摘要：深井透水问题是煤矿安全生产的关键性影响因素之一，砂岩裂隙结构是主要的透水点。本次研究以唐口煤矿的砂岩结构为切入点，通过常规物性、光学薄片、铸体薄片、电镜扫描等分析测试实验，探究该裂隙砂岩的成分。研究结果表明：砂岩杂基含量高，级配一般，孔隙式连接。
关键词：深井；砂岩；裂隙结构。
0 引言
党中央在“十三五”能源规划中再次明确了煤炭科技的战略重点地位，并要求我们全面贯彻落实四大发展战略。为此，煤炭领域的创新工作必须要紧紧围绕党中央的决策，从节约、清洁、安全三方面全力推进科技创新。目前，我国许多矿井的开采已经相继由浅部转入深部，深井建设势在必行，而深井井筒微裂隙注浆堵水是深井建设难题之一[1]。煤矿深井井筒穿过的岩层，大部分为富含水且层理与节理裂隙发育的沉积砂岩。但由于目前对深井环境中砂岩裂隙结构认识不清，造成现有的注浆技术的注浆效果并不理想。因此，本次研究针对山东省济宁煤田唐口煤矿千米主、副、风井筒建设过程中的砂岩渗水问题，通过常规物性、光学薄片、铸体薄片、电镜扫描等各项分析测试实验，分析其物理力学性质，为深部砂岩的研究提供技术支持。
1砂岩分析及物理力学性质
砂岩是指由母岩经风化、剥蚀、搬运在盆地中堆积，并进一步压实和胶结而成的一种岩石[2]。砂岩包括四种基本组成部分，即砂粒、杂基、胶结物和孔隙，杂基和胶结物又合称为填隙物。砂粒是砂岩的最主要组分，它决定了岩石的基本特征，杂基是指与砂粒一起由机械沉积作用沉积下来的细粒物质，主要为粘土物质，还有粉砂及碳酸盐灰泥等。胶结物是对砂粒起胶结作用的化学沉淀物，如碳酸盐、铁的氧化物与氢氧化物、以及氧化硅等。孔隙是指岩石中未被固体物质所占据的部分，它可以是在原始沉积时就保留下来的原生孔隙，也可以为成岩后生阶段的淋滤溶解作用所形成的次生孔隙[3]。
本文将从砂岩形成的沉积环境、沉积特征、成岩后生变化及其物理力学性质三部分探讨孔隙砂岩的基本性质。本文将以山东济宁煤田唐口煤矿砂岩为重点研究对象，用于室内光学显微镜、扫描电镜观察研究。
1.1砂岩沉积环境
从下白垩系洛河组砂岩→侏罗系直罗组下段砂岩→二叠系下石盒子组砂岩→早二叠纪山西组3煤层顶底板砂岩，砂岩含水层的沉积环境依次为：沙漠相→辫状河、曲流河相→冲积平原-三角洲平原相→海陆过渡三角洲相，上述四种砂岩的颜色、岩石成分、结构、颗粒大小、胶结强度、孔隙率、含水量具有明显不同。根据沉积环境（成因类型）决定所形成砂岩的基本性质这一理论分析，济宁煤田唐口煤矿早二叠纪山西组砂岩比鄂尔多斯盆地井筒建设过程中所遇到的三种最主要孔隙性砂岩含水层具有更高的岩石成熟度、更坚固的胶结结构、更高的岩石力学强度和相对较少的孔隙度和含水。
1.2砂岩沉积环境
本文将从砂岩的成分、颗粒组成（粒度）、颗粒形态、填隙物等方面叙述其沉积特征。
1.2.1砂岩的成分
为研究砂岩的成分和结构特征，先将样品使用切割机切成小块，再将长宽高小于试块用于制作成底面光滑上表面镀锌的扫描电镜试块，最后将其余试块制作岩石薄片。
经观察，样品均为浅灰色灰色，将其制作成块长宽高均小于的光学薄片作为观察对象。砂岩成分在光学显微镜下精确观察结果：石英、燧石所占比重最大，一般在70%-90%，杂基约占10%，其余为长石、白云母、岩屑。
1.2.2砂岩的颗粒组成
砂岩的颗粒组成，主要包括颗粒大小及各粒级所占比例，它与砂岩的物理力学性质有着密切关系。本次研究根据显微镜下块砂岩薄片中各矿物颗粒截面直径统计，块砂岩样品粗砂、中砂、细砂各有块，级配均为级配一般。
图1.2 砂岩中颗粒接触性质
1.3 砂岩的成岩后生变化
砂质沉积物沉积后，就开始有成岩、后生变化。现将本次研究扫描电镜下观察到砂岩的主要成岩后生变化叙述如下。
1.3.1 压实作用
砂岩的压实作用主要发生在成岩期，可一直延续到后生期，但由于后生期岩石已趋于紧密堆积，因而压实变化很小。
1.3.2?胶结作用和固结作用
当砂质沉积物中存在较多粘土时，在压实作用的影响下，粘土物质不断排水，并向砂粒表面粘附，从而起到了固结砂粒的作用，再如在酸性介质条件下，碳酸钙的沉淀可使砂粒胶结呈钙质砂岩。
1.3.3?重结晶作用
重结晶作用在杂基和胶结物中最为常见，如：粘土填隙物经成岩后生变化可重结晶为很好的云母片(如图1.3(a)所示)；蛋白石可结晶为微晶玉髓(如图1.3(a)所示)。
图1.3 砂岩中重结晶作用和交代作用
1.3.4?交代作用
交代作用的发生与外来物质的带人和Eh、pH条件的改变有关。当溶液pH呈碱性且富含Ca2+、CO32-的条件下，碳酸盐会交代石英；反之，在酸性介质的条件下，石英会交代碳酸盐(如图1.3(b)所示)。
1.4砂岩物理力学性质
1.4.1 孔隙度
本次研究采用202-0型台式干燥箱烘干试样，采用自然吸水及煮沸法进行岩样孔隙率测试，具体实验步骤如下：
（1）按试验方法制备试样，取粗、中、细三种砂岩各3块。
（2）自然吸水法：先将试样烘干冷却后称量，再将试样放入容器中，注水至试样高度的1/4处，以后每隔2小时分别注水至试样高度的1/2和3/4处，后将水加入高出试样顶面20 mm。试样全部浸水后自由吸水72小时，取出试样，用湿布擦去其表面水分，称其质量。
（3）煮沸法：先将试样烘干冷却后称量，将称量后的试件放入水槽，注水至试件高度1/2，静置2小时，再加水使试件淹没，煮沸6小时以上，并保持水的深度不变。煮沸停止后静置水槽，冷却后，取出擦水称量。
本次研究对采集的3组砂岩样品，进行了室内物理力学性质测试，采用煮沸法所测得的平均孔隙率为6.81%，说明砂岩的容（储）水能力较强；
1.4.2 砂岩的强度
本次砂岩的单轴抗压实验主要采用的试验设备是长春朝阳试验仪器厂制造的TAW--2000电液伺服岩石三轴仪。电液伺服岩石三轴仪自动化程度较高，在试验过程中，当人为输入试件参数后，该设备能够自动获取压缩过程中的各种变量参数，其中包括施加荷载值、围压大小、应力应变值等，实时采集数据、储存数据、显示数据，并能打印试验报告。
经测得，单轴抗压强度均值为42.14 MPa，呈现明显的较强的胶结特征，明显高于鄂尔多斯盆地三大孔隙性砂岩含水层的胶结强度。
2 结论
唐口煤矿砂岩为细-粗粒长石石英砂岩，砂岩的填隙物中杂基含量高，主要为伊利石和绿泥石等粘土矿物颗粒结构，平均孔隙率为6.81%，说明砂岩的容（储）水能力较强；砂岩成岩后生变化也决定了其透水率较高；单轴抗压强度均值为42.14 MPa，明显高于鄂尔多斯盆地三大孔隙性砂岩含水层的胶结强度。
参考文献:
[1]张农. 深部煤炭资源开采现状与技术挑战. 中国煤炭工业协会.全国煤矿千米深井开采技术[C].中国煤炭工业协会:，2013：22.
[2]蒋裕强，陈林，蒋婵，等. 致密储层孔隙结构表征技术及发展趋势[J]. 地质科技情报，2014，33(03)：63-70.
[3]曾允孚，夏文杰.沉积岩石学[M].北京：地质出版社，1986.
论文作者:王继垚1, 2,张宗浩1, 2,徐爽3
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/8/29
标签：砂岩论文; 孔隙论文; 试样论文; 深井论文; 岩石论文; 作用论文; 砂粒论文; 《防护工程》2019年11期论文;