陽泉新景煤礦煤層孔隙結構特征研究

張會青, 李 明, 劉建偉

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

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

圖1 新景礦3號煤層底板等高線與構造綱要圖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

重點對全區主要可采的3號煤層展開系統研究,3號煤層屬穩定煤層,厚度0.75 m～4.80 m,平均厚2.26 m。煤層結構簡單—較簡單,經過系統的井下觀測和采樣,篩選出4塊典型不同變形程度煤的樣品。在室內對煤樣標本進行系統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構特征的研究。通過在室內對煤樣進行系統的構造變形特征觀測和描述,依據李明(2013)構造劃分方案,可將構造煤樣品劃分為3種構造煤類型,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,孔徑結構劃分采用霍多特(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 煤樣煤體結構類型及基本特征統計表Table 1 Structure types and basic characteristics of coal samples

表2 煤樣孔隙結構參數統計表Table 2 Pore structure parameters of coal samples

2 實驗結果與分析

2.1 煤體構造變形特征

新景礦3號煤層構造煤類型主要為原生煤、碎裂煤和碎斑煤,其變形特征表現為:

1)原生煤。煤體完整、堅硬,層理清晰可見,原生條帶結構保存完好。內生裂隙密集、穩定,橫向順層裂隙連續性較好,但縱向垂層裂隙連續性較差,受后期構造影響較弱。構造裂隙發育稀疏,為順層和斜交裂隙,煤體表面可見有光滑摩擦面現象。

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

3)碎斑煤。受構造應力作用較強烈,被網狀裂隙或節理切割破裂比較厲害。煤的原生結構構造已被破壞,發生破碎。破碎角礫有較大位移,一般呈棱角狀、次棱角狀,雜亂分布。破裂間隙有雜質混入。節理和內生裂隙均隱約可見或難以辨認,煤體較為松散、破碎,呈不規則參差塊狀。表面局部出現碎粒化現象,多組細小、紊亂的裂隙較為密集不均勻發育,將煤體切割、破碎為大小不等的碎塊和碎粒,形成碎斑狀結構。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,局部發育的密集裂隙帶內可見碎斑結構,碎斑錯開、位移量較小。113號樣品構造變形增強,煤體更為松散,顯微碎斑結構極為發育,裂隙密度進一步增加,裂隙間距進一步增大。

2.2 煤樣孔隙參數分析

從原生煤到碎裂煤及碎斑煤,隨著煤體構造變形程度的增強、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,反應了煤體受構造變形程度較弱,主要是原生孔和變質孔[4]。但碎裂煤的中孔孔容所占比例較原生煤有所增大,主要由于構造變形程度增強,裂隙發育程度增加所導致。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育,為由碎斑結構大量發育、裂隙密度和間距增大所導致。

綜上所述,煤樣孔隙參數對煤體構造變形具有很好的響應,構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 煤樣孔隙結構特征分析

進一步對階段孔容分布曲線分析可發現，曲線呈不規則波動狀。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間內,表現出水平或近于水平狀,孔容增量相等。表示了這一孔徑的區間內各孔孔徑的發育程度相近,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造變形改造較弱,孔隙類型仍以原生孔和變質孔為主,孔隙結構改變較小。

2)尖棱段。表現為階段孔容分布曲線呈尖棱狀峰形,且右側大孔徑階段發生跳躍、突變上升,左側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育較好,隨著進汞壓力的增大、細瓶頸孔孔喉的突破,發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部孔徑小于孔喉的孔隙發育程度。由于細瓶頸孔的發育,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出現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育,為連通性較差的原生孔和變質孔發育所致,主要構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 結論

1)新景礦3號煤層構造煤類型主要為原生煤、碎裂煤和碎斑煤,原生煤內生裂隙發育,構造變形較弱,碎裂煤中多組構造裂隙發育,碎斑煤局部區塊狀或條帶狀碎斑結構發育。

2)孔隙參數對煤體構造變形具有很好的響應,隨著煤體構造變形程度的增強,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種區段類型，水平段反映了較弱的構造變形改造，尖棱段指示了強構造變形碎斑結構所導致的孔喉的發育，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.陽泉礦區地質構造特征及形成機制淺析[J].煤田地質與勘探,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號煤層煤體結構測井曲線判識及其分布規律[J].煤田地質與勘探, 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:地質出版社,2003.