新疆库拜煤田煤层与围岩裂隙对应关系研究

张洲，王生维，贺飞，陈安东，张业畅(.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003；3.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室，山西 晋城 048204)

新疆库拜煤田煤层与围岩裂隙对应关系研究

张洲1,2，王生维1,3，贺飞1，陈安东1，张业畅1
(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003；3.国家能源煤与煤层气共采技术重点实验室，山西 晋城 048204)

以新疆库拜煤田煤层气开发区块近似直立岩层为研究对象，利用地表大比例尺构造裂隙填图和井下煤层对比解剖技术，验证了在同一构造层的地表和井下煤层及围岩中发育相似的裂隙特征，建立了围岩与煤层裂隙发育特征之间的对应关系，包括裂隙发育方向和程度，提出了一种预测煤层裂隙系统和煤体结构的新方法，划分出研究区煤层气布井有利区和不利区。

新疆库拜煤田；煤层与围岩；裂隙系统；对应关系；煤体结构预测

煤层中裂隙系统发育特征是影响煤层气勘探开发的关键因素之一[1]，对煤层气井的钻井、压裂、排采有重要影响[2-3]。目前，煤层气勘探开发过程中较少考虑裂隙系统特征，有三方面原因：其一，研究难度大。煤层一般赋存在地下一定深度，无法直接观察和测量，获取煤层裂隙系统的数据较难；其二，研究方法有限。现有裂隙系统的研究主要是采集样品或岩心，进行孔隙裂隙的实验和观测，或利用地球物理方法或数学模拟方法判别或预测煤体结构[4-5]，但由于煤层高度的非均质性，少量样品的观测结果和物探数据无法代表整个开发区块煤层裂隙系统发育特征；其三，研究程度低。现有研究成果还未从本质上揭示煤层裂隙发育特征和分布规律，还不能较好的指导煤层气勘探开发。

岩性、层厚和构造应力作用共同控制着裂隙的发育特征[6]。地表露头岩层中节理发育密集的区域，在地下相同深度处节理的发育也较其他地区岩层密集[7-8]，即在同一构造应力作用下，不同岩性、不同层厚的岩层中产生的裂隙具密切的对应关系，可通过研究地表露头岩层裂隙的发育特征，预测地下煤层裂隙发育程度，为煤层气勘探开发服务。

1　研究区地质条件

新疆库拜煤田地处天山褶皱带南麓，为向南倾斜的单斜构造，地层走向近EW向，倾向178°~184°，倾角30°~89°，具东陡、西缓、中部直立倒转的变化规律，断层不发育。研究区即煤层气重点开发区块位于库拜煤田中部，主要含煤地层为下侏罗统塔里奇克组，地层平均厚度230.02 m，含煤层2~15层，编号自下而上为A1~A15，煤层结构简单至中等；煤层平均总厚28.99 m，含煤系数12.60%；可采煤层平均总厚26.76 m，含煤系数11.63%。其中大部可采和零星可采煤层9层(A1~A9)；含煤地层岩性多为砂砾岩、粗砂岩、中、细、粉砂岩、泥岩和煤层组成。

图1　研究区某勘探线剖面Fig.1 Coal seams profile of a exploration line in the study area

一般煤层气开发区块因受自然条件限制，不能观测煤层和围岩的裂隙发育情况，而该区发育近直立且保存完好的煤层和围岩露头(图1)，为观测和解析煤层与围岩裂隙系统的对应关系提供了绝佳的研究条件。研究区地表出露全部为塔里奇克组，且断层、褶皱不发育，便于分析对比同等构造应力条件下，煤层和围岩中裂隙的发育情况。

2　围岩节理发育特征

2.1围岩节理的产状

在研究区共测量了4 405条节理，围岩中节理较发育，节理面常平直、延伸中等，常见层内节理，以剪节理为主，张节理较少见。节理倾角小于30° 占33%，30°~60°占38%，大于60°占29%，倾角从平缓到较陡均有发育。节理倾向主要集中在60°~ 120°，240°~300°，即优势走向为NNW向、NNE和NS向。

2.2围岩岩性与节理线密度的关系

统计研究区相同层厚，不同岩性岩层中节理线密度的数据，发现随着岩石颗粒和孔隙体积减小，岩石变得致密，岩石强度增大，低孔隙度和较细颗粒岩石节理更发育。反映在相同组分的岩石中，随着岩石颗粒变细，节理线密度越大；相反，岩石颗粒越粗，节理线密度越小(表1)。

表1　不同岩性节理平均线密度统计表Table 1 Joint line average density of different lithology statistics　单位:条/m

2.3围岩层厚与节理线密度的关系

对全区观测点节理线密度进行统计分析，发现同一观测点相同岩性岩层的节理线密度与其层厚呈较好的负幂函数关系，表明同种岩性的岩层，在相同的构造应力作用下，层厚越薄，节理越发育。层厚对岩层节理线密度的影响随层厚的增大而逐渐减小，当岩层为厚度小于10 cm的薄层时，节理线密度受层厚的影响最大；当层厚为中厚层和厚层时，影响逐渐变小；当岩层为厚度大于100 cm的块状层时，节理密度逐渐接近于一个稳定值(图2)。

3　煤层裂隙发育特征

3.1地表煤层露头裂隙发育特征

地表煤层露头中肉眼可见的裂隙有3类：外生裂隙、内生裂隙和风化裂隙。其中外生裂隙为构造应力产生，裂隙的方向性好，可切穿整个煤层，不受煤岩组分影响。内生裂隙主要发育在镜煤及亮煤条带中，暗煤和丝炭中较少发育。风化裂隙一般沿煤层已存在的外生裂隙扩展，产生不规则扩展裂隙，不同于方向性较规则的外生裂隙。因此，通过裂隙的几何形态和发育位置可区分3种裂隙，便于精确统计外生裂隙的发育特征。

图2　研究区中砂岩层厚与节理线密度关系图Fig.2 The relationship between medium sandstone thickness and structural fracture line density in the study area

地表出露A5、A7煤层的产状为175°∠85°，外生裂隙主要优势方向为NNW向、NNE向和NS向，与地表围岩中裂隙的发育方向一致。

3.2井下煤层裂隙发育特征

井下观测点到A5煤层倾角83°，向南倾斜。煤体结构较完整，以碎裂煤、原生结构煤为主。外生裂隙可见4组，其中产状为271°∠86°，115°∠44°的两组，延伸性好，发育规则，几乎贯穿可见范围；另可见90°∠65°的一组节理发育较少。

井下观测到A7煤层厚度约2 m，顶底板均可见。顶板为砂砾岩，底板为灰黑色泥岩。煤体结构完整，为原生结构-碎裂煤。外生节理发育3组：281°∠35°，273°∠54°，41°∠60°，发育规则。

井下观测到煤层中裂隙的发育优势方向为NS向、NNE向，,少见NNW向，和地表观测结果基本一致。通过数据统计发现，地表围岩、煤层露头，井下煤层及顶底板中均发育相同方向的节理裂隙，从而验证了同一构造层中煤层和围岩受到相同的构造应力，产生相似节理裂隙的理论。

4　煤层与围岩裂隙对应关系

研究区存在多个天然或人工的横剖面和纵剖面，可通过分析多个剖面来直观建立煤层与围岩裂隙发育程度的对应关系。

4.1实测剖面

在研究区内实测了多条剖面，剖面出露主采煤层A5、A7及其顶底板。统计不同岩性、不同层厚围岩中节理的发育特征，煤层中不同外生裂隙发育程度对煤体结构的影响，为研究煤层和围岩裂隙的对应关系提供了有利条件(图3)。

4.2优势方向的对应关系

据实测数据，煤层中节理裂隙的主要优势方向和围岩中节理裂隙的优势方向基本一致(图4)。

煤层和泥岩、粉砂岩及细砂岩中的优势节理裂隙产状一致，倾向之间仅10°左右的差别；而中砂岩、粗砂岩和细砾岩中优势节理产状一致，但和煤层中优势方向有近20°的差别，个别岩层甚至超过30°。产生角度差别的原因是研究区主要发育剪节理，遵循库伦破裂准则，剪裂面与最大挤压主应力的夹角θ满足：

θ=45°-φ/ 2

式中：φ为岩石内摩擦角。弹性模量较大的脆性岩石内摩擦角也较大，弹性模量较小的塑性岩石内摩擦角较小[9]，因此，由细砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩到粉砂岩、泥岩和煤层，岩石由硬而脆变为软而塑，弹性模量减小，内摩擦角减小，剪裂面与最大主应力的夹角增大，两节理面间夹角也增大。因此，利用研究区内的泥岩、粉砂岩中发育的节理裂隙可准确预测煤层中节理裂隙的发育优势方向。

4.3发育程度的对应关系

图3　研究区内实测剖面图Fig.3 The measured section in the study area

图4　砂岩及煤层赤平投影及走向玫瑰花图Fig.4 Stereographic projection and rose diagram of sandstone and coal seam in the study area

岩层(煤层)中裂隙线密度是预测煤层裂隙系统发育特征的一个关键参数，1个观测点上发育不同方向的裂隙，因此，采用以半径为1 m的圆内发育裂隙的条数总和作为该测点的线密度，同种岩性、不同层厚的数据做线性拟合，发现裂隙的线密度与层厚呈负幂函数关系，从而建立不同岩性岩层厚度与裂隙线密度的关系：

泥岩：y=172.92x-0.88……………(1)

粉砂岩：y=108.72x-0.77…………(2)

细砂岩：y=87.48x-0.83…………(3)

中砂岩：y=43.54x-0.61…………(4)

粗砂岩：y=33.57x-0.58…………(5)

细砾岩：y=26.32x-0.49…………(6)

煤层：y=610.75x-0.17……………(7)

在公式(1)~(7)中，x为各岩性岩层厚度，cm；y为各岩性岩层中裂隙的线密度，条/m。通过数学关系建立不同岩性和煤层裂隙线密度的对应关系：

y煤=610.75x煤0.77x泥-0.88…………………(8)

粉砂岩与煤层：y煤=610.75x煤0.60x粉-0.77…(9)

细砂岩与煤层：y煤=610.75x煤0.56x细-0.83…(10)

中砂岩与煤层：y煤=610.75x煤0.44x中-0.61…(11)

粗砂岩与煤层：y煤=610.75x煤0.41x粗-0.58…(12)

砾岩层与煤层：y煤=610.75x煤0.32x砾-0.49…(13)

上式中y煤为煤层中裂隙的线密度，条/m；x煤为地表观测点对应地下煤层的厚度，cm；x粉(等)为地表观测点测量不同岩性岩层的厚度，cm。公式(8)~(13)即为研究区不同岩性岩层与煤层裂隙的对应关系。

5　应用

5.1实例验证

利用研究区大比例尺构造裂隙填图技术，在地表高精度布置观测点，获取不同岩性岩层厚度、裂隙线密度、产状等参数；利用煤层厚度等值线图估算每个观测点对应地下的煤层厚度，把以上参数代入公式(8)~(13)，可预测地下煤层中裂隙的发育程度和优势方向。

利用研究区近直立煤层的地表露头和井下人工露头，直观定量确定最有利于煤层气勘探开发的原生结构煤、碎裂煤中裂隙线密度发育范围，划分出布井有利区和布井不利区。在煤层气开发区块内，预测了3个布井有利区块(绿色区块)，4个布井不利区块(黄色区块)(图5)。布井有利区内煤层优势方向为271°和110°，线密度为100~150条/m；布井不利区煤层优势方向为268°和112°，线密度大于300条/m。目前，整个开发区块内有1口煤层气生产试验井BCS-1井，布井位置在中部有利区块内。通过取心获得主力煤层煤体结构为原生结构-碎裂煤，与预测结果一致。该井2014年11月开始排采，到2015年10月日产量保持在4 000 m3左右，为煤层气高产井，初步验证了该方法的可行性和有效性。

图5　库拜煤田煤层气开发区块布井有利区预测图Fig.5 Coalbed methane development blocks well spacing favorable area in Kubai mining area

5.2应用方向

通过煤层与围岩中裂隙发育方向的对应关系，可得到研究区煤层主要裂隙的发育方向，而该方向也是煤层的主渗透率方向，可应用到井网类型选择、井位方位和确定井间距等方面。利用对应关系获得煤层裂隙系统的发育特征，预测煤体结构，划分布井有利区和不利区(煤层破碎带)，可为煤层气井钻井、水力压裂和排采提供理论依据。

6　结论

(1)在新疆库拜煤田发育近直立煤层矿区，通过地表大比例尺构造裂隙填图和井下煤层精细对比解剖技术，验证了围岩和煤层发育相似的裂隙系统，以线密度作为关键参数进行线性拟合，建立围岩和煤层裂隙的对应关系，提出了预测煤层裂隙发育特征和煤体结构的一种新方法。

(2)利用新疆库拜煤田煤层气勘探开发区块煤层与围岩裂隙的对应关系，预测了研究区煤层裂隙发育特征，包括发育方向和发育程度；划分出布井有利区和布井不利区。通过煤层与围岩裂隙对应关系的应用研究，可为煤层气勘探开发服务。

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Research on theCorresponding Relationship of Cracksin Coal Seam and Surrounding Rock in Kubai Mining Area,Xinjiang

Zhang Zhou1,2,Wang Shengwei1,3,He Fei1,Chen Andong1,Zhang Yechang1
(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei,430074,China;2.School of Resource and Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003,China;3.State Energy Key Laboratory of Joint Exploitation of Coal and Coal-bed Methane,Jincheng,Shanxi,048204,China)

Focused on the approximate vertical rock in Kubai mining area,Xinjiang,using of large scale structural joints geological mapping technology and coal reservoir comparative anatomy method in mine,discovered the correspongding relationship of exogenetic fracture in coal seam and surrounding rock.The results show that the fracture growth degree and predominant direction in coal seam and surrounding rock is accordant.By means of observation structural joints on the surface,discovered the relationship of fracture growth degree relative to lithology,rock stratum thickness and distance of geologic structure.According to the fracture growth degree,it can be divided into the densely fissure zone,the moderate fissure zone and the poor developed fissure zone.The method enriched the technology of coal structure prediction and can be used to predicted fracture growth degree of deep coal seam,meanwhile can serve to coalbed methane wells arrangement.

Kubai mining area;Coal seam and surrounding rock;Fracture system;Corresponding relationship;Prediction coal structure

1000-8845(2016)03-428-04

P618.11

A

项目资助:国家科技重大专项（2016ZX05041002-002）资助

2015-11-16;

2015-12-04;作者E-mail:zhangzhou@hpu.edu.cn

张洲（1979-），男，云南通海人，讲师，博士研究生，从事煤层气勘探与开发研究