蔚州礦區(qū)煤層顯微特征對(duì)瓦斯賦存的影響

李 敏，李思齊

（山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)治 046205）

0 引 言

煤層瓦斯是威脅煤礦安全高效生產(chǎn)的主要因素之一，煤層瓦斯賦存規(guī)律的研究對(duì)治理瓦斯具有重要的意義。周世寧[1]指出煤層瓦斯賦存主要受2 方面因素的影響，一是煤自身的物理性質(zhì)，二是煤所處的地質(zhì)環(huán)境。樊正興[2]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)學(xué)分析相結(jié)合的研究方法，研究了煤層瓦斯賦存規(guī)律，得出煤層瓦斯含量具有隨煤層埋藏深度增加而增加的趨勢(shì)。孔勝利等[3]以西山煤田屯蘭煤礦為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯賦存主要受斷層的影響。韓振龍[4]深入研究了平山礦3 號(hào)煤層煤的瓦斯賦存規(guī)律，結(jié)果表明煤層瓦斯含量隨著煤的變質(zhì)程度的增加而有減少的趨勢(shì)。聶鳳祥等[5]以新汶礦區(qū)千米深井潘西煤礦為例，研究了煤層斷層空間分布特征，運(yùn)用分形理論對(duì)斷層構(gòu)造進(jìn)行了定量化研究，發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)大的區(qū)域，瓦斯含量亦相對(duì)較大。程波等[6]分析了煤層內(nèi)軟分層的形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)特征對(duì)煤層軟、硬分層吸附瓦斯性能差異性與瓦斯賦存特征之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究。趙利軍等[7]、郭明濤等[8]和李永沖等[9]研究了水文地質(zhì)條件對(duì)瓦斯賦存的影響。

綜上所述，前人對(duì)煤層瓦斯賦存的研究主要集中在地質(zhì)條件上，而從微觀上研究較少。本文從微觀角度對(duì)蔚州礦區(qū)煤層瓦斯賦存進(jìn)行了研究。

1 概 況

蔚縣煤田位于蔚廣盆地，為全隱蔽華北型侏羅系煤田，含煤地層為侏羅系中－下統(tǒng)下花園組，厚49.80 ～344.02 m，為一套內(nèi)陸山間盆地型湖泊－湖泊三角洲及河流－沖積扇相沉積體系，主要巖性為砂巖和泥巖，夾礫巖、砂礫巖、含碳泥巖和鮞狀泥巖等，含豐富的植物化石及瓣鰓類動(dòng)物化石，第四系廣泛發(fā)育，地層總體走向北東、傾向南東，傾角5°～15°，西北部地層較陡，中及東南部地層平緩。蔚廣盆地橫剖面圖如圖1 所示。地勘時(shí)期對(duì)蔚州礦區(qū)內(nèi)煤層瓦斯含量進(jìn)行采樣實(shí)驗(yàn)，瓦斯含量都很低,礦區(qū)內(nèi)的礦井均為低瓦斯礦井。根據(jù)煤元素分析、工業(yè)分析和工藝性能測(cè)試結(jié)果，蔚州礦區(qū)大多數(shù)煤層處于長(zhǎng)焰煤和不粘煤階段。

圖1 蔚廣盆地橫剖面Fig.1 Cross section of Yuguang Basin

2 煤儲(chǔ)層的顯微組分分析

顯微組分是在顯微鏡下才能識(shí)別的煤中基本有機(jī)組成單元。實(shí)驗(yàn)所使用光學(xué)顯微鏡是德國(guó)Leica ORTHOPLAN 偏光顯微鏡，對(duì)顯微組分的觀察是在油浸物鏡（200 ～500 倍） 下進(jìn)行，主要鑒別標(biāo)志有反射色、形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)、突起等物理光學(xué)標(biāo)志。

經(jīng)顯微鏡下觀察，對(duì)煤樣進(jìn)行顯微組分相對(duì)含量定量，分別繪制主采煤層和煤類的顯微組分平均相對(duì)含量分布圖，如圖2 所示。

圖2 顯微組分平均相對(duì)含量分布Fig.2 Average relative content distribution of macerals

從圖2 中可以看出，1、5 與6 煤層主采煤層均以惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組為主，尤其是惰質(zhì)組，除1 煤層外均超過(guò)50%；半鏡質(zhì)組與穩(wěn)定組較少，均不超過(guò)5%。褐煤、長(zhǎng)焰煤與不粘煤也均以惰質(zhì)組與鏡質(zhì)組為主，長(zhǎng)焰煤與不粘煤兩者的惰質(zhì)組含量均超過(guò)50%，半鏡質(zhì)組與穩(wěn)定組不超過(guò)5%；同一煤類中惰質(zhì)組含量超過(guò)鏡質(zhì)組。

研究表明，鏡質(zhì)組產(chǎn)氣潛力要大于惰質(zhì)組[10]，主要由鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組構(gòu)成的煤，當(dāng)兩者的相對(duì)比例不同時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致生氣能力大相徑庭。蔚州礦區(qū)的煤儲(chǔ)層以惰質(zhì)組為主，導(dǎo)致生氣顯微組分相對(duì)減少，從而煤儲(chǔ)層瓦斯含量較少。

3 煤儲(chǔ)層顯微孔隙特征

煤層是一種雙重孔隙介質(zhì)，煤基質(zhì)中的微小孔是瓦斯存儲(chǔ)的主要空間，裂隙是煤層中流體滲流的主要通道，煤的孔隙成因及其發(fā)育特征是煤體結(jié)構(gòu)、煤層生氣、儲(chǔ)氣及滲透性能的直接反映。

3.1 煤中有機(jī)孔隙特征

此次實(shí)驗(yàn)側(cè)重于對(duì)結(jié)構(gòu)顯微組分孔隙的觀察統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)為有胞腔結(jié)構(gòu)的絲質(zhì)體和半絲質(zhì)，少量的菌類體。絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體因植物胞壁發(fā)生膨脹，胞腔縮小，也有因被擠壓呈拉長(zhǎng)的星狀、褶曲狀及不規(guī)則狀，因此各可采煤層的胞腔結(jié)構(gòu)的大小不一，有機(jī)孔隙含量也不同。按橢圓形的短軸和長(zhǎng)軸來(lái)衡量胞腔的大小，用（X，X） 表示，單位μm。

（1） 6 煤層：惰質(zhì)組含量超過(guò)50%，50%的惰質(zhì)組具有空的胞腔結(jié)構(gòu)。細(xì)胞大小形狀不同，有縮小了的 （2，2） 胞腔和正常的 （10，10） 胞腔，也有拉長(zhǎng)了的（2，50） 胞腔及其它不規(guī)則狀。

（2） 5 煤層：惰質(zhì)組含量超過(guò)60%，40%的惰質(zhì)組具有空的胞腔結(jié)構(gòu)。細(xì)胞大小及形狀各不同，有縮小了的（5，5） 胞腔和正常的（10，10）胞腔，也有拉長(zhǎng)了的（10，50） 胞腔及其它不規(guī)則狀，正常大小的胞腔最多。

（3） 1 煤層：惰質(zhì)組含量相比較少，僅有40%，而且具有空的胞腔惰質(zhì)組分也很少，僅有5%。胞腔大小形狀不同，有縮小了的（2，2） 胞腔和正常的 （10，10） 胞腔，也有拉長(zhǎng)了的（2，50） 胞腔及其它不規(guī)則狀。

從蔚縣煤礦各煤層來(lái)看，惰質(zhì)組分中的半絲質(zhì)體和絲質(zhì)體多具有完整的植物組織孔，多數(shù)為空，也有一些菌類體空腔，總體來(lái)看煤儲(chǔ)層孔隙較發(fā)育，為瓦斯的儲(chǔ)集提供了良好空間。

3.2 煤中裂隙特征

外生裂隙是在煤儲(chǔ)層及相鄰圍巖中由于構(gòu)造應(yīng)力作用而形成的一種裂隙系統(tǒng)，它們?yōu)槊簩託庀蛲庖萆⒑蛧鷰r中流體進(jìn)入煤儲(chǔ)層之中提供了可能的通道。對(duì)蔚州礦區(qū)各煤層孔隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算裂隙率，結(jié)果見(jiàn)表1。

4 結(jié) 論

（1） 蔚州礦區(qū)各主采煤層和煤類均以惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組為主，尤其是惰質(zhì)組含量最多。

（2） 鏡質(zhì)組產(chǎn)氣潛力要大于惰質(zhì)組，蔚州礦區(qū)的煤儲(chǔ)層以惰質(zhì)組為主，導(dǎo)致生氣顯微組分相對(duì)減少，從而煤儲(chǔ)層瓦斯含量較少。

（3） 蔚州礦區(qū)各主采煤層孔隙發(fā)育，為煤層瓦斯的儲(chǔ)集提供了良好的空間，但是煤層裂隙發(fā)育，為瓦斯的逸散提供了通道，不利于瓦斯的保存。

表1 蔚州礦區(qū)主采煤層的裂隙率Table 1 Crack rate of the main coal seam

從表1 中可以看出，蔚州礦區(qū)內(nèi)各礦井煤儲(chǔ)層裂隙都比較發(fā)育，裂隙是煤層中流體滲流的主要通道，且常常與原生有機(jī)質(zhì)的胞腔結(jié)構(gòu)相通，因此煤層中的瓦斯可通過(guò)裂隙運(yùn)移和逸散。蔚州礦區(qū)煤層雖然孔隙發(fā)育，提供了良好的瓦斯儲(chǔ)集空間，但是裂隙較為發(fā)育，不利于瓦斯的保存。