陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū)主采煤層煤巖力學(xué)特征

田增輝，高 莎，趙靈子，張 薇，張 曄

(陜西省一八六煤田地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

煤層氣是指吸附或以游離態(tài)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(guī)能源，煤層氣具有高熱值、潔凈環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。其開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于彌補(bǔ)我國(guó)常規(guī)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(chǎn)具有重要意義。

煤層及其圍巖的煤巖力學(xué)參數(shù)作為影響儲(chǔ)層性質(zhì)的重要因素，主要影響著煤儲(chǔ)層的三維應(yīng)力狀態(tài)和壓裂裂縫的形成。煤巖力學(xué)參數(shù)的測(cè)試分析，是生成壓裂曲線和壓裂施工設(shè)計(jì)的重要前期工作。因此研究彬長(zhǎng)礦區(qū)主采煤層的煤巖力學(xué)性質(zhì)，對(duì)研究區(qū)的煤層氣開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。

通過(guò)對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)各煤礦主采煤層煤巖力學(xué)參數(shù)的對(duì)比分析，研究該礦區(qū)煤巖力學(xué)特征，分析其影響因素，為該區(qū)煤礦瓦斯抽排及煤層氣高效開(kāi)發(fā)利用提供地質(zhì)技術(shù)保障。

1 煤巖力學(xué)性質(zhì)

1.1 煤層煤巖力學(xué)參數(shù)

陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)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(hào)煤層(組)，平均厚度11.65 m。研究區(qū)煤階主要為Ⅰ～Ⅱ變質(zhì)階段煙煤，R0值為0.584～0.836。煤類以不粘煤31號(hào)(BN31)為主，僅個(gè)別樣點(diǎn)為長(zhǎng)焰煤41號(hào)或42號(hào)(CY41、CY42)，煤類較單一，變化較小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)資料，彬長(zhǎng)礦區(qū)各煤礦煤層煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 彬長(zhǎng)礦區(qū)各煤礦煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock in each coal mine of Binchang mining area

研究區(qū)主采煤層的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度與泊松比走勢(shì)基本一致，呈正相關(guān)；彈性模量與泊松比呈負(fù)相關(guān)。

1.2 煤層煤巖力學(xué)參數(shù)特征分析

物質(zhì)的內(nèi)在組成和結(jié)構(gòu)決定著物質(zhì)的外部特征，煤層的顯微組分是否影響著煤巖力學(xué)參數(shù)，國(guó)內(nèi)外一些研究成果已經(jīng)表明二者之間確實(shí)存在一定的關(guān)聯(lián)性。針對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)，主采煤層的煤巖力學(xué)參數(shù)與其顯微組分的關(guān)系，做了初步研究。彬長(zhǎng)礦區(qū)各煤礦煤巖力學(xué)參數(shù)與顯微組分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

據(jù)表2發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)主采煤層的抗壓強(qiáng)度隨著鏡質(zhì)組含量的增大而減小，隨著惰質(zhì)組含量的增大而增大，隨著最大反射率的增大而減小；彈性模量隨著惰質(zhì)組含量的增大而減小，隨著無(wú)機(jī)物含量的增大而減?。徊此杀入S著鏡質(zhì)組含量的增大而減小，隨著惰質(zhì)組含量的增大而增大。

表2 彬長(zhǎng)礦區(qū)各煤礦顯微煤巖組分與力學(xué)參數(shù)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(jìn)而可能影響煤巖的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果見(jiàn)表3。研究表明抗壓強(qiáng)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(guān)性不強(qiáng)。

表3 彬長(zhǎng)礦區(qū)各煤礦煤層埋深與煤巖力學(xué)參數(shù)Table 3 Coal seam buried depth and coal rock mechanical parameters of various coal mines in Binchang mining area

2 煤巖與頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)對(duì)比

2.1 煤層與頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)

根據(jù)前人研究成果，通常認(rèn)為相比于頂?shù)装?，煤巖力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出低強(qiáng)度、低彈性模量、高泊松比的特性。彬長(zhǎng)礦區(qū)是否也具有這一特性，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層與頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of coal seam and roof and floor in Binchang mining area

與煤層相比，研究區(qū)頂?shù)装甯鲙r性巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均較大，泊松比則相對(duì)較小，與通常規(guī)律一致。煤層頂?shù)装宓闹苯禹斖ǔ槟鄮r，研究區(qū)泥巖的力學(xué)參數(shù)約為煤層的1.6倍、1.7倍和0.8倍，與煤層差異較大。

根據(jù)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(dāng)裂縫在寬度上增加時(shí)，必在長(zhǎng)度上縮短。相比于頂?shù)装?，煤層更易形成短寬裂縫。由于煤層和頂?shù)装逶趶椥阅Ａ可系牟町愋?，使得在二者界面上形成一個(gè)層間低水平應(yīng)力區(qū)。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?shù)装宓膹椥阅Ａ坎町愒酱?，煤層越易形成裂縫，而頂?shù)装逶讲灰?，壓裂效果也越好?/p>

2.2 煤層氣有利區(qū)預(yù)測(cè)

煤層與其頂?shù)装逶趲r石力學(xué)，特別是彈性模量上的差異性，決定著煤儲(chǔ)層及其圍巖的裂縫形態(tài)，進(jìn)而影響煤層氣的儲(chǔ)存。通過(guò)測(cè)試研究區(qū)各個(gè)煤礦煤層及其頂?shù)装鍙椥阅Ａ?，可以初步預(yù)測(cè)煤層氣資源賦存的有利區(qū)塊，對(duì)于降低煤層氣勘查工作量，建立煤礦瓦斯預(yù)警具有初步意義,見(jiàn)表5。

表5 彬長(zhǎng)礦區(qū)煤巖與頂?shù)装鍙椥阅Ａ縏able 5 Elastic modulus of coal rock and roof and floor in Binchang mining area

據(jù)表5知，大佛寺煤礦頂?shù)装宓哪鄮r與煤層相差較大，為其2.3倍，頂?shù)装迳澳鄮r與煤層相差也較大，為其3.8倍。實(shí)際上，在彬長(zhǎng)礦區(qū)各煤礦中，大佛寺煤礦瓦斯含量較大。在礦井歷年含量檢測(cè)中，均為高瓦斯礦井，這也驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果。從表5發(fā)現(xiàn)，高家堡煤礦和彬東煤礦頂?shù)装迮c煤層的彈性模量差異性同樣較大。其中，兩礦頂?shù)装迥鄮r彈性模量均為煤層的2.7倍，頂?shù)装迳澳鄮r彈性模量分別為煤層的3.0倍和3.6倍。數(shù)據(jù)表明，高家堡煤礦和彬東煤礦可能瓦斯含量較大，可預(yù)測(cè)為煤層氣賦存潛在的有利區(qū)塊。

需要指出的是，這僅僅是從煤層與其頂?shù)装宓牧W(xué)性質(zhì)之間的差異性出發(fā)，做出的合理性預(yù)測(cè)，而煤層氣儲(chǔ)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(jié)果。所以這種單方面預(yù)測(cè)的結(jié)果往往不甚可靠，還需對(duì)此做進(jìn)一步研究。

3 煤巖力學(xué)參數(shù)與沁水盆地對(duì)比

長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)是世界上研究煤層氣最早，開(kāi)發(fā)利用方面也最成功的國(guó)家。21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用進(jìn)入快車(chē)道，也產(chǎn)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(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)利用比較早的區(qū)域，經(jīng)過(guò)大批煤炭煤層氣專業(yè)人士的努力，近年來(lái)產(chǎn)生了大量研究成果，研究資料相對(duì)比較完善。彬長(zhǎng)礦區(qū)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(fā)電廠、煤層氣壓縮輸送站等工程，實(shí)現(xiàn)了煤層氣的初步商業(yè)化開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)。此外，彬長(zhǎng)礦區(qū)的其他煤礦也施工了若干煤層氣參數(shù)井或?qū)嶒?yàn)井。但總體而言，彬長(zhǎng)礦區(qū)的煤層氣研究程度仍然較低，將彬長(zhǎng)礦區(qū)與沁水盆地的煤巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)研究彬長(zhǎng)礦區(qū)的煤巖力學(xué)特征以及更好地開(kāi)發(fā)利用研究區(qū)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(wú)煙煤，主采煤層的抗壓強(qiáng)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(zhǎng)礦區(qū)的抗壓強(qiáng)度及彈性模量都相對(duì)較大。彬長(zhǎng)礦區(qū)的抗壓強(qiáng)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(xiàng)上，二者基本相當(dāng)。

4 結(jié)論

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

(2)主采煤層的抗壓強(qiáng)度隨著鏡質(zhì)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(zhì)組的含量增大而增大；彈性模量隨著惰質(zhì)組含量的增大而減小，隨著無(wú)機(jī)物含量的增大而減??；泊松比隨著鏡質(zhì)組含量的增大而減小，隨著惰質(zhì)組含量的增大而增大；抗壓強(qiáng)度和泊松比隨著煤層埋深的增大而減小。

(3)與頂?shù)装逑啾?，煤層總體表現(xiàn)為低強(qiáng)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(qiáng)度及彈性模量均較大。