陽泉新景煤礦煤層孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

張會青, 李 明, 劉建偉

(1.山西新景礦煤業(yè)有限責任公司,山西 陽泉 045000;2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116)

新景煤礦位于陽泉礦區(qū)西部,屬沁水煤田的東北端,為我國重要的無煙煤生產(chǎn)基地。構(gòu)造上處于沁水盆地東北緣,總體構(gòu)造較為簡單,為SW向傾斜的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)主要以NNE、NE向的寬緩褶皺構(gòu)造為主,多期構(gòu)造運動形成的疊加褶皺控制了礦區(qū)的總體形態(tài)(見圖1)。大斷層不發(fā)育,以層間小斷層為主,斷層性質(zhì)多為正斷層[1]。含煤地層主要為太原組和山西組,3號和15號煤層穩(wěn)定可采。該區(qū)煤層含氣量較高,是煤層氣開發(fā)的有利區(qū)塊之一[2]。而局部強變形構(gòu)造煤的發(fā)育使得新景礦發(fā)生了多次瓦斯突出事故,嚴重限制了煤礦的安全生產(chǎn)和煤層氣的開發(fā)。本文從新景煤礦構(gòu)造煤變形及孔隙結(jié)構(gòu)特征方面入手,分析二者之間的關(guān)系,進而探討不同類型構(gòu)造煤對煤儲層物性的影響,為區(qū)內(nèi)的煤層氣開發(fā)提供理論指導。

圖1 新景礦3號煤層底板等高線與構(gòu)造綱要圖Fig.1 Contour line and structure outline map of floor in No.3 coal seam in Xinjing Mine

1 樣品及測試方法

重點對全區(qū)主要可采的3號煤層展開系統(tǒng)研究,3號煤層屬穩(wěn)定煤層,厚度0.75 m～4.80 m,平均厚2.26 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單—較簡單,經(jīng)過系統(tǒng)的井下觀測和采樣,篩選出4塊典型不同變形程度煤的樣品。在室內(nèi)對煤樣標本進行系統(tǒng)的宏觀變形特征觀察和顯微變形觀察。采用壓汞實驗進行孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究。通過在室內(nèi)對煤樣進行系統(tǒng)的構(gòu)造變形特征觀測和描述,依據(jù)李明(2013)構(gòu)造劃分方案,可將構(gòu)造煤樣品劃分為3種構(gòu)造煤類型,分別為原生煤、碎裂煤和碎斑煤(如表1所示)。通過壓汞法測試孔徑分布,孔徑結(jié)構(gòu)劃分采用霍多特(1996)的劃分標準[3],階段孔容含量及分布特征(如表2所示)。

表1 煤樣煤體結(jié)構(gòu)類型及基本特征統(tǒng)計表Table 1 Structure types and basic characteristics of coal samples

表2 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Pore structure parameters of coal samples

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 煤體構(gòu)造變形特征

新景礦3號煤層構(gòu)造煤類型主要為原生煤、碎裂煤和碎斑煤,其變形特征表現(xiàn)為:

1)原生煤。煤體完整、堅硬,層理清晰可見,原生條帶結(jié)構(gòu)保存完好。內(nèi)生裂隙密集、穩(wěn)定,橫向順層裂隙連續(xù)性較好,但縱向垂層裂隙連續(xù)性較差,受后期構(gòu)造影響較弱。構(gòu)造裂隙發(fā)育稀疏,為順層和斜交裂隙,煤體表面可見有光滑摩擦面現(xiàn)象。

2)碎裂煤。受構(gòu)造應力作用較輕,發(fā)生脆性變形,開始破裂。原生結(jié)構(gòu)構(gòu)造被各種方向裂隙切割,但破裂間隙不大,破碎角礫并未出現(xiàn)錯開與位移。煤基本保持整體完整性,原生結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本保持不變,有些煤體裂隙切割并未完全連通。內(nèi)生裂隙密集,煤體構(gòu)造變形有所增強,裂隙規(guī)模較大且密集,多組裂隙間交切和限制，煤體表面有摩擦面發(fā)育。

3)碎斑煤。受構(gòu)造應力作用較強烈,被網(wǎng)狀裂隙或節(jié)理切割破裂比較厲害。煤的原生結(jié)構(gòu)構(gòu)造已被破壞,發(fā)生破碎。破碎角礫有較大位移,一般呈棱角狀、次棱角狀,雜亂分布。破裂間隙有雜質(zhì)混入。節(jié)理和內(nèi)生裂隙均隱約可見或難以辨認,煤體較為松散、破碎,呈不規(guī)則參差塊狀。表面局部出現(xiàn)碎?；F(xiàn)象,多組細小、紊亂的裂隙較為密集不均勻發(fā)育,將煤體切割、破碎為大小不等的碎塊和碎粒,形成碎斑狀結(jié)構(gòu)。其中109號樣品變形相對弱,顯微裂隙密度及間距較碎裂煤增大,局部發(fā)育的密集裂隙帶內(nèi)可見碎斑結(jié)構(gòu),碎斑錯開、位移量較小。113號樣品構(gòu)造變形增強,煤體更為松散,顯微碎斑結(jié)構(gòu)極為發(fā)育,裂隙密度進一步增加,裂隙間距進一步增大。

2.2 煤樣孔隙參數(shù)分析

從原生煤到碎裂煤及碎斑煤,隨著煤體構(gòu)造變形程度的增強、破碎程度的增高,總孔容和中孔孔容增大,孔隙度升高,退汞效率下降。

就孔容分布參數(shù)來講,各煤樣孔容分布差異性明顯。碎裂煤和原生煤以微孔和過渡孔為主,反應了煤體受構(gòu)造變形程度較弱,主要是原生孔和變質(zhì)孔[4]。但碎裂煤的中孔孔容所占比例較原生煤有所增大,主要由于構(gòu)造變形程度增強,裂隙發(fā)育程度增加所導致。不同變形程度的碎斑煤的孔徑分布也有明顯的差別,孔容分布從以大孔和微孔為主過渡到以大孔和中孔為主,其中變形程度較強的碎斑煤中孔異常發(fā)育,為由碎斑結(jié)構(gòu)大量發(fā)育、裂隙密度和間距增大所導致。

綜上所述,煤樣孔隙參數(shù)對煤體構(gòu)造變形具有很好的響應,構(gòu)造變形導致中孔孔容的差異性增強,大孔次之,微孔和過渡孔差異性最小。

2.3 煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

進一步對階段孔容分布曲線分析可發(fā)現(xiàn)，曲線呈不規(guī)則波動狀。針對階段孔容分布曲線波動特征，可以將階段孔容分布曲線分為“水平段”、“尖棱段”和“階梯段”3種區(qū)段類型(見圖2)。

1)水平段。階段孔容分布曲線在一定的孔徑區(qū)間內(nèi),表現(xiàn)出水平或近于水平狀,孔容增量相等。表示了這一孔徑的區(qū)間內(nèi)各孔孔徑的發(fā)育程度相近,一般孔隙容積增量較小,0.1 mm3/g～1.6 mm3/g,反映了該孔徑階段煤體所受的構(gòu)造變形改造較弱,孔隙類型仍以原生孔和變質(zhì)孔為主,孔隙結(jié)構(gòu)改變較小。

2)尖棱段。表現(xiàn)為階段孔容分布曲線呈尖棱狀峰形,且右側(cè)大孔徑階段發(fā)生跳躍、突變上升,左側(cè)小孔徑階段則逐步緩慢降低下降,階段孔容差值最高可達1.5 mm3/g。反映了該孔徑階段細瓶頸孔發(fā)育較好,隨著進汞壓力的增大、細瓶頸孔孔喉的突破,發(fā)生大量進汞和階段孔容分布曲線的跳躍,而后階段孔容的逐步降低則反映了內(nèi)部孔徑小于孔喉的孔隙發(fā)育程度。由于細瓶頸孔的發(fā)育,常導致該孔徑階段退汞效率的降低。

3)階梯段。階段孔容分布曲線在這一孔徑范圍內(nèi)出現(xiàn)強烈的跳躍階梯狀增長,主要為孔徑小于10 mm的孔隙。且該階梯段的次級峰異常發(fā)育,為連通性較差的原生孔和變質(zhì)孔發(fā)育所致,主要構(gòu)成了煤層氣的吸附和存儲空間。

圖2 階段孔容分布特征曲線Fig.2 Distribution characteristic curves of sectional pore volume

3 結(jié)論

1)新景礦3號煤層構(gòu)造煤類型主要為原生煤、碎裂煤和碎斑煤,原生煤內(nèi)生裂隙發(fā)育,構(gòu)造變形較弱,碎裂煤中多組構(gòu)造裂隙發(fā)育,碎斑煤局部區(qū)塊狀或條帶狀碎斑結(jié)構(gòu)發(fā)育。

2)孔隙參數(shù)對煤體構(gòu)造變形具有很好的響應,隨著煤體構(gòu)造變形程度的增強,總孔容、孔隙度和中孔孔容增大,退汞效率下降,構(gòu)造變形導致中孔孔容的差異性增強。

3)階段孔容分布曲線可分為“水平段”、“尖棱段”和“階梯段”3種區(qū)段類型，水平段反映了較弱的構(gòu)造變形改造，尖棱段指示了強構(gòu)造變形碎斑結(jié)構(gòu)所導致的孔喉的發(fā)育，階梯段則代表了煤層氣的吸附和存儲空間孔隙。

參考文獻：

[1] 王一,秦懷珠,焦希穎.陽泉礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征及形成機制淺析[J].煤田地質(zhì)與勘探,1998(6):25-28.

WANG Yi，QIN Huaizhu，JIAO Xiying.Features and Formation Mechanism of Geological Structure in Yangquan Mining Area[J].Coal Geology& Exploration,1998(6):25-28.

[2] 張坤鵬,姜波,李明,等.新景煤礦3號煤層煤體結(jié)構(gòu)測井曲線判識及其分布規(guī)律[J].煤田地質(zhì)與勘探, 2016(1):123-127.

ZHANG Kunpeng,JIANG Bo,LI Ming,etal.Identification and Distribution of Structure of Seam No.3 in Xinjing Mine on the Basis of Well Logs[J].Coal Geology& Exploration,2016(1):123-127.

[3] 霍多特.煤與瓦斯突出[M].北京:中國工業(yè)出版社,1966:318.

[4] 張慧.中國煤的掃描電子顯微鏡研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2003.