巴拉素井田富水煤层顶底板矿物岩石特征研究

方 刚

（1. 中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710054；2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3. 西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054）

0 引言

陕北侏罗纪煤田是我国煤炭主要生产基地之一，中部的榆横矿区（北区）内规划有十余个大型矿井（井田面积在100～300 km2之间），且大多数暂未开发。近年来，区内的小纪汗煤矿、袁大滩煤矿、巴拉素煤矿陆续发现首采的2号煤层富水，该水害问题严重制约着榆横矿区（北区）内各煤矿的发展，且对矿井安全生产构成威胁[1-2]。而该2号煤层在区内的富水性并不均一，存在着相邻的两个井田同一2号煤层具有富水和非富水的明显区别。由此推断，煤层的顶底板围岩的矿物成分、接触关系等岩石特征可能存在着一定的差异。鉴于该现象的特殊性，且目前区内针对富水煤层顶底板围岩开展过的专门研究极少，本文从煤层顶底板岩石的矿物岩石特征等方面开展研究，以期为2号煤层富水现象的探索提供依据。

对于煤层顶底板围岩的岩石特征研究在不同领域已取得了大量收获[3]。研究理论思路方面，张媛媛等[4]通过岩体内的重矿物综合分析，探讨矿层的物质来源和成矿条件；计波等[5]利用沉积学、岩石学、岩石地球化学等理论对岩石的成因进行研究；呼和等[6]基于矿物颗粒智能分割的思路，解决图像分割的难题；徐吉丰等[7]根据“逐级分离”的思想，研究岩石中矿物组分和含量；陈高潮等[8]通过岩石组分和重矿物特征，探索地层基底组成与构造演化的关系；邓广哲等[9]通过研究夹矸层物理力学、化学性质，提出复配专用岩石酸化压裂的工作思路。在研究矿物岩石特征的主要方法手段方面，李焕同等[10]、邢慧通等[11]、张志军[12]和康东雅等[13]利用偏光显微镜、X射线衍射、能谱分析、压汞测试及扫描电镜等方法手段，对煤岩矿物学特征、变质程度、对外部条件（温度、压力等）变化的响应、宏微观特征、构造运动、沉积相演化和物源变化等进行研究；张博等[14]、王朝引[15]基于近红外岩芯光谱扫描技术、沉积相分析法对成矿的沉积环境、层序地层格架、岩石粒径分布、泥砂岩空间展布等进行研究；姜枫等[16]利用卷积神经网络和模糊聚类技术，提出了自动颗粒分割方法，以此提高砂岩薄片鉴定效率；张艳博等[17]综合采用CT技术和数字图像处理技术，构建数字化模型，以此揭示岩石破裂机制；石志祥等[18]通过对煤样的工业分析、全硫分析和发热量分析，对矿物成分、化学成分、微形貌特征等方面进行研究；孙长伦等[19]采用纳米压痕技术研究砂岩中矿物组分的流变特征和本构方程，结合高精测试仪，从细观尺度上研究矿物流变特性；谢妮等[20]研究岩石在不同pH值、Na2SO4溶液浓度及浸泡时间后的力学特征和微观结构特征，以此预防及评价水化学环境对砂岩腐蚀作用。

上述各研究成果将为本文的研究提供参考和借鉴，但针对富水煤层顶底板矿物岩石特征在陕北侏罗纪煤田榆横北区内开展的相关研究工作较为有限。目前区内正在建设多个大型矿井，该研究对于后期各矿井的水文地质及防治水工作具有重要理论意义和实际应用价值。因此，本文对区内富水煤层和其他非富水煤层的顶底板围岩进行对比，通过采用X射线衍射、薄片分析、扫描电镜等方法，对矿物岩石特征进行研究。

1 研究背景

巴拉素煤矿地处陕北侏罗纪煤田榆横北区中部，首采2号煤层（埋深454～547 m，平均埋深约498 m；煤厚2.2～5.2 m），现矿井处于基建阶段。在建设过程中，发现2号煤层富水[2]。而在该煤层底板40～60 m的3号煤层（煤厚4.6～7.8 m）和相邻的大海则井田2号煤层（埋深548～655 m，平均埋深约597 m；煤厚4.4～11.0 m）均未发现含（富）水现象。

普遍认为煤层形成于高温高压的地质环境，为一种致密固态有机可燃沉积岩。一般情况下，煤层形成过程中，自身难以形成丰富的地下水。而巴拉素煤矿2号富水煤层的存在，表明与其他煤层所处环境及水文地质条件必然有着较为明显的区别。因此，将从不同井田的同一煤层、同一井田的不同煤层的顶底板主要岩层入手，重点研究其矿物岩石特征，分析各地层不同岩石类型及矿物组分的差异性，通过对比分析，探究巴拉素煤矿2号富水煤层的围岩特征。

为便于研究及突出重点，将区域内主要地层、煤层进行概化，具体研究侏罗系直罗组下段和延安组1号覆岩、2号覆岩的岩石特征（图1）。

图1 研究区主要地层结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the main stratigraphic structure in the study area

2 岩石分类及特征

利用X射线衍射仪进行矿物组成实验[21]，偏光显微镜进行岩石矿物薄片分析[22]，扫描电子显微镜进行矿物微观形貌观察[23-24]，以此对各岩层的矿物组成及微观特征进行研究。

2.1 矿物组分特征

由于巴拉素井田、大海则井田的2号煤层顶底板主要岩层为砂岩层，采用砂岩碎屑成分三角图投影法[25]对侏罗系直罗组和延安组1号覆岩、2号覆岩的各砂岩样品进行统计分析。结果表明，巴拉素井田直罗组和延安组1号覆岩以长石砂岩为主，延安组2号覆岩则为长石砂岩和岩屑长石砂岩；而大海则井田直罗组为长石岩屑砂岩，延安组1号覆岩为岩屑长石砂岩（图2）。

图2 侏罗系砂岩碎屑组分三角图Fig. 2 Triangulation of Jurassic sandstone clastic composition

通过X衍射实验发现，巴拉素井田侏罗系砂岩以石英、长石和黏土矿物为主，此外在直罗组和延安组2号覆岩还存在少量的黄铁矿；大海则井田侏罗系砂岩以石英、长石和黏土矿物为主，其次是菱铁矿，延安组1号覆岩还存在9.8%的黄铁矿（图3和图4）。从图3和图4中可以看出，巴拉素井田延安组2号覆岩的黏土含量相对较高；另外，大海则井田直罗组、延安组1号覆岩还分别含有11.1%、8.7%的菱铁矿。

结合薄片分析、扫描电镜实验发现，各砂岩样品中主要常见石英、长石等矿物（图5和图6），此外还有高岭石、方解石和黄铁矿等矿物（图7）。

图5 侏罗系砂岩石英镜下特征Fig. 5 Quartz characteristics of Jurassic sandstone under microscope

图6 侏罗系砂岩长石镜下特征Fig. 6 Feldspar characteristics of Jurassic sandstone under microscope

图7 侏罗系砂岩粘土矿物镜下特征Fig. 7 Clay ore characteristics of Jurassic sandstone under microscope

2.2 矿物接触特征

1）磨圆度。通过薄片观察和对比分析，认为巴拉素井田和大海则井田的侏罗系砂岩均以次圆状为主，其次为次棱角状，此外，在部分延安组砂岩中存在少量的棱角状（图8）。

图8 各井田侏罗系砂岩矿物磨圆度Fig. 8 Mineral roundness of Jurassic sandstone in each mine field

2）胶结类型。胶结类型是填隙物（胶结物和杂基）在岩石中的分布、自身结构差异以及颗粒间关系的表征。通过薄片观察发现（图9），各砂岩均以孔隙胶结为主，亦可见基底胶结（大海则井田少量存在）。

图9 各井田侏罗系砂岩胶结类型Fig. 9 Types of Jurassic sandstone cementation in each mine field

3）接触关系。通过各砂岩样品薄片观察可知，直罗组和延安组砂岩矿物均以凹凸接触为主、其次为线接触，同时存在少量点接触（图10）。在延安组2号覆岩的薄片中还能看到少量缝合线接触（图10（c））。

图10 各井田侏罗系砂岩接触关系Fig. 10 Contact relation of Jurassic sandstone in each mine field

3 分析和讨论

根据对各类岩石矿物组分特征的研究发现，巴拉素井田各砂岩中石英含量随深度增大而增加，而大海则井田反之。这反映了煤系地层中各岩层成分与沉积时间顺序的正向关系，同时也反映了两个井田的砂岩不是同一期河流沉积所形成的。此外，赋存于各岩层中的黏土矿物具有亲水性，含量越高，导致地下水无法自由流动的可能性越大；在大海则井田样品中发现含有不等量的菱铁矿，该矿物易在孔裂隙中形成碳酸盐胶结，堵塞孔隙，由此可造成大海则井田孔隙结构比巴拉素井田差。而黄铁矿这类硫化物矿物的稳定性低，易溶于水，常呈溶液态流走，在大海则井田延安组1号覆岩中出现10%的黄铁矿，也说明了该井田的地下水含量相对较少。

通过对各类岩石矿物接触特征研究发现，区内侏罗系砂岩均具有一定的磨圆度，由此可反映出侏罗系直罗组、延安组砂岩处于稳定强水流的沉积特征；同时，部分延安组砂岩中存在少量的棱角状情况，对比反映出延安组砂岩较直罗组而言，富水性相对较差。在延安组砂岩中发现的少量缝合线接触关系，也可以说明该层在沉积过程中受到压溶作用，从而导致富水性的差异。

综上所述，巴拉素井田和大海则井田2号煤层顶底板岩层的矿物类型虽然相似，但组分含量、赋存状态及反映出的沉积环境差异较大，从微观角度出发，矿物组分和接触关系特征可明显体现出巴拉素井田2号煤层顶底板岩层的特殊性，由此导致对2号煤层富水性的影响效果也较为突出。

4 结论

1）通过对研究区各地层主要砂岩层的矿物组分特征分析，发现巴拉素井田、大海则井田的直罗组和延安组砂岩以长石砂岩、长石岩屑砂岩及岩屑长石砂岩为主，矿物成分主要为石英、长石、黏土矿物，大海则井田的侏罗系砂岩中还有一定量的菱铁矿和黄铁矿。

2）根据对各砂岩中不同矿物组分情况分析，如石英、黏土矿物含量，菱铁矿、黄铁矿含量及聚集状态等，认为巴拉素井田和大海则井田2号煤层的顶底板砂岩结构存在明显区别；根据矿物接触特征分析，发现直罗组与延安组存在一定差异。上述两类条件可能是造成区域内不同井田、同一2号煤层的富水情况具有天壤之别的原因之一。

3）通过开展2号煤层顶底板矿物岩石特征研究，同时与相邻的大海则井田进行对比，发现了巴拉素井田2号煤层的围岩可能为充水提供了环境条件和补给能力，并揭示了大海则井田2号煤层非富水的围岩环境特征。该研究为后期开展煤层富水机理、展布规律等研究奠定了一定的理论基础，并提供了参考和指导。