孟村煤矿矿井含水介质微观特征及测井解译

孟村煤矿矿井含水介质微观特征及测井解译摘要：孟村煤矿在陕西省彬长矿区，矿井水文地质条件错综复杂用为确保矿井安全回采及有效预防水害，本研究结合钻井、测井和岩芯分析，对洛河组砂岩中的含水介质微观属性和测井资料进行研究与解读矿井的水资源管理和水害预防始终是煤矿安全开采中不可或缺的环节用对水文地质环境较复杂的矿区来说开精确了解含水层的富水性和渗透性等微观因素对预防水害和确保矿井安全开采具有不可忽视的作用用孟村煤矿位于彬长矿区用洛河组砂岩是矿井涌水的首要障碍含水层通过降雨和横向径流补给给矿井安全开采带来隐患为了解洛河组含水介质的微观结构和测井数据本研究运用X射线衍射、扫描电子显隙构造和渗透性进行全方位分析这项研究成果不仅为洛河组砂岩的水分性质研究提供了科学根据开还为煤矿水害防治的核心技术完善提供了基础资料#孟村煤矿坐落在陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区的中西部地区隶属陕西彬长矿业集团有限公司属于陕西省咸阳市长武县的管辖范围用该地的煤炭总资源存量为101920万t可采储量达到5.85亿t设计生产能力6.0Mt/a服务年限71.3a#基于矿井已有的地质和水文地质资料开结合开采时期的公开数据开推断现在矿井的主导水问题是巨厚型中等富水洛河组的砂岩含水层用这一含水层不仅能从露头区得到大气水补给开还要从区域的侧向径流获得补给开补给环境较为有利用孟村煤矿4号煤层的顶板到洛河组底板的平均距离是19269m经过对导水裂隙带高度发育研究开以及工作面回采时的涌水量、质量和地下水位数据分析发现洛河组的含水层水已流入矿井回采区域成为涌出水量的主要部分洛河组的砂岩含水层对矿山的安全采矿活动构成明显威胁1-3用孟村煤矿的大多数地带是由第四系黄土和新近系红土覆盖用在泾河沿岸以及黑河下游开可以看到白垩系下统洛河组露出而在煤矿的主要沟谷里华池组的组(T3h)、侏罗系下统富县组(J1f、中统延安组第四系的更新统(Q1-3与全新统(Q4#依据地下水隐藏状况、含水层中的丰富和透水特性、充水空间性质以及富水性和其变动的原因类型利用岩石性质与组合、钻孔和抽水试验等技术成功把矿井地下水分类为三种类型和七个含水层并辨认四组相对稳定的隔水设施用这三种地下水的构成要素包括松散的沉积层孔隙水、地下基岩的裂隙水还有孔隙与裂隙间的水用列出的含水层系列包括：第四系全新统冲、洪积层孔隙潜水含水层(I)、第四系中更新统的黄土孔隙和裂隙潜水含水层(Ⅱ)、新近系砂卵砾孔隙潜水含水层(IV)、下白垩统洛河组的砂岩孔隙和裂隙承压含水层(VI)、下白垩统宜君组的砾岩裂隙承压含水层(VI)、中侏罗统直罗组的砂岩裂隙承压含水层(IX)以及中侏罗统延安组煤层和其顶部砂岩裂隙承4洛河组含水介质微观特征及测井解译4.1.1矿物特征分析为了更深入探究矿区内矿物成分和分布特征在矿区内收集钻孔岩芯开并进行实验鉴别：在矿物构成的探究上主要运用X射线衍射实验而在微观形态研究方面主要采用薄片和扫描电子显微镜进行分析用首先针对孟村矿区的JT-2孔岩芯进行采样开然后采用X衍射实验方法揭示岩芯中的矿物谱特性经过处理开发现洛河组砂岩主要由石英、长石及黏土矿物构成并伴有岩屑4.1.2矿物微见形态特征主要通道使用扫描电子显微镜(SEM、能量散射分析仪(ED9和薄片进行研究用①扫描电子显微镜和能谱分析技术的应用通常结合扫描电子显微镜和元素分析能够观测到不同表面结构的微观构造、孔洞特点和分布用同时开通过使用高能电子束开激发试样在μm区域的数据初步对这些不同表面结构的矿物进行分析检测主要元素并根据这些矿物组合特性确定矿物名称如图18oNA②薄片鉴定分析薄片鉴定分析法利用偏光显微镜观察和鉴别岩石或矿物通常开这些被磨碎的薄片厚度约0.03mmf以便观察为了将薄片磨细可以分为六个步骤开分别是切割、磨削、黏合、细切、研磨和封闭用首先利用切割机将透明的矿物或岩石切割成细小部分再利用金刚砂将这些小块的一侧磨平用接着将这些平坦部分用树胶在反面研磨直至厚度达到0.03mm4.1.3矿物含量垂向上规律通过对JT-2孔中的矿物含量分析可以看出孟村矿区洛河组的矿物组成和其与沉积层的关系十分紧密用孟村矿区的洛河组内石英含量的变化呈现自上而下的模式：从高到低、再到低以及最后到达高长石的量也表现为低到高到低、再回到高和最低的变化模式而黏土矿物的含量是从高到低、再到高、再到低、最后到达高用这种分析结果与沉淀相的分布是一致的4.2含水介质微观孔渗特征为了分析岩石的孔隙结构开本课题利用扫描电镜、CT扫描和核磁共振分析开对孟村矿区内洛河组砂岩孔隙特征进行评价并分类用CT扫描技术也称为计算机断层扫描技术是运用X射线连续对样本进行横断面扫描的技术以高速扫描、图像清晰度高、出色的穿透能力和高度精准特征显著开近几年已被广泛采用于岩石力学研究、煤岩鉴定以及石油地质和油气田开发研究工作中使用扫描电镜和CT扫描技术对孟村矿区中洛河组的砂岩材料进行微观孔隙结构分析和研究用通过扫描电子显微镜的孔隙研究开发现洛河组中的砂岩孔洞发育程度参差不齐用4.2.2核磁共振可动流体研究核磁共振技术主要致力于研究孔隙中的有用孔隙以便地下水流畅流动并通过T2弛豫时间谱进行识别核磁共振的T2谱数据揭示自由水的孔隙分布主要集中在7.2%~14.5%之间J毛细管束缚水中的孔隙比例主要集中在2.2%～4.7%之间黏土的水孔隙主要集中在2.0%～4.9%之间水的自由性含量显著较高用研究表明在研究的洛河组砂岩区域孔隙以自由水孔隙度为主导其含水丰富程度和渗流能力相当4.2.3孔隙分类孟村矿区岩石孔隙可分为三类I类孔隙的主要百分比位于15%~29%渗透能力主要集中在10～1000mD范围黏性土水和束缚水的比例较低而自由水比例非常高用孔隙半径大多数在0.001～0.01um之间以中等孔隙为主要特点同时也有一些大的孔隙用砂岩中的孔隙发育良好孔隙具有良好的连通性渗流能力②Ⅱ类Ⅱ类的孔隙结构主要集中在11%~29%的范围开透水能力主要分布在1Qum～100mD之间用黏土水和束缚水所占比例较小开而自由水在其中的比例较大用然而自由水平均孔隙度较第I类低而且微孔、小孔隙和中孔隙比例接近而大孔隙占比显著较低用砂岩的孔隙结构不佳其孔隙半径大多位于0.0001～0.001um之间开大部分是小规模孔洞也有部分存在中等大小的孔隙Ⅱ类砂岩中的孔隙吼道发育不完善在孔隙中心的吼道连通性较弱其渗透力也比I类差③Ⅲ类Ⅱ类矿物的颗粒胶结紧密开黏土矿物填充了绝大部分孔隙其孔隙度主要在1.%～19%之间而其渗透性大多位于1～10mD之间#纳米、亚微米和微米三种孔隙所占的孔隙度都很小开微小孔隙是主要特点开大孔隙比例偏低用孔隙的半径大部分局限在0.0001μm以下开多数为小型开很难观察到中到大型的孔隙Ⅲ类的砂岩孔隙发育最不发达孔心部分的吼道连接性较差开几乎每个孔之间都没有连接其渗流特性也不稳定4.3测井资料解译在测井评价阶段核心参数包括岩石特性界定、泥质量准确测定以及地层总的孔隙值分析用基于现有的地质资料开选择恰当的评估方式开确立前述的各评估参数对于地质特性评估至关重要用只有准确的评价参数开地质评价结果才会科学、合理用在煤矿进行5条主要的测井曲线测量包括自然电位、自然伽马和井径三个岩性测井数据声波与密度测井多数时候只对其中一种进行测量还包括一道深电阻性能曲线用自然伽马测井(GR)是利用伽马射线探测器测定岩石总的自然伽马射线强度开从而研究井下层次和地层特征的测井手段用岩石因含有铀、钍和钾在经历自然衰变时会发出伽马射线用自然伽马的主要特点是能够表示地层内的放射性元素数量可以通过测量其放射强度推测放射元素的浓度而泥岩由于强烈的吸附性开放射性含量显著提升用自然伽马测井主要用于区分岩石、解读煤矿特征并作为古代环境研究的参考众多的井下记录和钻井信息显示高泥质的地层通常展现为高自然伽马测井的响应和低电阻率测井响应曲因此开自然伽马的测井曲线可以指示泥质含量用自然伽马曲线主要目的是测量地层内放射性元素的放射性水平用由于泥岩中的这些反射性元素丰富可以通过自然伽马计算泥质成分含量研究区是一套三角洲的砂岩、砾岩和泥岩沉积岩层岩性组成为砂岩、砾岩和泥岩通过测井曲线关系研究发现声波时差曲线质量较好可以反映岩层孔隙度孟村煤矿JT-2孔泥质含量及隙度解释曲线如图2所示用本研究以声波时差为孔隙度计算的主要曲线用选择Raymer-Hunt-Gardner模型开当孔隙度在0～0.37之间时采用公式：式中：△t是骨架声波时差取5Qusft△七是流体声波时差开这里是地层水声波时差取189usft在这里主要是地层水声波时差取189usft自然电位自然伽马