新疆阜康白楊河礦區構造節理發育特征

張曉飛 王生維

(1.中聯煤層氣有限責任公司太原分公司，山西 030000；2.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 430074；3.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 048006)

阜康白楊河礦區處于博格多復背斜，北天山褶皺帶以北，準噶爾坳陷區以南的黃山～二工河向斜的北翼，總體構造為地層南傾的單斜構造，走向為近EW向，地層傾角44°～54°，按構造復雜程度的級別劃分為簡單構造類型。研究區內構造節理裂隙較為發育，選取煤層露頭出露較好或基巖大片出露的區域，進行地表節理觀測，本次地表選取456個觀測點，觀測節理4500余條，煤礦井下選取12個工作面，觀測節理560余條。

1 地表圍巖節理發育特征

1.1 節理幾何特征描述

本區構造節理廣泛發育，多期剪節理常見，節理面平直，雖然走向上E、W、S、N各個方向均有顯示，但呈現NNE-NE向、NNW-NW向和近EW向三個優勢方向。其中，走向NNE-NE向節理最為發育，NNW-NW向次之，近EW向稍差。節理傾角以中高傾角(51°～90°)為主，占到80%；中低傾角(31°～50°)之間的節理占節理總數的19%；低傾角(<30°)的節理不超過節理總數的1%。根據節理是否切層及切層情況，可將節理分為層內節理，切層節理和切穿露頭節理，研究區以層內節理為主，切層節理次之，很少發育切穿露頭的節理。節理延伸長度從厘米～數十米均有分布，有的甚至超過百米。節理發育密度從0.5條/m到35條/m不等，節理之間可見交織、復合、錯切現象。在同一構造條件下，節理延伸長度受巖性控制，隨著巖石顆粒粒度的增加，節理延伸長度呈遞增的趨勢，同一構造條件下，在巖性相同的情況下，節理密度與巖層厚度成反比。在同一區域如果巖性相同，節理密度與巖層厚度呈負指數冪下降的關系。

1.2 節理期次

研究區存在3組平面剪節理，代表性的產狀分別為：NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向。

根據節理相互切割關系配套分析，確定為兩套共軛剪節理(圖1)。其中，NE-NNE向與NW-NNW向的剪切節理為第一期節理系，形成時間較早。由近EW向和NE-NEE向組的剪節理組成第二期節理系，其多切割其他節理或被其他節理限制，發育時間最晚。

圖1 節理的分期配套示意圖

2 煤層中節理發育特征

本次研究主要對白楊河煤礦七號井+799水平、+844水平的巷道及多個開采面上的節理裂隙構造進行了詳細的觀測、統計與分析。重點觀測了+799水平與+844水平的39+、41號、42號、43號煤層的節理裂隙。

2.1 節理的幾何特征描述

如圖2所示，煤層中廣泛發育節理裂隙，肉眼到處可見數厘米～數十米級的節理裂隙。節理分布在煤層單個煤巖分層內或者整個煤層厚度內，甚至能夠切穿煤層。有的節理平直光滑，延伸穩定；有的節理粗糙不平，曲直不斷與尖滅。節理裂隙之間交叉復合，節理裂隙密集呈帶狀分布的特點，頻度最高達70條/m，一般為25～40條/m；單個節理裂隙密集帶中的煤層常被切割成薄片狀，在兩組或多組節理交匯處，煤層被節理切割破碎。節理裂隙的走向總體上則表現為NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向。根據各個煤層節理的統計結果，走向NE-NNE節理最為發育，NW-NNW次之，走向近EW稍差。

圖2 井下煤層中節理觀測圖

圖3 +799水平煤層節理觀測圖

2.2 實例解剖

圖3所示觀測點位于+799水平42號煤頂板附近，煤巖類型以光亮煤為主。巷道走向0°，在巷道6m長的觀測范圍內，可見三組節理，產狀分別：330°∠60°(NNW向)，271°∠74°(近EW向)，以及8°∠65°(NNE向)。其中，330°∠65°(NNW向)這組節理最為發育，呈緊密集帶的形式展布，發育的線密度為12條/15cm。節理延伸長度10～200cm不等，由于節理密集帶狀發育，導致煤體結構很破碎。另外，在煤巖分層面之間可見厚度在1～3cm的軟煤。

在離頂板很近的巷道頂部可以看到兩組切穿整個巷道的節理，產狀分別為8°∠64°(NNE向)，271°∠74°(近EW向)。這兩組節理延伸較長，有可能切穿整個煤層進入頂板。

3 煤層與地表圍巖節理發育特征對比

3.1 特征對比

通過對比煤層與其上覆或下伏圍巖層中節理發育的特征，發現煤層與其圍巖層中節理的優勢方向基本一致，均為NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向，反映了煤巖和圍巖層中節構造理發育的相關性。節理發育密度及延伸長度有所不同，煤層中的構造節理發育更為密集，但延伸長度小，節理面較為曲折；而圍巖層中節理延伸較長，節理面較為平直，大部分節理終止于煤層和圍巖層界面處，少部分節理進入煤層繼續延伸。

3.2 實例解剖

煤層與其上覆或下伏圍巖露頭處于同一個位置，所在的構造應力場環境相同。通過觀察測量野外露頭煤層與圍巖中節理裂隙的發育特征，無疑是研究對比同一構造層煤儲層與其圍巖層節理發育關系的最直接的方法。

圖4為火燒薄煤層及其頂板粗砂巖露頭，巖石產狀183°∠54°(南傾)，頂板中可見兩組節理，節理產狀和密度為：277°∠86°(7條/m)、353°∠74°(3條/m。)。煤層中節理產狀和密度為275°∠83°(18條/m)，347°∠79°(6條/m)。對比發現：煤層與頂板粗砂巖中節理的產狀基本一致，但是節理煤層中發育更為密集，延伸長度小。

圖4 露頭實測示意圖

4 結論

(1)本區節理發育呈現3個優勢方向，即NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向，其中NE-NNE向最為發育， NW-NNW向次之， 近EW向稍差。根據節理相互切割關系配套分析，確定為兩套共軛剪節理。其中，NE-NNE向與NW-NNW向的剪切節理為第一期節理系，形成時間較早。由近EW向和NE-NEE向組的剪節理組成第二期節理系，其多切割其他節理或被其他節理限制，發育時間晚。

(2)對比地表圍巖與礦井工作面中的節理發育特征，發現屬于同一構造層的煤層與圍巖中節理裂隙的產狀基本一致，具有明顯的相關性，只是節理發育密度和延伸長度有差異。

(3)受觀測條件的限制，很難對深層煤儲層中的節理裂隙進行正確認識與精確評價，由于煤層和地表圍巖中節理存在相關性，通過地表圍巖層節理發育特征研究，為深層煤儲層節理的研究提供了新的方向。