大佛寺井田位于陕西彬长矿区南部，属特大型现代化矿井。洛河组含水层是煤炭开采过程中具威胁性的涌突水水源之一，为保证煤炭资源安全回采，有必要对洛河组含水层的富水分布进行深入研究。相关研究显示，微观孔隙结构和富水性有直接的联系，微观孔隙结构越好，富水性越强[1-4]。目前研究岩石微观孔隙结构的方法有很多，包括扫描电镜、铸体薄片、X射线衍射、常规压汞实验、恒速压汞实验、核磁共振实验、CT扫描技术、孔渗测试等[5-6]。吴小斌[7]通过铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、X射线衍射、孔渗测试多种实验方法，分析了岩石的孔隙和喉道类型，认为成岩缝和溶蚀作用的发育是改善研究区储层储集空间和渗透性能的主因，压实作用和胶结作用则起到减弱作用；WU Chao等[8]运用核磁共振实验对3组相同浓度酸液浸泡过的不同粒度砂岩的孔隙结构进行测试，以研究酸对砂岩孔隙的腐蚀破坏机理。笔者在微观孔隙结构研究的基础上，选取了主控因素，建立了富水性评价模型，绘制了富水性分区图。

1 研究区概况

大佛寺井田位于陕北黄土高原南部，地形标高总趋势为西南部高，向东北部逐渐降低。属泾河水系，泾河从煤矿东北部边缘流过，在井田范围内包含多条支流，矿区内雨热同期，年降雨量变化大，降雨量小，蒸发量大，常出现干旱。

井田构造主体是褶皱，主要是两期构造活动形成的。第一期是走向近东西、倾向近北的波状单斜构造，在单斜构造背景上叠加了一系列北东东向与北北西向的宽缓褶皱构造并伴生有小型断裂构造。地层产状、构造类型、构造形态均说明本区侏罗系以上地层未经受强烈的构造挤压和变形，构造属于中等类型。

矿井主采4号煤层，煤层平均厚度13.5 m，属特厚煤层。矿井生产能力800万t/a，采用综采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。含水层从上至下依次为第四系、小章沟组下部、洛河组、宜君组、直罗组、延安组，隔水层从上至下依次为小章沟组上部、华池组、安定组。

矿井断层成因为褶皱构造伴生，多为断距小于5 m 的压扭性正断层，不构成规模性的涌(突)水通道，矿井最主要的涌(突)水通道为导水裂缝带。煤层开采过程中先后出现了多次突水事故，经导水裂缝带发育高度实测、洛河组含水层水文长观孔水位观测、涌水特征分析及突水水样水质化验等方法综合分析，认为这些突水事故主要由导水裂缝带导通洛河组含水层导致。大佛寺井田褶皱构造如图1所示，图中字母加数字及数字表示钻孔号(下图同)。

2 不同粒度砂岩的微观孔隙结构研究

不同粒度砂岩的富水性能不同，根本原因在于储水空间及空间之间连通状况的差异，即微观孔隙结构不同。储水空间主要指孔隙，连通空间指孔喉，孔喉本质上是孔隙的狭窄部分，是孔隙连通的“咽喉”。孔隙类型分布是微观孔隙结构的直接表征，砂岩的粒度差异会直接导致孔隙类型分布的不同，孔隙度和渗透率也会有所不同。一般来讲，砂岩的孔隙类型分布中大孔径孔隙占比越高，说明孔隙类型分布越好，孔隙度和渗透率的数值越大，砂岩的富水性会越好。基于以上分析，选择了核磁共振实验来研究岩样的孔隙类型分布，使用气测孔渗仪测试岩样的孔隙度和渗透率，进一步研究粒度与微观孔隙结构之间的内在联系以及不同粒度砂岩富水性能的差异。

2.1 孔渗测试

使用钻样机、切片机和研磨抛光机将岩芯制成直径2.5 cm、长度2.5 cm的圆柱体岩石试样，如图2所示。

试样中，5-21至5-24为研究区洛河组典型储水细粒砂岩，5-1、5-2、5-11为研究区洛河组典型储水中粒砂岩，5-7、5-9、5-10、5-12、5-14、5-16、5-19为研究区洛河组典型储水粗粒砂岩。将制成的圆柱体试样放入鼓风干燥箱中101 ℃ 烘干4 h，彻底去除试样孔隙中的自由流体和束缚流体。将其放入岩样室，录入试样的体积和相关参数，打开真空泵将岩样室抽真空，通入氮气，岩样室的一端有气体流量检测装置，由此测试出岩样的孔隙度和渗透率数值。气测孔渗仪实物如图3所示。

2.2 核磁共振实验

根据核磁共振实验理论，孔隙中的水弛豫时间是确定的，即孔隙水中氢离子磁化弛豫时间越长，孔隙越大。因此，T2谱图中弛豫时间可以代表不同大小的孔隙，信号强度可以代表相对应尺度孔隙的数量。对不同粒度砂岩充分饱水，之后进行核磁共振实验，不同砂岩T2谱图如图4所示。T2谱图峰总面积相当于孔隙总体积，除以试样体积，即为试样的孔隙度。T2谱图峰的位置受孔隙尺度影响，当大孔径孔隙数量多，峰位置靠近横轴弛豫时间大的那一边；反之，当小孔径孔隙数量多，峰位置靠近横轴驰豫时间小的那一边。

由图4可以看出，细粒砂岩T2谱图的主峰靠近左边，表明细粒砂岩以发育小孔径孔隙为主；中粒砂岩T2谱图发育2个峰，2个峰的峰高、峰面积都相近，表明中粒砂岩小孔径孔隙与大孔径孔隙发育程度相当；粗粒砂岩T2谱图的主峰位置靠近右边，表明粗粒砂岩以发育大孔径孔隙为主。

根据孔渗测试、核磁共振实验可知，岩石的微观孔隙结构与粒度有直接关系，微观孔隙结构又直接影响着岩石的富水性，故岩石的粒度大小直接影响着岩石富水性能的强弱。

2.3 不同粒度砂岩富水性差异研究

依据孔渗测试和核磁共振实验，得到不同粒度砂岩的微观孔隙结构表征数据，见表1。由表1可以看出，岩石的粒度越大，微观孔隙结构中大孔径孔隙所占比例越高，孔隙度和渗透率数值越大。岩石的渗透率反应介质的补径排条件，在漫长的地质年代中，渗透过程持续进行，因此渗透率不是富水性强弱的充分条件。岩石孔隙度是储水空间和补径排条件的综合反应，孔隙度在一定程度上决定了富水程度的上限，用孔隙度大小来表征富水性强弱较为科学。基于此，岩石孔隙度可以作为不同粒度砂岩富水性差异研究的依据。根据实验数据分析，细粒砂岩富水性是同体积粗粒砂岩的0.57倍，中粒砂岩富水性是同体积粗粒砂岩的0.76倍。

3 洛河组含水层平面富水分布研究

以往在预测含水层的富水性时，总是简单地将含水层中的砂岩和砾岩厚度相加得到含水层厚度指标，并未考虑不同粒度砂岩对富水性的不同贡献度，事实证明这样做不科学。因此，引入含水层等效厚度指标代替含水层厚度指标。通过分析洛河组含水层的水文地质特征，认为储水空间特征、孔隙裂隙特征及补径排特征3个方面最能影响含水层的平面富水分布，影响洛河组含水层平面富水分布的主控因素有含水层等效厚度、砂地比、岩芯采取率、冲洗液漏失量、渗透系数。

3.1 含水层等效厚度

一般而言，砂岩、砾岩等岩段属于含水层，粉砂岩、泥岩等岩段属于隔水层。不同粒度砂岩的富水性能是不同的。根据上文所述，中粒砂岩的富水性能是同体积粗粒砂岩的0.76倍，细粒砂岩富水性能是同体积粗粒砂岩的0.57倍。引入含水层等效厚度指标H，如式(1)所示。

H=a+b+k1·c+k2·d

(1)

式中：a、b、c、d——砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩的厚度，m；

k1——中粒砂岩与粗粒砂岩的富水性换算系数，取0.76；

k2——细粒砂岩与粗粒砂岩的富水性换算系数，取0.57。

洛河组含水层等效厚度如图5所示。由图5可以看出，含水层等效厚度西部厚东部薄、南北厚中部薄。

3.2 砂地比

砂地比指洛河组含水层砂砾岩段总厚度与地层总厚度的比值，是一个反应沉积环境的指标。砂地比值越大代表沉积物的粒度越粗，微观孔隙结构越好，富水性也相应越好；反之，砂地比值越小代表层位含泥质越多，说明沉积物的粒度平均较细，富水性相应变差。

洛河组含水层砂地比如图6所示。由图6可以看出，井田范围内洛河组含水层的砂地比普遍较大，看不出明显差异。

3.3 岩芯采取率

岩芯采取率是用来衡量岩体质量的指标，岩石性脆、胶结差、孔隙裂隙发育时，岩芯采取率就低。研究区内构造格局主体是褶皱，岩体裂隙主要是构造裂隙。裂隙越发育，岩芯采取率越低，富水性越好；反之，则富水性差。洛河组含水层岩芯采取率如图7所示。由图7可以看出，井田东部和南部岩芯采取率较低，西北部岩芯采取率较高。

3.4 冲洗液漏失量

钻探施工中，冲洗液起到了运移岩粉的作用。地层的孔隙、裂隙发育，冲洗液会在钻压的作用下被压入地层中，被地下水带走，冲洗液的损失量称之为冲洗液漏失量。冲洗液漏失量反映了岩层的孔隙裂隙发育状况。冲洗液漏失量越大，孔隙裂隙越发育，储水空间、补径排条件越好，富水性越强；反之，富水性则差。洛河组含水层冲洗液消耗量如图8所示。由图8可以看出，井田西部的冲洗液漏失量较小，东部的冲洗液漏失量较大。

3.5 渗透系数

渗透系数是含水层重要的水文地质参数，表征含水层的补径排能力。洛河组含水层水的平均水温16 ℃，动力粘滞性指数1.115×10-6 kPa/s，流体密度0.998×103 kg/m3。将渗透率换算为渗透系数，结合矿井历年渗透系数数据，绘制渗透系数分布如图9所示。由图9可以看出，井田内洛河组含水层的渗透系数呈明显的规律性，由东向西逐渐变大。

3.6 富水性指标权重确定

层次分析法(AHP)和熵权法都是比较成熟的赋权方法。AHP法以专家打分为赋权依据，较为主观；熵权法基于指标数据的变异性大小确定权重，较为客观。将2种方法取平均值进行综合赋权，既排除了人为因素的影响，又克服了异常数据的干扰，最大程度保证了指标赋权值的科学性，这种方法叫做综合赋权法。不同赋权法富水性指标计算结果见表2。通过比较分析，最终决定使用综合赋权法确定各个指标的权重。

3.7 富水性分区

无量纲化是将不同物理量放在同一水平计算分析的基础，笔者采用极值法进行无量纲化处理。将处理过后的无量纲指标进行加权叠合，构建洛河组含水层富水性评价模型。引入富水性指数D，D值越大，富水性越强。富水性评价模型表达式：

(2)

式中：fj(x，y)——第j个主控指标的单信息影响值函数，j=1、2、3、4、5。

使用Arcgis软件，将无量纲矢量专题图转换为栅格专题图，利用软件强大的栅格数据处理功能，按照富水性评价模型对各专题图进行叠加。使用软件内嵌的自然间断法进行富水性指数分级，将井田富水区域分为5类。洛河组含水层富水性强弱分区预测如图10所示。由图10可以看出，井田富水性强度由东向西逐渐增强，西南角和北部局部区域的富水性强。

4 结论

(1)借助核磁共振实验和孔渗测试，对不同粒度砂岩的微观孔隙结构进行研究，进而明晰砂岩粒度与微观孔隙结构之间的内在联系及不同粒度砂岩富水性能的差异。研究表明，洛河组含水层砂岩的微观孔隙结构与粒度有直接联系，粒度越粗，大孔径孔隙占比越高，孔渗数值越大，微观孔隙结构越好，富水性能越强。

(2)不同粒度砂岩的富水性能不同，粒度越粗，砂岩的储水空间和补径排条件越好。研究表明，细粒砂岩富水性能是同体积粗粒砂岩0.57倍，中粒砂岩的富水性能是同体积粗粒砂岩0.76倍。

(3)根据洛河组含水层水文地质特征及微观孔隙结构研究成果，选取含水层等效厚度、砂地比、岩芯采取率、冲洗液漏失量、渗透系数5个主控指标，建立富水性评价模型。绘制富水性分区图，显示洛河组含水层富水性由东向西逐渐增强，西南角和北部局部区域的富水性强，为矿井水害防治提供了理论指导。

参考文献：

[1] 王苏健,冯洁,侯恩科,等.砂岩微观孔隙结构类型及其对含水层富水性的影响——以柠条塔井田为例[J].煤炭学报,2020,45(9):3236-3244.

[2] 杨鹏,杨伟峰,马荣坤.锦界煤矿侏罗系砂岩微观孔隙结构类型及富水性研究[J].煤炭科学技术,2021,49(8):188-194.

[3] 冯洁,侯恩科,王苏健,等.陕北侏罗系沉积控水规律与沉积控水模式[J].煤炭学报,2021,46(5):1614-1629.

[4] 冯洁,丁湘,蒲治国,等.陕北侏罗系砂岩宏观-微观特征及其富水性响应机制[J].煤炭科学技术,2023,51(7):167-178.

[5] 郝乐伟,王琪,唐俊.储层岩石微观孔隙结构研究方法与理论综述[J].岩性油气藏,2013,25(5):123-128.

[6] LAI Jin, WANG Guiwen. Fractal analysis of tight gas sandstones using high-pressure mercury intrusion techniques[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015,24: 185-196.

[7] 吴小斌,侯加根,孙卫.特低渗砂岩储层微观结构及孔隙演化定量分析[J].中南大学学报(自然科学版),2011,42(11):3438-3446.

[8] WU Chao, WANG Shengquan, LI Delu, et al . NMR experimental study on dynamic process of pore structure and damage mechanism of sandstones with different grain sizes under acid erosion[J]. Shock and Vibration, 2020:1-13.

Study on the micro-pore structure and water abundance of the Luohe Formation aquifer in Dafosi mine field

ZHOU Duidui1, LONG Liangliang2, LIU Jiapeng1, HE Jing1, WANG Qingguo1, LUO Xudong3

(1. Shaanxi Binchang Dafosi Coal Mine Co., Ltd., Xianyang, Shaanxi 713500, China;2. Shaanxi Railway Institute, Weinan, Shaanxi 714000, China;3. College of Geology and Environment, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

Abstract The micro-pore structure of the Luohe Formation sandstone in Dafosi Coal Mine was studied through nuclear magnetic resonance experiments and porosity permeability tests, it was found that the micro-pore structure was directly related to the particle size of the rock, the larger the particle size, the better the micro-pore structure and the water abundance. The conversion coefficient between the water abundance of rocks with different particle sizes was determined, the water abundance of fine-grained sandstone was 0.57 times that of coarse-grained sandstone of the same volume, and the water abundance of medium-grained sandstone was 0.76 times that of coarse-grained sandstone of the same volume. Therefore, the equivalent thickness of the aquifer was introduced to replace the aquifer thickness index. Based on the research, five indicators were selected, including the equivalent thickness of the aquifer, sand-to-soil ratio, core recovery rate, flushing fluid leakage, and permeability coefficient. The weights were assigned by a combination method of analytic hierarchy process and entropy weight method to construct a prediction model for the water abundance of the Luohe Formation aquifer, and a water abundance zoning map was drawn. The results showed that the water abundance of the Luohe Formation aquifer gradually increased from east to west, with strong water abundance in the southwest corner and northern regions, providing a theoretical basis for the prevention and control of mine water disasters.

Keywords Luohe Formation aquifer; nuclear magnetic resonance experiment; pore permeability test; equivalent thickness of aquifer; prediction model; water abundance zoning

中图分类号 TD74

文献标志码 A

引用格式：周对对，龙良良，刘家鹏 ，等.大佛寺井田洛河组含水层微观孔隙结构及富水性研究[J].中国煤炭，2023，49(9)∶43-50.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.09.007

ZHOU Duidui，LONG Liangliang，LIU Jiapeng，et al. Study on the micro-pore structure and water abundance of the Luohe Formation aquifer in Dafosi mine field[J].China Coal，2023，49(9)：43-50.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.09.007

基金项目：陕西煤业化工集团科研项目(DFS-SCFW-2022065)，陕西省教育厅一般专项科研计划项目(21JK0760)

作者简介：周对对(1985-)，男，陕西延安人，工程师，地测防治水副总工程师，从事煤矿地质、测量及防治水工作。E-mail：875368692@qq.com

通讯作者：龙良良(1995-)，男，陕西安康人，硕士，讲师，从事水文及工程地质工作。E-mail：1649630897@qq.com

(责任编辑 张艳华)