滇东上二叠统煤层煤岩特征及其对瓦斯涌出量的控制_苗琦.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COALGEOLOOY regional coal mine; gas emission; Upper Permian; eastern Yunnan 煤岩特征是影响区域内煤层瓦斯赋存和煤矿瓦 斯涌出差异性的重要因素，国外学者已经从不同角度 进行了探讨。加拿大不列颠哥伦比亚大学Clarkson 等发现煤的岩石学组成决定了煤的孔隙率和孔径分 布，进而决定着烟煤吸附煤层气能力的高低Pl;Bustin 等发现随煤级增高，煤的微孔孔容和表面积先减后 增，在烟煤阶段出现最小值，对于同煤级煤系列，镜 质组含量与甲烧吸附量之间具有拟合程度不等的正 相关关系C2l;Clarkson等发现与高镜质组含量、低灰 分产率的亮煤或条带状亮煤相比，高惰质组、高灰分 产率暗煤的中孔比例较高，而微孔比例相对较低［3-4]; Laxminarayana等发现矿物质没有吸附性，“稀释”了 煤的吸附能力［5］。我国一些学者也从不同角度研究了 不同区域煤岩学和煤地球化学对瓦斯分布的影响。滇 收稿日期2013-03-18 东上二叠统区域内煤矿瓦斯涌出存在较大差异，但因 过去勘探程度低，缺乏对该问题的系统深入研究。本 文拟通过对区域性煤化作用特征、煤岩特征以及区域 内煤矿瓦斯涌出量的比对研究，分析煤岩特征与煤矿 瓦斯涌出的关联规律，以期为区域内煤层气资源开发 和煤矿瓦斯灾害防治提供理论借鉴。 1 滇东上二叠统煤层赋存地质背景 滇东上二叠统分布于扬子陆块滇东台裙带，西以 小江断裂为界，东以省界为边界，是一个南北向展布 的上二叠统含煤建造区域［6-7］。从南向北，按地质构 造类型及赋煤情况可分为南盘江断裂以南的开远一 文山含煤中等构造区；南盘江以北、富源一陆良断裂 以南的圭山一老厂一恩洪一羊场富煤复杂构造区；富 作者简介苗琦（1964一），男，云南宜良人，高级工程师，从事煤田地质勘探、瓦斯地质及煤矿安全评价工作． ChaoXing 6 煤田地质与勘探第41卷 源一陆良断裂以北、五星一雨禄断裂以南的沾益一宣 威富煤中等构造区；五星一雨禄断裂以北的镇雄一威 信赋煤复杂构造区。上二叠统含煤地层总体形态沿扬 子陆块东缘南北向展布，主体构造呈NE-SW向展布。 2 滇东上二叠统煤的岩石学特征 2.1 煤化作用区域性变化特征 滇东上二叠统煤级较为齐全，从气煤到无烟煤均 有发育。以恩洪一老厂一带为典型剖面分析，恩洪矿 区南部区上一中部煤层一般为焦煤，下部一底部煤层 变为瘦煤甚至贫煤；北部区的大坪矿区上一中部煤层 为肥煤，下部煤层变为焦煤；老厂矿区虽因地下热储 层影响使所有煤层均为低级无烟煤（3号无烟煤），但 随层位降低，挥发分产率明显降低，镜质组最大反射 率趋于增高，表明研究区域内随煤层层位的降低，煤 化作用程度有所增高，煤化作用程度基本上定型于目 前构造格局形成之前。从区域上看，低煤化烟煤主要 沿牛首山古隆起（后所、罗木）和越北古隆起周边分 布，远离古隆起向塌陷区方向煤级逐渐增高。煤级分 布总体特征为南、北以高变质煤为主，局部为中变 质煤；中部以中变质煤主，局部为低变质煤。煤级分 带界线与主体构造及古陆边缘方向基本一致，呈北东 南西向展布，但受煤岩成分、还原程度和煤的成因类 型的影响，局部区段有一定的差异。 2.2 煤的岩石学组成 滇东上二叠统宏观煤岩类型特征主要表现为开 远一文山区以暗煤为主，亮煤次之；圭山矿区以半亮 煤为主、半暗煤次之；老厂矿区东部一中部地段主要 为光亮煤，中部地段出现以半亮煤为主的煤层，西部 边缘则以半暗煤和半亮煤为主；恩洪矿区以半亮煤和 半暗型煤为主，暗煤次之；羊场矿区以半暗煤和半亮 煤为主；沾益一宣威区以半暗及暗煤为主；威信一镇 雄区以半暗及半亮型煤为主。 滇东上二叠统显微煤岩特征为镜质组质量分数 为50.3～97.8，一般为58.2～82.2；半镜质组为 0.8～18.6；惰质组为1.0～41.1，一般18；壳 质组含量很少；矿物以黠土矿为主（一般12左右）， 氧化物矿物次之（一般4.6），碳酸相加组及硫化物组 含量很少，但下含煤段煤层中硫化物含量较高（局部 大于3），各主要区段煤的显微煤岩组分见表l。 2.3 媒体结构区域性变化特征 煤体结构是煤层各组成部分的颗粒大小、形态特 征及其相互关系。将煤的自然粒级进行筛分，分别计 算各粒级煤所占的比重，是研究煤的破坏程度的方法 之一。按粉级煤（＜6mm）、粒级煤（6-13mm）和块级 表1滇东上二叠统各主要区段媒的显微媒岩组分 Table 1 Coal maceral of each main section of Upper Permian in eastern Yunnan 区段名（样点）镜质组惰质组壳质组矿物 威信－镇雄区（1258.59 13.46 27.95 1占益－宜威区（3151 21.87 1.13 26 羊场矿区（2272.83 14.8 8.13 4 恩洪矿区（2365 17 6 12 老厂矿区东部（1491 8 老厂矿区中部（981 9.4 9.6 老厂矿区西部（662.3 14.6 23.1 圭山矿区（13}82 14 1.8 2.3 开远－文山区（356.2 10 33.8 煤（＞13mm）分级，对滇东上二叠统区域内199件煤 层大样的筛分试验结果进行分类发现，恩洪、圭山和 老厂区段及威信一镇雄局部区段平均粉级煤产率大 于50；其余区段均以块级煤为主。通过勘探测井资 料识别，恩洪矿区原生结构和过渡结构煤占总煤厚比 例为12.24～100，平均70.36；老厂矿区原生结 构和过渡结构煤占总煤厚比例为20.21～90.98，平 均60.46；威信矿区原生结构和过渡结构煤占总煤 厚比例为0.24～100，平均41.64。恩洪矿区、老 厂矿区原生结构和过渡结构煤较构造煤发育，新庄矿 区构造煤类较原生结构和过渡结构煤发育。 本区一些特征矿区（或煤矿）煤的孔隙度差异较 大罗木矿区气煤孔隙率为0.6～10.1，平均6.0; 恩洪矿区顺源煤矿焦煤孔隙率为0.7～4.4，平均 2.8；老厂矿区四勘区无烟煤孔隙率为0.5←9.0, 平均4.4；牛场以古矿区无烟煤孔隙率为4.5俨9.1, 平均5.2。本区主要矿区煤的平均孔隙度见表2。 表2滇东主要矿区上二叠统媒的孔隙度 Table 2 Porosity of Upper Permian coal in eastern Yunnan 矿区名威信倘塘宝山来宾宣威羊场 孔隙度／5.8 6.1 4.8 4.8 8.5 6.4 样品数量／个6 3 3 2 II 13 矿区名庆云后所罗木富源恩洪老厂圭山 孔隙度／10.71 8.3 10.1 5.1 4.8 5.1 4.9 样品数量／个2 5 2 12 8 12 6 3 滇东上二叠统煤层瓦斯涌出类型划分 根据煤阶及煤体结构、孔隙度、瓦斯涌出量均 匀性，本次研究将滇东；t二叠统煤矿瓦斯涌出类型 划分为5种类型（表3）。滇东上二叠统瓦斯涌出类 型总体上以中煤阶均匀涌出型为主，该类型煤矿占 总数的42，主要分布在倘塘、宣威和富源等煤矿 区；其次为高煤阶非均匀突出型，占26，主要分 布在威信、镇雄和老厂煤矿区；中煤阶非均匀突出 ChaoXing 第4期苗琦滇东上二叠统煤层煤岩特征及其对瓦斯涌出量的控制 7 型占19，主要分布于羊场、田坝及恩洪煤矿区；高 煤阶均匀涌出型占6，主要分布于盐津、开远及文山 煤矿区；低煤阶均匀涌出型占6，主要分布在后所、 罗木煤矿区。不同瓦斯涌出类型区域分布见图1。 表3滇东上二叠统媒层媒岩学特征与瓦斯涌出类型关联规律袤 Table 3 Association rule of petrological characteristics and gas emission of Upper Permian coal in eastern Yunnan 煤岩学特征 煤矿瓦斯涌出类型 煤化作用煤层平均镜质组平均 程度孔隙率／质量分数／ 低阶均匀涌出型低6.02 46.73 中阶均匀涌出型中4.98 56.08 中阶非均匀突出型中3.81 70.63 高阶均匀涌出型高5.02 55.30 高阶非均匀突出型高6.89 67.31 A 0 60km 』国.. 国.. - 图l滇东上二叠统煤层瓦斯涌出类型分布区域图 Fig. I Gas emission types of Upper Permian coal in ea如mYunnan 4 煤岩特征对瓦斯涌出量的控制作用 从北向南，沿威信一镇雄一倘塘一来宾一宣威 一羊场一后所一罗木一富源一恩洪一老厂一阿岗一 师宗一圭山剖面，通过对56个井田（煤矿）的瓦斯含 量及263个主要矿井的瓦斯涌出量与区域煤岩学主 要特征参数的比对（图2），发现有一定的规律可循。 a.煤化作用是控制区域煤层孔隙率的主要因 素。随着煤演化程度加强，物理压实作用使大孔破 碎，水分排出，使得原生孔隙减少，孔隙度下降［8］。 平均瓦斯含量平均瓦斯涌出量 自然筛分试验粉级煤 /mJCt /mJCt 平均产率／ 28.49 5.842 0.63 50.62 10.02 3.98 59.66 12.19 2.62 38.49 7.24 1.08 47.57 16.48 2.32 据实测资料统计，区域内总体呈现出平均孔隙率在 低煤阶最高，焦煤阶段最低，向无烟煤方向有重新 增高的趋势。 b.显微煤岩组分是控制区域煤层媒体结构的 主要因素。滇东上二叠统煤层的媒体结构总体以原 生结构煤和过渡结构煤为主，自然筛分粒级成果表 明粉级煤（＜6mm）产出率与显微煤岩组分中镜质组 含量呈极为吻合的正相关性，表明在滇东上二叠统 成煤原始植物及煤化过程中镜质组产率对后期煤体 结构产生了重要影响，镜质组所占权重大小决定着 煤体结构类型现状；块级煤（＞13mm）产出率与显微煤 岩组分中惰质组、壳质组和矿物含量呈吻合正相关 性，与惰质组、壳质组和矿物质相对稳定的特性相关。 c.煤化作用是控制区域煤层瓦斯含量的主要 因素。研究显示，后所和罗木低变质区的煤层瓦斯 含量最低；富源、恩洪、羊场一梢塘中变质区的瓦 斯含量较低变质区有明显的增加；威信一镇雄、老厂 高变质区的煤层瓦斯含量最高。从区域性分析，煤层 瓦斯含量变化呈现后所和罗木中部低，向南、北增高， 具有明显的分带规律，并与煤级区域分布保持一致， 中变质区煤层瓦斯含量有一定幅度的波动。 d.煤体结构及煤的孔隙率是控制区域中变质 以上煤级瓦斯成藏的主要因素。比对成果表现出中 变质以上煤级的煤层瓦斯含量与自然筛分粒级中的 粉级煤及煤层孔隙率呈较好的正相关性。这表明煤 的变质程度提高，镜质组含量增加，挥发分降低， 使煤中有机质挥发，留下很多密集成群的浑圆状或 管状气孔，提高了储层的孔隙度，且比表面积增大， 提基和援基官能团大量脱落，煤的亲甲烧能力显著 增加［坷，有利于瓦斯的生成与储藏。 综上所述，滇东上二叠统煤层煤岩特征对瓦斯 涌出类型的控制规律为（表3a.低煤阶均匀涌出 型，煤层孔隙率较大，粉级煤产率低，利于瓦斯涌 ChaoXing 第41卷 滇东上二叠统赋煤区地质构造类型跨度较大， 区域内煤级较为齐全，煤岩学特征存在较大变化。 煤化作用控制了显微煤岩组分，进而控制了煤层的 煤体结构、煤层孔隙率等煤岩学特征及煤层瓦斯含 量。由于区域性煤岩学特征的差异，造成煤矿瓦斯 涌出呈现区域性差异。按照瓦斯涌出差异性分类， 滇东上二叠统煤矿瓦斯涌出类型可分为低煤阶均匀 涌出型、中煤阶均匀涌出型、中煤阶非均匀突出型、 高煤阶均匀涌出型和高煤阶非均匀突出型，且以中 煤阶均匀涌出型为主。 [1] BUSTIN RM, CLARKSON CR. 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