0 引 言
砂岩微观孔隙结构指的是砂岩孔隙和喉道的几何形态、大小、分布及连通性。砂岩的孔隙大小决定其自身的富水性，而孔喉大小及连通关系很大程度上决定着自身的渗透性。在陕北侏罗系煤层上赋存着富水性不一的砂岩含水层，研究砂岩的微观孔隙结构，对于认识其与含水层富水性的关系具有重要的意义，同时也可为侏罗系砂岩顶板水害的防治提供科学依据。
目前，学者们从宏观和微观两个角度对砂岩富水性进行了大量研究。宏观上，主要集中在岩性、岩相和结构特征等地学信息与富水性关系的研究。武强等[1]讨论了含水层厚度、脆塑性岩厚度比、单位涌水量、岩石质量指标、渗透系数、冲洗液消耗量、断层、陷落柱、褶皱枢纽轴9个地质因素对煤层顶板含水层富水性的影响，建立了平朔井工一矿4煤层顶板富水性AHP结构模型；肖乐乐等[2]以金鸡滩井田为例，确定了含水层等效厚度、砂泥比、岩心采率、砂泥岩交互层数等4个独立评价指标，构建了基于富水性结构指数法的含水层富水性评价方法；侯恩科等[3]以红柳林井田为例，认为风化基岩富水性主要受风化基岩地层时代、岩性组合、风化程度和厚度4个因素影响；代革联等[4]采用沉积学方法分析柠条塔井田直罗组砂岩的富水规律，根据砂体的展布规律将柠条塔井田富水性划分为强、中等和弱3个区，直罗组砂岩厚度越大，富水性越强，直罗组沉积相与地层的富水性之间存在一定的内在联系。从微观角度研究砂岩孔隙结构与富水性关系的成果不多，主要的研究方法有铸体薄片、扫描电镜和压汞实验等[5-7]。王苏健等[8]对柠条塔煤矿中不同时代地层、不同岩性砂岩进行微观孔隙结构特征研究，发现风化程度越高富水性越强，粗、中粒砂岩较粉砂岩富水性强，直罗组富水性强于延安组；徐智敏等[9]对大南湖侏罗系中统西山窑组含水层的沉积环境、宏观地层结构、微观孔隙结构进行研究，发现山窑组岩层的平均孔隙度高达19. 9%，砂岩平均孔隙度为18. 2%，并估算了含水层的储量；刘钦等[10]研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律，发现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频率高的结构特征和强富水性;王春刚[11]对巴拉素井田的2煤顶板直接充水含水层进行岩石微观特征研究，发现直罗组含水层的孔隙度和渗透率条件要优于延安组四段含水层;武超等[12]研究了进汞压力对应的不同孔喉大小和分布，划分出不同孔喉区间、定量化描述孔喉占孔隙体积的百分比;王长申等[13]分析了峰峰组岩性，孔隙结构特征及其垂向分布规律，确定了隔水层厚度范围。
总体上，从宏观角度研究岩相、岩性和结构特征等地学信息与富水性关系的成果已经相当丰富，而从微观角度研究砂岩孔隙结构与富水性关系的成果还有所欠缺，且主要成果多集中在致密砂岩储层微观孔隙结构的研究。笔者以锦界煤矿3-1煤顶板侏罗系砂岩为研究对象，将现场采集的不同深度不同岩性的砂岩样品进行普通薄片和压汞实验测试，根据测得的数据绘制毛管压力曲线，根据毛管压力曲线的特征和排驱压力的大小对侏罗系砂岩进行分类。从粒径分布曲线入手，研究了侏罗系延安组和直罗组砂岩的孔隙大小分布特征，以10 μm以上的孔隙为有效孔隙，计算不同类型砂岩的有效孔隙占比情况。最后通过现场钻孔单位涌水量数据反映了砂岩富水性，研究延安组和直罗组砂岩微观孔隙结构类型与富水性的关系，为侏罗系砂岩顶板水害的防治提供科学依据。
1 锦界煤矿概况
锦界煤矿位于陕西省陕北侏罗纪煤田榆神矿区范围内，行政区划隶属于榆林市神木市管辖，地处陕北黄土高原北端、毛乌素沙漠东南缘，面积约141.78 km2，核定生产能力为1 800万t/a。矿区地形总体呈北高南低、东高西低的特征，最高点高程为+1 313 m，最低点高程为+1 100 m，矿区内发育两条常年性沟流-青草界沟和河则沟，均为黄河二级支流。矿区地质构造十分简单，地层平坦，总体趋势为一个倾角约1°，缓缓向北西倾斜的单斜构造。根据地质填图及钻孔揭露，矿区地表绝大部分被第四系沉积物所覆盖，仅在部分区域有基岩零星出露，地层由老到新有三叠系上统永坪组(T3y)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、新近系上新统保德组(N2b)、第四系中更新统离石组(Q2l)、第四系上更新统萨拉乌苏组(Q3s)、第四系全新统风积沙(Q4eol)及冲积层(Q4al)。
矿区含煤地层为侏罗系中下统延安组，属浅水湖泊～三角洲沉积体系，可采煤层共7层，分别为5-3煤、5-2上煤、5-2煤、4-4煤、4-3煤、4-2煤和3-1煤。目前开采侏罗系延安组3-1煤层。煤层属浅埋煤层，虽地质构造十分简单，但水文地质条件为复杂-极复杂，正常涌水量达5 000～5 200 m3/h，已成为影响煤矿安全高效生产的主要地质因素。
2 侏罗系砂岩微观孔隙结构特征
通过现场钻孔取样，获取了侏罗系砂岩地层7个岩石样本，并开展了薄片鉴定和压汞试验，以获取该区3-1煤顶板侏罗系砂岩的微观孔隙结构特征，为分析该区砂岩微观孔隙结构特征与含水层富水性的关系提供依据，砂岩样品基本情况见表1。
表1 砂岩样品基本情况
Table 1 Basic information of sandstone samples
样品采样起止标高/m地层 岩性2-2+1 137.39—+1 137.54延安组细砂岩3-2+1 140.02—+1 140.14延安组细砂岩4-5+1 142.38—+1 142.50延安组粉砂岩5-1+1 146.68—+1 146.80延安组细砂岩6-6+1 150.49—+1 150.62延安组粉砂岩9-1+1 155.31—+1 155.40延安组细砂岩11-3+1 159.62—+1 159.70直罗组粗砂岩
2.1 薄片鉴定分析
根据薄片鉴定结果，该区3-1煤顶板侏罗系砂岩类型主要为泥质细粒长石砂岩、泥质粉砂岩和中粗粒岩屑长石砂岩。泥质细粒长石砂岩的碎屑颗粒主要以石英(平均43%)和长石(平均19%)为主，岩屑较少(平均2%)，填隙物主要由泥质(平均26%)、云母、绿泥石、碳酸盐矿物和铁质组成。泥质粉砂岩的碎屑颗粒主要为石英(平均40%)和长石(平均29%)，填隙物主要为泥质(平均25%)、云母、绿泥石、碳酸盐矿物和不透明矿物。中粗粒岩屑长石砂岩的碎屑颗粒主要为石英(平均34%)、长石(平均32%)和岩屑(平均19%)，填隙物主要为泥质(平均4%)、云母、细粉砂和铁质，碎屑颗粒的分选性为较好～差，多数呈棱角～次棱角状，接触类型为孔隙式胶结和基底式胶结2种。薄片鉴定结果如图1所示。
图1 薄片鉴定结果
Fig.1 Results of thin section authentication
由此可知，侏罗系延安砂岩中泥质的含量(平均25.5%)远大于直罗组砂岩中泥质的含量(平均4%)，且侏罗系直罗组的粗粒砂岩所占比例高、孔隙大、储存地下水的能力更强。因此延安组砂岩与直罗组砂岩相比，地下水更易在直罗组砂岩中流动，若煤层开采产生的导水裂隙带沟通直罗组砂岩，容易造成水害事故。同时探放水孔打入直罗组砂岩地层中，也更有利于顶板水疏降。
2.2 压汞试验分析
压汞法又称汞孔隙率法，首先由里特(H.L.Ritter)和德列克(L.C.Drake)提出，基于汞对岩体表面具有不可润湿性，外压越大，汞进入孔半径越小，根据不同外压下进入孔中汞量可获得相应孔大小的孔体积，从而评价岩石孔隙大小、分布等特征[8]。
应用美国康塔公司的PoreMaster60GT全自动压汞仪对锦界煤矿侏罗系砂岩样品的7个砂岩样品进行压汞试验，试验方法和数据处理方法参照GB/T 29171—2012《岩石毛管压力曲线的测定》。7个砂岩样品的毛细压力曲线如图2所示。
图2 砂岩样品毛管压力曲线
Fig.2 Capillary pressure curves of sandstone samples
将该区侏罗系砂岩的孔隙结构按照毛管压力曲线特征和排驱压力大小划分为3种类型，即：Ⅰ类低排驱压力型，Ⅱ类中排驱压力型和Ⅲ类高排驱压力型。砂岩样品毛管压力曲线主要特征参数见表2。
表2 砂岩样品毛管压力曲线主要特征参数
Table 2 Main characteristic parameters of sandstone samples capillary pressure curves
样品 饱和度中值压力/MPa中值半径/μm残余汞饱和度/%退汞效率/%排驱压力/MPa最大孔喉半径/μm2-219.7740.074 675.2024.803.799 20.193 63-215.5580.095 590.909.104.141 30.177 64-57.9030.189 755.9744.033.102 40.237 05-17.7240.198 376.8623.142.395 50.307 06-64.0470.352 775.6024.400.306 52.399 39-14.0310.392 169.1530.850.859 60.855 511-30.08517.299 2100.0086.660.028 525.803 5
由图2可知，对于Ⅰ类低排驱压力型和Ⅱ类中排驱压力型砂岩，其毛管压力曲线均不存在中间平缓段，而是随着汞饱和度的增加，毛管压力不断上升，表明其孔隙结构复杂，孔隙的分选性较差。对于Ⅲ类高排驱压力型砂岩，其毛管压力曲线存在明显的3个阶段，分别为初始上升段、中间平缓段和末端上翘段，中间平缓段越长，说明分选性越好。Ⅰ类低排驱压力型包括11-3号直罗组砂岩样品，此类砂岩排驱压力小于0.1 MPa，由于该类型毛管压力曲线的阈压较低，表明其孔隙半径较大。中值压力在3种砂岩中最低，为0.085 MPa，中值半径为17.299 2 μm，退汞效率最高，此类型的砂岩孔隙结构发育较好。具有该类孔隙结构的砂岩主要发育在3-1煤顶板直罗组中粗粒砂岩中。
Ⅱ类中排驱压力型包括6-6号延安组砂岩样品和9-1号延安组砂岩样品，此类砂岩排驱压力为0.1 MPa，中值压力比Ⅰ类高，平均为4.039 MPa，中值半径平均为0.372 4 μm，退汞效率平均为27.63%，此类型的砂岩孔隙结构发育中等。
Ⅲ类高排驱压力型包括2-2号延安组砂岩样品、3-2号延安组砂岩样品、4-5号延安组砂岩样品和9-1号延安组砂岩样品，此类砂岩排驱压力大于1.0 MPa，中值压力为3类中最高，平均为12.740 MPa，中值半径为0.139 5 μm，退汞效率为25.27%，此类型的砂岩孔隙结构发育最差。
2.3 孔径分布曲线下的砂岩微观孔隙结构特征
孔隙大小的分类有多种，例如根据化学理论，IUPAC将孔隙系统划分为3类[14]，即大孔(>50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)。基于孔隙结构解剖，朱如凯等[15]提出“孔隙结构四分法”，将孔隙系统分为毫米孔(>1 mm)、微米孔(0.001～1 mm)、亚微米孔(0.1～1.0 μm)及纳米孔(<0.1 μm)。LOUCK等[16]根据油气储层的实际，提出了一种新的孔分类法，孔径为1～1 000 nm是纳米孔区，1～62.5 μm是微孔区，62.5～4 000 μm是中孔区。但文中采用谢尔盖耶夫根据孔隙成因和水在其中运动特征的4级分类[17]，即：粗大的(>1 000 μm)，中等的(1 000～10 μm)、细小的(10～0.1 μm)和超毛管微孔隙(小于0.1 μm)，见表3。
表3 微观孔隙结构特征
Table 3 Characteristics of micro-pore structure
渗透性等级孔径/μm孔隙分布位置重力水可自由移动>1 000粒间和溶蚀孔隙重力水在一定水头下运动,毛细上升快而不高1 000～10粒间和晶间孔隙重力水在较高水头下运动10～0.1颗粒内和粒间孔隙孔隙中充满结合水<0.1晶粒内孔隙
由不同孔径下进汞量所占比例(图3)可知，对于Ⅱ类中排驱压力型和Ⅲ类高排驱压力型砂岩来说，第1个进汞量所占比例峰值出现在130 μm左右，然后急剧下降一直到1 μm左右峰值开始再次出现，且此次峰值所跨孔隙半径区间较大，一直到0.05 μm左右峰值开始结束。而对于Ⅰ类低排驱压力型砂岩来说，在8～100 μm均维持有较大的进汞量。
图3 不同孔隙半径占进汞量占比
Fig.3 Proportion of mercury intakeat different pore radius
说明该区砂岩的孔径部分小于0.1 μm，属超毛管微孔隙，孔隙类型属于晶粒内孔隙，其内储水主要为结合水，不易流动，在开采过程中不会对煤矿生产产生威胁。而大部分为10～0.1 μm的细小孔隙，此类孔隙中的重力水一般难以运动，只有在较高水头下才能运动，这时才能对矿井安全生产造成影响。
进一步讨论孔容分布特征，由孔容的分布特征图(图4)可以看出对于Ⅰ类低排驱压力型砂岩，总有效孔隙体积为0.042 3 cm3/g。大于10 μm的孔隙体积占61.68%，所以该型砂岩以粒间和晶间孔隙为主；其次为颗粒内和粒间孔隙，孔隙体积占38.52%，基本无晶粒内孔隙。
图4 进汞饱和度分布
Fig.4 Distribution of mercury saturation
对于Ⅱ类中排驱压力型砂岩，总有效孔隙体积平均为0.065 4 cm3/g。介于0.1～10 μm的孔隙体积占51.44%，所以该型砂岩以颗粒内和粒间孔隙为主；其次为晶粒内孔隙，孔隙体积占26.86%；粒间和晶间孔隙占比最少，为21.70%。
对于Ⅲ类高排驱压力型砂岩，总有效孔隙体积平均为0.084 6 cm3/g。小于0.1 μm的孔隙体积占45.32%，所以该型砂岩以晶粒内孔隙为主；其次为颗粒内和粒间孔隙，孔隙体积占32.56%；粒间和晶间孔隙占比最少，为22.13%。
结合现场数据，该区煤层顶板主要充水含水层为侏罗系直罗组风化基岩孔隙裂隙潜水—承压含水层。侏罗系直罗组风化基岩孔隙裂隙潜水—承压含水层承压水头一般在66.30 m左右，具有一定的压力水头，因此，依据表3中微观孔隙结构特征及水文地质意义，初步以10 μm以上的粒间和晶间孔隙为有效孔隙。得到Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩组成的延安组砂岩的有效孔隙仅占21.92%，而Ⅰ类低排驱压力型砂岩组成的直罗组砂岩中有效孔隙高达61.68%，说明侏罗系直罗组砂岩犹如一块“海绵”一样，可以储存巨大的水量，是矿井突水的主要来源。
3 侏罗系砂岩微观孔隙结构与含水层富水性的关系
《煤矿防治水细则》附录一中给出了含水层富水性的等级标准，按照钻孔单位涌水量的大小，将含水层富水性分为4级，弱富水性(q≤0.1 L/(s·m))、中等富水性(0.1 L/(s·m)<q≤1.0 L/(s·m))、强富水性(1.0 L/(s·m)<q≤5.0 L/(s·m))、极强富水性(q>5.0 L/(s·m))[18]。通过对典型岩样进行普通薄片和高压压汞等试验测试，结合钻孔单位涌水量，研究该矿区侏罗系砂岩微观孔隙结构与含水层富水性的关系。砂岩微观孔隙结构与钻孔单位涌水量统计见表4。
由表4可知，孔隙结构Ⅰ类的直罗组砂岩钻孔单位涌水量要比孔隙结构为Ⅱ类和Ⅲ类的延安组砂岩钻孔单位涌水量大1个数量级，且前者为中等富水性，后者为弱富水性。
表4 砂岩微观孔隙结构与钻孔单位涌水量统计
Table 4 Statistics of sandstone microscopic pore structure and unit water inflow of borehole
样品 地层岩石名称渗透系数/(m·d-1)钻孔单位涌水量/ (L·s-1·m-1)孔隙结构分类2-2延安组泥质细粒长石砂岩3-2延安组泥质细粒长石砂岩4-5延安组泥质粉砂岩5-1延安组泥质含细砂粉砂岩6-6延安组泥质粉砂岩9-1延安组泥质细粒长石砂岩0.052 00.027 8Ⅲ类Ⅱ类11-3直罗组中粗粒岩屑长石砂岩0.501 00.249 5Ⅰ类
由于Ⅰ类低排驱压力型砂岩以粒间和晶间孔隙为主，其有效孔隙占比达到61.68%，且该含水层承压水头在66.30 m左右，具有一定的压力水头，大量赋存在孔隙中的重力水在一定的压力水头下自由移动，是其中等富水性的原因。而Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩以晶粒间孔隙和颗粒内及粒间孔隙为主，该类孔隙体积占78.02%，此类孔隙内为结合水和一定量的重力水，但是压力水头有限，重力水并不能在孔隙内自由移动，所以该类砂岩仅为弱富水性。
薄片鉴定结果发现，所属直罗组地层的Ⅰ类低排驱压力型砂岩的泥质含量仅为4%，而延安组地层的Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩的泥质含量高达25.5%，泥质含量高的砂岩具有很强的亲水性，遇水膨胀、泥化，裂隙被重新压实弥合，这是延安组地层的Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩渗透系数低于直罗组地层的Ⅰ类低排驱压力型砂岩的重要原因。
4 结 论
1)从微观角度来看，确定砂岩的微观孔隙结构类型对于认识其富水性程度具有重要意义，可以为砂岩富水性的预测提供一种思路。
2)侏罗系延安砂岩中泥质的含量(平均25.5%)远大于直罗组砂岩中泥质的含量(平均4%)，且侏罗系直罗组的粗粒砂岩所占比例高，孔隙大，储存地下水的能力更强。
3)根据毛管压力曲线形态和排驱压力大小将锦界煤矿3-1煤顶板侏罗系砂岩的孔隙结构划分为3种类型，即：Ⅰ类低排驱压力型(孔隙结构较好)、Ⅱ类中排驱压力型(孔隙结构中等)和Ⅲ类高排驱压力型(孔隙结构较差)。
4)Ⅰ类低排驱压力型砂岩以粒间和晶间孔隙为主，其有效孔隙占比达到61.68%，且该含水层承压水头在66.30 m左右，具有一定的压力水头，大量赋存在孔隙中的重力水在一定的压力水头下自由移动，是其中等富水性的重要原因。
5)Ⅱ类中排驱压力型砂岩以为0.1～10.0 μm的颗粒内和粒间孔隙为主，该类孔隙体积占51.44%。Ⅲ类高排驱压力型砂岩以小于0.1 μm的晶粒内孔隙为主，该类孔隙体积占45.32%。Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩的有效孔隙仅占21.92%。
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