構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)層物性

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1、The6mInternationalWorkshoponCBM/CMMinChina構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)層物性據(jù)宜文，侯泉林，姜波，王桂梁，方愛民(中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，徐州221008中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029)摘要:構(gòu)造煤研究涉及到基礎(chǔ)地質(zhì)理論、煤層氣資源、煤礦安全和環(huán)境地學(xué)等重要領(lǐng)域。本文以兩淮地區(qū)區(qū)域地質(zhì)與煤儲(chǔ)層地質(zhì)為研究背景，探討了構(gòu)造謀形成的低、中、高三種變質(zhì)變形環(huán)境，提出了一套既適合于煤層氣開發(fā)又適合于煤與瓦斯突出防治的結(jié)構(gòu)一成因分類方案，該方案

2、分為三個(gè)變形序列十類構(gòu)造煤:脆性變形序列包括碎裂煤、碎斑煤、碎粒煤和碎粉煤，片狀煤和薄片煤;韌性變形序列為揉坡煤、糜棱煤和韌性結(jié)構(gòu)煤;脆韌性過渡型為鱗片煤;并分別敘述了不同類型構(gòu)造煤的宏觀和微觀變形特征。運(yùn)用X射線衍射、高分辯透射電鏡、順磁共振、核磁共振以及傅立葉紅外光譜等現(xiàn)代技術(shù)方法系統(tǒng)研究了不同類型構(gòu)造煤的大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)特征;利用壓汞法、液氮吸附法和掃描電鏡研究了構(gòu)造謀的孔隙結(jié)構(gòu)特征;采用平衡水條件下等溫吸附/解吸實(shí)驗(yàn)與大直徑構(gòu)造煤原位樣品室內(nèi)滲透率實(shí)驗(yàn)研究了不同類型構(gòu)造煤的吸附一解吸性與滲透性特征

3、。首先建立了構(gòu)造煤微孔隙結(jié)構(gòu)自然分類系統(tǒng);在CH4或多元?dú)怏w吸附一解吸過程中，發(fā)現(xiàn)變形較強(qiáng)的構(gòu)造煤CH4等溫吸附曲線不符合五種吸附曲線類型，并且CH4或多元?dú)怏w吸附一解吸具有不可逆性。在此塞礎(chǔ)上，深入探討了構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)演化及其與儲(chǔ)層物性作用機(jī)理。然而，構(gòu)造煤是煤中構(gòu)造變形和圍巖巖石力學(xué)性質(zhì)等共同作用的結(jié)果，由此進(jìn)一步論述了煤層斷層、層滑構(gòu)造、煤層流變和謀層韌性剪切帶的變形特征及形成機(jī)制。研究認(rèn)為:一定脆性變形程度的片狀煤、碎斑謀與碎裂煤以及較弱韌性變形的揉皺煤并經(jīng)后期脆性變形疊加形成的構(gòu)造煤等儲(chǔ)層具有較好

4、的煤層氣勘探開發(fā)潛勢(shì)，而變形程度較強(qiáng)的脆韌性與韌性構(gòu)造謀如蜂片煤、糜棱煤等儲(chǔ)層恰恰是瓦斯抽采和煤與瓦斯突出防治重點(diǎn)解決的難題。關(guān)鍵詞:構(gòu)造煤大分子結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層物性煤層氣勘探開發(fā)引言構(gòu)造煤與煤層氣勘探開發(fā)、煤礦瓦斯突出以及大氣污染等皆有密切的關(guān)系(EvansandBrown,1973;Yuan,1985;Cao,1999;Li,2001;姜波等，2001;據(jù)宜文等，2002;據(jù)宜文，2003;Juetal.,2004;Juetal.,2005a)。研究表明，構(gòu)造變形影響到煤的大分子結(jié)構(gòu)(Nishiok

5、a,1992;Caoetal.,2000;Ju,2003)，在某種程度上也能提高煤級(jí)(Teichmtlller,1987;FowlerandGayer,1999;Caoetal.,2000;Juetal.2005c)。通過構(gòu)造剪切作用，可促進(jìn)或加速石墨化的進(jìn)行(Wilksetal.,1993;Bustinetal.,1995)。構(gòu)造變形不同程度的改變著煤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而改變著煤的吸附性和孔滲性。己有研究成果顯2006第六屆國(guó)際煤層氣研討會(huì)示，以碳結(jié)構(gòu)為主的煤具有較強(qiáng)的吸附性，構(gòu)造變形增強(qiáng)，其吸

6、附性增強(qiáng)(Caoetal.,2000;Juetal.,2005a,據(jù)宜文等，2005)。已有不少研究者利用壓汞法對(duì)比測(cè)試了不同礦區(qū)、不同煤級(jí)的原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤的微米級(jí)孔隙特征(王佑安等，1980;張井等，1996;姚多喜等，1996)。這些實(shí)驗(yàn)證明，構(gòu)造煤主要增加了中孔和過渡孔的孔容，但不影響微孔的孔容。也就是說，煤層的構(gòu)造變形沒有影響到小于lonm的微觀尺度上。為了更深入地探討構(gòu)造作用對(duì)微孔的影響，王濤等(1994)用液氮吸附法測(cè)試了江西新華煤礦原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤的孔隙分布，認(rèn)為構(gòu)造作用己經(jīng)影響到1

7、0nm的微孔，但尚無影響到小于10nm的超微孔，而且其研究過于簡(jiǎn)單。因此，構(gòu)造煤納米尺度微結(jié)構(gòu)孔隙是一個(gè)值得研究的問題(Ganetal.,1972;Greggand5ing,1982;GtirdalandYalgin,2001)，同時(shí)，構(gòu)造煤的納米尺度孔隙也是煤層氣的重要吸附空間，其大分子結(jié)構(gòu)是控制煤吸附能力的一個(gè)重要因素。而且，構(gòu)造煤微孔隙的滲透性與煤層氣的賦存和開發(fā)有極為密切的關(guān)系。構(gòu)造煤在變形過程中，由于應(yīng)力作用的性質(zhì)、方式、強(qiáng)度以及變形環(huán)境的不同，煤的物理性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分都會(huì)呈現(xiàn)出有規(guī)律

8、性的演化，儲(chǔ)層物性也隨之發(fā)生重大改變(Juetal.,2005a;據(jù)宜文等，2005)。因此，深入進(jìn)行構(gòu)造作用、應(yīng)變環(huán)境、構(gòu)造煤物理化學(xué)結(jié)構(gòu)演化、儲(chǔ)層物性及其作用機(jī)理的綜合研究，將會(huì)對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)煤層氣資源的尋找和評(píng)價(jià)、礦井煤與瓦斯突出防治和瓦斯抽放以及環(huán)境問題提供理論基礎(chǔ)，也是煤層氣研究領(lǐng)域具有開創(chuàng)性的工作。2構(gòu)造煤的形成環(huán)境及及其概念的理解本文以兩淮礦區(qū)的構(gòu)造煤及煤儲(chǔ)層地質(zhì)為研究背景，探討了構(gòu)造煤儲(chǔ)層形成的三種變質(zhì)變形環(huán)境(Juetal.