巴拉素井田富水煤層頂底板礦物巖石特征研究

方 剛

（1. 中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710054；2. 陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；3. 西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054）

0 引言

陜北侏羅紀煤田是我國煤炭主要生產基地之一，中部的榆橫礦區（北區）內規劃有十余個大型礦井（井田面積在100～300 km2之間），且大多數暫未開發。近年來，區內的小紀汗煤礦、袁大灘煤礦、巴拉素煤礦陸續發現首采的2號煤層富水，該水害問題嚴重制約著榆橫礦區（北區）內各煤礦的發展，且對礦井安全生產構成威脅[1-2]。而該2號煤層在區內的富水性并不均一，存在著相鄰的兩個井田同一2號煤層具有富水和非富水的明顯區別。由此推斷，煤層的頂底板圍巖的礦物成分、接觸關系等巖石特征可能存在著一定的差異。鑒于該現象的特殊性，且目前區內針對富水煤層頂底板圍巖開展過的專門研究極少，本文從煤層頂底板巖石的礦物巖石特征等方面開展研究，以期為2號煤層富水現象的探索提供依據。

對于煤層頂底板圍巖的巖石特征研究在不同領域已取得了大量收獲[3]。研究理論思路方面，張媛媛等[4]通過巖體內的重礦物綜合分析，探討礦層的物質來源和成礦條件；計波等[5]利用沉積學、巖石學、巖石地球化學等理論對巖石的成因進行研究；呼和等[6]基于礦物顆粒智能分割的思路，解決圖像分割的難題；徐吉豐等[7]根據“逐級分離”的思想，研究巖石中礦物組分和含量；陳高潮等[8]通過巖石組分和重礦物特征，探索地層基底組成與構造演化的關系；鄧廣哲等[9]通過研究夾矸層物理力學、化學性質，提出復配專用巖石酸化壓裂的工作思路。在研究礦物巖石特征的主要方法手段方面，李煥同等[10]、邢慧通等[11]、張志軍[12]和康東雅等[13]利用偏光顯微鏡、X射線衍射、能譜分析、壓汞測試及掃描電鏡等方法手段，對煤巖礦物學特征、變質程度、對外部條件（溫度、壓力等）變化的響應、宏微觀特征、構造運動、沉積相演化和物源變化等進行研究；張博等[14]、王朝引[15]基于近紅外巖芯光譜掃描技術、沉積相分析法對成礦的沉積環境、層序地層格架、巖石粒徑分布、泥砂巖空間展布等進行研究；姜楓等[16]利用卷積神經網絡和模糊聚類技術，提出了自動顆粒分割方法，以此提高砂巖薄片鑒定效率；張艷博等[17]綜合采用CT技術和數字圖像處理技術，構建數字化模型，以此揭示巖石破裂機制；石志祥等[18]通過對煤樣的工業分析、全硫分析和發熱量分析，對礦物成分、化學成分、微形貌特征等方面進行研究；孫長倫等[19]采用納米壓痕技術研究砂巖中礦物組分的流變特征和本構方程，結合高精測試儀，從細觀尺度上研究礦物流變特性；謝妮等[20]研究巖石在不同pH值、Na2SO4溶液濃度及浸泡時間后的力學特征和微觀結構特征，以此預防及評價水化學環境對砂巖腐蝕作用。

上述各研究成果將為本文的研究提供參考和借鑒，但針對富水煤層頂底板礦物巖石特征在陜北侏羅紀煤田榆橫北區內開展的相關研究工作較為有限。目前區內正在建設多個大型礦井，該研究對于后期各礦井的水文地質及防治水工作具有重要理論意義和實際應用價值。因此，本文對區內富水煤層和其他非富水煤層的頂底板圍巖進行對比，通過采用X射線衍射、薄片分析、掃描電鏡等方法，對礦物巖石特征進行研究。

1 研究背景

巴拉素煤礦地處陜北侏羅紀煤田榆橫北區中部，首采2號煤層（埋深454～547 m，平均埋深約498 m；煤厚2.2～5.2 m），現礦井處于基建階段。在建設過程中，發現2號煤層富水[2]。而在該煤層底板40～60 m的3號煤層（煤厚4.6～7.8 m）和相鄰的大海則井田2號煤層（埋深548～655 m，平均埋深約597 m；煤厚4.4～11.0 m）均未發現含（富）水現象。

普遍認為煤層形成于高溫高壓的地質環境，為一種致密固態有機可燃沉積巖。一般情況下，煤層形成過程中，自身難以形成豐富的地下水。而巴拉素煤礦2號富水煤層的存在，表明與其他煤層所處環境及水文地質條件必然有著較為明顯的區別。因此，將從不同井田的同一煤層、同一井田的不同煤層的頂底板主要巖層入手，重點研究其礦物巖石特征，分析各地層不同巖石類型及礦物組分的差異性，通過對比分析，探究巴拉素煤礦2號富水煤層的圍巖特征。

為便于研究及突出重點，將區域內主要地層、煤層進行概化，具體研究侏羅系直羅組下段和延安組1號覆巖、2號覆巖的巖石特征（圖1）。

圖1 研究區主要地層結構示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the main stratigraphic structure in the study area

2 巖石分類及特征

利用X射線衍射儀進行礦物組成實驗[21]，偏光顯微鏡進行巖石礦物薄片分析[22]，掃描電子顯微鏡進行礦物微觀形貌觀察[23-24]，以此對各巖層的礦物組成及微觀特征進行研究。

2.1 礦物組分特征

由于巴拉素井田、大海則井田的2號煤層頂底板主要巖層為砂巖層，采用砂巖碎屑成分三角圖投影法[25]對侏羅系直羅組和延安組1號覆巖、2號覆巖的各砂巖樣品進行統計分析。結果表明，巴拉素井田直羅組和延安組1號覆巖以長石砂巖為主，延安組2號覆巖則為長石砂巖和巖屑長石砂巖；而大海則井田直羅組為長石巖屑砂巖，延安組1號覆巖為巖屑長石砂巖（圖2）。

圖2 侏羅系砂巖碎屑組分三角圖Fig. 2 Triangulation of Jurassic sandstone clastic composition

通過X衍射實驗發現，巴拉素井田侏羅系砂巖以石英、長石和黏土礦物為主，此外在直羅組和延安組2號覆巖還存在少量的黃鐵礦；大海則井田侏羅系砂巖以石英、長石和黏土礦物為主，其次是菱鐵礦，延安組1號覆巖還存在9.8%的黃鐵礦（圖3和圖4）。從圖3和圖4中可以看出，巴拉素井田延安組2號覆巖的黏土含量相對較高；另外，大海則井田直羅組、延安組1號覆巖還分別含有11.1%、8.7%的菱鐵礦。

結合薄片分析、掃描電鏡實驗發現，各砂巖樣品中主要常見石英、長石等礦物（圖5和圖6），此外還有高嶺石、方解石和黃鐵礦等礦物（圖7）。

圖5 侏羅系砂巖石英鏡下特征Fig. 5 Quartz characteristics of Jurassic sandstone under microscope

圖6 侏羅系砂巖長石鏡下特征Fig. 6 Feldspar characteristics of Jurassic sandstone under microscope

圖7 侏羅系砂巖粘土礦物鏡下特征Fig. 7 Clay ore characteristics of Jurassic sandstone under microscope

2.2 礦物接觸特征

1）磨圓度。通過薄片觀察和對比分析，認為巴拉素井田和大海則井田的侏羅系砂巖均以次圓狀為主，其次為次棱角狀，此外，在部分延安組砂巖中存在少量的棱角狀（圖8）。

圖8 各井田侏羅系砂巖礦物磨圓度Fig. 8 Mineral roundness of Jurassic sandstone in each mine field

2）膠結類型。膠結類型是填隙物（膠結物和雜基）在巖石中的分布、自身結構差異以及顆粒間關系的表征。通過薄片觀察發現（圖9），各砂巖均以孔隙膠結為主，亦可見基底膠結（大海則井田少量存在）。

圖9 各井田侏羅系砂巖膠結類型Fig. 9 Types of Jurassic sandstone cementation in each mine field

3）接觸關系。通過各砂巖樣品薄片觀察可知，直羅組和延安組砂巖礦物均以凹凸接觸為主、其次為線接觸，同時存在少量點接觸（圖10）。在延安組2號覆巖的薄片中還能看到少量縫合線接觸（圖10（c））。

圖10 各井田侏羅系砂巖接觸關系Fig. 10 Contact relation of Jurassic sandstone in each mine field

3 分析和討論

根據對各類巖石礦物組分特征的研究發現，巴拉素井田各砂巖中石英含量隨深度增大而增加，而大海則井田反之。這反映了煤系地層中各巖層成分與沉積時間順序的正向關系，同時也反映了兩個井田的砂巖不是同一期河流沉積所形成的。此外，賦存于各巖層中的黏土礦物具有親水性，含量越高，導致地下水無法自由流動的可能性越大；在大海則井田樣品中發現含有不等量的菱鐵礦，該礦物易在孔裂隙中形成碳酸鹽膠結，堵塞孔隙，由此可造成大海則井田孔隙結構比巴拉素井田差。而黃鐵礦這類硫化物礦物的穩定性低，易溶于水，常呈溶液態流走，在大海則井田延安組1號覆巖中出現10%的黃鐵礦，也說明了該井田的地下水含量相對較少。

通過對各類巖石礦物接觸特征研究發現，區內侏羅系砂巖均具有一定的磨圓度，由此可反映出侏羅系直羅組、延安組砂巖處于穩定強水流的沉積特征；同時，部分延安組砂巖中存在少量的棱角狀情況，對比反映出延安組砂巖較直羅組而言，富水性相對較差。在延安組砂巖中發現的少量縫合線接觸關系，也可以說明該層在沉積過程中受到壓溶作用，從而導致富水性的差異。

綜上所述，巴拉素井田和大海則井田2號煤層頂底板巖層的礦物類型雖然相似，但組分含量、賦存狀態及反映出的沉積環境差異較大，從微觀角度出發，礦物組分和接觸關系特征可明顯體現出巴拉素井田2號煤層頂底板巖層的特殊性，由此導致對2號煤層富水性的影響效果也較為突出。

4 結論

1）通過對研究區各地層主要砂巖層的礦物組分特征分析，發現巴拉素井田、大海則井田的直羅組和延安組砂巖以長石砂巖、長石巖屑砂巖及巖屑長石砂巖為主，礦物成分主要為石英、長石、黏土礦物，大海則井田的侏羅系砂巖中還有一定量的菱鐵礦和黃鐵礦。

2）根據對各砂巖中不同礦物組分情況分析，如石英、黏土礦物含量，菱鐵礦、黃鐵礦含量及聚集狀態等，認為巴拉素井田和大海則井田2號煤層的頂底板砂巖結構存在明顯區別；根據礦物接觸特征分析，發現直羅組與延安組存在一定差異。上述兩類條件可能是造成區域內不同井田、同一2號煤層的富水情況具有天壤之別的原因之一。

3）通過開展2號煤層頂底板礦物巖石特征研究，同時與相鄰的大海則井田進行對比，發現了巴拉素井田2號煤層的圍巖可能為充水提供了環境條件和補給能力，并揭示了大海則井田2號煤層非富水的圍巖環境特征。該研究為后期開展煤層富水機理、展布規律等研究奠定了一定的理論基礎，并提供了參考和指導。