新疆阜康白杨河矿区构造节理发育特征

张晓飞 王生维

(1.中联煤层气有限责任公司太原分公司，山西 030000；2.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 430074；3.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 048006)

阜康白杨河矿区处于博格多复背斜，北天山褶皱带以北，准噶尔坳陷区以南的黄山～二工河向斜的北翼，总体构造为地层南倾的单斜构造，走向为近EW向，地层倾角44°～54°，按构造复杂程度的级别划分为简单构造类型。研究区内构造节理裂隙较为发育，选取煤层露头出露较好或基岩大片出露的区域，进行地表节理观测，本次地表选取456个观测点，观测节理4500余条，煤矿井下选取12个工作面，观测节理560余条。

1 地表围岩节理发育特征

1.1 节理几何特征描述

本区构造节理广泛发育，多期剪节理常见，节理面平直，虽然走向上E、W、S、N各个方向均有显示，但呈现NNE-NE向、NNW-NW向和近EW向三个优势方向。其中，走向NNE-NE向节理最为发育，NNW-NW向次之，近EW向稍差。节理倾角以中高倾角(51°～90°)为主，占到80%；中低倾角(31°～50°)之间的节理占节理总数的19%；低倾角(<30°)的节理不超过节理总数的1%。根据节理是否切层及切层情况，可将节理分为层内节理，切层节理和切穿露头节理，研究区以层内节理为主，切层节理次之，很少发育切穿露头的节理。节理延伸长度从厘米～数十米均有分布，有的甚至超过百米。节理发育密度从0.5条/m到35条/m不等，节理之间可见交织、复合、错切现象。在同一构造条件下，节理延伸长度受岩性控制，随着岩石颗粒粒度的增加，节理延伸长度呈递增的趋势，同一构造条件下，在岩性相同的情况下，节理密度与岩层厚度成反比。在同一区域如果岩性相同，节理密度与岩层厚度呈负指数幂下降的关系。

1.2 节理期次

研究区存在3组平面剪节理，代表性的产状分别为：NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向。

根据节理相互切割关系配套分析，确定为两套共轭剪节理(图1)。其中，NE-NNE向与NW-NNW向的剪切节理为第一期节理系，形成时间较早。由近EW向和NE-NEE向组的剪节理组成第二期节理系，其多切割其他节理或被其他节理限制，发育时间最晚。

图1 节理的分期配套示意图

2 煤层中节理发育特征

本次研究主要对白杨河煤矿七号井+799水平、+844水平的巷道及多个开采面上的节理裂隙构造进行了详细的观测、统计与分析。重点观测了+799水平与+844水平的39+、41号、42号、43号煤层的节理裂隙。

2.1 节理的几何特征描述

如图2所示，煤层中广泛发育节理裂隙，肉眼到处可见数厘米～数十米级的节理裂隙。节理分布在煤层单个煤岩分层内或者整个煤层厚度内，甚至能够切穿煤层。有的节理平直光滑，延伸稳定；有的节理粗糙不平，曲直不断与尖灭。节理裂隙之间交叉复合，节理裂隙密集呈带状分布的特点，频度最高达70条/m，一般为25～40条/m；单个节理裂隙密集带中的煤层常被切割成薄片状，在两组或多组节理交汇处，煤层被节理切割破碎。节理裂隙的走向总体上则表现为NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向。根据各个煤层节理的统计结果，走向NE-NNE节理最为发育，NW-NNW次之，走向近EW稍差。

图2 井下煤层中节理观测图

图3 +799水平煤层节理观测图

2.2 实例解剖

图3所示观测点位于+799水平42号煤顶板附近，煤岩类型以光亮煤为主。巷道走向0°，在巷道6m长的观测范围内，可见三组节理，产状分别：330°∠60°(NNW向)，271°∠74°(近EW向)，以及8°∠65°(NNE向)。其中，330°∠65°(NNW向)这组节理最为发育，呈紧密集带的形式展布，发育的线密度为12条/15cm。节理延伸长度10～200cm不等，由于节理密集带状发育，导致煤体结构很破碎。另外，在煤岩分层面之间可见厚度在1～3cm的软煤。

在离顶板很近的巷道顶部可以看到两组切穿整个巷道的节理，产状分别为8°∠64°(NNE向)，271°∠74°(近EW向)。这两组节理延伸较长，有可能切穿整个煤层进入顶板。

3 煤层与地表围岩节理发育特征对比

3.1 特征对比

通过对比煤层与其上覆或下伏围岩层中节理发育的特征，发现煤层与其围岩层中节理的优势方向基本一致，均为NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向，反映了煤岩和围岩层中节构造理发育的相关性。节理发育密度及延伸长度有所不同，煤层中的构造节理发育更为密集，但延伸长度小，节理面较为曲折；而围岩层中节理延伸较长，节理面较为平直，大部分节理终止于煤层和围岩层界面处，少部分节理进入煤层继续延伸。

3.2 实例解剖

煤层与其上覆或下伏围岩露头处于同一个位置，所在的构造应力场环境相同。通过观察测量野外露头煤层与围岩中节理裂隙的发育特征，无疑是研究对比同一构造层煤储层与其围岩层节理发育关系的最直接的方法。

图4为火烧薄煤层及其顶板粗砂岩露头，岩石产状183°∠54°(南倾)，顶板中可见两组节理，节理产状和密度为：277°∠86°(7条/m)、353°∠74°(3条/m。)。煤层中节理产状和密度为275°∠83°(18条/m)，347°∠79°(6条/m)。对比发现：煤层与顶板粗砂岩中节理的产状基本一致，但是节理煤层中发育更为密集，延伸长度小。

图4 露头实测示意图

4 结论

(1)本区节理发育呈现3个优势方向，即NE-NNE向、NW-NNW向、近EW向，其中NE-NNE向最为发育， NW-NNW向次之， 近EW向稍差。根据节理相互切割关系配套分析，确定为两套共轭剪节理。其中，NE-NNE向与NW-NNW向的剪切节理为第一期节理系，形成时间较早。由近EW向和NE-NEE向组的剪节理组成第二期节理系，其多切割其他节理或被其他节理限制，发育时间晚。

(2)对比地表围岩与矿井工作面中的节理发育特征，发现属于同一构造层的煤层与围岩中节理裂隙的产状基本一致，具有明显的相关性，只是节理发育密度和延伸长度有差异。

(3)受观测条件的限制，很难对深层煤储层中的节理裂隙进行正确认识与精确评价，由于煤层和地表围岩中节理存在相关性，通过地表围岩层节理发育特征研究，为深层煤储层节理的研究提供了新的方向。