保德煤礦峰峰組隔水性能多尺度定量化評(píng)價(jià)

許 峰，靳德武，楊俊哲，黃 歡，王世東，姬亞?wèn)|，石 磊

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077; 4.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

華北型煤田底板奧陶紀(jì)灰?guī)r水害是礦井開(kāi)采面臨的主要水害問(wèn)題，尤其對(duì)于下組煤。隨著煤炭資源深部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，奧灰水壓逐漸增高，水害威脅程度日益嚴(yán)重。為了保障礦井安全生產(chǎn)，眾多學(xué)者在煤層帶壓開(kāi)采水害防治方面開(kāi)展了大量研究工作。研究表明，整個(gè)中奧陶紀(jì)地層并非全段都是含水層，奧灰水壓是在進(jìn)入中奧陶系頂部峰峰組地層一定深度后才開(kāi)始顯現(xiàn)[1-4]。對(duì)于華北型煤田絕大多數(shù)礦井而言，峰峰組成為能否實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采及解放多少煤炭資源的關(guān)鍵層。因此，研究峰峰組地層的隔水性能及可利用厚度成為一項(xiàng)重要且有意義的工作，也是近年來(lái)學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，可為礦井實(shí)現(xiàn)安全帶壓開(kāi)采或區(qū)域注漿改造治理煤層底板水害提供基礎(chǔ)和方向。

目前，對(duì)于峰峰組隔水性能研究主要集中在3個(gè)方面:其一是峰峰組隔水成因研究，研究表明中奧陶系頂部隔水段的存在與古風(fēng)化殼密切相關(guān)，受加里東運(yùn)動(dòng)影響，華北地區(qū)奧陶紀(jì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)1億a地質(zhì)歷史時(shí)期的剝蝕、沉積、充填和壓實(shí)作用，從而形成了頂部相對(duì)隔水段[5-9];其二是從宏觀方面采用現(xiàn)場(chǎng)勘探試驗(yàn)手段，基于鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中的水位沖洗液消耗量、壓水量變化等評(píng)價(jià)峰峰組隔水性能，如牟林等采用壓水試驗(yàn)、流量測(cè)井等手段確定寺河礦峰峰組可利用厚度為35～70 m[10];李波[11]通過(guò)水文地質(zhì)觀測(cè)、抽水試驗(yàn)等研究表明斜溝煤礦峰峰組含水層富水性弱且可注性較好;周楊[12]采用水文地質(zhì)鉆探配合壓水試驗(yàn)、鉆孔窺視等方法研究確定王坡礦峰峰組頂部以下50 m可作為隔水層利用;其三是采用微觀分析方法，分析巖性、溶蝕特征、孔隙特征與微觀結(jié)構(gòu)等，如王長(zhǎng)申等采用巖石薄片鑒定、X射線熒光光譜分析等手段分析了峰峰組巖性、孔隙結(jié)構(gòu)特征及其垂向分布規(guī)律，確定漳村礦峰峰組可利用厚度達(dá)到142 m[13];白海波等[14]采用孔隙性微觀研究、滲透性試驗(yàn)等手段確定了白云烏素煤礦奧陶系頂部存在150 m左右的碳酸鹽巖隔水層;崔祥琨等[15]采用壓汞試驗(yàn)等方法研究表明，古交礦區(qū)峰峰組上段和下段灰?guī)r以極細(xì)小和超毛管微孔隙為主，其頂部以下30 m和下段約70 m層段可作為隔水關(guān)鍵層利用。

隨著峰峰組隔水性能研究的深入，研究方法也越來(lái)越全面，峰峰組頂部存在隔水層的觀點(diǎn)也逐步被大家認(rèn)可，基于此，筆者以河?xùn)|煤田保德煤礦峰峰組地層為研究對(duì)象，采用基于微-CT掃描技術(shù)的室內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)分析與現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)相結(jié)合的手段，多尺度定量化評(píng)價(jià)其隔水性能。

目前，在地質(zhì)巖石力學(xué)領(lǐng)域，微-CT技術(shù)主要應(yīng)用于油氣儲(chǔ)層密閉性評(píng)價(jià)與煤巖損傷評(píng)價(jià)等研究中，如GOLAB等采用微-CT技術(shù)三維重構(gòu)煤巖孔隙微觀結(jié)構(gòu)，揭示了研究區(qū)煤巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[16];WANG等[17]采用微-CT技術(shù)三維重構(gòu)了頁(yè)巖孔隙微觀結(jié)構(gòu)，揭示了研究區(qū)頁(yè)巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征;ALEXANDRA等[18]采用微-CT掃描技術(shù)對(duì)煤巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重構(gòu)，揭示了其微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，在此基礎(chǔ)上研究了煤層氣儲(chǔ)層中孔隙對(duì)于氣液兩相流流動(dòng)的影響特性;劉向君等[19]利用微-CT技術(shù)構(gòu)建了川西須家河組致密砂礫巖儲(chǔ)層的三維孔隙結(jié)構(gòu)特征，并研究了微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖心中氣水兩相流的影響規(guī)律;以上研究表明，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用微-CT技術(shù)研究對(duì)象主要為致密砂礫巖、煤巖[20]等，而很少將其應(yīng)用于灰?guī)r隔水性能研究中。為此，筆者研究引入微-CT掃描技術(shù)，豐富了奧灰頂部峰峰組隔水性能評(píng)價(jià)方法。

1 研究區(qū)概況

保德井田位于山西省忻州市保德縣，所處的大地構(gòu)造位置為鄂爾多斯盆地東部的河?xùn)|斷凹的北部，所處水文地質(zhì)單元為天橋泉域。井田地層自上而下依次為第四系、新近系、二疊系、石炭系和奧陶系地層。其中山西組和太原組為主要含煤地層，包括2個(gè)主要可采煤層8號(hào)、11號(hào)，井田綜合柱狀簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 保德井田綜合柱狀簡(jiǎn)圖Fig.1 Comprehensive histogram of Baode minefield

其中8號(hào)煤層資源將在不久的將來(lái)開(kāi)采完畢，轉(zhuǎn)而開(kāi)采11號(hào)煤層，而11號(hào)煤層與奧灰頂部平均間距為72 m，突水系數(shù)最大值達(dá)到0.089 MPa/m，部分地段受奧灰水害威脅較為嚴(yán)重。考慮到奧灰頂部存在平均厚度104 m的峰峰組地層，有必要在11煤開(kāi)采前，對(duì)峰峰組隔水性能進(jìn)行研究，確定其是否可作為隔水層加以利用，為11號(hào)煤層帶壓開(kāi)采提供技術(shù)依據(jù)。

井田五盤(pán)區(qū)開(kāi)展了大量的奧灰水文地質(zhì)勘探工作，結(jié)果顯示峰峰組地層厚度穩(wěn)定，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆液消耗量普遍較小，且未發(fā)現(xiàn)較大構(gòu)造與強(qiáng)徑流帶，加之井田地層總體呈單斜構(gòu)造，西部奧灰水帶壓程度較高，為此，本次研究選擇在井田五盤(pán)區(qū)深部區(qū)域地面施工了1個(gè)水文補(bǔ)勘鉆孔(Y5)，鉆孔位置如圖2所示，鉆孔終孔層位進(jìn)入馬家溝組15 m，穿越整個(gè)峰峰組地層。利用鉆孔開(kāi)展巖樣薄片鑒定、微-CT分析以及現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)，從巖性特征、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征、巖層滲透性等多方面多尺度綜合評(píng)判井田內(nèi)峰峰組地層隔水性。

圖2 壓水試驗(yàn)鉆孔位置Fig.2 Location of drilling holes for water pressure test

2 峰峰組地層巖性特征

通過(guò)Y5號(hào)鉆孔揭露顯示，峰峰組厚度為109.2 m，根據(jù)巖芯現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，采集峰峰組不同層位、且?guī)r芯相對(duì)變化較大具有代表性的巖樣共6組(編號(hào)為B1～B6)，每組樣品均采用普通薄片鑒定與鑄體薄片鑒定分別開(kāi)展了2組測(cè)試。

鑒定結(jié)果顯示峰峰組上段(圖3:B1～B3)巖性以泥晶、粉晶灰?guī)r為主，主要礦物成分為方解石(>90%)，另含少量燧石、黃鐵礦以及鐵泥質(zhì)。燧石主要填充在中晶方解石之間，黃鐵礦呈分散狀分布;結(jié)構(gòu)組分呈晶粒結(jié)構(gòu)特征，晶粒主要為泥晶方解石，局部重結(jié)晶，為50～500 μm的晶粒，達(dá)粉晶、細(xì)晶、中晶。

峰峰組中段(圖3:B4)巖性以泥晶、泥晶泥質(zhì)灰?guī)r為主，主要成分為方解石(50%)，其次為黏土礦物(40%)，含部分硅質(zhì)(8%)，含少量黃鐵礦，硅質(zhì)主要為燧石，含少部分石英，黃鐵礦呈分散狀分布;結(jié)構(gòu)組分總體呈晶粒結(jié)構(gòu)特征，主要為泥晶方解石，泥晶方解石呈透鏡層狀分布，部分泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，黏土質(zhì)透鏡體呈層狀分布。

峰峰組下段(圖3:B5～B6)巖性以粉質(zhì)、含硅白云巖為主，主要礦物成分為白云石(>90%)，含少部分方解石，含少量鐵泥質(zhì)和石英;呈晶粒結(jié)構(gòu)，主要為粉晶白云石，大部分白云石自形程度不好，為它形，少部分白云石自形程度較好，半自形-自形，局部發(fā)育少量粉晶方解石。

圖3 峰峰組不同層位巖性鑒定結(jié)果Fig.3 Lithologic identification results of different layers in Fengfeng formation

峰峰組巖性鑒定分析結(jié)果與以往保德煤礦勘探資料基本吻合，具有一定的代表性，同時(shí)也反映了峰峰組地層巖性在垂向上的差異性，呈現(xiàn)出頂部以下大部分層段以泥晶和粉晶灰?guī)r為主，而底部以白云巖為主的特征。由于峰峰組中上段礦物含量以方解石和黏土礦物為主，不易形成較大裂隙，且礦物晶間以鐵泥質(zhì)充填為主，具有良好的隔水性。五盤(pán)區(qū)以往勘探資料表明，峰峰下段含硅質(zhì)白云巖也不易溶蝕形成裂隙，因此，從巖性上來(lái)看，井田五盤(pán)區(qū)峰峰組地層總體表現(xiàn)為隔水性。

3 峰峰組地層孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)Y5號(hào)鉆孔，在峰峰組上段和下段各采取巖樣2組(C1與C2)。采用Zeiss Xradia Versa Micro-CT 520設(shè)備對(duì)巖樣切片進(jìn)行微-CT掃描，結(jié)合Avizo9.2軟件對(duì)巖樣孔隙進(jìn)行三維重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)重構(gòu)的三維圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和分析，從而得到峰峰組地層孔隙結(jié)構(gòu)特征。

3.1 孔喉網(wǎng)絡(luò)三維分布特征

孔喉(孔隙與喉道)網(wǎng)絡(luò)三維圖(圖4(a)，(d))分析表明，峰峰組灰?guī)r巖芯孔隙發(fā)育程度低，孔隙網(wǎng)絡(luò)中發(fā)育有大孔隙和小孔隙，大孔隙多集中分布，相互疊置，數(shù)量較多的小孔隙相互孤立分布，空間中孔隙分布不均勻，大孔隙集中出現(xiàn)，小孔隙零散分布，計(jì)算C1和C2孔隙度分別為3.18%和2.42%，屬于超低孔隙度地層。

3.2 孔喉網(wǎng)絡(luò)連通性特征

在將孔隙從基質(zhì)與顆粒中單獨(dú)分割提取的基礎(chǔ)上，對(duì)孔隙的空間連通性分布特征進(jìn)行分析，通過(guò)孔喉連通性三維圖(圖4(b)，(e)，相鄰區(qū)域中顏色相近的孔隙為連通孔隙)顯示，峰峰組灰?guī)r巖芯孔隙連通性較差，集中分布的大孔隙相互疊置連通，大部分區(qū)域的微小孔隙多相互孤立不連通，孔隙空間分布的連通性較差。

3.3 孔喉參數(shù)分析

基于分水嶺分割算法[21]對(duì)孔喉網(wǎng)絡(luò)的骨架進(jìn)行提取，得到其等效孔喉網(wǎng)絡(luò)模型(圖4(c)，(f)，藍(lán)色球體代表孔隙，黃色棍狀體代表喉道)。通過(guò)計(jì)算得出，巖芯孔隙半徑分布在0.5～50.0 μm，集中分布于0.5～8.0 μm(圖5)，C1和C2樣品孔隙半徑在0.5～8.0 μm的孔隙累積占比可達(dá)96.35%和96.74%;巖芯的喉道半徑在0.5～4.0 μm，集中分布在0.6～1.5 μm(圖6)，C1和C2樣品喉道占比分別達(dá)到78.9%和87.6%，表明喉道半徑分布集中，呈現(xiàn)單峰分布特征，且喉道類型單一。

圖5 C1與C2樣品孔隙半徑分布直方圖Fig.5 Histogram of pore radius distribution of C1 and C2 samples

圖6 C1與C2樣品喉道半徑分布直方圖Fig.6 Throat radius histogram of C1 and C2 samples

分析計(jì)算結(jié)果顯示，巖芯中孔徑大于12 μm的孔隙和半徑大于2.5 μm的喉道占比較低，表明巖芯中孔隙及喉道類型單一，根據(jù)謝爾蓋耶夫關(guān)于孔隙的4級(jí)分類法[22]可知，研究區(qū)峰峰組地層孔隙以細(xì)小孔隙為主，孔隙性較低。分析認(rèn)為峰峰組地層中上部灰?guī)r和底部白云巖多數(shù)呈泥晶、粉晶或晶粒結(jié)構(gòu)，該巖性結(jié)構(gòu)較為致密，晶間孔隙和溶孔多數(shù)被泥晶方解石和泥晶基質(zhì)充填，巖石受到明顯的壓實(shí)、膠結(jié)和重結(jié)晶作用，致使峰峰組地層孔隙性較低。

4 峰峰組地層滲透性特征

4.1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

在Y5鉆孔成孔后，以《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》[23]為操作規(guī)范，采用專用測(cè)試裝置進(jìn)行雙栓塞分段壓水試驗(yàn)。試驗(yàn)流程為:① 壓水段頂界面與峰峰組地層頂界面保持齊平，做好壓水準(zhǔn)備后，開(kāi)始第1組壓水;② 根據(jù)規(guī)范第1組試驗(yàn)完畢后，上封隔器移動(dòng)至下封隔器位置，開(kāi)始第2組壓水;③ 自上而下依次進(jìn)行，直至覆蓋整個(gè)峰峰組地層(圖7)。

圖7 壓水試驗(yàn)流程(步驟① →② →③ →…)Fig.7 Flow chart of water pressure test (step①→②→③ →…)

4.2 試驗(yàn)成果分析

詳細(xì)記錄Y5鉆孔峰峰組全段壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制鉆孔單位壓水量隨深度變化趨勢(shì)圖(圖8)。結(jié)果表明:Y5鉆孔峰峰組全段壓水量為0.43～1.16 L/(m·min);峰峰組頂部壓水量值最小，進(jìn)入峰峰組地層96.4 m深度壓水量最大，隨深度呈現(xiàn)出逐步升高的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)稍有波動(dòng)，但總體較為平穩(wěn);峰峰組地層全段單位壓水量平均值為0.95 L/min，數(shù)值較低。

采用霍斯列夫公式計(jì)算峰峰組全段的平均滲透系數(shù):

(1)

式中，K為巖體滲透系數(shù)，mm/d;Q為壓入(水)流量，m3/d;H為試驗(yàn)段水頭值，m;L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m;r為鉆孔半徑，m。

計(jì)算得到Y(jié)5鉆孔峰峰組滲透系數(shù)值為0.000 66～0.001 55 m/d(表1)，顯示峰峰組整個(gè)測(cè)試段滲透系數(shù)很小，數(shù)量級(jí)在10-3～10-4，透水率在0～2 L/(m·MPa·min)，對(duì)照巖石滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[24]，可見(jiàn)測(cè)試段巖層的總體透水性弱。

表1 滲透系數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)Table 1 Calculation statistics of permeability coefficient

5 討 論

通過(guò)以往研究與開(kāi)采實(shí)踐表明，華北型煤田峰峰組存在相對(duì)隔水段已逐步被證實(shí)，如晉城寺河礦峰峰組可作為隔水層利用厚度為其上部30～70 m[10];晉城王坡礦峰峰組可利用厚度為其上部50 m[12];邢臺(tái)漳村礦峰峰組可利用厚度為上部142 m層段[13]，等等。以上研究表明，峰峰組地層本身隔水性在垂向上存在差異性，并非全段都具有良好的隔水性能。而根據(jù)保德煤礦以往大量的勘探資料顯示，礦井五盤(pán)區(qū)整體構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，巖性結(jié)構(gòu)在平面展布上差異較小，結(jié)合本次研究表明，保德煤礦五盤(pán)區(qū)峰峰組全段隔水性均較好。說(shuō)明對(duì)于整個(gè)華北型煤田區(qū)域尺度而言，奧灰頂板峰峰組地層沉積規(guī)律與特征有所差異。

根據(jù)研究成果計(jì)算，保德煤礦五盤(pán)區(qū)奧灰水突水系數(shù)值整體下降了50%左右，最大突水系數(shù)值小于0.06 MPa/m。

6 結(jié) 論

(1)保德井田五盤(pán)區(qū)峰峰組地層巖性在垂向上存在差異性，中上段巖性主要為泥晶、粉晶灰?guī)r，總體呈晶粒結(jié)構(gòu)，主要為泥晶方解石，部分為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，黏土質(zhì)透鏡體呈層狀分布;底部巖性主要為粉質(zhì)白云巖，呈晶粒結(jié)構(gòu)，主要為粉晶白云石，局部發(fā)育少量粉晶方解石;晶間孔隙和溶孔多數(shù)被泥晶方解石和泥晶基質(zhì)充填，巖石受到明顯的壓實(shí)、膠結(jié)和重結(jié)晶作用。

(2)保德井田五盤(pán)區(qū)峰峰組地層巖芯孔隙度為2.42%～3.18%，孔隙發(fā)育程度低，屬于超低孔隙度地層;96.35%～96.74%的孔隙直徑在2～8 μm，78.9%～87.6%的喉道直徑在0.6～1.5 μm，屬細(xì)小孔隙。總體來(lái)看，峰峰組地層表現(xiàn)為低孔隙性特征。

(3)保德井田五盤(pán)區(qū)峰峰組地層全段壓水量為0.43～1.16 L/(m·min)，平均壓水量0.95 L/(m·min);滲透系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10-3～10-4，透水率為0～2 L/(m·MPa·min)，總體透水性弱。

(4)根據(jù)峰峰組地層巖性、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性特征對(duì)比分析，結(jié)合五盤(pán)區(qū)以往峰峰組地層勘探資料顯示，峰峰組全段可作為相對(duì)隔水層加以利用。

(5)以往針對(duì)奧灰頂部峰峰組地層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究手段以壓汞試驗(yàn)[1,13]為主，本次研究將微-CT掃描技術(shù)引入，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探水文試驗(yàn)的方法，豐富了奧灰頂部隔水性能研究方法。