突出岩石学特征研究

1突出砂岩的岩石学特征研究文世元1,2郭臣业3周东平3周俊杰3（1.重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030；2.重庆市煤炭工业管理局，重庆，401121；3.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆，400060）摘要：为了认识重庆某矿T3xj4突出砂岩岩样岩石学特征，分析了砂岩的地质概况，并用X射线荧光光谱仪、蔡司偏光显微镜、AutoPoreⅣ9500全自动压汞仪、VEGAIILMU型可变真空扫描电镜对突出砂岩进行了测试。结果表明：岩样为沉积石英砂岩，化学成分以SiO2、偏铝酸盐为主；岩样孔隙度和渗透率较低，孔喉尺寸大于甲烷分子直径，2.5~9.4μm之间的孔喉对渗透率贡献值最大；岩样呈块状结构，断面不平整，微观裂隙和节理不发育、连通性差，砂岩微观断面存在贝壳状、阶梯状断口，鲜有节理面。突出砂岩岩石学特征的研究能够帮助我们甄别突出砂岩，为岩石和瓦斯突出的预测预报提供佐证。关键字：岩石和瓦斯突出；砂岩；岩石学特征中图分类号：TD713PetrologicalcharacteristicsofoutburstsandstoneandsignificanceWENShiyuan1,2GUOChenye3ZHOUDongping3ZHOUJunjie3（1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2.ChongqingAdministrationofCoalIndustry,Chongqing401121,China;3.ScienceandTechnologyCo.,Ltd.,ChongqingEnergyInvestmentGroup,Chongqing400060,China）Abstract：InordertounderstandthepetrologicalcharacteristicsofT3xj4outburstsandstonesampleinChongqingcoalmine,analysedgeologyofsandstone,andtestedoutburstsandstonebyXRF,CAISIpolarizermicroscope,AutoPoreⅣ9500apparatusmercuryintrusion,VEGAIILMUvariablevacuumscanningelectronmicroscope.Testresultsshowedthat:RocksampleisSedimentaryquartzsandstoneandmainlycomposedofSiO2,partialaluminate;samplehavelowaverageporosityandpermeability,porethroatsizegreaterthanthediameterofmethanemolecular，andporethroatbetweenthe2.5~9.4μmcontributiontothepermeabilityvalueofthelargest;rocksamplehavemassivestructureandsectionofrocksampleisnotflat，micro-cracksandjointsdonotdevelop，theconnectivityispoor，micro-sectionofsandstonehaveconchoidalfracture,ladder-shapedfractureandrarelyjointsurface.theresearchofpetrologicalcharacteristicsofoutburstsandstonecanhelpustodifferentiateoutburstsandstoneandprovidesproofforforecastofrockandgasoutburst.KeyWords：rockandwasoutburst；sandstone；PetrologicCharacteristics1前言随着煤矿开采深度的不断增加，采矿环境日趋恶化，工程灾害日趋增多。近年来，煤矿矿井在深部掘进巷道时出现了岩石和瓦斯突出现象[1-4]，国外发生岩石和瓦斯突出比较严重的国家有前苏联（1955-1975）、波兰（1975）、捷克（1973）、日本（1974）等国，我国的永川煤矿（1994-1997，2008）、阜新矿区艾友矿（2007）和东梁二井（1983）、甘肃窑街矿区基金项目：重庆市科委自然科学基金计划项目（cstcjjA00002）；重庆市科技攻关计划重点项目（cstc2012gg-yyjsB90001）。作者简介：文世元（1969-），男，重庆市煤炭工业管理局瓦斯防治处处长，高级工程师，主要从事煤矿瓦斯防治技术管理和行政管理工作。2海石湾风井（1995）、吉林营城五井（1975）、北票矿区的冠山二井和台吉竖井（1970）等煤矿掘进巷道先后出现过岩石和瓦斯突出。岩石和瓦斯突出资料表明（表1），突出岩石均来自沉积砂岩层，这说明沉积砂岩的岩石学特征、孔隙特性等与突出存在着紧密的联系，因此研究突出砂岩的岩石学特征对认识岩石和瓦斯突出具有重要意义。国内外对突出砂岩的岩石学特征研究较少，我国学者李晓昭、华安增等研究了海石湾风井油气砂岩突出的砂岩特征，给出了突出砂岩填隙物的显微组分特征、400倍以下SEM图像和压汞参数[1,5]，受试验条件影响他们并没有分析油气突出砂岩的元素特征；М.И.большинский研究了彼得洛夫斯克-深矿突出砂岩，认为突出危险砂岩的孔隙率为无突出危险砂岩的0.5-1倍[6]；YBZhang、冯涛等从岩爆发生机理的角度出发，研究了发生岩爆岩石断口微观形态，认为岩石断口微观形态与所受力学状态有密切关系[7,8]。由于研究目的不同，已有的对突出砂岩岩石学特征的研究并不全面，尚需进一步研究。本文以取自重庆某煤矿发生过岩石和瓦斯突出的须家河四段（T3xj4）砂岩为研究对象，分析其地质背景、元素及矿物组成和电镜扫描图像特征，并论述突出砂岩岩石学特征研究的意义。表1国内外部分岩石和瓦斯突出岩石种类统计表Table1Thestatisticaltableofrocksspeciesinrocksandgasoutburstdomesticandforeign发生地点岩性中国（艾友矿）粉砂岩中国（永川6井）中粒砂岩中国（甘肃窑街矿）中、粗粒砂岩捷克（斯塔瑞奇矿）砂岩原苏联（顿巴斯矿）中粒砂岩原苏联（波钦科夫煤矿）砂岩英国（黑克莱顿矿）砂岩西德砂岩2突出砂岩体地质概况重庆某矿所属煤田由新华系四川沉降带川东“隔挡式”构造西缘的华蓥山帚状构造向西南延伸的西山、螺观山、新店子和古佛山等背斜组成。区内向斜宽缓，背斜紧密，轴线呈北东-南西展布，彼此间近似平行，并形成左列式雁行排列。西山、新店子和古佛山背斜在平面山组成一组向南东凸起的弧形构造，新店子背斜正位于弧形构造的中段。重庆某矿正位于弧形的顶端。矿区出露最老地层为三叠纪下统飞仙关组暗紫色钙质泥岩，其上依次为三叠纪下统嘉陵江组石灰岩（厚约400m）、三叠纪上统须家河组陆相砂泥岩含煤地层（厚约640m），再上为侏罗纪紫红色泥岩、砂质泥岩夹砂岩及薄层石灰岩，矿区三叠纪须家河四、五段部分综合柱状简图如图1所示。T3xj4以厚层状灰白～浅灰色中粒砂岩为主，局部为细粒或粗～中粒砂岩，偶夹薄层泥质粉砂岩及粉砂质泥岩透镜体，具有大型板状交错层理和平行层理。井田地区周边T3xj4地层等厚图和成岩相平面分布图见图2。蜀南T3xj4岩层沉积环境属于河流-三角洲沉积体系，为三角洲平原沉积相，该层位还是川南油气田的主要存储层之一。重庆某矿T3xj4砂岩为中~粗粗碎屑沉积，具有以下特征：砂岩颜色较浅，一般为灰白～浅灰色，粒度稍粗，多为中粒砂岩；砂岩填隙物中杂基以粘土矿为主，含量一般小于6%，胶结物以石英和方解石为主，另有少量绿泥石、高岭石等[9]。成岩作用包括压实作用、压溶作用、胶结作用(绿泥石胶结)、交代作用、构造破坏作用、溶蚀作用等。3地质年代层厚/m累厚/m柱状岩性名称Txj35Txj340.610.900.952.180.201.9310.029.400.980.611.512.644.644.846.7716.7826.9836.3837.3610.01大龙煤层砂质泥岩泥岩,含煤线砂岩泥岩8号煤层粉砂质泥岩粉砂岩细粒砂岩中粒砂岩杉木炭煤层图1矿区须家河四段、五段综合柱状图Fig1syntheticalstratumhistogramofT3xj4andT3xj5inMiningArea永川荣昌江津来凤山120m130m140m150m150m140m150m140m130m120m110m100m90m绿泥石胶结成岩相溶蚀-高岭石胶结成岩相成岩相分等厚线界线硅质胶结成岩相图2井田地区周边T3xj4地层等厚图(a)和成岩相平面分布图(b)（张庄,2004）Fig2StratumisopachousmapanddiageneticfaciesmapofT3xj4incoalminevicinity（ZHANGZhuang,2004）3突出砂岩成分及孔隙特征3.1XRF（X射线荧光光谱仪）分析突出岩样取自重庆某矿-600m延深工程发生过突出的大块砂岩（垂深800m）,砂岩密度为2627kg.m-3。突出砂岩呈麻灰色，中粒状结构、块状构造，胶结紧密、质地均匀，断开时有砂糖状端口。MTS815岩石力学试验系统测试表明，砂岩样脆性较大、强度偏高（c62.7MPa）[10]。利用X射线荧光原理，理论上可以测量元素周期表中的每一种元素，XRF分析一般用于测试物体中所含元素及元素含量。XRF分析所用实验仪器为日本岛津公司生产的XRF-1800CCDE型X射线荧光光谱仪，仪器采用4kW薄窗口全自动计算机控制对样品进行定性定量测试，具有非破坏性、快速、精度高、定性及定量准确等优点。典型的突出砂岩X射线荧光光谱图如图3所示，图中横坐标为角度，纵坐标为X射线荧光强度。4图3砂岩样品X射线荧光光谱图Fig3FluorescentX-rayspectrometryofsandstonesample表2砂岩样品化学成分测定表Table2TheChemicalCompoundofsandstonesamplesSi(%)Al(%)Fe(%)K(%)Mg(%)Ti(%)Zn(%)S(%)Ca(%)Na(%)P(%)Zr(%)Mn(%)45.7452.0991.4170.7010.2820.2290.1680.0970.0830.0780.0440.0200.016样品的元素含量是元素X荧光强度l的函数，经验公式如下[11]：...)(332211lklklkfC（1）式中C为样品元素含量，k1、k2、k3…为待定系数，其值通过建立刻度标准、测得样品中含量已知的元素（标准对比样品）的方法确定；l1、l2、l3…表示各元素的X荧光强度。按照上述计算方法和已知对比样品中元素的值得到砂岩中元素平均含量，见表2。从测试结果来看，样品主要含有Si、Al元素（含量大于2%），因此可以推测砂岩样品中含有较多Si、Al的化合物，Si、Al在地层中的主要存在形态为石英、云母、长石，所以岩样中石英（SiO2）、云母（KAl2〔AlSi3O10〕〔OH〕2等铝硅酸盐矿物）、长石（钾、钠、钙以及钡的无水架状结构的铝硅酸盐）含量较多。砂岩的化学成分与其所处的大地构造环境、沉积背景有密切的关系。须家河组沉积时期，碎屑物源主要来自西侧的古龙门山岛链和褶皱山脉，米仓山以北古秦岭褶皱带和北大巴山褶皱带，研究区碎屑物源主要来自本区东和东南的鄂西褶皱带及南面黔桂褶皱带和黔中隆起，西南侧的康滇古隆起有部分物源。须家河组是由西向东、由北向南超覆的，部分物源还来自湖盆边缘剥蚀区，如部分碳酸盐碎屑。另外，再旋回的泥砾(形