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）

陕北侏罗纪煤田榆横北区内多分布大型矿井（井田面积约100～300 km2），现基本处于建设开发初期。近年来，区内多个矿井发现其首采的2号煤层富水，水害问题严重制约着各煤矿的建设生产[1-2]，而且该2 号煤层在区内的富水性并不均一，存在着相邻的2 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，煤层内部结构必然存在一定的差异。鉴于这一现象的特殊性，且目前区内未针对富水煤层开展过专门研究，由此，从微观角度出发，研究区内各煤层的内部空间结构。

研究区内2 号煤层作为特殊的含（富）水介质，本身仍为普通地层沉积体。多年来，不同学者在该领域的研究工作中已取得了大量成果[3]。王苏健等[4]运用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试技术，结合MATLAB 图像分析功能，研究了不同砂岩微观孔隙特征，并将其孔隙结构按照孔喉大小、分布及连通性分为3 种类型；唐代学等[5]利用压汞试验、扫描电镜等方法研究煤层孔隙发育特征；杨青等[6]通过扫描电镜电子成像技术，结合低温液氮吸附实验、高压压汞实验，探讨了褐煤孔隙结构的影响因素；李波波等[7]采用FHH 表面分形计算构建渗透率模型，研究煤岩孔隙结构与渗透率内在关系；武东强等[8]采用分形理论中孔隙分形维数法和数理统计法，探究了含水岩层孔隙结构对水位动态的影响；高杰等[9]利用大尺寸真三轴水力压裂系统开展砂煤产层组组合物理模拟实验，研究了砂煤互层水力压裂裂缝穿层扩展规律；林海飞等[10]基于低温氮吸附实验，采用BET、BJH 模型计算孔隙比表面积和体积等参数，分析其分布规律，以此研究煤层吸附孔孔隙结构特征；刘钦等[11]通过渗流实验及室内测试、理论分析研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律，提出了有关孔隙结构储水空间变异性及渗透突变性的保水采煤理念；武猛猛等[12]利用PFC 软件模拟研究煤层覆岩垮落期间垂直应力变化特征及孔隙率演化规律。

上述研究成果从理论、思路、方法等方面出发，为富水煤层相关的微观结构特征研究提供了借鉴。然而，针对富水煤层本身而言，目前在陕北侏罗纪煤田榆横北区内开展的相关研究工作还相对不足。巴拉素煤矿作为榆横北区内正在建设的大型矿井，对其2 号富水煤层开展微观结构特征研究具有重要的指导意义和实际应用价值。为此，将研究区内富水煤层和其他非富水煤层进行对比，采用孔渗实验、扫描电镜、核磁共振、CT扫描等方法，对各煤层微观结构进行研究，分析各自内部特征，为富水煤层的展布规律、赋存条件、形成机理研究提供基础，也为矿井防治水工作提供依据。

1 研究背景

巴拉素井田位于陕北侏罗纪煤田榆横北区中部，首采2 号煤层（埋深在454～547 m，平均约498 m；煤厚2.2～5.2 m），现矿井处于基建阶段。在巴拉素煤矿建设过程中，发现其2 号煤层富（含）水[13-14]。但在该2 号煤层下伏约40 m 左右的3 号煤层（煤厚4.6～7.8 m）基本不含水；同时，与巴拉素井田北部相邻的大海则井田的2 号煤层（埋深在548～655 m，平均约597 m；煤厚4.4～11.0 m）也几乎不含水。

巴拉素井田2 号煤层作为区内特殊的富（含）水介质载体，该2 号煤层必然与其它煤层存在较为明显的区别。为此，对不同井田的同一煤层、同一井田的不同煤层的微观特征进行研究，分析各煤层微观内部结构的差异性，通过将巴拉素井田2 号富水煤层与本井田3 号非富水煤层、相邻大海则井田2 号非富水煤层进行对比，探究其富水煤层的介质微观特征。

2 研究方法

通过孔渗分析法[15]、扫描电镜法[16]、核磁共振法[17]、CT 扫描法[18]等方法，对煤层微观孔隙特征进行研究，由于各方法研究的侧重点及优劣性差异，需进行分析遴选、综合考虑，确定相对最能准确地反映研究对象微观孔隙特征的研究结果。

2.1 孔渗分析法

孔隙度、渗透率（简称“孔渗”）是进行含水层评价和相关水文地质预测的核心内容，含水层的微观物性也主要通过其表征，其中，孔隙度为总孔隙度。

通过实验发现，巴拉素井田2 号煤孔隙度为30.16%～31.93%，平均约30.89%，渗透率为（0.14～0.44）×10-15m2，平均约0.26×10-15m2；3 号煤孔隙度为17.55%～20.75%，平均约19.15%，渗透率为（0.23～0.49）×10-15m2，平均约0.34×10-15m2；大海则井田2 号煤孔隙度为12.38%～28.88%，平均约22.1%，渗透率为（0.01～7.69）×10-15m2，平均约2.6×10-15m2。各煤层孔隙度与渗透率分布图如图1。

图1 各煤层孔隙度与渗透率分布图Fig.1 Distribution diagram of porosity and permeability of each coal seam

2.2 扫描电镜法

煤层是孔隙-裂隙型地质沉积体，裂隙将煤体划分为若干基质块，每个基质块中包括有多种成因和级别的孔隙、裂隙。

煤层孔隙。煤层孔隙的成因类型划分为原生孔、后生孔、外生孔、矿物质孔共4 大类、9 小类[19]，煤的孔隙类型及其成因如下：

1）原生孔。①生物孔：成煤植物本身所具有的各种孔隙；②屑间孔：碎屑镜质体、碎屑惰质体和碎屑壳质体等有机质碎屑之间的孔。

2）后生孔。①气孔：煤变质过程中由生气、聚气和气体逸散后留下的孔；②角砾孔：煤受构造应力破坏而形成的角砾之间的孔。

3）外生孔。①摩擦孔：压应力作用下面与面之间摩擦形成的孔；②碎粒孔：煤受构造应力破坏而形成的碎粒之间的孔。

4）矿物质孔。①溶蚀孔：可溶性矿物质在长期气、水作用下受溶蚀而形成的孔；②晶间孔：矿物晶粒之间的孔；③铸模孔：煤中矿物质在有机质中因印度差异而铸成的印坑。

各煤层样品微观孔隙结构如图2。

图2 各煤层样品微观孔隙结构Fig.2 Microscopic pore structure of each coal seam sample

由图2 可知：各煤层样品微观孔隙结构分为：①生物孔：生物孔常见的是细胞腔（也称胞腔孔），一般大小为20 μm 左右，保存完整的生物孔一般排列有序、形状规则、大小均等，常被矿物质充填（图2（a））；②摩擦孔：摩擦孔形状多为短线状、沟槽状、长三角状等，并长具方向性，边缘多为锯齿状，大小不等，与糜棱质共生（图2（b））；③碎粒孔：碎粒孔的碎粒呈次圆状、片状或条状，大小为2～10 μm，有的小于1 μm，其孔隙形状不规则，大小为纳米-微米级（图2（c））；④晶间孔：晶间孔主要发育于晶形比较好的矿物集合体中，孔径小于矿物，大孔级-小孔级均存在（图2（d））；⑤溶蚀孔：煤层孔隙中最发育的是溶蚀孔，长石碎屑也常发育，溶蚀孔的发育程度反映了煤层中水的径流活动（图2（e））；⑥铸模孔：铸模孔在层面、裂面或组分界面上多见（图2（f））。

煤层微裂隙的发育程度取决于煤体结构演化及变形特征，反映了温度、应力、流体与煤岩相互作用的关系。根据前人研究[3]，煤中的裂隙可分为内生裂隙和外生裂隙；而内生裂隙可分为失水裂隙、缩聚裂纹和静压裂隙；外生裂隙可分为张性裂隙、压性裂隙等。各煤层样品微裂隙如图3。

图3 各煤层样品微裂隙Fig.3 Micro fissure of each coal seam sample

由图3 可知：各煤层中存在2 种微裂隙：①静压裂隙：煤层在上覆岩层的单向静压作用下形成的与层理大体垂直的定向裂隙，主要形态特征是短、直、定向，宽度为大孔-小孔级；②张性裂隙：由张应力作用产生的启开状裂隙，直线状或弯曲状，垂直或斜角层理，宽度一般为几微米至几十微米，也有小于1 μm，适度发育的张性裂隙有利于提高煤层透水性和连通性。

2.3 核磁共振法

通过测量岩心饱和水条件下的自旋回波串信号（不同大小孔隙流体信号叠加），经傅里叶变换拟合得到能够反映岩心孔隙结构的横向弛豫时间，即核磁共振T2谱，根据煤样T2谱测试结果，可分析其内部孔隙结构特征、流固类型及性质等。

在煤岩孔隙内主要存在强结合水、弱结合水、重力水等，由于不同大小孔隙空间中的流体存在不同的T2弛豫时间：T2弛豫时间分布在0.3～3 ms，岩心孔隙流体基本为强结合水；T2弛豫时间分布在3～33 ms，岩心孔隙流体基本为弱结合水；T2弛豫时间分布区间大于33 ms，岩心孔隙流体基本为重力水。各煤样T2谱形态图如图4。

图4 各煤样T2 谱形态图Fig.4 The T2 spectrum morphology of each coal sample

由图4 可知：巴拉素井田2 号煤、3 号煤的T2谱形态主要为双峰（各样品中仅1 个单峰），T2弛豫时间分布在0.3～3 ms、10～70 ms，孔隙内流体以重力水为主；大海则井田2 号煤的T2谱形态出现单峰（2 个样品）、双峰（1 个样品）2 种形态，T2弛豫时间分布在0.3～33 ms，主要以弱结合水为主。

2.4 CT 扫描法

CT 扫描法是以三维CT 扫描图像为基础，通过图像处理和数字重构，协助观测岩心内部微观孔隙结构。图像以灰度表示，颜色越深代表该处密度越低；煤岩体内部物质的相对密度由CT 图像中的灰度值表征，其中，高密度物质的亮度最高，孔隙结构则为最黑暗的部分。

通过 AVIZO 软件对灰度图像进行处理，其中蓝色区域为样本内的孔隙和矿物，白色区域为岩石基质[18]。煤孔隙分割图和三维可视化分析图如图5～图8。

图5 不同井田各煤层孔隙分割图Fig.5 Pore segmentation diagrams of each coal seam in different mine fields

图6 巴拉素井田2 号煤孔隙结构三维可视化分析图Fig.6 3D visualization analysis of pore structure of No.2 coal in Balasu Mine Field

图7 巴拉素井田3 号煤孔隙结构三维可视化分析图Fig.7 3D visualization analysis of pore structure of No.3 coal in Balasu Mine Field

图8 大海则井田2 号煤孔隙结构三维可视化分析图Fig.8 3D visualization analysis of pore structure of No.2 coal in Dahaize Mine Field

利用三维分析软件对CT 扫描的煤层样品进行孔隙提取，发现巴拉素井田2 号煤的孔隙发育情况相对较好（占总体积16%）。横向对比发现，大海则井田2 号煤孔隙比巴拉素井田发育少（占比6%）；纵向对比发现，巴拉素井田3 号煤的孔隙发育较少（占比10%）。由此可知，巴拉素井田2 号煤的孔隙最为发育，可为地下水提供存储空间和渗流通道。

3 煤层微观特征

通过对比孔渗实验结果发现：巴拉素井田3号煤孔隙度最差，其上覆的2 号煤孔隙度比大海则井田2 号煤更为发育，说明巴拉素井田2 号煤拥有更多的孔隙空间，以满足一定量的地下水存储；而大海则井田2 号煤的渗透率极为不均，但在其孔隙度较差的条件下，渗流能力受到自身有限空间制约，煤层内难以形成有效可动流体，导致几乎无实质性水的渗流。

通过扫描电镜实验发现：各煤层的孔隙结构中均含有生物孔和摩擦孔（约占总孔隙6%），但巴拉素井田2 号煤还发育有溶蚀孔（3%），该类孔隙的发育表明其煤层内存在有活跃的水流情况。实验还发现：大海则井田2 号煤的孔隙、裂隙发育相对最少（2%）；巴拉素井田2、3 号煤虽然均发育有张性裂隙，但其2 号煤的裂隙类型、数量均比3 号煤层明显要多（10%），说明巴拉素井田2 号煤具有更好的空间和通道以接受地下水的存储和流动。

通过核磁共振实验发现：巴拉素井田2 号煤的重力水含量比3 号煤平均高10%～20%；大海则井田2 号煤的弱结合水含量比巴拉素井田2 号煤平均多10%～15%，巴拉素井田2 号煤的重力水含量整体比大海则井田高。由此说明巴拉素井田2号煤的富水性相对最强。

通过对CT 扫描结果定量提取煤样的孔隙半径和体积分布，发现巴拉素井田2 号煤的孔隙分布（0～5 μm）比其他煤层均要多，各煤层孔隙结构定量表征如图9～图11。

图9 巴拉素井田2 号煤不同孔隙体积分布频率柱状图Fig.9 Histogram of distribution frequency of different pore volumes in No.2 coal of Balasu Mine Field

图10 巴拉素井田3 号煤不同孔隙体积分布频率柱状图Fig.10 Histogram of distribution frequency of different pore volumes in No.3 coal of Balasu Mine Field

图11 大海则井田2 号煤不同孔隙体积分布频率柱状图Fig.11 Histogram of distribution frequency of different pore volumes in No.2 coal of Dahaize Mine Field

由图9～图11 可知：0～5 μm 孔隙分布，巴拉素井田2 号煤占50%，巴拉素井田3 号煤占44%，大海则井田2 号煤占11%，由此认为巴拉素井田2 号煤的孔隙储水能力比其他煤层强。

4 结 语

1）综合对比各煤层的孔渗实验、扫描电镜实验成果，表征了巴拉素井田2 号煤层内部孔隙最为发育；其存在的溶蚀孔，表明了在孔隙内部存在明显的水体流动现象，并认为煤层渗流能力也将主要受到孔隙空间的影响。

2）根据各煤层核磁共振实验成果对比认为，具有较高含量重力水的巴拉素井田2 号煤层内部，可自由流动水体较为活跃，而其他煤层的结合水含量相对更多，不利于其内部水体的运移活动。

3）结合CT 扫描实验成果对比认为，巴拉素井田2 号煤层依然在相同孔隙直径范围内的孔隙分布占比最高，相比而言，可为地下水体存储提供更为有利的介质条件，也表现了其具有更好的储水能力。

4）通过开展煤层微观结构特征研究，其微观成果证明了巴拉素井田2 号煤层作为富水体的自身本质特性，为后期开展相关煤层富水机理、展布规律等研究奠定了重要的理论基础。