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大同矿区2#煤层煤体结构特征及地质依赖性浅析

2024-09-04 45 上传者：管理员

摘要：为明确大同矿区2#煤层的煤体结构、空间分布及控制因素，利用MPVSP显微光度计对煤岩显微组分进行鉴定，通过对深侧向电阻率测井、自然伽马测井、密度测井和声波测井曲线的解释，获得煤体结构的空间特征。结果表明，2#煤层中粒状-糜棱煤最为发育，煤种以半亮煤为主，其次为碎粒煤和半暗煤；煤结构组合在空间上具有多样性，其中以粒状-糜棱岩组合最为常见；研究区东部和南部发育花岗-糜棱煤，煤体结构破碎，埋深较大，厚度较大，地质应力是造成煤体结构破坏以及断层切割的根本原因。

关键词：
地质应力
测井曲线
煤体结构
煤层开采设计
粒状-糜棱煤
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煤体结构是煤层开采设计的重要依据，对煤储层的孔隙度和渗透率有重要影响。因此，在煤层及煤层气开采前，需要明确煤体结构特征。煤体结构是指经历了各种地质作用的煤层结构特征，分为原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，结构逐渐破碎[1]。

1、研究方法

煤样观测和测井曲线解释是阐明不同地区煤体垂直结构特征及其组合、空间变化规律的常用方法，对煤样的观察包括煤的种类、结构、显微组分。深侧向电阻率测井（LLD）、伽马测井（GR）、密度测井（DEN）和声波测井（AC）测井曲线在煤田勘探中应用广泛，根据这些曲线的振幅、振幅变化、形状和峰值可以识别煤结构[2]。煤结构受煤空间分布、性质和地质条件影响，煤的成熟度随埋深的增加而增加，导致分子组成、分子结构、孔隙结构、硬度、密度和延展性发生变化[3]。此外，煤层厚度对煤体结构也有影响。地质条件的影响主要体现在地质应力的差异上，包括最大水平应力、最小水平应力、垂直应力、水平应力差[4]。

研究区经历了多轮地质勘探和开采，收集了大量的地质资料，但缺乏对煤结构特征、空间分布及其控制因素的针对性研究。因此，为保证该煤层安全开采，且为煤层气的勘探开发提供参考，本文选取主采2#煤层为研究对象，共采集10口井的56个钻孔岩芯样品，并对这些样品的煤种和煤体结构进行了鉴定。利用MPVSP显微光度计对煤样的显微组分进行了观测和计算，探讨了其与煤体结构的相关性，并利用DEN、GR、AC、LLD测井曲线分析煤体结构的空间特征，相应讨论了煤质、埋深、煤厚、地质应力对煤体结构的影响。

2、研究区地质背景

研究区位于华北板块太行隆起带东南缘，总体呈NE-SW向单斜，倾向SE，倾角主要在10°～25°范围内。研究区断层发育，以高角度正断层为主。此外，研究区南部还发现有一些宽缓的褶皱。

研究区石炭-二叠系共识别出13～15层煤层，其中下二叠统山西组2#煤层厚度大，分布稳定，为主要可采煤层。其埋藏深度主要在408.64～1156.28m之间，具有东南深、西北浅的特点。镜质体反射率介于3.34%～4.78%，处于无烟煤阶段。煤层对应力、应变极为敏感，受构造应力改造后，其物理结构、化学结构、光学特性等发生显著变化。2#煤层经历了多期构造改造，原生煤逐渐转化为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。由于构造运动强度的差异，研究区2#煤层的煤体结构也表现出强烈的非均质性特征。

3、样品采集及构造识别

3.1 样品采集与实验

从10口井中采集了56个钻孔岩芯样品，并对这些样品进行煤种、煤体结构和宏观裂隙观测。随后，利用MPVSP显微镜光度计进行煤岩显微组分测试。该实验将样品研磨成粒径小于1 mm的颗粒，然后将颗粒与粘结剂以2∶1的比例混合，并将混合后的样品加热压实成煤砖。在观测前，需要对煤砖的一个侧面进行打磨，并对每个显微组分和分数进行相应的观测和计算。具体处理方法和实验步骤参照标准GB/T 8899—2013.20。

3.2 煤的构造识别

测井曲线能够提供地层的组成、结构等信息，具有灵敏度高、连续性好等优点。此外，还记录了地层在时间和空间层面的演化特征。通过在研究区多口井多轮地质勘探获取LLD、GR、DEN、AC测井曲线资料，利用这些测井曲线识别煤体结构，并根据相应的埋藏深度记录。

4、煤体结构特征

4.1 基于测井曲线的煤体结构特征

煤的电阻率、密度、声波时差、直径增宽随损伤程度的增加而逐渐减小，测井曲线的波动也相应地更加明显。2#煤层结构以粒状-糜棱煤为主，其次为碎裂煤、原生煤，表明2#煤层经历了强烈的构造变形。

4.2 煤种及煤的不同结构

半亮煤为主要类型，其次为亮煤（平均5.05个/cm），均低于碎裂煤（6.7～9.1个/cm，平均7.9个/cm），然而不能观察到粒状-糜棱煤的裂隙密度。

2#煤层上部和下部发育有花岗-糜棱煤，中部相对完整，一般由原生煤或碎裂煤组成。煤体结构垂向组合依据相关文献确定，本次工作共识别出11种垂向组合类型，其中7种与粒状-糜棱煤有关。同时，在平面上也发现了显著的异质特征。

研究区自东向西，煤体结构由简单到复杂，自南向北则相反。原生煤和碎裂煤有利于煤层气的开采，因此有必要查明整个矿区煤体结构的平面特征。原生煤和碎裂煤所占比例由东向西、由南向北逐渐增大。在东南角和北角，其含量普遍高于75%，煤体结构相对完整，从煤体结构角度看，可以认为是煤层气的甜点区。

4.3 地质性质对煤构造的影响

研究区半暗煤中主要发育原生结构和碎裂结构，未发现粒状-糜棱结构。半亮煤中3种煤体结构均被识别，而碎屑结构以粒状-糜棱结构为主（见图1）。粒状-糜棱煤镜质组含量为70%～95.14%，平均81.25%，高于碎裂煤（61.1%～87.5%，平均73.59%）和原生煤（52.5%～78.3%，平均66.75%）。

此外，本研究还分析了煤的显微组分与粒状-糜棱煤组分之间的关系。结果表明，随着镜质组含量的增加，粒状-糜棱煤的比例大致呈增加趋势（见图2a），而随着惰质组含量的增加，粒状-糜棱煤的比例大致呈降低趋势（见图2b）。

煤是一种聚集有机质，含量在87.52%～97.1%之间，粒状-糜棱煤的组分与有机质含量呈正相关关系（见图2c），无机物含量不利于粒状-糜棱煤的发育（见图2d）。

粒状-糜棱煤的比例随埋深的增加而增加（见图3a），煤层厚度与粒状-糜棱煤的比例有相似的趋势（见图3b）。表明随着埋深和厚度的增加，煤层变得更加破碎，这是由于地质应力的变化引起，当地质应力超过其屈服极限时，原煤会发生破坏。

通过分析地质应力与粒状-糜棱煤分数之间的关系，结果表明，2#煤层垂直应力变化范围为11.53～31.13 MPa，平均值为20.65 MPa。最大水平应力和最小水平应力分别在9.78～27.34 MPa（平均18.09 MPa）和7.72～22.87 MPa（平均14.71MPa）范围内。水平应力差范围为2.06～4.78 MPa，平均3.23 MPa。粒状-糜棱煤所占比例与3种地质应力均呈线性正相关关系，其中最大水平应力的回归系数最高，说明最大水平应力是粒状-糜棱煤发育的主控因素，但最小水平应力和垂直应力也是重要原因。

图1 煤种与煤体结构的关系（PC、CC和GMC分别为原生煤、碎裂煤和粒状-糜棱煤）

5、结论

本文从10个井中收集煤样，分别对煤类、煤体结构和显微组分进行了观察和计算，并对不同井的DEN、GR、AC、LLD测井曲线进行解释，探讨煤体结构的空间特征。主要研究结果如下：

1）研究区以粒状-糜棱煤最为发育，其次为原生煤和碎裂煤。

2）由东向西，煤体结构由简单到复杂，由南向北也有类似的变化趋势。

3）由于地质应力的变化，煤体结构更加破碎，埋深更大，厚度更大，粒状-糜棱煤的比例增加，且中部地区断层的发育导致了更高比例的粒状-糜棱煤。

图2 粒状-糜棱煤粒级与镜质组含量的关系

图3 粒状-糜棱煤含量与埋藏深度

参考文献:

[1]张亚飞,胡皓,孔鹏,等.寿阳区块煤层气井产粉特征与煤体结构相关性研究[J].煤炭技术,2024,43(03):225-229.

[2]吴婧.古交矿区晚古生代含煤岩系沉积微相及其含气特征[D].太原理工大学,2016.

[3]高向东,周世豪,郭慧,等.临兴地区深部煤储层煤体结构定量表征及影响因素分析[J/OL].煤炭科学技术,1-12[2024-03-26].