張曉飛 王生維

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司太原分公司，山西 030000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 430074；3.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 048006)

阜康白楊河礦區(qū)處于博格多復(fù)背斜，北天山褶皺帶以北，準(zhǔn)噶爾坳陷區(qū)以南的黃山～二工河向斜的北翼，總體構(gòu)造為地層南傾的單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻麰W向，地層傾角44°～54°，按構(gòu)造復(fù)雜程度的級(jí)別劃分為簡(jiǎn)單構(gòu)造類型。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造節(jié)理裂隙較為發(fā)育，選取煤層露頭出露較好或基巖大片出露的區(qū)域，進(jìn)行地表節(jié)理觀測(cè)，本次地表選取456個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)節(jié)理4500余條，煤礦井下選取12個(gè)工作面，觀測(cè)節(jié)理560余條。

1 地表圍巖節(jié)理發(fā)育特征

1.1 節(jié)理幾何特征描述

本區(qū)構(gòu)造節(jié)理廣泛發(fā)育，多期剪節(jié)理常見(jiàn)，節(jié)理面平直，雖然走向上E、W、S、N各個(gè)方向均有顯示，但呈現(xiàn)NNE-NE向、NNW-NW向和近EW向三個(gè)優(yōu)勢(shì)方向。其中，走向NNE-NE向節(jié)理最為發(fā)育，NNW-NW向次之，近EW向稍差。節(jié)理傾角以中高傾角(51°～90°)為主，占到80%；中低傾角(31°～50°)之間的節(jié)理占節(jié)理總數(shù)的19%；低傾角(<30°)的節(jié)理不超過(guò)節(jié)理總數(shù)的1%。根據(jù)節(jié)理是否切層及切層情況，可將節(jié)理分為層內(nèi)節(jié)理，切層節(jié)理和切穿露頭節(jié)理，研究區(qū)以層內(nèi)節(jié)理為主，切層節(jié)理次之，很少發(fā)育切穿露頭的節(jié)理。節(jié)理延伸長(zhǎng)度從厘米～數(shù)十米均有分布，有的甚至超過(guò)百米。節(jié)理發(fā)育密度從0.5條/m到35條/m不等，節(jié)理之間可見(jiàn)交織、復(fù)合、錯(cuò)切現(xiàn)象。在同一構(gòu)造條件下，節(jié)理延伸長(zhǎng)度受巖性控制，隨著巖石顆粒粒度的增加，節(jié)理延伸長(zhǎng)度呈遞增的趨勢(shì)，同一構(gòu)造條件下，在巖性相同的情況下，節(jié)理密度與巖層厚度成反比。在同一區(qū)域如果巖性相同，節(jié)理密度與巖層厚度呈負(fù)指數(shù)冪下降的關(guān)系。

1.2 節(jié)理期次

研究區(qū)存在3組平面剪節(jié)理，代表性的產(chǎn)狀分別為：NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向。

根據(jù)節(jié)理相互切割關(guān)系配套分析，確定為兩套共軛剪節(jié)理(圖1)。其中，NE-NNE向與NW-NNW向的剪切節(jié)理為第一期節(jié)理系，形成時(shí)間較早。由近EW向和NE-NEE向組的剪節(jié)理組成第二期節(jié)理系，其多切割其他節(jié)理或被其他節(jié)理限制，發(fā)育時(shí)間最晚。

圖1 節(jié)理的分期配套示意圖

2 煤層中節(jié)理發(fā)育特征

本次研究主要對(duì)白楊河煤礦七號(hào)井+799水平、+844水平的巷道及多個(gè)開采面上的節(jié)理裂隙構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)與分析。重點(diǎn)觀測(cè)了+799水平與+844水平的39+、41號(hào)、42號(hào)、43號(hào)煤層的節(jié)理裂隙。

2.1 節(jié)理的幾何特征描述

如圖2所示，煤層中廣泛發(fā)育節(jié)理裂隙，肉眼到處可見(jiàn)數(shù)厘米～數(shù)十米級(jí)的節(jié)理裂隙。節(jié)理分布在煤層單個(gè)煤巖分層內(nèi)或者整個(gè)煤層厚度內(nèi)，甚至能夠切穿煤層。有的節(jié)理平直光滑，延伸穩(wěn)定；有的節(jié)理粗糙不平，曲直不斷與尖滅。節(jié)理裂隙之間交叉復(fù)合，節(jié)理裂隙密集呈帶狀分布的特點(diǎn)，頻度最高達(dá)70條/m，一般為25～40條/m；單個(gè)節(jié)理裂隙密集帶中的煤層常被切割成薄片狀，在兩組或多組節(jié)理交匯處，煤層被節(jié)理切割破碎。節(jié)理裂隙的走向總體上則表現(xiàn)為NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向。根據(jù)各個(gè)煤層節(jié)理的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，走向NE-NNE節(jié)理最為發(fā)育，NW-NNW次之，走向近EW稍差。

圖2 井下煤層中節(jié)理觀測(cè)圖

圖3 +799水平煤層節(jié)理觀測(cè)圖

2.2 實(shí)例解剖

圖3所示觀測(cè)點(diǎn)位于+799水平42號(hào)煤頂板附近，煤巖類型以光亮煤為主。巷道走向0°，在巷道6m長(zhǎng)的觀測(cè)范圍內(nèi)，可見(jiàn)三組節(jié)理，產(chǎn)狀分別：330°∠60°(NNW向)，271°∠74°(近EW向)，以及8°∠65°(NNE向)。其中，330°∠65°(NNW向)這組節(jié)理最為發(fā)育，呈緊密集帶的形式展布，發(fā)育的線密度為12條/15cm。節(jié)理延伸長(zhǎng)度10～200cm不等，由于節(jié)理密集帶狀發(fā)育，導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)很破碎。另外，在煤巖分層面之間可見(jiàn)厚度在1～3cm的軟煤。

在離頂板很近的巷道頂部可以看到兩組切穿整個(gè)巷道的節(jié)理，產(chǎn)狀分別為8°∠64°(NNE向)，271°∠74°(近EW向)。這兩組節(jié)理延伸較長(zhǎng)，有可能切穿整個(gè)煤層進(jìn)入頂板。

3 煤層與地表圍巖節(jié)理發(fā)育特征對(duì)比

3.1 特征對(duì)比

通過(guò)對(duì)比煤層與其上覆或下伏圍巖層中節(jié)理發(fā)育的特征，發(fā)現(xiàn)煤層與其圍巖層中節(jié)理的優(yōu)勢(shì)方向基本一致，均為NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向，反映了煤巖和圍巖層中節(jié)構(gòu)造理發(fā)育的相關(guān)性。節(jié)理發(fā)育密度及延伸長(zhǎng)度有所不同，煤層中的構(gòu)造節(jié)理發(fā)育更為密集，但延伸長(zhǎng)度小，節(jié)理面較為曲折；而圍巖層中節(jié)理延伸較長(zhǎng)，節(jié)理面較為平直，大部分節(jié)理終止于煤層和圍巖層界面處，少部分節(jié)理進(jìn)入煤層繼續(xù)延伸。

3.2 實(shí)例解剖

煤層與其上覆或下伏圍巖露頭處于同一個(gè)位置，所在的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境相同。通過(guò)觀察測(cè)量野外露頭煤層與圍巖中節(jié)理裂隙的發(fā)育特征，無(wú)疑是研究對(duì)比同一構(gòu)造層煤儲(chǔ)層與其圍巖層節(jié)理發(fā)育關(guān)系的最直接的方法。

圖4為火燒薄煤層及其頂板粗砂巖露頭，巖石產(chǎn)狀183°∠54°(南傾)，頂板中可見(jiàn)兩組節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀和密度為：277°∠86°(7條/m)、353°∠74°(3條/m。)。煤層中節(jié)理產(chǎn)狀和密度為275°∠83°(18條/m)，347°∠79°(6條/m)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：煤層與頂板粗砂巖中節(jié)理的產(chǎn)狀基本一致，但是節(jié)理煤層中發(fā)育更為密集，延伸長(zhǎng)度小。

圖4 露頭實(shí)測(cè)示意圖

4 結(jié)論

(1)本區(qū)節(jié)理發(fā)育呈現(xiàn)3個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，即NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向，其中NE-NNE向最為發(fā)育， NW-NNW向次之， 近EW向稍差。根據(jù)節(jié)理相互切割關(guān)系配套分析，確定為兩套共軛剪節(jié)理。其中，NE-NNE向與NW-NNW向的剪切節(jié)理為第一期節(jié)理系，形成時(shí)間較早。由近EW向和NE-NEE向組的剪節(jié)理組成第二期節(jié)理系，其多切割其他節(jié)理或被其他節(jié)理限制，發(fā)育時(shí)間晚。

(2)對(duì)比地表圍巖與礦井工作面中的節(jié)理發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)屬于同一構(gòu)造層的煤層與圍巖中節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀基本一致，具有明顯的相關(guān)性，只是節(jié)理發(fā)育密度和延伸長(zhǎng)度有差異。

(3)受觀測(cè)條件的限制，很難對(duì)深層煤儲(chǔ)層中的節(jié)理裂隙進(jìn)行正確認(rèn)識(shí)與精確評(píng)價(jià)，由于煤層和地表圍巖中節(jié)理存在相關(guān)性，通過(guò)地表圍巖層節(jié)理發(fā)育特征研究，為深層煤儲(chǔ)層節(jié)理的研究提供了新的方向。