y）孔隙裂隙含水层、下统富县组孔隙裂隙含水层（J1f）、三叠系上统瓦窑堡组孔隙裂隙含水层（T3w）组成（图1、表1），其中，延安组三段与直罗组下段富水性较强。隔水层主要为新近系静乐组局部隔水层和白垩系及以下岩层中泥岩、粉砂岩隔水层，前者主要为红色黏土，后者以粉砂岩、泥岩为主，孔隙率小，胶结致密，隔水性较好。

表1 研究区含水层划分及其参数Table 1 Aquifer division and its parameters in the study area

2 侏罗系地层沉积相特征

沉积相是沉积物的生成环境、生成条件和其特征的总和，反映古代原始沉积环境特征，不同沉积环境具有独特物理、化学和生物特征的沉积岩（物），沉积环境控制和影响着地球水圈水的分布和流态性能，地层岩石颜色、结构、构造及测井相等标志控制沉积砂体类型、形成不同沉积相，表现出不同的富水特征。

2.1 沉积相划分标志

1）岩石颜色。研究区侏罗系直罗组地层岩石以灰绿色、紫红色为主（图2a），延安组主要为灰白色、灰色（图2b），代表一种半氧化、半还原的环境。

图2 研究区侏罗系地层岩心Fig.2 Jurassic strata core in the study area

2）岩石类型及其组合。研究区直罗组下段地层主要由灰绿色、青灰色中−粗粒长石砂岩（即“七里镇砂岩”）、局部夹粉砂岩、砂质泥岩组成；上段由灰绿色细粒长石砂岩（即“高桥砂岩”）、灰绿或黄绿色粉砂岩、砂泥岩互层组成。以上岩石组合特征预示其形成环境经历了湖泊三角洲向河流沉积的转变。延安组主要由浅灰色、灰白色各粒级长石砂岩，灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩和煤层组成，反映其形成于河流和湖泊三角洲泥炭沼泽沉积环境。

3）岩石结构与构造。研究区直罗组下部以中−粗砂岩为主，次棱角状，钙泥质胶结，分选较差，反映了沉积环境水动力较强。延安组岩石呈现细砂状结构，主要成分为长石、石英类碎屑，少量岩屑、方解石等，岩石中碎屑成分磨圆度较低，分选中等，整体成熟度较低，孔隙主要为粒间溶孔、粒间孔、长石溶孔等，反映出沉积环境水动力较直罗组弱。

通过观察岩心，直罗组砂岩发育多种层面和层理构造，冲刷构造主要发育在直罗组底部砂岩及其与延安组的接触面上；在粉砂岩和泥岩中常发育沙纹层理，这种层理主要出现在河流的上部边滩及洪泛平原；常见的板状、槽状和波状交错层理反映了与河道相关的沉积环境。

4）测井相标志。通过分析研究区侏罗系地层测井曲线，认为直罗组下部测井曲线普遍表现为柱形箱状或锯齿状、中上部为漏斗型锯齿状、钟型锯齿状、卵形锯齿状，延安组三段测井曲线表现为漏斗型锯齿状、钟型锯齿状。不同形态的自然伽马和自然电位曲线反映出沉积物粒径的大小，间接地反映水动力的强弱。

2.2 沉积相划分及特征

利用研究区直罗组与延安组地层中期基准面旋回中的砂地比、岩石颜色、岩石结构、岩石构造及测井相等标志，结合地层厚度、砂层厚度、沉积基底特征及单井、连井的沉积微相展布，编绘研究区直罗组下段和延安组三段的沉积微相展布图（图3、图4）。

图3 大海则井田直罗组下段沉积相展布Fig.3 Sedimentary facies distribution of lower Zhiluo Formation in Dahaize Mine Field

图4 大海则井田延安组三段沉积相展布Fig.4 Sedimentary facies distribution of three sections of Yan’an formation in Dahaize Mine Field

由图3 可知，直罗组下段主体为曲流河沉积，亚相有河床亚相、河漫亚相和堤岸亚相，对应的微相分别为河道砂坝微相、河漫滩微相和天然堤微相。本段底部常发育一段辫状河相河道砂坝微相砂体。区内共发育北西—南东向展布的6 条河道，主要发育于 ZK40−17、ZK40−14、ZK40−12、ZK38−12、ZK36−8 钻孔沿线，ZK40−21、ZK35−16、ZK31−12钻孔、ZK27−9 钻孔沿线等，河道中心沉积物的砂地比为40%～60%。河漫滩微相不发育，沉积物的砂地比小于20%。

由图4 可知，延安组三段主体为三角洲平原沉积，其上发育曲流河沉积。延安组三段发育3 条北东—南西向河道，沉积微相以分流河道、分流间湾、沼泽为主。分流河道主要分布于ZK28−34 钻孔、ZK20−36 钻孔一线，ZK40−16 钻孔、ZK32−18 钻孔、ZK28−24 钻孔、ZK20−28 钻孔、ZK24−22 钻孔一线等，中部河道砂体发育，规模较大，砂地比在40%～50%；在3 条分流河道之间发育着分流间湾沉积，其砂地比小于30%。

综上，大海则煤矿直罗组下段主要为河流沉积体系，辫状河和曲流河沉积亚相，河流砂坝和河漫滩沉积微相；延安组三段主要为三角洲沉积体系，三角洲平原沉积亚相，分流河道和分流间湾沉积微相。与众多学者对该区直罗组、延安组沉积相研究成果相符，以往沉积相划分结果显示，大海则所处的鄂尔多斯盆地东北部直罗组主要发育河流沉积体系，延安组主要发育三角洲沉积体系。

3 侏罗系砂岩微观孔隙结构特征

岩石的孔隙结构是指岩石内部的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系（图5）。孔隙是孔隙系统中的膨大部分，决定了孔隙率大小，喉道是孔隙系统中的细小部分，决定了岩层水的储存能力和渗透特征。连通孔隙率是渗透率的一个主要贡献参数，复杂储层中普遍存在孔隙率相近而渗透率差异较大的现象，李雄炎等[26]研究了相近孔隙率条件下，不同类型岩石渗透率变化，构建了孔隙率指数模型，获得孔隙率指数的分布范围。

图5 岩石孔隙结构示意Fig.5 Schematic of the pore structure for rock

微观孔隙结构测试在大海则煤矿采集38 块不同岩性岩样，其中直罗组10 块、延安组28 块，运用铸体薄片图像分析、压汞、核磁共振等技术研究岩样孔隙结构特征。铸体薄片图像分析采用JS−4 型岩石孔隙铸体仪按照SY/T 6103−2004《岩石孔隙结构特征的测定图像分析法》中的要求对岩石孔隙结构特征进行测定及分析，分析系统为西图粒度图像分析系统，压汞选用YG−97A 型电容式压汞仪，核磁共振采用Oxford-MARAN DRX 2 型核磁共振仪按照SY/T 6490−2014《岩样核磁共振参数实验室测量规范》进行测试。

3.1 岩石学特征

1）碎屑组分及特征。研究区直罗组、延安组地层岩石铸体薄片鉴定结果（表2）显示，直罗组岩石类型主要有长石粗砂岩、岩屑石英细砂岩、长石细砂岩、含泥质粉砂质长石细砂岩，其中，粗粒砂岩占比为33.3%，细粒砂岩占比为40.0%；延安组岩石类型主要有长石细砂岩、长石石英细砂岩、岩屑石英细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂岩，其中，细粒砂岩占比为53.6%，粉粒砂岩占比为21.4%。直罗组、延安组地层石英、长石类碎屑岩平均含量分别为38.25%、37.15%，二者含量相差不大，直罗组较延安组稍高，而岩屑、其他碎屑、杂基、胶结物等组分含量延安组地层较直罗组地层高。

表2 不同时代地层陆源碎屑组分及含量Table 2 Statistics of terrigenous detrital composition and content in formation of different ages%

2）岩石结构特征。研究区直罗组地层岩石以粗砂、细砂为主，主要粒径0.01～0.76 mm，颗粒分选差—中等，次棱角−棱角状磨圆，胶结类型主要为孔隙式胶结，样品数占直罗组总样品数的77.8%，颗粒之间主要为点接触、少量点−线接触；延安组地层岩石以细砂、粉砂为主，主要粒径0～0.50 mm，颗粒分选较差−较好，次棱角−棱角磨圆，以孔隙式胶结为主，样品数占延安组总样品数的88.0%，少数基底式胶结，颗粒之间主要为点−线接触，个别点接触（表3）。

表3 不同时代地层岩石结构特征测试结果Table 3 Test results of rock structure characteristics in different ages

3.2 岩层物性特征

根据研究区38 块岩样物性资料分析可知，直罗组孔隙率1.13%～18.10%，平均9.69%，延安组孔隙率1.81%～19.64%，平均10.06%，直罗组渗透率0.004×10−15～41.600 ×10−15m2，平均7.54×10−15m2，延安组渗透率0.009×10−15～132.000×10−15m2，平均7.19×10−15m2，直罗组平均孔隙率小于延安组，平均渗透率稍大于延安组，反映出孔隙率与渗透率正相关关系不明显，表明影响孔隙率、渗透率因素众多，物性并非由单一地质因素决定，需要进一步开展孔隙结构特征研究，为砂岩富水性的评价提供依据。

3.3 岩层孔隙结构特征

联合铸体薄片图像分析、压汞、核磁共振等测试结果，将研究区直罗组、延安组地层38 块岩样孔隙结构类型划分为4 种类型，分别为大孔粗喉型（Ⅰ类）、中孔−中−细喉型（Ⅱ类）、小孔细喉型（Ⅲ类）、小−微孔−微细喉型（Ⅳ类），从Ⅰ类到Ⅳ类，孔隙结构依次变差（表4），图6 为直罗组与延安组典型毛管压力曲线特征及孔隙类型划分。

表4 研究区部分砂岩样品微观孔隙结构特征及类型划分结果Table 4 Results of microscopic pore structure characteristics and classification for some sandstone samples in the study area

图6 直罗组与延安组典型毛管压力曲线特征及孔隙类型划分Fig.6 Typical capillary pressure curves and pore types of Zhiluo and Yan’an Formation

1）大孔粗喉型（Ⅰ类）：属于该种类型的岩样有3 块，毛管压力曲线以缓坡状偏向图6 的左下方，中间平缓段较长，排驱压力小，排驱压力0.019～0.117 MPa，平均值为0.074 MPa，平均孔喉半径1.368～4.507 μm，中值孔喉半径0.143～4.018 μm，平均分选系数2.320。图7 为Ⅰ类孔隙结构类型岩样铸体薄片图像。岩石多为粗粒、中粒砂岩，孔隙组合类型主要为粒间孔+粒间溶孔+长石溶孔，极个别发育微裂隙。具有此类孔隙结构的岩层孔渗特性一般较好，其渗透率27.900×10−15～132.000×10−15m2，孔隙率6.15%～19.64%。

图7 Ⅰ类孔隙结构类型岩样铸体薄片图像Fig.7 Casting thin section of type I pore structure rock samples

2）中孔−中−细喉型（Ⅱ类）：属于该种类型的岩样有8 块，毛管压力曲线以近45°直线状相对偏向图6 的左下方，排驱压力较Ⅰ类孔隙结构稍大，排驱压力0.019～0.899 MPa，平均值0.208 MPa，平均孔喉半径0.082～4.616 μm，中值孔喉半径0.772～4.068 μm，平均分选系数1.563，图8 为Ⅱ类孔隙结构岩样铸体薄片图像。岩石为粗粒、中粒、细粒砂岩，孔隙组合类型主要为粒间孔+粒间溶孔+长石溶孔，极个别发育微孔隙，图9 为直罗组与延安组核磁共振典型T2谱分布特征及孔隙类型划分。T2谱峰的位置靠后，反映出孔径较大。具有此类孔隙结构的岩层渗透率1.130×10−15～16.800×10−15m2，孔隙率1.84%～17.21%，孔渗特性相对较好。

图9 直罗组与延安组核磁共振典型T2 谱分布特征及孔隙类型划分Fig.9 Typical T2 spectrum distribution of nuclear magnetic resonance and pore types of Zhiluo and Yan’an Formation

3）小孔细喉型（Ⅲ类）：属于该种类型的岩样有9 块，毛管压力曲线向图6 右上方凸，呈斜坡型，排驱压力较Ⅰ、Ⅱ类显著增大，普遍大于1 MPa，平均孔喉半径与中值孔喉半径则小于Ⅰ、Ⅱ类孔隙结构岩样，其中平均孔喉半径0.022～0.131 μm。图10 为Ⅲ类孔隙结构岩样铸体薄片图像。岩石主要为细粒砂岩，孔隙组合类型较Ⅰ、Ⅱ类增加了岩屑溶孔，微孔隙、微裂隙不发育；T2谱峰的位置较Ⅱ类孔隙结构靠前，孔径较其稍小。该类孔隙结构的岩层渗透率均小于0.500×10−15m2，平均孔隙率14.03%，岩石的孔渗特性较差。

图10 Ⅲ类孔隙结构岩样铸体薄片图像（YP-40，延安组，长石细砂岩）Fig.10 Casting thin section of type Ⅲ pore structure rock samples

4）小−微孔−微细喉型（Ⅳ类）：属于该种类型的岩样有18 块，毛管压力曲线分布于图6 的右上部，曲线形态呈陡坡状，排驱压力平均值高达9 MPa，平均孔喉半径与中值孔喉半径均小于0.050 μm，图11为Ⅳ类孔隙结构岩样铸体薄片图像。岩石主要为细粒、粉粒砂岩，孔隙组合类型较Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类增加了杂基溶孔；T2谱峰的位置最靠前，孔径小。该类孔隙结构的岩层渗透率平均值为0.029×10−15m2，平均孔隙率6.30%，表明岩石的孔渗特性差。

图11 Ⅳ类孔隙结构岩样铸体薄片图像（YP-46，延安组，粉砂岩）Fig.11 Casting thin section of type Ⅳ pore structure rock samples

4 侏罗系砂岩宏观−微观特征与富水性的响应机制

影响含水层富水性的因素众多，沉积相是含水层富水性大小的宏观表征，微观孔隙结构是含水层富水性大小的微观表征。综合《煤矿防治水细则》（2018 年）附录一含水层富水性的等级标准划分标准与研究区实际情况，按照钻孔单位涌水量q大小将含水层富水性划分为五级，极弱富水性（q≤0.01 L/（s·m））、弱富水性（0.01 L/（s·m）＜q≤0.1 L/（s·m））、中等富水性（0.1 L/（s·m）＜q≤1.0 L/（s·m））、强富水性（1.0 L/（s·m）＜q≤5.0 L/（s·m））、极强富水性（q＞5.0 L/（s·m））。

4.1 侏罗系砂岩沉积相与富水性的关系

影响研究区煤层顶板含水层富水性的因素众多，其中，沉积（微）相类型及其展布规律决定了煤层顶板含、隔水层的发育程度与空间配置样式，成为地下水富集和水循环条件的重要控制因素。

通过对比沉积相类型与钻孔单位涌水量大小，研究侏罗系砂岩宏观特征与含水层富水性的关系，见表5。

表5 研究区主要含水层沉积相与单位涌水量Table 5 Sedimentary facies and drilling units-inflow statistics of main aquifers in the study area

由表5、图2、图3 可知，沉积体系相同，河道砂坝沉积微相较河漫滩沉积微相富水性强，分流河道沉积微相较分流间湾沉积微相富水性强，河道砂坝岩性以粗砂岩、中砂岩为主，河漫滩岩性以中砂岩、细砂岩为主，且河道砂坝砂地比较河漫滩砂地比大，分流河道砂岩厚度、砂地比较分流间湾砂岩厚度、砂地比大。例如，ZL-6 与P25 钻孔中均为河流沉积体系，沉积微相前者为河道砂坝，后者为河漫滩，前者砂地比（ZL-6 钻孔砂地比为0.635）大于后者（P25 钻孔砂地比为0.401），富水性前者（钻孔单位涌水量为0.271 0 L/（s·m））大于后者（钻孔单位涌水量为0.073 3），前者岩性主要为粗砂岩、中砂岩、细砂岩，后者岩性主要为中砂岩；ZK30-11 与ZK33-17 钻孔中均为三角洲沉积体系，沉积微相前者为分流间湾，后者为分流河道，前者砂岩厚度、砂地比（ZK30-11 钻孔砂岩厚度为17.69 m、砂地比为0.337）小于后者（ZK33-17 钻孔砂岩厚度为95.47 m、砂地比为0.698），富水性前者（钻孔单位涌水量为0.009 5 L/（s·m））小于后者（钻孔单位涌水量为0.058 0 L/（s·m））。

沉积体系不同，河流沉积体系沉积微相普遍较三角洲沉积体系沉积微相富水性强。例如，ZL-6、P25 钻孔为河流沉积体系，钻孔单位涌水量为0.073 3～0.271 0 L/（s·m），富水性为弱—中等，ZK30-11、ZK33-17 钻孔为三角洲沉积体系，钻孔单位涌水量为0.009 5～0.058 0 L/（s·m），富水性为极弱—弱，河流沉积体系富水性较三角洲沉积体系富水性强。

4.2 侏罗系砂岩微观孔隙结构与富水性的关系

联合典型岩样铸体薄片、压汞、核磁共振等微观孔隙结构试验测试成果与钻孔单位涌水量，探究侏罗系砂岩微观特征与富水性的关系，见表6。

表6 研究区主要含水层孔隙结构分类与钻孔单位涌水量Table 6 Classification of pore structure and units-inflow of drilling for the main aquifer in study area

由表6 可知，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强。相同地层时代的JC2021116A064 样品与JC2021116A010 样品，前者微观孔隙结构分类级别（微观孔隙结构类型属Ⅱ类）低于后者（微观孔隙结构类型属Ⅳ类），前者为长石细砂岩，后者为含泥质粉砂长石细砂岩，前者富水性（钻孔单位涌水量q=0.041 7 L/（s·m））较后者富水性（钻孔单位涌水量q=0.011 7 L/（s·m））强，主要原因是前者砂岩孔隙率、渗透率（孔隙率为17.21%，渗透率为16.500×10−15m2）较后者（孔隙率为7.45%，渗透率为0.021×10−15m2）大，前者粒径（最大粒径0.35 mm，主要粒径0.07～0.25 mm）较后者（最大粒径0.29 mm，主要粒径0.04～0.20 mm）大，前者胶结（胶结类型为孔隙式胶结，填隙物含量为12%，颗粒之间为点−线接触）较后者（胶结类型为孔隙式胶结，填隙物含量为18%，颗粒之间为点接触）差。不同地层时代的JC2021116A064 样品与JC2021116A066 样品，前者微观孔隙结构分类级别（微观孔隙结构类型属Ⅱ类）低于后者（微观孔隙结构类型属Ⅲ类），前者富水性（钻孔单位涌水量q=0.041 7 L/（s·m））较后者富水性（钻孔单位涌水量q=0.001 2 L/（s·m））强，主要原因是前者砂岩孔隙率、渗透率（孔隙率为17.21%，渗透率为16.500×10−15m2）较后者（孔隙率为16.68%，渗透率为0.240×10−15m2）大，前者最大粒径与后者接近，依次为0.35、0.41 mm，前者主要粒径较后者大，依次为0.07～0.25 mm、0.05～0.21 mm，两者胶结程度接近，孔隙式胶结，填隙物含量为12%～15%，颗粒之间为点−线接触。

4.3 侏罗系砂岩宏观−微观特征与富水性响应机制

不同的沉积相（沉积微相）由不同岩性及其组合的岩层经沉积作用形成，不同岩性及其组合岩层具有不同的微观孔隙、喉道大小及其连通性，也即微观孔隙结构类型不同，侏罗系地层砂岩粒度大小、排列组合等影响砂岩孔隙中地下水的流通与富集，例如，由于胶结作用使得岩体孔隙结构复杂化，颗粒大的组分含量与地下水流通性、地下水储存量并非成正比，砂岩地层中颗粒大的组分越多，孔隙率可能降低，主要原因是死端孔隙的增加降低了地下水的流通性，从而影响含水层的富水性。

研究区直罗组地层河道砂坝相较河漫滩沉积微相富水性强，孔隙率、渗透率大，前者砂岩岩性主要为粗粒度的粗砂岩、中砂岩，后者岩性主要为中砂岩、细砂岩，前者岩石粒径较后者粒径大，微观孔隙结构分类级别较低。例如，直罗组河道砂坝沉积微相钻孔ZL-9（图2，表4 岩样JC2021116A064）较河漫滩沉积微相钻孔ZL-10（图2，表4 岩样JC2021116A010）的孔隙率、渗透率大，富水性强，前者孔隙率17.21%，渗透率16.500×10−15m2，后者孔隙率7.45%，渗透率0.021×10−15m2，原因在于前者为长石细砂岩，后者为含泥质粉砂长石细砂岩（表6），前者微观孔隙结构分类级别（Ⅱ类，表6 岩样JC2021116A064）低于后者（Ⅳ类，表6 岩样JC2021116A010），前者富水性（钻孔单位涌水量q=0.041 7 L/（s·m））较后者富水性（钻孔单位涌水量q=0.011 7 L/（s·m））强。

综上所述，岩石骨架、空隙（孔隙）、水构成了含水层地层，成份、结构相同的沉积物在一定沉积环境中经沉积作用形成岩石组合，在不同的沉积环境条件下形成不同的沉积相，其砂岩岩性、岩石组合不同，富水性不同，即沉积相是富水性的宏观表征；砂岩岩性及其组合与孔隙结构决定了孔喉及其连通性，通过岩石粒度大小、岩石骨架排列组合、孔喉分布及其连通性等综合反映含水层富水性，即岩石孔隙结构是富水性的微观表征。岩石宏观沉积相、微观孔隙结构相互作用、相互联系，形成有机统一体，共同表征富水性。

5 结 论

1）陕北侏罗系砂岩富水性差异大，通过沉积相划分、砂岩微观孔隙结构测试研究砂岩宏观沉积与微观孔隙结构特征，联合钻孔抽水试验单位涌水量，揭示了直罗组、延安组砂岩含水层沉积相、微观孔隙结构与富水性的响应机制，能够为砂岩含水层富水性预测与矿井水岩防治提供理论依据。

2）通过沉积相划分可知，大海则煤矿直罗组下段主要发育河流沉积体系，河流砂坝和河漫滩沉积微相，延安组三段主要发育三角洲沉积体系，分流河道和分流间湾沉积微相；对比钻孔单位涌水量认为，河流沉积体系普遍较三角洲沉积体系含水层富水性强，以粗砂岩、中砂岩为主的河道砂坝富水性相较以中砂岩、细砂岩为主的河漫滩富水性强，砂岩厚度、砂地比较大的分流河道较砂岩厚度、砂地比较小的分流间湾富水性大。

3）采用铸体薄片图像分析、压汞、核磁共振等试验测试技术对大海则煤矿38 块不同岩性的岩样进行微观孔隙结构特征研究，将砂岩微观孔隙结构类型划分为大孔粗喉型（Ⅰ类）、中孔−中−细喉型（Ⅱ类）、小孔细喉型（Ⅲ类）、小−微孔−微细喉型（Ⅳ类）等四种类型，从Ⅰ类到Ⅳ类，孔隙结构依次变差，含水层富水性依次增强，粒度依次变粗。

4）综合大海则煤矿侏罗系地层宏观沉积特征、砂岩微观孔隙结构与钻孔抽水试验单位涌水量成果认为，河道砂坝较河漫滩富水性强、微观孔隙结构分类级别低、孔隙率与渗透率大、砂岩粒径大；岩石宏观沉积特征、微观孔隙结构相互作用、相互联系，形成有机统一体，共同表征富水性。