顶板水害是深部煤层开采中典型的工程地质问题,其成因主要源于采动应力场与渗流场的耦合作用。该耦合效应促使导水裂隙扩展并贯通至顶板含水层,最终引发涌水或溃水灾害
[1]。中国西部矿区顶板水害事故逐年上升,已成为制约矿井安全高效开采的首要威胁
[2-3]。作为中国西部最大的整装煤田
[4],鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田顶板水害问题尤为突出,其中,白垩系洛河组砂岩含水层是主要的突水水源
[5]。该含水层具有厚度大、富水性强及突水风险高等特点,且在垂向上呈现显著的非均质性:根据富水性可划分为下段和上段,上段砂岩孔隙发育,构成主要导水通道
[6]。这种孔隙结构的空间异质性直接控制着顶板水害的发育程度。值得注意的是,目前在涌水量预测计算时,常将水平与垂直渗透系数简单取为5倍关系,缺乏充分科学依据。因此,开展洛河组砂岩微观孔隙特征研究,厘清渗透性的空间差异性是实现顶板水害精准防控的理论基础
[7]。
近年来,随着测试技术与数值模拟方法的不断进步,学者们对洛河组砂岩含水层开展了多维度研究,内容涵盖宏观特征、微观结构及工程防控等多个方面。在宏观水文地质特征方面,李超峰等
[8-9]构建了综合富水性指数模型,通过融合地层岩性、厚度和孔隙度,给出了含水层垂向富水性分级标准。郭小铭等
[10]通过水文地质探查,发现洛河组砂岩渗透性随埋深呈指数衰减,上段单位涌水量约为下段的7倍。在微观孔隙结构方面,冯洁等
[7]综合运用铸体薄片、压汞实验和核磁共振技术,揭示了砂岩微观孔隙结构与富水性的响应机制。刘宗宾等
[11]研究发现,孔喉连通性及连通孔喉体积分数是控制流体赋存特征的关键因素。Ji等
[12]针对黄陇煤田洛河组砂岩的研究结果表明,粗砂岩与中砂岩构成主要渗流通道,为高家堡煤矿等工程的层位优选与注浆防控提供了关键依据。郭春芬等
[13]通过铸体薄片、扫描电镜和高压压汞实验,系统表征了鄂尔多斯盆地黄陵地区长6段致密砂岩的微观孔隙结构,明确了不同级别孔吼对渗透率和孔隙度的贡献差异,指出孔吼半径大于0.5 μm是渗透率非均质性的主控因素。在工程应用方面,杜文斌等
[14]通过抽水试验证实,洛河组上、下段水力联系较弱,为“分层防治”提供了依据。曾一凡等
[15]系统阐述了中国不同类别煤层顶板水害的致灾机理,并提出具备高度操作性的防控路径,对构建全国性顶板水害防控技术体系具有重要推动作用。Cui等
[16]通过微震空间聚类与多指标动态评估相结合,实现了导水裂隙带演化的三维精准识别,并建立了顶板水害风险分级预警模型。此外,在采动条件下渗透性动态响应研究中,杜锋等
[17]提出的“采动岩体等效大井法”强调了覆岩渗透系数在开采过程中的动态演化特征。张吉雄等
[18]在彬长矿区巨厚砂岩顶板研究中发现,冲击动载与水体渗流耦合作用会显著改变煤岩体孔隙结构与渗透路径。上述研究成果表明,采动应力与渗流的耦合作用是控制顶板水害演化的核心机制。
尽管已有研究取得显著进展,但当前研究体系仍存在一定局限。如现有孔隙结构研究多聚焦于垂向差异,对水平方向因沉积构造与层理引起的渗透性各向异性关注不足,而后者是控制突水优势路径的关键因素;同时,针对不同采深、岩性等地质条件下孔隙结构的演化规律认识尚不充分,对采动过程中微观结构动态响应的研究亦较为薄弱。
针对上述瓶颈,以新庄煤矿洛河组砂岩为研究对象,采用低场核磁共振技术(共振频率12 MHz,磁场强度0.3 T)开展研究。该技术能够对全尺寸岩心进行不同方向(垂直、平行层理)的一体化、无损检测,实现对孔隙结构、可动流体赋存与渗流能力的同步可视化表征,克服了传统方法(如压汞法)难以直接评价各向异性的局限。系统开展了不同采深(505~814 m)、岩性(细砂岩、中砂岩和粗砂岩)及方向的对比研究,旨在定量揭示沉积层理控制下渗透性各向异性的微观机制,并阐明其与宏观裂隙网络共同构成的“双孔隙介质”渗流特征,以期为西部矿区顶板水害的精准预测与分层防治提供坚实的微观结构理论基础和数据支持。
1 研究区概况
1.1 地质背景
新庄井田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡带的西南部,南邻渭北挠褶带,西连天环坳陷。如
图1所示,井田地层属华北地层区鄂尔多斯分区焦坪-华亭小区,自下而上发育侏罗系中统延安组(J
2y)、直罗组(J
2z)和安定组(J
2a),白垩系下统志丹群宜君组(K
1y)、洛河组(K
1l)、环河华池组(K
1h)、第四系(Q),其中延安组是区域内的主要含煤地层。矿区构造较为简单,自西向东发育5个NE-NEE向展布的背斜和向斜构造
[19]。
1.2 水文地质特征
研究区含水层系统自上而下可分为:①第四系孔隙潜水含水层;②环河华池组砂岩裂隙含水层;③洛河组砂岩孔隙-裂隙含水层;④煤层顶板侏罗系砂岩裂隙含水层。其中,洛河组砂岩孔隙-裂隙含水层在全井田均有发育,首采区洛河组砂岩含水层厚度380~440 m,孔隙度10%~20%,渗透系数0.10~0.71 m/d,单位涌水量0.620~1.731 L/(s·m)。根据岩性、测井资料等综合资料,洛河组可进一步划分为上、下段:上段岩性以中、粗砂岩为主,细砂岩次之,局部夹少量薄层泥岩,单位涌水量0.704~1.222 L/(s·m),导水系数158.00~297.67 m2/d,贮水系数2.22×10-4~5.57×10-4,富水性中等~强;下段岩性以砂、泥岩互层,薄层砂岩为主,泥岩层明显增多,单位涌水量0.09~0.35 L/(s·m),导水系数12.43~47.07 m2/d,贮水系数7.15×10-5~1.67×10-3,富水性明显弱于上段。
1.3 采样位置与特征
研究样品取自新庄井田的X1水文地质钻孔(
图2),采样深度505~814 m,涵盖洛河组上、下段不同岩性。如
图3所示,X1钻孔的洛河组下段以沙丘夹丘间亚相为主,潜水位波动显著,发育水平层理和波状层理,自然伽马曲线呈高幅齿形-指形,反映泥质薄层发育;岩性组合为泥岩-粉砂岩-细砂岩互层,可见方解石充填裂隙。洛河组上段中下部为沙漠扩张鼎盛期,以沙丘亚相为主,伴生旱谷亚相,测井曲线呈现典型的低幅平直特征;岩性为紫红色中粒砂岩,具高结构-成分成熟度,以接触-孔隙式钙铁质胶结为主,发育斜层理和平行层理。洛河组上段上部受潜水位快速上升影响,粒度向上变细,发育沙丘夹丘间亚相,岩性为中-细砂岩夹粉砂质泥岩,测井曲线呈对称齿形-漏斗形-箱形组合。
1.4 X1钻孔现场抽水试验
在新庄井田工程现场,对X1钻孔的洛河组上段和下段分别进行抽水试验,抽水设备选用具有大孔径、大降深、大流量性能的潜水泵,以便最大限度地揭露水文地质条件,并采用AquiferTest软件计算水文地质参数。其中,洛河组上段抽水试验起止深度459.00~742.00 m,下段抽水试验起止深度742.00~918.65 m。
抽水试验结果显示,X1钻孔洛河组砂岩上段和下段的单位涌水量分别为1.222、0.327 L/(s·m),渗透系数分别为0.47、0.35 m/d,导水系数分别为297.67、47.07 m2/d,储水系数分别为5.57×10-3、1.67×10-3。
2 样品制作及编号
选取X1钻孔洛河组上段细砂岩(F)、中砂岩(M)、粗砂岩(C)及下段中砂岩(M)、细砂岩(F)典型层位无裂隙的岩样,采用线切割技术制备水平向和垂向标准圆柱状试样(
ϕ25 mm×50 mm),共获取10组定向样品(
图4)。样品采用“钻孔-粒径-采深-方向”四级编码体系,如X1-1F-505水平向表示取自X1钻孔505 m采深细砂岩水平向(平行层理)试样,X1-1F-505垂向为同点位垂向(垂直层理)试样。
3 实验方法
3.1 岩样预处理
采用NM-V真空加压饱和装置对砂岩样进行抽真空处理,然后采用8 MPa压力进行加压饱水24 h,获得饱水样。采用转速2 000 r/min、离心时间30 min、离心温度25 ℃的参数,对饱水岩样进行离心,获得离心样。
3.2 岩样测试
采用纽迈公司MacroMR12-150H-I低场核磁共振设备,分别测量砂岩在饱水和离心状态下的T2谱,研究砂岩样品的核磁孔隙度、渗透率、自由流体饱和度等物性参数。两种状态岩样的核磁共振测试均采用相同参数,CPMG脉冲序列、回波时间0.1 ms,回波个数2 000 ms,等待时间3 000 ms,扫描次数8次,环境温度25 ℃。
4 实验结果与分析
4.1 孔隙度
表1统计了不同采深、岩性及方向(水平/垂向) 的砂岩样孔隙参数的测试结果。其中,总孔隙度为岩样中全部孔隙体积占岩石总体积的比例,而有效孔隙度为仅包含相互连通且对流体流动有效的孔隙体积占岩石总体积的比例。采用孔隙度各向异性系数
λ表示孔隙度的各向异性程度,定义
λ为水平向的总孔隙度(${{\varphi }_{h}}_{total}$)与总垂向孔隙度(
ϕvtotal)之比,或是水平向的有效孔隙度(
ϕheff)与有效垂向孔隙度(
ϕveff)之比,总孔隙度各向异性系数
λtotal(或有效孔隙度各向异性系数
λeff)越大,说明孔隙度各向异性程度越大。
实验数据表明,岩样水平方向的总孔隙度普遍高于垂向,
λtotal介于0.99~1.17;
λeff范围为1.08~2.21。具体而言,X1-1F-505、X1-2M-576、X1-3C-637、X1-4M-788、X1-5F-814岩样的总孔隙度各向异性系数分别为1.17、0.99、1.03、1.01、1.11,均接近1,说明水平与垂向总孔隙度差异较小。而相应岩样的有效孔隙度各向异性系数分别为2.21、1.13、1.38、1.07、1.16,反映岩样内部孔隙结构在水平向上存在明显优势通道。这一现象与成岩过程中沉积层理的分异作用密切相关
[20]。这一发现对水文地质建模具有明确指导意义。常规勘查中,渗透性参数常基于垂向钻孔数据估算,可能低估水平方向的输水能力。量化的有效孔隙度各向异性系数(
λeff=1.07~2.21)表明,在构建顶板水害涌水量预测模型时,有必要区分水平与垂向的储水与输运参数,以避免因忽略各向异性而导致的预测偏差,从而为“精准防控”提供更可靠的数据基础。
4.2 孔径分布特征
饱水岩样的
T2谱形态是判断岩样孔隙大小分布特征的重要依据。依据核磁共振原理,短的
T2弛豫时间对应小孔隙,长的
T2弛豫时间对应大孔隙和微裂隙,这一理论已在相关研究中得到广泛验证
[21]。参照文献[
22]中提出的经典孔隙分类方法,可将
T2谱弛豫时间按照不同区间进行孔隙类型划分:
T2弛豫时间介于0.01~1 ms定义为微小孔,这类孔隙尺寸极小,对流体的束缚作用较强;1~10 ms定义为小孔,在岩层中起着一定的流体存储和传输作用,10~100 ms的归为中孔,其在岩石的渗流特性中是关键通道;100~10 000 ms的则定义为大孔及微裂隙,大孔能够为流体提供相对畅通的流动通道,微裂隙的存在则可能极大地改变岩石的渗透性能和力学性质。
图5展示了各个岩样在两个方向(水平向与垂向)的孔径分布情况。
如
图5(a)所示,X1-1F-505水平向岩样的
T2谱显示两个明显峰型:2.899 ms处的小孔峰(占比64.8%)和38.720 ms处的中孔峰(占比35.2%),表明小孔在储渗体系中占主导,中孔则对渗流具有重要贡献。相较之下,垂向岩样仅见一个1.290 ms的小孔峰,中孔区域信号微弱,孔隙发育整体弱于水平向。
如
图5(b)所示,X1-2M-576水平向岩样
T2谱在0.383、5.111、28.005 ms处分别出现微孔、小孔及中孔峰,表明孔隙在全尺度均有分布。垂向谱峰类型相同,但中孔峰面积较水平向增大5.25%,且弛豫时间略小(25.826 ms),微孔与小孔峰面积则略减。整体上,垂向孔隙度略高于水平向。
如
图5(c)所示,X1-3C-637水平向岩样
T2谱在0.326、4.347、166.382 ms处分别出现微孔、小孔及大孔/微裂隙峰,大孔与微裂隙显著改善渗流能力。垂向谱峰位置略向右偏移(0.326、4.714、180.419 ms),表明对应孔隙孔径稍大,但三类孔隙峰面积均减小(降幅2.17%~7.63%),反映垂向孔隙数量较少,总体发育程度弱于水平向,可能影响流体存储与传输能力。
如
图5(d)所示,X1-4M-788岩样在水平和垂向均显示小孔峰(水平2.674 ms,垂向2.274 ms)和中孔峰(41.987 ms),且微孔区域均见坡肩,反映微孔广布但较分散。垂向小孔弛豫时间左移,孔径偏小,但峰面积更大,可能源于孔隙数量增多或连通性改善;中孔峰面积略减1.63%,可能轻微影响储渗性能的各向异性。
如
图5(e)所示,X1-5F-814岩样在水平与垂向均显示小孔峰和中孔峰。垂向
T2值左移(小孔:1.190 ms,中孔:28.005 ms),表明孔径偏小;同时峰面积减小(小孔降5.49%,中孔降11.21%),反映孔隙数量减少,尤其中孔更为明显。
通过对相同采深及岩性的饱水砂岩样品进行核磁共振T2谱分析,系统比较了水平与垂向的孔隙结构特征。结果表明,在岩性与深度相同的条件下,水平与垂向的孔隙类型组成高度一致,且主要孔隙的T2区间在不同方向间保持稳定。方向性差异主要体现在某些孔隙的孔径和数量(峰面积)上,而非孔隙类型的根本变化。部分样品在垂向上出现峰面积增大或弛豫时间右移,反映局部孔隙更发育或孔径略大,但仍属微观非均质性范畴,未改变孔隙系统的基本结构。因此,对于该类砂岩,取样方向并非孔隙类型分布的主控因素,这可能源于一致的沉积与成岩历史。建议在孔隙结构评价中应更重视岩性及成岩背景的控制,而方向性差异需基于大量样本进行统计评估。
4.3 可动流体赋存特征
图6为岩样离心前后的孔径分布。其中,
T2截止值(
T2cutoff)是区分可动流体和束缚流体间分界阈值的关键参数
[23],对评估岩石储层性能、流体运移特性行为具有重要意义。该值的确定方法如下:分别绘制饱水和离心砂岩
T2谱孔隙度累积曲线,将离心后曲线的最大孔隙度值水平投影至饱水曲线上,交点对应的
T2值即为
T2截止值
[24]。
如
图6所示,各岩样在水平与垂向上的
T2截止值分别为:X1-1F-505(19.269、19.583 ms)、X1-2M-576(17.401、21.621 ms)、X1-3C-637(251.444、401.667 ms)、X1-4M-788(22.115、22.820 ms)、X1-5F-814(24.154、22.556 ms)。粗砂岩(以X1-3C-637为代表)的
T2截止值表现出显著的方向差异:水平向值较低,指示更多可动水和更好流体流动性;垂向值较高,反映束缚水含量更高、流动能力受限。其余岩样在两个方向上的
T2截止值接近,说明方向性对其流体可动性影响较弱。
通过对比饱水与离心状态下的孔隙度分量曲线(
图6),可进一步揭示流体分布规律:可动水主要赋存于
T2>10 ms的中孔、大孔及微裂隙中,该类孔隙连通性好、渗流能力强;束缚水则集中于
T2<10 ms的微小孔隙内,孔喉细小、连通性差,具有较强的毛细束缚作用。该结果与已有认识
[11]一致,支持本研究的可靠性。
离心过程中,
T2<10 ms的微小孔表现出3种响应状态:①
图6(a)、
图6(b)类,峰位与峰强基本不变,反映处于全封闭系统中的束缚水难以被离心力驱替;②
图6(c)~
图6(f)类,峰位右移且峰值降低,表明部分连通微小孔中的流体被甩出;③
图6(g)~
图6(j)类,峰位右移且峰值增大,推测离心力增强了微孔连通性,导致部分微孔向小孔转化,孔隙水重新分布。这一结果有助于深化对离心过程中微小孔内流体动态行为机制的理解,为岩石孔隙结构与流体分布研究提供依据。该结果从微观层面界定了防控的关键目标空间,明确可动流体主要赋存于
T2>10 ms的中孔、大孔及裂隙中,这指示了在工程防治中(如注浆封堵),需要优先针对这部分连通性好的孔隙-裂隙网络进行干预,才能有效阻断水源。而对
T2<10 ms的微小孔(束缚水为主),则可降低其工程处理的优先级,从而实现技术经济性的优化。
4.4 渗透率
渗透率是表征岩体微观孔隙结构连通性的关键宏观参数,也是控制地下水渗流动力学行为的重要影响因素。结果表明,砂岩渗透率表现出明显的各向异性特征,水平向渗透率普遍高于垂向渗透率。为定量描述渗透率的各向异性程度,引入渗透率各向异性系数(
γ),其定义为水平渗透率(
kh)与垂向渗透率(
kv)之比,即
γ=
kh/kv。
γ值越大,表明渗透率的各向异性越强。具体实验数据如下:X1-1F-505、X1-2M-576、X1-3C-637、X1-4M-788、X1-5F-814岩样的各向异性系数
γ分别为9.81、1.47、2.47、1.30、1.75(
图7)。这一渗透率的各向异性特征与沉积过程中形成的优势层理结构密切相关,反映出原生沉积构造对渗流通道空间分布具有显著控制作用
[25]。
与孔隙度相比,渗透率在空间上表现出更为显著的方向差异性,尤其在粗砂岩中更为明显。这一差异主要源于岩体内孔隙系统的二元结构特征,即连通孔隙与封闭孔隙的共同存在
[26]。其中,连通孔隙形成流体输运的主要通道网络,其空间分布直接控制渗透率的各向异性程度;封闭孔隙虽对总孔隙度有贡献,但对渗透率的贡献可忽略。因此,渗透率更能准确表征岩体的有效渗流能力。
抽水试验所获得的渗透系数代表含水层的宏观综合渗透性能,而室内实验测定的是岩石基质本身的微观渗透性,二者差异通常源于裂隙发育或地层非均质性。根据抽水试验结果,洛河组砂岩上段渗透系数为0.47 m/d(约55.7 mD),下段为0.35 m/d(约41.5 mD),而室内岩样所有渗透率均在6 mD以下,显著低于野外数据。这种数量级的差异表明,裂隙对研究区含水层导水能力起主导作用,宏观渗透性能主要受裂隙网络控制,基质孔隙的影响较小。该现象揭示了该层段洛河组砂岩典型的“双孔隙介质”特征
[27],在开采过程中应重点关注裂隙系统的空间分布规律及其对水文地质条件的影响。这一“双孔隙介质”认识是顶板水害防治策略升级的核心依据。它明确指出,宏观渗流(及突水通道)由裂隙网络主导,而基质孔隙的各向异性则影响水的存储与侧向补给。因此,工程防控的重点必须从“均质含水层”概化转向对“裂隙系统”的精准识别与治理。例如,疏水降压设计应着眼于有效疏放裂隙水;注浆堵水材料与工艺需针对高流速裂隙通道进行研发和优化。研究揭示的显著渗透率各向异性(
γ最大达9.81),进一步警示在水平方向上存在优势渗流路径,在布置防治工程时应予以充分考虑。
4.5 核磁成像特征
图8展示了各岩样的核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)结果,图像采用蓝-红色谱表征孔隙水信号强度(蓝色代表无信号,对应致密基质;红色代表高信号,反映优势渗流通道)。
图8(f)~
图8(j)的垂向图像显示出明显的沉积层理诱导的各向异性,说明原生沉积构造对孔隙网络空间结构具有控制作用。
结合
图4岩样的宏观特征,洛河组上段细砂岩X1-1F-505[(
图8(a)、
图8(f)]垂向层理较为发育,导致孔隙连通性显著降低。该样品在弛豫时间小于10 ms区间的孔隙体积在离心前后基本不变,表明其以微纳米级孔隙为主、喉道连通性较差,最终使得渗透率各向异性系数高达9.81。相比之下,同属细砂岩的洛河组下段样品X1-5F-814[
图8(e)、
图8(j)]垂向层理较少,渗透率各向异性系数降低至1.75,说明层理发育程度与各向异性强度呈正相关关系。中砂岩的垂向各向异性表现出地层差异:洛河组上段中砂岩[
图8(b)、
图8(g)]垂向层理不发育,而下段中砂岩[
图8(d)、
图8(i)]则层理较为明显。洛河组上段粗砂岩[
图8(c)、
图8(h)]孔隙分布相对均匀,未呈现显著层理构造。
综上所述,MRI结果清晰地揭示了沉积层理是控制砂岩渗透性各向异性的关键微观地质因素。层理发育程度直接决定了孔隙-喉道网络的空间结构,进而显著影响流体的渗流路径与能力。
通过低场核磁共振技术,实现了从微观机制到工程应用的贯通性认识。在方法上,系统应用该技术,实现了对全尺寸岩心孔隙结构、渗流能力及流体可动性的一体化、定量化表征,克服了传统方法的局限。在机理上,不仅定量揭示了沉积层理是渗透性各向异性的主控因素,还明确了研究区含水层“裂隙主导宏观流、基质孔隙控制各向异性存储”的“双孔隙介质”本质。在应用价值上,这些认识为顶板水害的精准预警(如聚焦层理发育区)和防治工程的技术升级(如针对裂隙系统的疏、堵、监)提供了直接的微观结构理论依据。所得的关键量化参数(如各向异性系数、T2截止值),为构建更符合地质实际的数值模型、推动水害防控从“经验判断”向“机理预测”的跨越奠定了坚实基础。
5 结论
通过核磁共振实验与水文地质测试相结合,系统揭示了鄂尔多斯盆地新庄煤矿洛河组砂岩的微观孔隙结构特征、渗透性各向异性及其对顶板水害的控制机制。得出如下主要结论。
(1)孔隙结构与渗透性呈现显著各向异性,受沉积层理控制。水平方向有效孔隙度明显高于垂向(λeff=1.07~2.21),且渗透率各向异性显著(γ最大达9.81),MRI图像显示层理发育程度与各向异性强度正相关,表明沉积构造是影响孔隙网络结构与渗流优势方向的主控因素。
(2)可动流体主要赋存于中大孔隙及裂隙中,微观孔隙连通性决定流体可动性。T2截止值分析表明T2>10 ms的中孔、大孔和微裂隙为可动流体主要储集空间,T2<10 ms的微小孔则以束缚水为主。离心实验揭示三类孔隙响应模式,进一步证实孔隙连通性对流体可动性的控制作用。
(3)裂隙系统主导宏观渗流,含水层具典型“双孔隙介质”特征。抽水试验渗透系数(0.35~0.47 m/d)远高于室内岩心结果(<6 mD),表明宏观渗流主要由裂隙网络控制,基质孔隙贡献有限。该特征揭示突水风险高度依赖裂隙发育与空间分布,工程防治中应重点考虑裂隙导向的导水通道与动态监测。
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