新元矿3号煤微孔裂隙特征研究

2020-06-01尹艳飞

煤 2020年5期

尹艳飞

(山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西晋城 048006)

煤孔裂隙对煤层气的吸附、扩散、渗流等赋存及运移行为具有关键控制作用，是煤层气高产富集区评价、煤层气产能预测及开发潜力评价等的重要研究内容，其研究在煤层气勘探开发领域历来备受关注[1-3]。煤孔裂隙发育特征受成煤环境、构造演化及岩浆活动等诸多因素影响[4]，使得煤层具有极强的非均质性，且不同矿区、同一矿区的不同煤层孔裂隙发育具有明显的分异现象和分形特征[5]。新元矿3号煤层具有高瓦斯富集和煤与瓦斯突出危险性，当前煤孔裂隙研究工作尚为开展。由于扫描电镜具有分辨率高、放大倍数变化范围广、样品图像立体感强、清晰度高等特点[6]，广泛应用于金属材料、非金属材料、石油和煤田地质等领域材料的微观形态、组织及成分分析和研究。为此，本文采用扫描电镜对新元矿3号煤微孔裂隙进行了研究，以期为矿井瓦斯防治提供基础资料和决策依据。

1 研究区概况

新元矿为阳煤集团所属的一座现代化高瓦斯突出矿井，地处沁水盆地北部，寿阳-阳泉构造堆积盆地，行政区划属于山西省晋中市寿阳县朝阳镇管辖，其地理坐标为：北纬37°49′54″～37°55′09″，东经112°58′51″～113°09′33″，面积136.769 9 km2。井田总体呈一走向近WE、倾向S的单斜构造，在此基础上发育次一级的宽缓褶曲构造，地层倾角较平缓，倾角2～9°，井田内断层、陷落柱较发育。

井田内主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，两套含煤地层平均总厚177.73 m，煤层总厚15.90 m，含煤系数8.95%。含煤6～19层，自上而下编号依次为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号煤，其中3、15号煤层为大部可采的稳定煤层，6、8号煤层为极不稳定局部可采煤层，9、15下号煤层为不稳定大部可采煤层，其余煤层均为不稳定不可采煤层。当前主采的3号煤层位于山西组中部，煤厚0.40～4.75 m，平均2.58 m，含0～3层夹矸。

2 煤体观测及描述

新元矿3号煤新鲜面呈黑色、灰黑色，具有玻璃、强玻璃光泽，内生裂隙发育一般，断口为参差状、棱角状、条带状、线理状及粒状结构，层状、块状构造。

煤的宏观煤岩类型以光亮型、半亮型煤为主，其次为暗淡型、半暗型煤。宏观煤岩组分一般以亮煤为主，其次为镜煤、暗煤，很少见到丝炭。煤的显微组分由有机显微组分和无机显微组分构成，其中，有机显微组分以镜质组为主(73.5%～90.4%，平均82.8%)，丝质组次之(9.4%～24.1%，平均15.3%)，半镜质组最少(1.3%～4.4%，平均2.5%)；无机显微组分以黏土类为主(4.1%～21.6%，平均11.6%)，碳酸盐类(0.2%～0.7%，平均0.4%)和氧化物类(0.2%～0.6%，平均0.4%)次之，硫化铁类(0.1%～0.4%，平均0.2%)最少。

3 扫描电镜下微孔裂隙特征

3.1 实验原理

扫描电子显微镜的制作原理是基于物质与电子间的相互作用，通过利用聚焦后的高能电子束在样品上轰击扫描，进而激发产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子及电磁辐射等各种物理信息。通过对这些激发物理信息的接受、放大和显示成像，进而获得测试样品表面形貌的观测。

3.2 实验仪器及技术参数

本文煤微孔裂隙研究采用德国蔡司公司制造生产的EVO MA 15型扫描电子显微镜(图1)。EVO MA 15型扫描电子显微镜能在可变压力下对样品进行观测操作，超大样品室和可移动大观测平台，快速抽真空；分辨率高，可对3.0 nm微观结构进行观测；放大倍数高，可对物象进行放大(5～1)×106；加速电压0.2～30 kV，探针电流0.5 pA～5 μA；工作压力范围广，一般工作压力范围10～400 Pa，环扫模式下10～3 000 Pa；工作室尺寸直径及高度分别365 mm×275 mm；具有五轴优中心自动样品台，观测样品的最大高度和直径分别为145 mm×250 mm。

图1 EVO15扫描电镜

3.3 样品采集及制作

本文研究的所有样品均采集于新元矿3108工作面120架(距切眼906 m)处新鲜煤壁，样品采集遵循以下几条准则：煤样不得风化，需保持新鲜；煤样不得受外力破损，使原有孔裂隙系统得以保持；样品大小适中(单个煤样不得小于10 cm×10 cm)，满足扫描电镜实验要求；煤样采集后要做密封处理，防止煤样风化。

在做扫描电镜煤微孔裂隙实验前，把采集到的煤样切割成长×宽×高=2 cm×2 cm×2 cm左右形状规则的样品，然后对其中一个面进行打磨剖光处理，尔后把剖光面用导电胶粘贴于样品托上，再利用吹扫工具把样品表面的附着杂物吹扫干净，最后把吹扫附着杂物处理好的样品置于真空密闭室镀金属导电膜后样品制作完成。

3.4 样品观测结果

3.4.1 微孔隙特征

煤孔隙系指煤中未被充填且可被煤层气、地下水等流体所充填的空间，这部分孔隙又称之为“有效孔隙”。煤孔隙大小、充填情况及其连通性等特征对煤层气赋存、运移和煤层气高产富集等具有重要影响，是矿井瓦斯防治和煤层气勘探开发的重要研究内容之一[7-10]。通过多年的研究和实践，学者们在微观[11]、定性至定量[12-13]、分形理论[14]、大小分类[15]、成因类型[16-18]等方面开展了较为丰富和有成效的研究工作，研究成果对我国矿井瓦斯防治和煤层气开发起到了积极指导作用。本文在充分借鉴前人煤微孔隙理论研究成果基础上，运用扫描电镜对新元矿3号煤微孔隙特征进行观测研究。

通过大量扫描电镜观测分析，发现新元矿3号煤层中发育“气孔、角砾孔和摩擦孔”等3种不同成因类型微孔隙。气孔是一种变质孔，在成煤过程中，受深成热变质作用促使煤变质而发生生气和聚气作用所形成[17-18]。孔隙呈零散(图2(a))和集中成群分布(图2(b))，形态呈次圆形、椭球形和少量不规则形；孔隙大小不一，一般为几百纳米至近十微米；孔隙中可见少量粒状碎屑物，孔隙的连通性差，多为“死孔”，且孔隙间基本不连通。

角砾孔和摩擦孔同属于外生孔隙类型，但他们的成因不同。角砾孔系指成煤期及期后，煤体遭受多期构造应力作用而发生破坏变形，并形成部分角砾状煤体堆叠而形成的孔隙[18](图2(c))。角砾呈直边尖角状，大小多在1～10 μm之间，角砾孔形态主要呈不规则状；孔隙间具有一定连通性，但孔隙结构的稳定性差，在煤层气井排水降压或高强度排采过程中易发生垮塌，造成堵塞煤层气渗流产出通道(裂隙)和卡泵、埋泵等井下事故。成煤期及期后，受压应力作用在煤层中的薄弱面之间发生面与面摩擦，进而在摩擦面中形成系列孔隙，这部分孔隙谓之摩擦孔[18](图2(d))。煤体中可见明显的擦痕和压实现象，孔隙形态多样，成次圆形、椭球形、线状、沟槽状及不规则状；孔隙边缘多成锯齿状，孔隙大小较悬殊，1微米至数十微米孔隙均有发育；孔隙因形成二维构造面，其连通性较差。

图2 新元矿3号煤扫描电镜下微孔隙特征

3.4.2 微裂隙特征

煤裂隙系指成煤阶段或后期受各种地质应力作用产生的破裂形迹，宏观裂隙是煤层气渗流、产出的通道，微裂隙是沟通孔隙和裂隙的“桥梁”，其特征对煤层渗透性和煤层气井产能大小具有关键控制作用，因而在煤层气地质理论研究及煤层气勘探开发中备受关注[19-22]。煤裂隙研究历史悠久，最早始于19世纪煤田地质领域[23]，但在20世纪70年代之前，煤裂隙研究相对缓慢[24]。70年代后期伴随着煤层气勘探开发产业的兴起和蓬勃发展，学者们在煤裂隙研究方法[25]、成因及分类[26-27]、类型及几何形态[28]、多尺度[29]、宏观及微观[30-31]等方面开展了极为丰富的研究工作，煤裂隙理论及技术方法研究达到了相对系统和深入阶段。本文在借鉴了前人煤裂隙研究成果基础上，运用扫描电镜对新元矿3号煤微裂隙进行了观测研究。新元矿3号煤层中存在张裂隙(图3(a)-(b))和剪裂隙(图3(c)-(d))两种不同力学成因机制的裂隙，分别由张应力和剪应力作用所形成。张裂隙的裂隙面相对粗糙不平，裂隙的产状不稳定，定向延展性差，裂缝延伸短且多呈弯曲状。裂口呈张开状，裂口宽度跨度大，一般为数千纳米至20 μm，多数在2～10 μm之间；裂口中有角砾状、粒状及片状等煤碎屑所充填。剪裂隙的裂隙面相对平直光滑，裂隙的产状稳定，定向延展性好且延伸较远，有时为单条和两条呈“X”型共轭产出。裂口呈张开状，裂口宽度范围广，一般为数百纳米至20 μm，多数在5 μm以下；裂口中有角砾状、粒状及片状等煤碎屑所充填。