李 敏,李思齊
(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 五陽煤礦,山西 長治 046205)
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)場實(shí)測和數(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。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。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。
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)分析和工藝性能測試結(jié)果,蔚州礦區(qū)大多數(shù)煤層處于長焰煤和不粘煤階段。
圖1 蔚廣盆地橫剖面Fig.1 Cross section of Yuguang Basin
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50%;半鏡質(zhì)組與穩(wěn)定組較少,均不超過5%。褐煤、長焰煤與不粘煤也均以惰質(zhì)組與鏡質(zhì)組為主,長焰煤與不粘煤兩者的惰質(zhì)組含量均超過50%,半鏡質(zhì)組與穩(wěn)定組不超過5%;同一煤類中惰質(zhì)組含量超過鏡質(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。
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。
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軸來衡量胞腔的大小,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,也有拉長了的(2,50) 胞腔及其它不規(guī)則狀。
從蔚縣煤礦各煤層來看,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。
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)果見表1。
(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。