陜西省彬長礦區主采煤層煤巖力學特征

田增輝，高 莎，趙靈子，張 薇，張 曄

(陜西省一八六煤田地質有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

煤層氣是指吸附或以游離態存在煤層孔隙裂隙或煤層表面，以甲烷為主要成分的烴類可燃性混合氣體，俗稱煤層甲烷或煤層瓦斯。煤層氣通常與煤伴生，作為一種新興的非常規能源，煤層氣具有高熱值、潔凈環保等優勢。其開發利用，對于彌補我國常規能源不足，消除煤礦瓦斯突出，減少瓦斯排放，保障煤礦安全高效生產具有重要意義。

煤層及其圍巖的煤巖力學參數作為影響儲層性質的重要因素，主要影響著煤儲層的三維應力狀態和壓裂裂縫的形成。煤巖力學參數的測試分析，是生成壓裂曲線和壓裂施工設計的重要前期工作。因此研究彬長礦區主采煤層的煤巖力學性質，對研究區的煤層氣開發利用具有重要意義。

通過對彬長礦區各煤礦主采煤層煤巖力學參數的對比分析，研究該礦區煤巖力學特征，分析其影響因素，為該區煤礦瓦斯抽排及煤層氣高效開發利用提供地質技術保障。

1 煤巖力學性質

1.1 煤層煤巖力學參數

陜西省彬長礦區含煤地層為侏羅系中統延安組，地層平均厚度80 m，基本被上覆地層覆蓋。一般含煤4層(組)，主采煤層為4號煤層(組)，平均厚度11.65 m。研究區煤階主要為Ⅰ～Ⅱ變質階段煙煤，R0值為0.584～0.836。煤類以不粘煤31號(BN31)為主，僅個別樣點為長焰煤41號或42號(CY41、CY42)，煤類較單一，變化較小。根據實驗結果和相關資料，彬長礦區各煤礦煤層煤巖力學參數見表1。

表1 彬長礦區各煤礦煤巖力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock in each coal mine of Binchang mining area

研究區主采煤層的抗壓強度為16.30～32.17 MPa，平均為19.38 MPa；彈性模量為1 262～6 840 MPa，平均為4 400 MPa；泊松比為0.22～0.46，平均為0.30。抗壓強度與泊松比走勢基本一致，呈正相關；彈性模量與泊松比呈負相關。

1.2 煤層煤巖力學參數特征分析

物質的內在組成和結構決定著物質的外部特征，煤層的顯微組分是否影響著煤巖力學參數，國內外一些研究成果已經表明二者之間確實存在一定的關聯性。針對彬長礦區，主采煤層的煤巖力學參數與其顯微組分的關系，做了初步研究。彬長礦區各煤礦煤巖力學參數與顯微組分數據見表2。

據表2發現，研究區主采煤層的抗壓強度隨著鏡質組含量的增大而減小，隨著惰質組含量的增大而增大，隨著最大反射率的增大而減??；彈性模量隨著惰質組含量的增大而減小，隨著無機物含量的增大而減??；泊松比隨著鏡質組含量的增大而減小，隨著惰質組含量的增大而增大。

表2 彬長礦區各煤礦顯微煤巖組分與力學參數Table 2 Macerals and mechanical parameters of various coal mines in Binchang mining area

由于煤層的埋深顯著影響著煤層顯微組分的形成，進而可能影響煤巖的力學性質，結果見表3。研究表明抗壓強度和泊松比隨著煤層埋深的增大而減小，彈性模量與埋深的相關性不強。

表3 彬長礦區各煤礦煤層埋深與煤巖力學參數Table 3 Coal seam buried depth and coal rock mechanical parameters of various coal mines in Binchang mining area

2 煤巖與頂底板力學參數對比

2.1 煤層與頂底板力學參數

根據前人研究成果，通常認為相比于頂底板，煤巖力學性質表現出低強度、低彈性模量、高泊松比的特性。彬長礦區是否也具有這一特性，結果見表4。

表4 彬長礦區煤層與頂底板力學參數Table 4 Mechanical parameters of coal seam and roof and floor in Binchang mining area

與煤層相比，研究區頂底板各巖性巖石的抗壓強度和彈性模量均較大，泊松比則相對較小，與通常規律一致。煤層頂底板的直接頂通常為泥巖，研究區泥巖的力學參數約為煤層的1.6倍、1.7倍和0.8倍，與煤層差異較大。

根據蘭姆方程理論，巖石中形成的裂縫寬度與彈性模量成反比，彈性模量越小，裂縫越寬。而在相同外力條件下，當裂縫在寬度上增加時，必在長度上縮短。相比于頂底板，煤層更易形成短寬裂縫。由于煤層和頂底板在彈性模量上的差異性，使得在二者界面上形成一個層間低水平應力區。裂縫向此延伸形成由水平縫和垂直縫組合而成的T型縫和工字縫。煤層與頂底板的彈性模量差異越大，煤層越易形成裂縫，而頂底板越不易，壓裂效果也越好。

2.2 煤層氣有利區預測

煤層與其頂底板在巖石力學，特別是彈性模量上的差異性，決定著煤儲層及其圍巖的裂縫形態，進而影響煤層氣的儲存。通過測試研究區各個煤礦煤層及其頂底板彈性模量，可以初步預測煤層氣資源賦存的有利區塊，對于降低煤層氣勘查工作量，建立煤礦瓦斯預警具有初步意義,見表5。

表5 彬長礦區煤巖與頂底板彈性模量Table 5 Elastic modulus of coal rock and roof and floor in Binchang mining area

據表5知，大佛寺煤礦頂底板的泥巖與煤層相差較大，為其2.3倍，頂底板砂泥巖與煤層相差也較大，為其3.8倍。實際上，在彬長礦區各煤礦中，大佛寺煤礦瓦斯含量較大。在礦井歷年含量檢測中，均為高瓦斯礦井，這也驗證了預測結果。從表5發現，高家堡煤礦和彬東煤礦頂底板與煤層的彈性模量差異性同樣較大。其中，兩礦頂底板泥巖彈性模量均為煤層的2.7倍，頂底板砂泥巖彈性模量分別為煤層的3.0倍和3.6倍。數據表明，高家堡煤礦和彬東煤礦可能瓦斯含量較大，可預測為煤層氣賦存潛在的有利區塊。

需要指出的是，這僅僅是從煤層與其頂底板的力學性質之間的差異性出發，做出的合理性預測，而煤層氣儲存的影響因素有很多，其成藏往往是多種因素相互疊加，互相影響的結果。所以這種單方面預測的結果往往不甚可靠，還需對此做進一步研究。

3 煤巖力學參數與沁水盆地對比

長期以來，美國是世界上研究煤層氣最早，開發利用方面也最成功的國家。21世紀以來，中國煤層氣開發利用進入快車道，也產生了一批非常好的研究成果。山西沁水盆地、貴州比德—三塘盆地等是我國煤層氣開發利用比較早的區域，經過大批煤炭煤層氣專業人士的努力，近年來產生了大量研究成果，研究資料相對比較完善。彬長礦區在煤層氣方面也做了一些工作，例如在大佛寺煤礦建成了低濃度瓦斯發電廠、煤層氣壓縮輸送站等工程，實現了煤層氣的初步商業化開發運營。此外，彬長礦區的其他煤礦也施工了若干煤層氣參數井或實驗井。但總體而言，彬長礦區的煤層氣研究程度仍然較低，將彬長礦區與沁水盆地的煤巖力學參數進行對比，對研究彬長礦區的煤巖力學特征以及更好地開發利用研究區的煤層氣資源，有很好的借鑒意義。

沁水盆地煤層主要賦存于石炭-二疊系的山西組和太原組，煤層埋深一般200～2 000 m，煤類為焦煤到無煙煤，主采煤層的抗壓強度一般在10.0～16.0 MPa，彈性模量0.3～2.5 GPa，泊松比0.15～0.45。

與沁水盆地相比，彬長礦區的抗壓強度及彈性模量都相對較大。彬長礦區的抗壓強度大約是沁水盆地的1.5倍，彈性模量則是沁水盆地的3倍。只在泊松比一項上，二者基本相當。

4 結論

(1)主采煤層的抗壓強度與泊松比走勢基本一致，呈正相關；彈性模量與泊松比呈負相關。

(2)主采煤層的抗壓強度隨著鏡質組含量的增大而減小，隨著最大反射率的增大而減小，隨著惰質組的含量增大而增大；彈性模量隨著惰質組含量的增大而減小，隨著無機物含量的增大而減??；泊松比隨著鏡質組含量的增大而減小，隨著惰質組含量的增大而增大；抗壓強度和泊松比隨著煤層埋深的增大而減小。

(3)與頂底板相比，煤層總體表現為低強度、低彈性模量、高泊松比的特性，更易形成短寬裂縫；與沁水盆地相比，抗壓強度及彈性模量均較大。