掃描電鏡下寺河井田3號煤微孔裂隙特征研究

2019-04-28 06:48:42李吉平

煤 2019年4期

李吉平

(山西澤州天泰西陳莊煤業有限公司，山西晉城 048000)

煤是一種孔裂隙雙重發育的多孔介質[1]，煤中孔裂隙特征對煤層氣吸附、儲集、擴散及滲流產出等具有至關重要的控制作用，是煤層氣高產富集區評價及優選、產能模擬、預測及評價的重要研究內容之一[2-4]。煤中孔裂隙研究最早始于19世紀煤田地質與勘探領域[5]，在近百年的研究進程中，國內外學者做了大量工作，歷經了宏觀到微觀、定性到定量研究、描述和表征過程，研究方法、技術體系得到了極大發展[6]，研究成果有力地指導了煤層氣開發和礦井瓦斯防治。煤孔裂隙的發育特征受煤變質作用[7]、煤體結構類型[8]、煤巖顯微組分[9]、煤中礦物質含量[10]及構造應力場[11]等諸多因素控制，使得不同煤礦區煤中孔裂隙發育具有一定差異。為此，本文采用掃描電鏡對寺河井田3號煤中微孔裂隙進行了觀測和分析，研究成果以期為研究區煤層氣開發和礦井瓦斯抽采及防治提供技術支撐。

1 研究區概況

寺河井田地處沁水盆地東南部晉城礦區，是晉煤集團一座高瓦斯突出礦井。地域跨澤州、陽城、沁水三縣，屬山西省晉城市管轄。地理坐標：東經112°27 ' 07"～112°40 ' 54"，北緯35°30 ' 51"～35°36 ' 11"，面積173.2 km2。井田劃分為東井區(簡稱“東區”)和西井區(簡稱“西區”)，主采3號煤層。

井田內煤系地層發育，煤層多、厚度大。僅主要煤系地層山西組(1、2、3、4號煤層)和太原組(5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16號煤層)共計含煤15層，凈煤總厚度14.97 m。煤層自上而下編號為：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16號煤層。其中，3、15號煤層為井田全區穩定可采煤層，9號煤層為較穩定局部可采煤層。井田內3號煤層厚度大(4.45～8.75 m，平均6.31 m)、含氣量高(11.28～28 m3/t，平均16.6 m3/t)，為礦井主力開采和煤層氣開發主要目標層位。為解決3號煤層開采過程中礦井瓦斯涌出量嚴重超限及煤與瓦斯突出難題，晉煤集團在井田范圍內開展了地面煤層氣井抽采三級瓦斯治理，突破了煤層氣地面抽采的無煙煤“禁區”，率先創立了“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理新模式，實現了煤與瓦斯協同綠色開采。

2 掃描電鏡下煤的微孔裂隙特征

2.1 實驗儀器及工作原理

2.1.1 實驗儀器

采用德國卡爾.蔡司公司制造生產的EVO MA15高倍掃描電子顯微鏡(圖1)對寺河井田3號煤中裂隙進行觀測，儀器由“電子光學系統、信號收集和圖像顯示系統及真空系統”三大部分組成。掃描電子顯微鏡是現代研究物體表面微觀世界的科學利器，可以實現微觀世界的立體化觀測和結構特征分析等。放大倍數和分辨率高，可實現5～1 000 000倍觀測視域的放大和30 kV SE高真空模式下實現3 nm，加速電壓0.2～30 kV，具有5個自動樣品分析臺。工作壓力范圍一般為10～400 Pa，最大試樣高度和直徑分別不超過145 mm和250 mm。

2.1.2 工作原理

掃描電鏡是掃描電子顯微鏡(Scaning Electron Microscope-SEM)的簡稱，是通過“電子槍”發射聚焦過的電子束轟擊和掃描樣品的表面，進而使樣品激發出各種系列的物理信號(如背散射電子、二次電子、吸收電子及投射電子等信號)，這些物理信號通過信號收集系統的檢測、放大和處理，最終在圖像顯示系統中獲得樣品表面各種特征的掃描圖像。

2.2 樣品采集及樣品制作

2.2.1 樣品采集

本文掃描電鏡所用煤樣采集于寺河井田“東區”的4304工作面切巷3號煤壁，煤樣采集遵循“新鮮、未受損、塊狀”原則。從采樣情況來看，該煤層破壞不嚴重，采集到的煤樣的煤體結構類型為原生結構煤見圖2(a)和碎裂煤見圖2(b)。煤樣的宏觀煤巖類型主要為光亮型煤，半亮型煤次之，呈黑色，基本不染手，似金屬光澤，致密堅硬，為均一狀結構，塊狀構造，具貝殼狀及階梯狀斷口，節理裂隙相對發育。

圖2 樣品采集實物

2.2.2 樣品制作

對采集的煤樣進行切割，使切割樣品的高度和直徑分別不超過145 mm和250 mm。對樣品一面進行研磨和剖光處理，而后用導電膠粘貼于樣品剖光面并使其粘于樣品托上，再用吹掃器把樣品表面的附著物或雜物吹掃掉，進行干凈處理。最后對吹掃過的樣品在真空下干燥和導電處理。

2.3 實驗觀測

2.3.1 掃描電鏡下微孔隙特征

通過掃描電鏡下煤中孔隙觀測，發現寺河井田3號煤中主要發育有氣孔(圖3(a)～(f))和角礫孔(圖3(c))兩種微孔隙類型。氣孔屬于一種變質孔，是煤變質作用過程中由生氣和聚氣作用所形成的孔隙[12]。而角礫孔則屬于一種外生孔，形成于構造變動(或構造應力作用)致使角礫狀物質堆疊所形成的孔隙[12]。常在殼質組中看見定向排列的氣孔群(圖3(d)～(e))，其他煤中氣孔分布較為雜亂、無規律分布(圖3(f))。孔隙形態呈次圓形狀、橢球狀及不規則狀，孔隙直徑(孔徑)大小不一，一般為0.5～10 μm。常見粒狀和片狀碎屑物附著于樣品表面(圖3(a)～(f))和充填于部分孔隙中(圖3(b)、圖3(e)～(f))。煤中孔隙基本為“死孔”，其連通性差。

2.3.2 掃描電鏡下微裂隙特征

據掃描電鏡煤中微裂隙觀測可知，寺河井田3號煤中微裂隙以剪性裂隙(圖4(a)～(e)、圖4(g)～(h))發育為主，張性裂隙(圖4(f))不甚發育，前者多見于原生結構煤中，后者則多見于碎裂煤之中。剪性裂隙的裂隙面光滑平直，煤中可見一組(圖4(e)、圖4(g)～(h))、兩組(圖4(b)～(d))和多組裂隙(圖4(a))存在。兩組、多組裂隙間近似垂直相交，呈“T”型狀展布。張性裂隙的裂隙面彎曲，呈不規則狀產出(圖4(f))。裂隙面寬度大小不一，一般為1～20 μm。常見粒狀、片狀等碎屑物充填于裂隙之中和附著于煤表面(圖4(a)～(h))，同時，可見方解石以脈狀形式充填于裂隙之中，見圖4(g)，總體而言，煤中微裂隙被充填現象不甚嚴重。