阳泉新景煤矿煤层孔隙结构特征研究

张会青, 李 明, 刘建伟

(1.山西新景矿煤业有限责任公司,山西 阳泉 045000;2.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116)

新景煤矿位于阳泉矿区西部,属沁水煤田的东北端,为我国重要的无烟煤生产基地。构造上处于沁水盆地东北缘,总体构造较为简单,为SW向倾斜的单斜构造。区内主要以NNE、NE向的宽缓褶皱构造为主,多期构造运动形成的叠加褶皱控制了矿区的总体形态(见图1)。大断层不发育,以层间小断层为主,断层性质多为正断层[1]。含煤地层主要为太原组和山西组,3号和15号煤层稳定可采。该区煤层含气量较高,是煤层气开发的有利区块之一[2]。而局部强变形构造煤的发育使得新景矿发生了多次瓦斯突出事故,严重限制了煤矿的安全生产和煤层气的开发。本文从新景煤矿构造煤变形及孔隙结构特征方面入手,分析二者之间的关系,进而探讨不同类型构造煤对煤储层物性的影响,为区内的煤层气开发提供理论指导。

图1 新景矿3号煤层底板等高线与构造纲要图Fig.1 Contour line and structure outline map of floor in No.3 coal seam in Xinjing Mine

1 样品及测试方法

重点对全区主要可采的3号煤层展开系统研究,3号煤层属稳定煤层,厚度0.75 m～4.80 m,平均厚2.26 m。煤层结构简单—较简单,经过系统的井下观测和采样,筛选出4块典型不同变形程度煤的样品。在室内对煤样标本进行系统的宏观变形特征观察和显微变形观察。采用压汞实验进行孔隙结构特征的研究。通过在室内对煤样进行系统的构造变形特征观测和描述,依据李明(2013)构造划分方案,可将构造煤样品划分为3种构造煤类型,分别为原生煤、碎裂煤和碎斑煤(如表1所示)。通过压汞法测试孔径分布,孔径结构划分采用霍多特(1996)的划分标准[3],阶段孔容含量及分布特征(如表2所示)。

表1 煤样煤体结构类型及基本特征统计表Table 1 Structure types and basic characteristics of coal samples

表2 煤样孔隙结构参数统计表Table 2 Pore structure parameters of coal samples

2 实验结果与分析

2.1 煤体构造变形特征

新景矿3号煤层构造煤类型主要为原生煤、碎裂煤和碎斑煤,其变形特征表现为:

1)原生煤。煤体完整、坚硬,层理清晰可见,原生条带结构保存完好。内生裂隙密集、稳定,横向顺层裂隙连续性较好,但纵向垂层裂隙连续性较差,受后期构造影响较弱。构造裂隙发育稀疏,为顺层和斜交裂隙,煤体表面可见有光滑摩擦面现象。

2)碎裂煤。受构造应力作用较轻,发生脆性变形,开始破裂。原生结构构造被各种方向裂隙切割,但破裂间隙不大,破碎角砾并未出现错开与位移。煤基本保持整体完整性,原生结构构造基本保持不变,有些煤体裂隙切割并未完全连通。内生裂隙密集,煤体构造变形有所增强,裂隙规模较大且密集,多组裂隙间交切和限制，煤体表面有摩擦面发育。

3)碎斑煤。受构造应力作用较强烈,被网状裂隙或节理切割破裂比较厉害。煤的原生结构构造已被破坏,发生破碎。破碎角砾有较大位移,一般呈棱角状、次棱角状,杂乱分布。破裂间隙有杂质混入。节理和内生裂隙均隐约可见或难以辨认,煤体较为松散、破碎,呈不规则参差块状。表面局部出现碎粒化现象,多组细小、紊乱的裂隙较为密集不均匀发育,将煤体切割、破碎为大小不等的碎块和碎粒,形成碎斑状结构。其中109号样品变形相对弱,显微裂隙密度及间距较碎裂煤增大,局部发育的密集裂隙带内可见碎斑结构,碎斑错开、位移量较小。113号样品构造变形增强,煤体更为松散,显微碎斑结构极为发育,裂隙密度进一步增加,裂隙间距进一步增大。

2.2 煤样孔隙参数分析

从原生煤到碎裂煤及碎斑煤,随着煤体构造变形程度的增强、破碎程度的增高,总孔容和中孔孔容增大,孔隙度升高,退汞效率下降。

就孔容分布参数来讲,各煤样孔容分布差异性明显。碎裂煤和原生煤以微孔和过渡孔为主,反应了煤体受构造变形程度较弱,主要是原生孔和变质孔[4]。但碎裂煤的中孔孔容所占比例较原生煤有所增大,主要由于构造变形程度增强,裂隙发育程度增加所导致。不同变形程度的碎斑煤的孔径分布也有明显的差别,孔容分布从以大孔和微孔为主过渡到以大孔和中孔为主,其中变形程度较强的碎斑煤中孔异常发育,为由碎斑结构大量发育、裂隙密度和间距增大所导致。

综上所述,煤样孔隙参数对煤体构造变形具有很好的响应,构造变形导致中孔孔容的差异性增强,大孔次之,微孔和过渡孔差异性最小。

2.3 煤样孔隙结构特征分析

进一步对阶段孔容分布曲线分析可发现，曲线呈不规则波动状。针对阶段孔容分布曲线波动特征，可以将阶段孔容分布曲线分为“水平段”、“尖棱段”和“阶梯段”3种区段类型(见图2)。

1)水平段。阶段孔容分布曲线在一定的孔径区间内,表现出水平或近于水平状,孔容增量相等。表示了这一孔径的区间内各孔孔径的发育程度相近,一般孔隙容积增量较小,0.1 mm3/g～1.6 mm3/g,反映了该孔径阶段煤体所受的构造变形改造较弱,孔隙类型仍以原生孔和变质孔为主,孔隙结构改变较小。

2)尖棱段。表现为阶段孔容分布曲线呈尖棱状峰形,且右侧大孔径阶段发生跳跃、突变上升,左侧小孔径阶段则逐步缓慢降低下降,阶段孔容差值最高可达1.5 mm3/g。反映了该孔径阶段细瓶颈孔发育较好,随着进汞压力的增大、细瓶颈孔孔喉的突破,发生大量进汞和阶段孔容分布曲线的跳跃,而后阶段孔容的逐步降低则反映了内部孔径小于孔喉的孔隙发育程度。由于细瓶颈孔的发育,常导致该孔径阶段退汞效率的降低。

3)阶梯段。阶段孔容分布曲线在这一孔径范围内出现强烈的跳跃阶梯状增长,主要为孔径小于10 mm的孔隙。且该阶梯段的次级峰异常发育,为连通性较差的原生孔和变质孔发育所致,主要构成了煤层气的吸附和存储空间。

图2 阶段孔容分布特征曲线Fig.2 Distribution characteristic curves of sectional pore volume

3 结论

1)新景矿3号煤层构造煤类型主要为原生煤、碎裂煤和碎斑煤,原生煤内生裂隙发育,构造变形较弱,碎裂煤中多组构造裂隙发育,碎斑煤局部区块状或条带状碎斑结构发育。

2)孔隙参数对煤体构造变形具有很好的响应,随着煤体构造变形程度的增强,总孔容、孔隙度和中孔孔容增大,退汞效率下降,构造变形导致中孔孔容的差异性增强。

3)阶段孔容分布曲线可分为“水平段”、“尖棱段”和“阶梯段”3种区段类型，水平段反映了较弱的构造变形改造，尖棱段指示了强构造变形碎斑结构所导致的孔喉的发育，阶梯段则代表了煤层气的吸附和存储空间孔隙。

参考文献：

[1] 王一,秦怀珠,焦希颖.阳泉矿区地质构造特征及形成机制浅析[J].煤田地质与勘探,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] 张坤鹏,姜波,李明,等.新景煤矿3号煤层煤体结构测井曲线判识及其分布规律[J].煤田地质与勘探, 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.煤与瓦斯突出[M].北京:中国工业出版社,1966:318.

[4] 张慧.中国煤的扫描电子显微镜研究[M].北京:地质出版社,2003.