陕西省彬长矿区主采煤层煤岩力学特征

田增辉，高 莎，赵灵子，张 薇，张 晔

(陕西省一八六煤田地质有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

煤层气是指吸附或以游离态存在煤层孔隙裂隙或煤层表面，以甲烷为主要成分的烃类可燃性混合气体，俗称煤层甲烷或煤层瓦斯。煤层气通常与煤伴生，作为一种新兴的非常规能源，煤层气具有高热值、洁净环保等优势。其开发利用，对于弥补我国常规能源不足，消除煤矿瓦斯突出，减少瓦斯排放，保障煤矿安全高效生产具有重要意义。

煤层及其围岩的煤岩力学参数作为影响储层性质的重要因素，主要影响着煤储层的三维应力状态和压裂裂缝的形成。煤岩力学参数的测试分析，是生成压裂曲线和压裂施工设计的重要前期工作。因此研究彬长矿区主采煤层的煤岩力学性质，对研究区的煤层气开发利用具有重要意义。

通过对彬长矿区各煤矿主采煤层煤岩力学参数的对比分析，研究该矿区煤岩力学特征，分析其影响因素，为该区煤矿瓦斯抽排及煤层气高效开发利用提供地质技术保障。

1 煤岩力学性质

1.1 煤层煤岩力学参数

陕西省彬长矿区含煤地层为侏罗系中统延安组，地层平均厚度80 m，基本被上覆地层覆盖。一般含煤4层(组)，主采煤层为4号煤层(组)，平均厚度11.65 m。研究区煤阶主要为Ⅰ～Ⅱ变质阶段烟煤，R0值为0.584～0.836。煤类以不粘煤31号(BN31)为主，仅个别样点为长焰煤41号或42号(CY41、CY42)，煤类较单一，变化较小。根据实验结果和相关资料，彬长矿区各煤矿煤层煤岩力学参数见表1。

表1 彬长矿区各煤矿煤岩力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock in each coal mine of Binchang mining area

研究区主采煤层的抗压强度为16.30～32.17 MPa，平均为19.38 MPa；弹性模量为1 262～6 840 MPa，平均为4 400 MPa；泊松比为0.22～0.46，平均为0.30。抗压强度与泊松比走势基本一致，呈正相关；弹性模量与泊松比呈负相关。

1.2 煤层煤岩力学参数特征分析

物质的内在组成和结构决定着物质的外部特征，煤层的显微组分是否影响着煤岩力学参数，国内外一些研究成果已经表明二者之间确实存在一定的关联性。针对彬长矿区，主采煤层的煤岩力学参数与其显微组分的关系，做了初步研究。彬长矿区各煤矿煤岩力学参数与显微组分数据见表2。

据表2发现，研究区主采煤层的抗压强度随着镜质组含量的增大而减小，随着惰质组含量的增大而增大，随着最大反射率的增大而减小；弹性模量随着惰质组含量的增大而减小，随着无机物含量的增大而减小；泊松比随着镜质组含量的增大而减小，随着惰质组含量的增大而增大。

表2 彬长矿区各煤矿显微煤岩组分与力学参数Table 2 Macerals and mechanical parameters of various coal mines in Binchang mining area

由于煤层的埋深显著影响着煤层显微组分的形成，进而可能影响煤岩的力学性质，结果见表3。研究表明抗压强度和泊松比随着煤层埋深的增大而减小，弹性模量与埋深的相关性不强。

表3 彬长矿区各煤矿煤层埋深与煤岩力学参数Table 3 Coal seam buried depth and coal rock mechanical parameters of various coal mines in Binchang mining area

2 煤岩与顶底板力学参数对比

2.1 煤层与顶底板力学参数

根据前人研究成果，通常认为相比于顶底板，煤岩力学性质表现出低强度、低弹性模量、高泊松比的特性。彬长矿区是否也具有这一特性，结果见表4。

表4 彬长矿区煤层与顶底板力学参数Table 4 Mechanical parameters of coal seam and roof and floor in Binchang mining area

与煤层相比，研究区顶底板各岩性岩石的抗压强度和弹性模量均较大，泊松比则相对较小，与通常规律一致。煤层顶底板的直接顶通常为泥岩，研究区泥岩的力学参数约为煤层的1.6倍、1.7倍和0.8倍，与煤层差异较大。

根据兰姆方程理论，岩石中形成的裂缝宽度与弹性模量成反比，弹性模量越小，裂缝越宽。而在相同外力条件下，当裂缝在宽度上增加时，必在长度上缩短。相比于顶底板，煤层更易形成短宽裂缝。由于煤层和顶底板在弹性模量上的差异性，使得在二者界面上形成一个层间低水平应力区。裂缝向此延伸形成由水平缝和垂直缝组合而成的T型缝和工字缝。煤层与顶底板的弹性模量差异越大，煤层越易形成裂缝，而顶底板越不易，压裂效果也越好。

2.2 煤层气有利区预测

煤层与其顶底板在岩石力学，特别是弹性模量上的差异性，决定着煤储层及其围岩的裂缝形态，进而影响煤层气的储存。通过测试研究区各个煤矿煤层及其顶底板弹性模量，可以初步预测煤层气资源赋存的有利区块，对于降低煤层气勘查工作量，建立煤矿瓦斯预警具有初步意义,见表5。

表5 彬长矿区煤岩与顶底板弹性模量Table 5 Elastic modulus of coal rock and roof and floor in Binchang mining area

据表5知，大佛寺煤矿顶底板的泥岩与煤层相差较大，为其2.3倍，顶底板砂泥岩与煤层相差也较大，为其3.8倍。实际上，在彬长矿区各煤矿中，大佛寺煤矿瓦斯含量较大。在矿井历年含量检测中，均为高瓦斯矿井，这也验证了预测结果。从表5发现，高家堡煤矿和彬东煤矿顶底板与煤层的弹性模量差异性同样较大。其中，两矿顶底板泥岩弹性模量均为煤层的2.7倍，顶底板砂泥岩弹性模量分别为煤层的3.0倍和3.6倍。数据表明，高家堡煤矿和彬东煤矿可能瓦斯含量较大，可预测为煤层气赋存潜在的有利区块。

需要指出的是，这仅仅是从煤层与其顶底板的力学性质之间的差异性出发，做出的合理性预测，而煤层气储存的影响因素有很多，其成藏往往是多种因素相互叠加，互相影响的结果。所以这种单方面预测的结果往往不甚可靠，还需对此做进一步研究。

3 煤岩力学参数与沁水盆地对比

长期以来，美国是世界上研究煤层气最早，开发利用方面也最成功的国家。21世纪以来，中国煤层气开发利用进入快车道，也产生了一批非常好的研究成果。山西沁水盆地、贵州比德—三塘盆地等是我国煤层气开发利用比较早的区域，经过大批煤炭煤层气专业人士的努力，近年来产生了大量研究成果，研究资料相对比较完善。彬长矿区在煤层气方面也做了一些工作，例如在大佛寺煤矿建成了低浓度瓦斯发电厂、煤层气压缩输送站等工程，实现了煤层气的初步商业化开发运营。此外，彬长矿区的其他煤矿也施工了若干煤层气参数井或实验井。但总体而言，彬长矿区的煤层气研究程度仍然较低，将彬长矿区与沁水盆地的煤岩力学参数进行对比，对研究彬长矿区的煤岩力学特征以及更好地开发利用研究区的煤层气资源，有很好的借鉴意义。

沁水盆地煤层主要赋存于石炭-二叠系的山西组和太原组，煤层埋深一般200～2 000 m，煤类为焦煤到无烟煤，主采煤层的抗压强度一般在10.0～16.0 MPa，弹性模量0.3～2.5 GPa，泊松比0.15～0.45。

与沁水盆地相比，彬长矿区的抗压强度及弹性模量都相对较大。彬长矿区的抗压强度大约是沁水盆地的1.5倍，弹性模量则是沁水盆地的3倍。只在泊松比一项上，二者基本相当。

4 结论

(1)主采煤层的抗压强度与泊松比走势基本一致，呈正相关；弹性模量与泊松比呈负相关。

(2)主采煤层的抗压强度随着镜质组含量的增大而减小，随着最大反射率的增大而减小，随着惰质组的含量增大而增大；弹性模量随着惰质组含量的增大而减小，随着无机物含量的增大而减小；泊松比随着镜质组含量的增大而减小，随着惰质组含量的增大而增大；抗压强度和泊松比随着煤层埋深的增大而减小。

(3)与顶底板相比，煤层总体表现为低强度、低弹性模量、高泊松比的特性，更易形成短宽裂缝；与沁水盆地相比，抗压强度及弹性模量均较大。