蔚州矿区煤层显微特征对瓦斯赋存的影响

李 敏，李思齐

（山西潞安环保能源开发股份有限公司 五阳煤矿，山西 长治 046205）

0 引 言

煤层瓦斯是威胁煤矿安全高效生产的主要因素之一，煤层瓦斯赋存规律的研究对治理瓦斯具有重要的意义。周世宁[1]指出煤层瓦斯赋存主要受2 方面因素的影响，一是煤自身的物理性质，二是煤所处的地质环境。樊正兴[2]采用现场实测和数学分析相结合的研究方法，研究了煤层瓦斯赋存规律，得出煤层瓦斯含量具有随煤层埋藏深度增加而增加的趋势。孔胜利等[3]以西山煤田屯兰煤矿为研究对象，发现煤层瓦斯赋存主要受断层的影响。韩振龙[4]深入研究了平山矿3 号煤层煤的瓦斯赋存规律，结果表明煤层瓦斯含量随着煤的变质程度的增加而有减少的趋势。聂凤祥等[5]以新汶矿区千米深井潘西煤矿为例，研究了煤层断层空间分布特征，运用分形理论对断层构造进行了定量化研究，发现分形维数大的区域，瓦斯含量亦相对较大。程波等[6]分析了煤层内软分层的形成机理及结构特征对煤层软、硬分层吸附瓦斯性能差异性与瓦斯赋存特征之间的关联进行了研究。赵利军等[7]、郭明涛等[8]和李永冲等[9]研究了水文地质条件对瓦斯赋存的影响。

综上所述，前人对煤层瓦斯赋存的研究主要集中在地质条件上，而从微观上研究较少。本文从微观角度对蔚州矿区煤层瓦斯赋存进行了研究。

1 概 况

蔚县煤田位于蔚广盆地，为全隐蔽华北型侏罗系煤田，含煤地层为侏罗系中－下统下花园组，厚49.80 ～344.02 m，为一套内陆山间盆地型湖泊－湖泊三角洲及河流－冲积扇相沉积体系，主要岩性为砂岩和泥岩，夹砾岩、砂砾岩、含碳泥岩和鲕状泥岩等，含丰富的植物化石及瓣鳃类动物化石，第四系广泛发育，地层总体走向北东、倾向南东，倾角5°～15°，西北部地层较陡，中及东南部地层平缓。蔚广盆地横剖面图如图1 所示。地勘时期对蔚州矿区内煤层瓦斯含量进行采样实验，瓦斯含量都很低,矿区内的矿井均为低瓦斯矿井。根据煤元素分析、工业分析和工艺性能测试结果，蔚州矿区大多数煤层处于长焰煤和不粘煤阶段。

图1 蔚广盆地横剖面Fig.1 Cross section of Yuguang Basin

2 煤储层的显微组分分析

显微组分是在显微镜下才能识别的煤中基本有机组成单元。实验所使用光学显微镜是德国Leica ORTHOPLAN 偏光显微镜，对显微组分的观察是在油浸物镜（200 ～500 倍） 下进行，主要鉴别标志有反射色、形态、大小、结构、突起等物理光学标志。

经显微镜下观察，对煤样进行显微组分相对含量定量，分别绘制主采煤层和煤类的显微组分平均相对含量分布图，如图2 所示。

图2 显微组分平均相对含量分布Fig.2 Average relative content distribution of macerals

从图2 中可以看出，1、5 与6 煤层主采煤层均以惰质组和镜质组为主，尤其是惰质组，除1 煤层外均超过50%；半镜质组与稳定组较少，均不超过5%。褐煤、长焰煤与不粘煤也均以惰质组与镜质组为主，长焰煤与不粘煤两者的惰质组含量均超过50%，半镜质组与稳定组不超过5%；同一煤类中惰质组含量超过镜质组。

研究表明，镜质组产气潜力要大于惰质组[10]，主要由镜质组和惰质组构成的煤，当两者的相对比例不同时，将会导致生气能力大相径庭。蔚州矿区的煤储层以惰质组为主，导致生气显微组分相对减少，从而煤储层瓦斯含量较少。

3 煤储层显微孔隙特征

煤层是一种双重孔隙介质，煤基质中的微小孔是瓦斯存储的主要空间，裂隙是煤层中流体渗流的主要通道，煤的孔隙成因及其发育特征是煤体结构、煤层生气、储气及渗透性能的直接反映。

3.1 煤中有机孔隙特征

此次实验侧重于对结构显微组分孔隙的观察统计，大多数为有胞腔结构的丝质体和半丝质，少量的菌类体。丝质体和半丝质体因植物胞壁发生膨胀，胞腔缩小，也有因被挤压呈拉长的星状、褶曲状及不规则状，因此各可采煤层的胞腔结构的大小不一，有机孔隙含量也不同。按椭圆形的短轴和长轴来衡量胞腔的大小，用（X，X） 表示，单位μm。

（1） 6 煤层：惰质组含量超过50%，50%的惰质组具有空的胞腔结构。细胞大小形状不同，有缩小了的 （2，2） 胞腔和正常的 （10，10） 胞腔，也有拉长了的（2，50） 胞腔及其它不规则状。

（2） 5 煤层：惰质组含量超过60%，40%的惰质组具有空的胞腔结构。细胞大小及形状各不同，有缩小了的（5，5） 胞腔和正常的（10，10）胞腔，也有拉长了的（10，50） 胞腔及其它不规则状，正常大小的胞腔最多。

（3） 1 煤层：惰质组含量相比较少，仅有40%，而且具有空的胞腔惰质组分也很少，仅有5%。胞腔大小形状不同，有缩小了的（2，2） 胞腔和正常的 （10，10） 胞腔，也有拉长了的（2，50） 胞腔及其它不规则状。

从蔚县煤矿各煤层来看，惰质组分中的半丝质体和丝质体多具有完整的植物组织孔，多数为空，也有一些菌类体空腔，总体来看煤储层孔隙较发育，为瓦斯的储集提供了良好空间。

3.2 煤中裂隙特征

外生裂隙是在煤储层及相邻围岩中由于构造应力作用而形成的一种裂隙系统，它们为煤层气向外逸散和围岩中流体进入煤储层之中提供了可能的通道。对蔚州矿区各煤层孔隙进行统计，并计算裂隙率，结果见表1。

4 结 论

（1） 蔚州矿区各主采煤层和煤类均以惰质组和镜质组为主，尤其是惰质组含量最多。

（2） 镜质组产气潜力要大于惰质组，蔚州矿区的煤储层以惰质组为主，导致生气显微组分相对减少，从而煤储层瓦斯含量较少。

（3） 蔚州矿区各主采煤层孔隙发育，为煤层瓦斯的储集提供了良好的空间，但是煤层裂隙发育，为瓦斯的逸散提供了通道，不利于瓦斯的保存。

表1 蔚州矿区主采煤层的裂隙率Table 1 Crack rate of the main coal seam

从表1 中可以看出，蔚州矿区内各矿井煤储层裂隙都比较发育，裂隙是煤层中流体渗流的主要通道，且常常与原生有机质的胞腔结构相通，因此煤层中的瓦斯可通过裂隙运移和逸散。蔚州矿区煤层虽然孔隙发育，提供了良好的瓦斯储集空间，但是裂隙较为发育，不利于瓦斯的保存。