新元礦3號(hào)煤微孔裂隙特征研究

尹艷飛

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤孔裂隙對(duì)煤層氣的吸附、擴(kuò)散、滲流等賦存及運(yùn)移行為具有關(guān)鍵控制作用，是煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)評(píng)價(jià)、煤層氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)及開發(fā)潛力評(píng)價(jià)等的重要研究?jī)?nèi)容，其研究在煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域歷來備受關(guān)注[1-3]。煤孔裂隙發(fā)育特征受成煤環(huán)境、構(gòu)造演化及巖漿活動(dòng)等諸多因素影響[4]，使得煤層具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，且不同礦區(qū)、同一礦區(qū)的不同煤層孔裂隙發(fā)育具有明顯的分異現(xiàn)象和分形特征[5]。新元礦3號(hào)煤層具有高瓦斯富集和煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，當(dāng)前煤孔裂隙研究工作尚為開展。由于掃描電鏡具有分辨率高、放大倍數(shù)變化范圍廣、樣品圖像立體感強(qiáng)、清晰度高等特點(diǎn)[6]，廣泛應(yīng)用于金屬材料、非金屬材料、石油和煤田地質(zhì)等領(lǐng)域材料的微觀形態(tài)、組織及成分分析和研究。為此，本文采用掃描電鏡對(duì)新元礦3號(hào)煤微孔裂隙進(jìn)行了研究，以期為礦井瓦斯防治提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新元礦為陽煤集團(tuán)所屬的一座現(xiàn)代化高瓦斯突出礦井，地處沁水盆地北部，壽陽-陽泉構(gòu)造堆積盆地，行政區(qū)劃屬于山西省晉中市壽陽縣朝陽鎮(zhèn)管轄，其地理坐標(biāo)為：北緯37°49′54″～37°55′09″，東經(jīng)112°58′51″～113°09′33″，面積136.769 9 km2。井田總體呈一走向近WE、傾向S的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育次一級(jí)的寬緩褶曲構(gòu)造，地層傾角較平緩，傾角2～9°，井田內(nèi)斷層、陷落柱較發(fā)育。

井田內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，兩套含煤地層平均總厚177.73 m，煤層總厚15.90 m，含煤系數(shù)8.95%。含煤6～19層，自上而下編號(hào)依次為1、2、3、4、5、6、8、8下、9上、9、9下、11、11下、12、13、13下、15、15下、16號(hào)煤，其中3、15號(hào)煤層為大部可采的穩(wěn)定煤層，6、8號(hào)煤層為極不穩(wěn)定局部可采煤層，9、15下號(hào)煤層為不穩(wěn)定大部可采煤層，其余煤層均為不穩(wěn)定不可采煤層。當(dāng)前主采的3號(hào)煤層位于山西組中部，煤厚0.40～4.75 m，平均2.58 m，含0～3層夾矸。

2 煤體觀測(cè)及描述

新元礦3號(hào)煤新鮮面呈黑色、灰黑色，具有玻璃、強(qiáng)玻璃光澤，內(nèi)生裂隙發(fā)育一般，斷口為參差狀、棱角狀、條帶狀、線理狀及粒狀結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造。

煤的宏觀煤巖類型以光亮型、半亮型煤為主，其次為暗淡型、半暗型煤。宏觀煤巖組分一般以亮煤為主，其次為鏡煤、暗煤，很少見到絲炭。煤的顯微組分由有機(jī)顯微組分和無機(jī)顯微組分構(gòu)成，其中，有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主(73.5%～90.4%，平均82.8%)，絲質(zhì)組次之(9.4%～24.1%，平均15.3%)，半鏡質(zhì)組最少(1.3%～4.4%，平均2.5%)；無機(jī)顯微組分以黏土類為主(4.1%～21.6%，平均11.6%)，碳酸鹽類(0.2%～0.7%，平均0.4%)和氧化物類(0.2%～0.6%，平均0.4%)次之，硫化鐵類(0.1%～0.4%，平均0.2%)最少。

3 掃描電鏡下微孔裂隙特征

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

掃描電子顯微鏡的制作原理是基于物質(zhì)與電子間的相互作用，通過利用聚焦后的高能電子束在樣品上轟擊掃描，進(jìn)而激發(fā)產(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征X射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子及電磁輻射等各種物理信息。通過對(duì)這些激發(fā)物理信息的接受、放大和顯示成像，進(jìn)而獲得測(cè)試樣品表面形貌的觀測(cè)。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器及技術(shù)參數(shù)

本文煤微孔裂隙研究采用德國(guó)蔡司公司制造生產(chǎn)的EVO MA 15型掃描電子顯微鏡(圖1)。EVO MA 15型掃描電子顯微鏡能在可變壓力下對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)操作，超大樣品室和可移動(dòng)大觀測(cè)平臺(tái)，快速抽真空；分辨率高，可對(duì)3.0 nm微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)；放大倍數(shù)高，可對(duì)物象進(jìn)行放大(5～1)×106；加速電壓0.2～30 kV，探針電流0.5 pA～5 μA；工作壓力范圍廣，一般工作壓力范圍10～400 Pa，環(huán)掃模式下10～3 000 Pa；工作室尺寸直徑及高度分別365 mm×275 mm；具有五軸優(yōu)中心自動(dòng)樣品臺(tái)，觀測(cè)樣品的最大高度和直徑分別為145 mm×250 mm。

圖1 EVO15掃描電鏡

3.3 樣品采集及制作

本文研究的所有樣品均采集于新元礦3108工作面120架(距切眼906 m)處新鮮煤壁，樣品采集遵循以下幾條準(zhǔn)則：煤樣不得風(fēng)化，需保持新鮮；煤樣不得受外力破損，使原有孔裂隙系統(tǒng)得以保持；樣品大小適中(單個(gè)煤樣不得小于10 cm×10 cm)，滿足掃描電鏡實(shí)驗(yàn)要求；煤樣采集后要做密封處理，防止煤樣風(fēng)化。

在做掃描電鏡煤微孔裂隙實(shí)驗(yàn)前，把采集到的煤樣切割成長(zhǎng)×寬×高=2 cm×2 cm×2 cm左右形狀規(guī)則的樣品，然后對(duì)其中一個(gè)面進(jìn)行打磨剖光處理，爾后把剖光面用導(dǎo)電膠粘貼于樣品托上，再利用吹掃工具把樣品表面的附著雜物吹掃干凈，最后把吹掃附著雜物處理好的樣品置于真空密閉室鍍金屬導(dǎo)電膜后樣品制作完成。

3.4 樣品觀測(cè)結(jié)果

3.4.1 微孔隙特征

煤孔隙系指煤中未被充填且可被煤層氣、地下水等流體所充填的空間，這部分孔隙又稱之為“有效孔隙”。煤孔隙大小、充填情況及其連通性等特征對(duì)煤層氣賦存、運(yùn)移和煤層氣高產(chǎn)富集等具有重要影響，是礦井瓦斯防治和煤層氣勘探開發(fā)的重要研究?jī)?nèi)容之一[7-10]。通過多年的研究和實(shí)踐，學(xué)者們?cè)谖⒂^[11]、定性至定量[12-13]、分形理論[14]、大小分類[15]、成因類型[16-18]等方面開展了較為豐富和有成效的研究工作，研究成果對(duì)我國(guó)礦井瓦斯防治和煤層氣開發(fā)起到了積極指導(dǎo)作用。本文在充分借鑒前人煤微孔隙理論研究成果基礎(chǔ)上，運(yùn)用掃描電鏡對(duì)新元礦3號(hào)煤微孔隙特征進(jìn)行觀測(cè)研究。

通過大量掃描電鏡觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)新元礦3號(hào)煤層中發(fā)育“氣孔、角礫孔和摩擦孔”等3種不同成因類型微孔隙。氣孔是一種變質(zhì)孔，在成煤過程中，受深成熱變質(zhì)作用促使煤變質(zhì)而發(fā)生生氣和聚氣作用所形成[17-18]。孔隙呈零散(圖2(a))和集中成群分布(圖2(b))，形態(tài)呈次圓形、橢球形和少量不規(guī)則形；孔隙大小不一，一般為幾百納米至近十微米；孔隙中可見少量粒狀碎屑物，孔隙的連通性差，多為“死孔”，且孔隙間基本不連通。

角礫孔和摩擦孔同屬于外生孔隙類型，但他們的成因不同。角礫孔系指成煤期及期后，煤體遭受多期構(gòu)造應(yīng)力作用而發(fā)生破壞變形，并形成部分角礫狀煤體堆疊而形成的孔隙[18](圖2(c))。角礫呈直邊尖角狀，大小多在1～10 μm之間，角礫孔形態(tài)主要呈不規(guī)則狀；孔隙間具有一定連通性，但孔隙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差，在煤層氣井排水降壓或高強(qiáng)度排采過程中易發(fā)生垮塌，造成堵塞煤層氣滲流產(chǎn)出通道(裂隙)和卡泵、埋泵等井下事故。成煤期及期后，受壓應(yīng)力作用在煤層中的薄弱面之間發(fā)生面與面摩擦，進(jìn)而在摩擦面中形成系列孔隙，這部分孔隙謂之摩擦孔[18](圖2(d))。煤體中可見明顯的擦痕和壓實(shí)現(xiàn)象，孔隙形態(tài)多樣，成次圓形、橢球形、線狀、溝槽狀及不規(guī)則狀；孔隙邊緣多成鋸齒狀，孔隙大小較懸殊，1微米至數(shù)十微米孔隙均有發(fā)育；孔隙因形成二維構(gòu)造面，其連通性較差。

圖2 新元礦3號(hào)煤掃描電鏡下微孔隙特征

3.4.2 微裂隙特征

煤裂隙系指成煤階段或后期受各種地質(zhì)應(yīng)力作用產(chǎn)生的破裂形跡，宏觀裂隙是煤層氣滲流、產(chǎn)出的通道，微裂隙是溝通孔隙和裂隙的“橋梁”，其特征對(duì)煤層滲透性和煤層氣井產(chǎn)能大小具有關(guān)鍵控制作用，因而在煤層氣地質(zhì)理論研究及煤層氣勘探開發(fā)中備受關(guān)注[19-22]。煤裂隙研究歷史悠久，最早始于19世紀(jì)煤田地質(zhì)領(lǐng)域[23]，但在20世紀(jì)70年代之前，煤裂隙研究相對(duì)緩慢[24]。70年代后期伴隨著煤層氣勘探開發(fā)產(chǎn)業(yè)的興起和蓬勃發(fā)展，學(xué)者們?cè)诿毫严堆芯糠椒╗25]、成因及分類[26-27]、類型及幾何形態(tài)[28]、多尺度[29]、宏觀及微觀[30-31]等方面開展了極為豐富的研究工作，煤裂隙理論及技術(shù)方法研究達(dá)到了相對(duì)系統(tǒng)和深入階段。本文在借鑒了前人煤裂隙研究成果基礎(chǔ)上，運(yùn)用掃描電鏡對(duì)新元礦3號(hào)煤微裂隙進(jìn)行了觀測(cè)研究。新元礦3號(hào)煤層中存在張裂隙(圖3(a)-(b))和剪裂隙(圖3(c)-(d))兩種不同力學(xué)成因機(jī)制的裂隙，分別由張應(yīng)力和剪應(yīng)力作用所形成。張裂隙的裂隙面相對(duì)粗糙不平，裂隙的產(chǎn)狀不穩(wěn)定，定向延展性差，裂縫延伸短且多呈彎曲狀。裂口呈張開狀，裂口寬度跨度大，一般為數(shù)千納米至20 μm，多數(shù)在2～10 μm之間；裂口中有角礫狀、粒狀及片狀等煤碎屑所充填。剪裂隙的裂隙面相對(duì)平直光滑，裂隙的產(chǎn)狀穩(wěn)定，定向延展性好且延伸較遠(yuǎn)，有時(shí)為單條和兩條呈“X”型共軛產(chǎn)出。裂口呈張開狀，裂口寬度范圍廣，一般為數(shù)百納米至20 μm，多數(shù)在5 μm以下；裂口中有角礫狀、粒狀及片狀等煤碎屑所充填。

圖3 新元礦3號(hào)煤掃描電鏡下微裂隙特征

4 結(jié) 語

1) 開展煤微孔裂隙研究，可對(duì)礦井瓦斯防治和地面煤層氣勘探開發(fā)提供技術(shù)資料和決策依據(jù)，有助于豐富研究區(qū)煤層氣地質(zhì)理論和實(shí)現(xiàn)煤與煤層氣高效協(xié)同開發(fā)和資源利用。

2) 新元礦3號(hào)煤層中發(fā)育有“氣孔、角礫孔及摩擦孔”等三種不同成因機(jī)制的微孔隙發(fā)育，不同孔隙的孔隙形態(tài)、孔隙大小、孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、充填情況及連通性等方面各不相同。

3) 新元礦3號(hào)煤在成煤過程中，受構(gòu)造張應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用，在煤中分別形成了張(性)裂隙和剪(性)裂隙。因裂隙形成的力學(xué)機(jī)制不同，裂隙的產(chǎn)狀、延伸長(zhǎng)度、裂口寬度及張開狀態(tài)、裂隙面光滑程度等方面亦不同。