侏罗系弱胶结砂岩孔隙介质特征及其保水采煤意义

刘 钦，孙亚军，徐智敏，王 鑫，张成行，姚明豪

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

西部地区特殊的成岩环境和沉积过程造成西部地区广泛分布着中生代侏罗系、白垩系极弱胶结地层。弱胶结地层中以弱胶结砂岩为主，其胶结性质、水理性质及力学性质与常规砂岩或软岩有着显著的差异[1-4]。该地层成岩时间较晚、胶结程度差、强度低、易风化、遇水泥化崩解，是一种特殊软岩[5-6]。目前我国西部煤炭资源开采中遇到的问题大多集中在弱胶结砂岩中巷道支护上[7]。国内大多学者对西部地区水文地质条件的基本认识是降水少、干旱缺水、矿井水害危害小，但在实际的煤矿建设与开采中，遇到涌水量大且持续稳定的情况时有发生[8-10]。由于弱胶结砂岩强度低、黏聚力小导致岩石取芯率低、试验难度大，以往工作难以掌握其复杂的力学性质及水理性质，所以对弱胶结砂岩的地下水渗流特征等方面研究很少，很大程度上不能满足矿业工程、地质工程建设以及干旱缺水地区保水采煤的基础理论需求。

新疆哈密大南湖五号矿井位于新疆吐哈煤田大南湖矿区东部，距离天山东麓雪线以南约150 km处，侏罗系砂岩具有渗透性好、富水性强、静储量大、高矿化度等典型水文地质特征。随着对侏罗系弱胶结砂岩含水层大规模群孔抽水试验的不断进行，含水层渗透系数有明显逐渐增大的趋势:从最初的煤田勘探数据0.18 m/d增长至抽水试验后期的4.33 m/d[11-12]。弱胶结砂岩含水层渗透性增大效应给煤矿防治水造成了严峻的考验，并且伴有大量水资源流失现象。本文以新疆哈密大南湖矿区侏罗系弱胶结砂岩为对象，对完整标准岩样进行室内渗流实验，并结合实验室测试、理论分析手段研究弱胶结砂岩孔隙结构特征在水岩作用下的演变规律，并提出弱胶结砂岩含水层的保水采煤指导意义。

1 研究区概况

1.1 研究区地质及水文地质条件

弱胶结砂岩成岩地质年代不同以及区域地质构造影响程度不同，造成了其微观结构组成、矿物成分及胶结程度也存在差异。吐哈盆地是一个在海西期火山弧的基础上沉积了晚二叠系—三叠系、侏罗系、白垩系—第四系3个演化阶段地层而发育起来的中新生代山间凹陷盆地，是国内较为典型的陆相含煤盆地[13]。侏罗系时期，挤压型前陆盆地出现了超覆沉积，陆续沉积了中、下侏罗统地层，到了晚侏罗世，统一的盆地分离解体，各个地块开始陆续抬升并遭受风化剥蚀。从白垩纪开始，吐哈盆地开始接受区域挤压作用而转化为挤压型再生前陆盆地，侏罗系伸展盆地遭受强烈抬升和剥蚀等地质作用[14]。

吐哈盆地具有完整独立的地下水补径排系统，北部高山冰川雪融水及大气降水是盆地主要补给水源。由于弱胶结砂岩特殊的成岩环境及地下水赋存运移条件，高孔隙率与高渗透性为地下水的运移创造了良好的地质条件。大南湖坳陷历史上曾经被湖水覆盖，20世纪70年代后期受补给强度减弱、强烈蒸发作用的影响逐渐干涸。长期的蒸发浓缩作用使得侏罗系弱胶结砂岩富含盐分，地下水的矿化度极高。盐类物质在溶滤、阳离子交换吸附、浓缩等作用下，赋存状态及含量处于不断演变之中，对弱胶结砂岩孔隙结构产生一定的影响。

1.2 水文地质问题

新疆大南湖五号井侏罗系西山窑组的Ⅲ-1弱胶结砂岩含水层位于10煤与18煤之间，地层岩性由粉砂岩、细砂岩、中砂岩、砂砾岩以及砂质泥岩组成。在研究区总体干旱缺水的背景下，当井筒施工穿过Ⅲ-1含水层时，涌水量达到113 m3/h。通过22个地面疏降孔长期高强度的排水，累计抽排水量达到821万m3，含水层的疏降效果明显，此时该含水层渗透系数达到0.56 m/d，较矿井勘探阶段的数据增加了1.6倍，较详查阶段增加了3个数量级(表1)。

表1 各阶段含水层参数变化Table 1 Variation of aquifer permeability parameters

为保障首采工作面的安全回采，利用首采工作面开切眼附近的5个地面水文孔，开展长达20 d的“大流量、大降深、长延时”单孔及群孔抽水试验，含水层的渗透系数为4.33 m/d，较井筒疏降阶段增大一个数量级。随着井田内含水层疏排水量的不断增大，含水层的渗透性出现急剧增大的趋势，弱胶结砂岩孔隙结构也发生相应的变化。

1.3 弱胶结砂岩岩性特征

根据沉积岩全岩X射线衍射实验(表2)，弱胶结砂岩以石英、钾长石及钠长石颗粒为主体骨架，以黏土矿物为胶结物。弱胶结中粒砂岩样品的黏土矿物含量集中分布在14.1%～16.8%，基本满足室内实验样品连续分布及稳定性要求，具有一定的实验可参照性。

表2 沉积岩全岩X射线衍射定量分析Table 2 X ray diffraction quantitative analysis

根据弱胶结砂岩黏土矿物定量分析(表3)，弱胶结砂岩处于伊蒙混层向高岭石的后期转化阶段，钾长石与斜长石在酸性环境下溶解产生次生孔隙，并同时生成自生高岭石沉淀。高岭石黏土矿物呈叠层状、书页状、质点状分布于矿物颗粒间或表面，使得弱胶结砂岩孔隙结构更为复杂(图1)。

表3 黏土矿物X射线衍射定量分析Table 3 X ray diffraction quantitative analysis for clay minerals of sandstone

图1 弱胶结砂岩黏土矿物分布形态电镜Fig.1 Distribution pattern of clay minerals by SEM

2 微观孔隙结构特征

弱胶结砂岩微观孔隙结构指的是岩石孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及连通性的关系。它不仅控制了地下水的赋存和运移，而且影响地下水渗流补给速度，甚至影响水岩作用过程，因此研究弱胶结砂岩含水层孔隙结构对评价砂岩渗透性有重要的意义。本次利用氦孔隙度实验与压汞实验对弱胶结砂岩岩样孔隙结构进行相关参数的测试与分析，研究区侏罗系弱胶结砂岩微观孔隙结构特征如下:

(1)研究区内弱胶结砂岩孔隙度为21.83%～34.45%，平均为28.84%，其中40%岩样的孔隙度大于30%，属于高孔隙度岩石(表4)。

(2)根据压汞实验数据，研究区弱胶结砂岩岩样具有较高退汞率、迂曲度及比表面积，孔喉主要分布在中孔(0.1～1 μm)及大孔(>1 μm)为主，小孔与微孔分布较少，如图2所示。

(3)根据毛管压力曲线(图3)，开始阶段(汞饱和度在0～30%)曲线斜率非常大，呈铅直状，YP-2岩样存在零进汞段，其它岩样均为连续进汞，体现弱胶结砂岩内大孔孔喉分布频率高的结构特征和强储水性能;中间阶段(汞饱和度在30%～70%)曲线斜率稍微变小，当压力达到3 MPa时，汞饱和度达到50%，说明弱胶结砂岩内中孔孔喉分布频率较高和较强的储水性;结束阶段(汞饱和度在70%～100%)曲线逐渐变平缓，体现弱胶结砂岩内部小孔喉分布较少，渗透及储水贡献率很小。

表4 弱胶结砂岩孔隙度测定Table 4 Porosity analysis of week commented sandstone

图2 YP-2孔喉直径分布频率直方图Fig.2 Histogram of pore throat diameter distribution frequency(YP-2)

3 弱胶结砂岩渗流实验

为研究弱胶结砂岩完整岩样在动水条件下微观孔隙结构演变机理，须以实验室内渗流实验为基础。本文在岩样加载试验系统的基础上，设计组装一种试验装置以便于进行弱胶结砂岩微观孔隙结构特征变化的研究。渗流试验系统由岩样加载渗透装置、注水泵装置、围压加载装置、轴压加载装置、压力传感器、温度传感器、自动记录天平等组成(图4)。

图4 弱胶结砂岩水相渗流实验系统Fig.4 Water permeability test system for weak cemented sandstone

3.1 渗流实验过程

根据前期野外抽放水试验研究结论，弱胶结砂岩孔隙中富集的可溶性盐在动水渗流作用下，可溶性物质通过溶滤、阳离子交换吸附等作用进入地下水循环系统中，孔隙中均匀分布的黏土矿物饱和吸水后经地下水渗流冲刷作用，从高水头向低水头方向运移，以致弱胶结砂岩微观孔隙结构不断变化。弱胶结砂岩渗流实验过程如下:

(1)运用反渗透离子交换设备及混床制作去离子水，不会对溶滤作用过程造成水质干扰，为研究渗流作用过程中砂岩可溶盐溶滤机理提供空白背景值。

(2)将缠绕止水带的岩样缓慢放入岩样加载渗透装置中，令注水端与出水端加压轴与岩样两侧对齐压紧并将两端螺口锁死，拧紧围压螺栓。

(3)同时打开围压泵、轴压泵加压，按照预设压力同幅度加压，保证岩样所受围压与轴压相近而不变形。围压轴压加载完毕后，检查渗流系统是否稳定，是否存在水流漏失并及时修复。

本文实验共选取15组岩样进行渗流实验(图5)。将围压、轴压设定为2.5 MPa，渗透压差设定为0.45 MPa。渗透系数是研究岩石地层渗透性最主要参数，能间接反映渗流过程中岩石内部微观结构变化规律。

图5 中粒砂岩岩样Fig.5 Medium grain sandstone sample

由于弱胶结砂岩渗透性强，结合渗流作用下微观孔隙结构的观测要求，本文采用稳态法获取渗透系数值。室内实验过程中，分别对试样施加围压、轴压、注入压力，岩样两端形成稳定的渗透压差，根据测得的出水量及渗流速度，获得实时的渗透系数值。根据渗透系数计算公式绘制了渗透系数随时间的变化曲线，YP-2，YP-15，YP-21三组样品出现渗透性突变现象(图6)。

图6 YP-21渗流突变曲线Fig.6 Seepage catastrophe curve of YP-21

3.2 渗流试验结果分析

从渗流曲线形态及实际实验过程来看，可将弱胶结砂岩渗流实验过程分为2个阶段，即稳定渗流阶段及渗流突变阶段。YP-2，YP-15及YP-21岩样渗透性发生突变之后，系统监测到出水量急剧增大，并伴有乳白色悬浮物的渗出。据表5可知，渗透突变程度最高达10倍左右。这样从室内实验角度证实研究区内弱胶结砂岩含水层在动水扰动条件下，存在渗透系数不断增大的现象，为进一步研究孔隙结构演变机理提供了基础实验依据。

表5 弱胶结砂岩渗透性突变Table 5 Permeability Mutation of weak Cemented sandstone

4 微观孔隙结构的演变机理

利用去离子水与弱胶结砂岩进行水岩渗流作用，通过测定出水水质成分，结合氦孔隙率法综合分析水岩作用及其强度对弱胶结砂岩内部微观孔隙结构影响。孔隙度测定法是研究岩石内部孔隙结构最直观的方法，当渗流实验结束后，将饱和岩样放入加热箱内60 ℃条件下烘干24 h至完全干燥。测量岩样外观参数(精确到0.01 mm)及质量(精确到0.01 g)，利用氦孔隙率测定仪测量渗流实验后岩样的总孔隙度(表6)，并判断孔隙度变化规律。

表6 水岩作用下孔隙度对比Table 6 Porosity comparison before and after the water rock interaction

表7 渗出水水质分析测试Table 7 Water quality analysis of seepage water

水中溶解性总固体含量在160～930 mg/L，根据渗出水量计算溶解固体总量，其中YP-14 盐类含量最高为206.40 mg;溶出盐类占原岩总质量的0.26%～0.71%，可溶盐溶出对渗流实验前后的孔隙度增加贡献率为45.80%～82.28%，可溶盐的溶出是影响弱胶结砂岩渗透性的主要因素。根据出水水质分析研究结论，推断弱胶结砂岩内部可溶盐以NaCl及NaHCO3盐分为主，并含有少量的Ca(HCO3)2、CaSO4。本文对参与渗流实验的原始岩样进行针对性的电镜扫描观察，除部分岩样发现有少量石膏呈不规则块状分布外(图7)，未见明显的其他盐类结晶颗粒物，说明弱胶结砂岩内盐类以微质点状形态分布为主。

图7 弱胶结砂岩内可溶盐(石膏)分布电镜图Fig.7 Distribution of soluble salts in weak cemented sandstone by SEM

广义的水岩物理作用主要是指流水对岩石或土壤进行侵蚀，对松散物质进行搬运，最后由于流水动能的减弱又使其搬运物沉积下来[15-16]。狭义的水岩物理作用是指水通过对岩石软化、泥化、冲刷、沉淀等过程，从而改变岩石物理力学性质或微观结构。渗流实验过程中有大量乳白色悬浮物渗出(图8)，当各阶段达到相对稳定状态后，出水水质逐渐变清。

图8 渗流突变阶段水质特征Fig.8 Suspended solids of mutation seepage stage

利用X射线衍射法测试水中悬浮物成分为高岭石黏土矿物。渗流实验悬浮物总量在49.73～59.54 mg，平均为54.60 mg。渗流实验悬浮物渗出量较可溶盐溶出量总体偏小且稳定，占岩样总质量的0.15%～0.41%，占黏土矿物总量的1.05%～2.91%，由此可见，受渗流实验控制参数的影响，水岩物理冲刷悬浮物渗出能力较为有限。根据悬浮物渗出量计算对孔隙度增大贡献率为14.78%～54.20%，可见高岭石悬浮物渗出也是弱胶结砂岩渗透性增强的主要因素。

5 对保水采煤的意义

保水采煤是指在防治采煤突水的同时，对水资源进行有意识的保护，使煤炭开采对矿区水文生态环境的扰动量小于水文环境恢复能力[17-19]。含水层对矿坑进行补给排泄过程中，一方面给煤矿安全开采形成严重威胁，另一方面造成水资源的流失，不利于干旱缺水地区生态环境保护。下面将从2个方面论述弱胶结砂岩的保水采煤指导思路。

(1)弱胶结砂岩孔隙结构储水空间的变异性。

弱胶结砂岩含水层包括粗砂岩、砂砾岩等富水性更强的含水岩组，本次中粒砂岩岩样容水度实测值高达0.28 g/cm3，该含水层犹如一个巨大的“海绵”，可以存储大量的地下水，为生态环境建设、生产生活用水提供了良好的水源，对极度干旱缺水地区而言是非常宝贵的地下水资源。受水岩化学、物理作用的影响，弱胶结砂岩渗流实验后的孔隙度均有所增大，平均增幅为4.16%，砂岩孔隙度的增大直接影响其内部储水空间的大小。含水层静储量的估算运用体积法，即含水层体积与岩层的孔隙率相乘得出，孔隙度与静储量具有同步增大的性质。弱胶结砂岩含水层孔隙结构储水量的增大导致煤矿疏排水工程量及巨额费用，同时由于水量的增大，给煤矿防治水工作造成很大的挑战。

(2)弱胶结砂岩渗透性突变性。

根据弱胶结砂岩渗流实验以及野外抽水试验，含水层在较大规模的动态抽、注水的过程中，微观孔隙结构的变化导致渗透性发生突变或持续增大现象。宏观渗流条件下，含水层介质为多孔介质，包括孔隙、裂隙及溶隙。砂岩含水层中地下水渗流以裂隙流为主，孔隙渗流为辅。从微观角度看，弱胶结砂岩含水层中孔隙水提供水源，裂隙提供主渗流通道。由于构造裂隙的大量存在及三维立体渗流模式，裂隙发育位置附近的孔隙中的可溶盐与黏土矿物更容易在动水震荡扰动中参与到地下水循环中，经抽排水作用从含水层中渗出，导致宏观较微观渗流的含水层渗透性变异程度更高。但是室内试验完全以一维孔隙渗流为主，孔隙内可迁移黏土矿物较难彻底渗出，因此渗透性变化不及宏观渗流，如图9所示。

图9 微观孔隙渗流与宏观孔隙裂隙渗流示意Fig.9 Sketch of microscopic pore seepage and macroscopic pore fissure seepage

根据达西定律，含水层渗透率的数量级式增加，导致矿井涌水量也会相应幅度的剧增，因此西部地区采矿工程需尽量避免对弱胶结砂岩地层采用大规模疏排方案。

综上所述，弱胶结砂岩含水层水体下保水采煤应当遵循“保护性开采、避免大规模扰动”的思路。

6 结 论

(1)研究区长期的蒸发浓缩作用使得侏罗系弱胶结砂岩富含盐分，对弱胶结砂岩孔隙结构有影响。高岭石黏土矿物呈叠层状、书页状、质点状分布于矿物颗粒间或表面，使得弱胶结砂岩孔隙结构更为复杂。

(2)弱胶结砂岩属高孔隙度岩石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布集中的结构特征和强富水能;小孔喉分布较少，渗透性及储水贡献率很小。

(3)在动水扰动渗流作用下，弱胶结砂岩样的孔隙度有明显增大的趋势，可溶盐及高岭石的溶(渗)出是砂岩渗透性增强的主要因素。

(4)根据弱胶结砂岩微观孔隙结构变化规律，提出了有关孔隙结构储水空间变异性以及渗透突变型的保水采煤理念。