侏羅系弱膠結砂巖孔隙介質特征及其保水采煤意義

劉 欽，孫亞軍，徐智敏，王 鑫，張成行，姚明豪

(中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

西部地區特殊的成巖環境和沉積過程造成西部地區廣泛分布著中生代侏羅系、白堊系極弱膠結地層。弱膠結地層中以弱膠結砂巖為主，其膠結性質、水理性質及力學性質與常規砂巖或軟巖有著顯著的差異[1-4]。該地層成巖時間較晚、膠結程度差、強度低、易風化、遇水泥化崩解，是一種特殊軟巖[5-6]。目前我國西部煤炭資源開采中遇到的問題大多集中在弱膠結砂巖中巷道支護上[7]。國內大多學者對西部地區水文地質條件的基本認識是降水少、干旱缺水、礦井水害危害小，但在實際的煤礦建設與開采中，遇到涌水量大且持續穩定的情況時有發生[8-10]。由于弱膠結砂巖強度低、黏聚力小導致巖石取芯率低、試驗難度大，以往工作難以掌握其復雜的力學性質及水理性質，所以對弱膠結砂巖的地下水滲流特征等方面研究很少，很大程度上不能滿足礦業工程、地質工程建設以及干旱缺水地區保水采煤的基礎理論需求。

新疆哈密大南湖五號礦井位于新疆吐哈煤田大南湖礦區東部，距離天山東麓雪線以南約150 km處，侏羅系砂巖具有滲透性好、富水性強、靜儲量大、高礦化度等典型水文地質特征。隨著對侏羅系弱膠結砂巖含水層大規模群孔抽水試驗的不斷進行，含水層滲透系數有明顯逐漸增大的趨勢:從最初的煤田勘探數據0.18 m/d增長至抽水試驗后期的4.33 m/d[11-12]。弱膠結砂巖含水層滲透性增大效應給煤礦防治水造成了嚴峻的考驗，并且伴有大量水資源流失現象。本文以新疆哈密大南湖礦區侏羅系弱膠結砂巖為對象，對完整標準巖樣進行室內滲流實驗，并結合實驗室測試、理論分析手段研究弱膠結砂巖孔隙結構特征在水巖作用下的演變規律，并提出弱膠結砂巖含水層的保水采煤指導意義。

1 研究區概況

1.1 研究區地質及水文地質條件

弱膠結砂巖成巖地質年代不同以及區域地質構造影響程度不同，造成了其微觀結構組成、礦物成分及膠結程度也存在差異。吐哈盆地是一個在海西期火山弧的基礎上沉積了晚二疊系—三疊系、侏羅系、白堊系—第四系3個演化階段地層而發育起來的中新生代山間凹陷盆地，是國內較為典型的陸相含煤盆地[13]。侏羅系時期，擠壓型前陸盆地出現了超覆沉積，陸續沉積了中、下侏羅統地層，到了晚侏羅世，統一的盆地分離解體，各個地塊開始陸續抬升并遭受風化剝蝕。從白堊紀開始，吐哈盆地開始接受區域擠壓作用而轉化為擠壓型再生前陸盆地，侏羅系伸展盆地遭受強烈抬升和剝蝕等地質作用[14]。

吐哈盆地具有完整獨立的地下水補徑排系統，北部高山冰川雪融水及大氣降水是盆地主要補給水源。由于弱膠結砂巖特殊的成巖環境及地下水賦存運移條件，高孔隙率與高滲透性為地下水的運移創造了良好的地質條件。大南湖坳陷歷史上曾經被湖水覆蓋，20世紀70年代后期受補給強度減弱、強烈蒸發作用的影響逐漸干涸。長期的蒸發濃縮作用使得侏羅系弱膠結砂巖富含鹽分，地下水的礦化度極高。鹽類物質在溶濾、陽離子交換吸附、濃縮等作用下，賦存狀態及含量處于不斷演變之中，對弱膠結砂巖孔隙結構產生一定的影響。

1.2 水文地質問題

新疆大南湖五號井侏羅系西山窯組的Ⅲ-1弱膠結砂巖含水層位于10煤與18煤之間，地層巖性由粉砂巖、細砂巖、中砂巖、砂礫巖以及砂質泥巖組成。在研究區總體干旱缺水的背景下，當井筒施工穿過Ⅲ-1含水層時，涌水量達到113 m3/h。通過22個地面疏降孔長期高強度的排水，累計抽排水量達到821萬m3，含水層的疏降效果明顯，此時該含水層滲透系數達到0.56 m/d，較礦井勘探階段的數據增加了1.6倍，較詳查階段增加了3個數量級(表1)。

表1 各階段含水層參數變化Table 1 Variation of aquifer permeability parameters

為保障首采工作面的安全回采，利用首采工作面開切眼附近的5個地面水文孔，開展長達20 d的“大流量、大降深、長延時”單孔及群孔抽水試驗，含水層的滲透系數為4.33 m/d，較井筒疏降階段增大一個數量級。隨著井田內含水層疏排水量的不斷增大，含水層的滲透性出現急劇增大的趨勢，弱膠結砂巖孔隙結構也發生相應的變化。

1.3 弱膠結砂巖巖性特征

根據沉積巖全巖X射線衍射實驗(表2)，弱膠結砂巖以石英、鉀長石及鈉長石顆粒為主體骨架，以黏土礦物為膠結物。弱膠結中粒砂巖樣品的黏土礦物含量集中分布在14.1%～16.8%，基本滿足室內實驗樣品連續分布及穩定性要求，具有一定的實驗可參照性。

表2 沉積巖全巖X射線衍射定量分析Table 2 X ray diffraction quantitative analysis

根據弱膠結砂巖黏土礦物定量分析(表3)，弱膠結砂巖處于伊蒙混層向高嶺石的后期轉化階段，鉀長石與斜長石在酸性環境下溶解產生次生孔隙，并同時生成自生高嶺石沉淀。高嶺石黏土礦物呈疊層狀、書頁狀、質點狀分布于礦物顆粒間或表面，使得弱膠結砂巖孔隙結構更為復雜(圖1)。

表3 黏土礦物X射線衍射定量分析Table 3 X ray diffraction quantitative analysis for clay minerals of sandstone

圖1 弱膠結砂巖黏土礦物分布形態電鏡Fig.1 Distribution pattern of clay minerals by SEM

2 微觀孔隙結構特征

弱膠結砂巖微觀孔隙結構指的是巖石孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及連通性的關系。它不僅控制了地下水的賦存和運移，而且影響地下水滲流補給速度，甚至影響水巖作用過程，因此研究弱膠結砂巖含水層孔隙結構對評價砂巖滲透性有重要的意義。本次利用氦孔隙度實驗與壓汞實驗對弱膠結砂巖巖樣孔隙結構進行相關參數的測試與分析，研究區侏羅系弱膠結砂巖微觀孔隙結構特征如下:

(1)研究區內弱膠結砂巖孔隙度為21.83%～34.45%，平均為28.84%，其中40%巖樣的孔隙度大于30%，屬于高孔隙度巖石(表4)。

(2)根據壓汞實驗數據，研究區弱膠結砂巖巖樣具有較高退汞率、迂曲度及比表面積，孔喉主要分布在中孔(0.1～1 μm)及大孔(>1 μm)為主，小孔與微孔分布較少，如圖2所示。

(3)根據毛管壓力曲線(圖3)，開始階段(汞飽和度在0～30%)曲線斜率非常大，呈鉛直狀，YP-2巖樣存在零進汞段，其它巖樣均為連續進汞，體現弱膠結砂巖內大孔孔喉分布頻率高的結構特征和強儲水性能;中間階段(汞飽和度在30%～70%)曲線斜率稍微變小，當壓力達到3 MPa時，汞飽和度達到50%，說明弱膠結砂巖內中孔孔喉分布頻率較高和較強的儲水性;結束階段(汞飽和度在70%～100%)曲線逐漸變平緩，體現弱膠結砂巖內部小孔喉分布較少，滲透及儲水貢獻率很小。

表4 弱膠結砂巖孔隙度測定Table 4 Porosity analysis of week commented sandstone

圖2 YP-2孔喉直徑分布頻率直方圖Fig.2 Histogram of pore throat diameter distribution frequency(YP-2)

3 弱膠結砂巖滲流實驗

為研究弱膠結砂巖完整巖樣在動水條件下微觀孔隙結構演變機理，須以實驗室內滲流實驗為基礎。本文在巖樣加載試驗系統的基礎上，設計組裝一種試驗裝置以便于進行弱膠結砂巖微觀孔隙結構特征變化的研究。滲流試驗系統由巖樣加載滲透裝置、注水泵裝置、圍壓加載裝置、軸壓加載裝置、壓力傳感器、溫度傳感器、自動記錄天平等組成(圖4)。

圖4 弱膠結砂巖水相滲流實驗系統Fig.4 Water permeability test system for weak cemented sandstone

3.1 滲流實驗過程

根據前期野外抽放水試驗研究結論，弱膠結砂巖孔隙中富集的可溶性鹽在動水滲流作用下，可溶性物質通過溶濾、陽離子交換吸附等作用進入地下水循環系統中，孔隙中均勻分布的黏土礦物飽和吸水后經地下水滲流沖刷作用，從高水頭向低水頭方向運移，以致弱膠結砂巖微觀孔隙結構不斷變化。弱膠結砂巖滲流實驗過程如下:

(1)運用反滲透離子交換設備及混床制作去離子水，不會對溶濾作用過程造成水質干擾，為研究滲流作用過程中砂巖可溶鹽溶濾機理提供空白背景值。

(2)將纏繞止水帶的巖樣緩慢放入巖樣加載滲透裝置中，令注水端與出水端加壓軸與巖樣兩側對齊壓緊并將兩端螺口鎖死，擰緊圍壓螺栓。

(3)同時打開圍壓泵、軸壓泵加壓，按照預設壓力同幅度加壓，保證巖樣所受圍壓與軸壓相近而不變形。圍壓軸壓加載完畢后，檢查滲流系統是否穩定，是否存在水流漏失并及時修復。

本文實驗共選取15組巖樣進行滲流實驗(圖5)。將圍壓、軸壓設定為2.5 MPa，滲透壓差設定為0.45 MPa。滲透系數是研究巖石地層滲透性最主要參數，能間接反映滲流過程中巖石內部微觀結構變化規律。

圖5 中粒砂巖巖樣Fig.5 Medium grain sandstone sample

由于弱膠結砂巖滲透性強，結合滲流作用下微觀孔隙結構的觀測要求，本文采用穩態法獲取滲透系數值。室內實驗過程中，分別對試樣施加圍壓、軸壓、注入壓力，巖樣兩端形成穩定的滲透壓差，根據測得的出水量及滲流速度，獲得實時的滲透系數值。根據滲透系數計算公式繪制了滲透系數隨時間的變化曲線，YP-2，YP-15，YP-21三組樣品出現滲透性突變現象(圖6)。

圖6 YP-21滲流突變曲線Fig.6 Seepage catastrophe curve of YP-21

3.2 滲流試驗結果分析

從滲流曲線形態及實際實驗過程來看，可將弱膠結砂巖滲流實驗過程分為2個階段，即穩定滲流階段及滲流突變階段。YP-2，YP-15及YP-21巖樣滲透性發生突變之后，系統監測到出水量急劇增大，并伴有乳白色懸浮物的滲出。據表5可知，滲透突變程度最高達10倍左右。這樣從室內實驗角度證實研究區內弱膠結砂巖含水層在動水擾動條件下，存在滲透系數不斷增大的現象，為進一步研究孔隙結構演變機理提供了基礎實驗依據。

表5 弱膠結砂巖滲透性突變Table 5 Permeability Mutation of weak Cemented sandstone

4 微觀孔隙結構的演變機理

利用去離子水與弱膠結砂巖進行水巖滲流作用，通過測定出水水質成分，結合氦孔隙率法綜合分析水巖作用及其強度對弱膠結砂巖內部微觀孔隙結構影響。孔隙度測定法是研究巖石內部孔隙結構最直觀的方法，當滲流實驗結束后，將飽和巖樣放入加熱箱內60 ℃條件下烘干24 h至完全干燥。測量巖樣外觀參數(精確到0.01 mm)及質量(精確到0.01 g)，利用氦孔隙率測定儀測量滲流實驗后巖樣的總孔隙度(表6)，并判斷孔隙度變化規律。

表6 水巖作用下孔隙度對比Table 6 Porosity comparison before and after the water rock interaction

表7 滲出水水質分析測試Table 7 Water quality analysis of seepage water

水中溶解性總固體含量在160～930 mg/L，根據滲出水量計算溶解固體總量，其中YP-14 鹽類含量最高為206.40 mg;溶出鹽類占原巖總質量的0.26%～0.71%，可溶鹽溶出對滲流實驗前后的孔隙度增加貢獻率為45.80%～82.28%，可溶鹽的溶出是影響弱膠結砂巖滲透性的主要因素。根據出水水質分析研究結論，推斷弱膠結砂巖內部可溶鹽以NaCl及NaHCO3鹽分為主，并含有少量的Ca(HCO3)2、CaSO4。本文對參與滲流實驗的原始巖樣進行針對性的電鏡掃描觀察，除部分巖樣發現有少量石膏呈不規則塊狀分布外(圖7)，未見明顯的其他鹽類結晶顆粒物，說明弱膠結砂巖內鹽類以微質點狀形態分布為主。

圖7 弱膠結砂巖內可溶鹽(石膏)分布電鏡圖Fig.7 Distribution of soluble salts in weak cemented sandstone by SEM

廣義的水巖物理作用主要是指流水對巖石或土壤進行侵蝕，對松散物質進行搬運，最后由于流水動能的減弱又使其搬運物沉積下來[15-16]。狹義的水巖物理作用是指水通過對巖石軟化、泥化、沖刷、沉淀等過程，從而改變巖石物理力學性質或微觀結構。滲流實驗過程中有大量乳白色懸浮物滲出(圖8)，當各階段達到相對穩定狀態后，出水水質逐漸變清。

圖8 滲流突變階段水質特征Fig.8 Suspended solids of mutation seepage stage

利用X射線衍射法測試水中懸浮物成分為高嶺石黏土礦物。滲流實驗懸浮物總量在49.73～59.54 mg，平均為54.60 mg。滲流實驗懸浮物滲出量較可溶鹽溶出量總體偏小且穩定，占巖樣總質量的0.15%～0.41%，占黏土礦物總量的1.05%～2.91%，由此可見，受滲流實驗控制參數的影響，水巖物理沖刷懸浮物滲出能力較為有限。根據懸浮物滲出量計算對孔隙度增大貢獻率為14.78%～54.20%，可見高嶺石懸浮物滲出也是弱膠結砂巖滲透性增強的主要因素。

5 對保水采煤的意義

保水采煤是指在防治采煤突水的同時，對水資源進行有意識的保護，使煤炭開采對礦區水文生態環境的擾動量小于水文環境恢復能力[17-19]。含水層對礦坑進行補給排泄過程中，一方面給煤礦安全開采形成嚴重威脅，另一方面造成水資源的流失，不利于干旱缺水地區生態環境保護。下面將從2個方面論述弱膠結砂巖的保水采煤指導思路。

(1)弱膠結砂巖孔隙結構儲水空間的變異性。

弱膠結砂巖含水層包括粗砂巖、砂礫巖等富水性更強的含水巖組，本次中粒砂巖巖樣容水度實測值高達0.28 g/cm3，該含水層猶如一個巨大的“海綿”，可以存儲大量的地下水，為生態環境建設、生產生活用水提供了良好的水源，對極度干旱缺水地區而言是非常寶貴的地下水資源。受水巖化學、物理作用的影響，弱膠結砂巖滲流實驗后的孔隙度均有所增大，平均增幅為4.16%，砂巖孔隙度的增大直接影響其內部儲水空間的大小。含水層靜儲量的估算運用體積法，即含水層體積與巖層的孔隙率相乘得出，孔隙度與靜儲量具有同步增大的性質。弱膠結砂巖含水層孔隙結構儲水量的增大導致煤礦疏排水工程量及巨額費用，同時由于水量的增大，給煤礦防治水工作造成很大的挑戰。

(2)弱膠結砂巖滲透性突變性。

根據弱膠結砂巖滲流實驗以及野外抽水試驗，含水層在較大規模的動態抽、注水的過程中，微觀孔隙結構的變化導致滲透性發生突變或持續增大現象。宏觀滲流條件下，含水層介質為多孔介質，包括孔隙、裂隙及溶隙。砂巖含水層中地下水滲流以裂隙流為主，孔隙滲流為輔。從微觀角度看，弱膠結砂巖含水層中孔隙水提供水源，裂隙提供主滲流通道。由于構造裂隙的大量存在及三維立體滲流模式，裂隙發育位置附近的孔隙中的可溶鹽與黏土礦物更容易在動水震蕩擾動中參與到地下水循環中，經抽排水作用從含水層中滲出，導致宏觀較微觀滲流的含水層滲透性變異程度更高。但是室內試驗完全以一維孔隙滲流為主，孔隙內可遷移黏土礦物較難徹底滲出，因此滲透性變化不及宏觀滲流，如圖9所示。

圖9 微觀孔隙滲流與宏觀孔隙裂隙滲流示意Fig.9 Sketch of microscopic pore seepage and macroscopic pore fissure seepage

根據達西定律，含水層滲透率的數量級式增加，導致礦井涌水量也會相應幅度的劇增，因此西部地區采礦工程需盡量避免對弱膠結砂巖地層采用大規模疏排方案。

綜上所述，弱膠結砂巖含水層水體下保水采煤應當遵循“保護性開采、避免大規模擾動”的思路。

6 結 論

(1)研究區長期的蒸發濃縮作用使得侏羅系弱膠結砂巖富含鹽分，對弱膠結砂巖孔隙結構有影響。高嶺石黏土礦物呈疊層狀、書頁狀、質點狀分布于礦物顆粒間或表面，使得弱膠結砂巖孔隙結構更為復雜。

(2)弱膠結砂巖屬高孔隙度巖石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布集中的結構特征和強富水能;小孔喉分布較少，滲透性及儲水貢獻率很小。

(3)在動水擾動滲流作用下，弱膠結砂巖樣的孔隙度有明顯增大的趨勢，可溶鹽及高嶺石的溶(滲)出是砂巖滲透性增強的主要因素。

(4)根據弱膠結砂巖微觀孔隙結構變化規律，提出了有關孔隙結構儲水空間變異性以及滲透突變型的保水采煤理念。