段宏躍，段宏飛，謝衛(wèi)東

(1.山西煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪研究院，山西 晉中 030600；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤體結(jié)構(gòu)是指煤層自形成以來經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造破壞后煤的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造保留程度，根據(jù)煤體受地質(zhì)構(gòu)造破壞后的結(jié)構(gòu)特征，煤體結(jié)構(gòu)分為原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)4種類型[1-2]。煤體結(jié)構(gòu)是煤層勘探、開采和煤層氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵限制條件之一，因此識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)對(duì)于煤層開采及煤層氣優(yōu)化具有重要意義。地球物理技術(shù)是識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)的重要方法，包括井徑測(cè)井值、聲波時(shí)差值、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度、自然伽馬、三側(cè)向測(cè)井和密度測(cè)井等技術(shù)，并取得了重要的研究進(jìn)展[3-5]。煤田測(cè)井技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的三維反映，該方法適用于宏觀煤體結(jié)構(gòu)的分類等，如煤層發(fā)育層數(shù)和對(duì)應(yīng)埋深、各煤層煤厚及煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，也適用于煤巖體物理參數(shù)的獲取，如煤巖孔-滲參數(shù)、油氣儲(chǔ)集層壓力系數(shù)、地溫梯度特征等，目前煤田地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域已將其視為詳查和勘探階段最為重要的技術(shù)手段之一[6-7]。龍王寅等[8]基于兩淮煤田的不同類型測(cè)井曲線特征研究，得出一套煤體結(jié)構(gòu)解釋方法；徐光波等[9]通過鉆孔巖心及測(cè)井特征研究，定性識(shí)別出煤體結(jié)構(gòu)特征；姚軍朋等[10]以孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m為評(píng)價(jià)指標(biāo)，定量識(shí)別了構(gòu)造煤的煤體結(jié)構(gòu)特征；謝學(xué)恒等[11]將煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)N作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，定量識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征；尹歡等[12]通過三維地質(zhì)建模，基于測(cè)井結(jié)果綜合評(píng)價(jià)了構(gòu)造煤發(fā)育特征。

大同煤田塔山礦位于華北地臺(tái)，受加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期多期次構(gòu)造改造疊加，盆地由海相沉積逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e，構(gòu)造-沉積響應(yīng)特征較為復(fù)雜，總體而言，該含煤盆地的構(gòu)造類型多樣，煤體受損程度嚴(yán)重。而煤炭資源開發(fā)前，對(duì)煤體結(jié)構(gòu)、區(qū)域煤巖類型的精準(zhǔn)研究是煤礦工作部署必不可少的前期工作。但當(dāng)前對(duì)于塔山礦煤體結(jié)構(gòu)的綜合評(píng)價(jià)、構(gòu)造煤的發(fā)育特征和控制因素的研究尚屬空白，亟須綜合整合及利于基礎(chǔ)地質(zhì)資料進(jìn)行深入探究。故而，本文以大同煤田塔山礦3～5號(hào)煤層為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)內(nèi)50余口鉆孔數(shù)據(jù)，以鉆孔巖心井徑測(cè)井值、聲波時(shí)差值、補(bǔ)償密度、自然伽馬、三側(cè)向測(cè)井和密度測(cè)井結(jié)果為研究依據(jù)，繪制了測(cè)井曲線，以交叉學(xué)科理論為研究思路，基于前人總結(jié)出的評(píng)價(jià)方法，以及各測(cè)井方法所得結(jié)果與煤體結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別定性和定量評(píng)價(jià)了研究區(qū)3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)特征，旨在厘清研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律和構(gòu)造煤的發(fā)育特征以及平面展布特征。

1 構(gòu)造煤的地球物理特征

構(gòu)造煤一般是指煤巖體沉積成煤后經(jīng)構(gòu)造作用產(chǎn)生相應(yīng)的形變，并形成了一系列的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造(圖1)。構(gòu)造煤和原生結(jié)構(gòu)煤之間差異明顯，于宏觀結(jié)構(gòu)、物理特征、化學(xué)特征，包括微觀原子特征等均具有明顯差異性。因此，可借助構(gòu)造物理特征差異，應(yīng)用測(cè)井技術(shù)能夠識(shí)別構(gòu)造煤。本次研究基于構(gòu)造煤物理特性出發(fā)，參考構(gòu)造煤物理差異性特征和前期試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果等，全面分析構(gòu)造煤在不同測(cè)井技術(shù)應(yīng)用條件下的測(cè)井曲線特征以及對(duì)應(yīng)煤體結(jié)構(gòu)。

圖1 不同煤體結(jié)構(gòu)煤樣手標(biāo)本

(1)密度差異性特征：構(gòu)造煤為原生結(jié)構(gòu)煤改造形成，煤巖體中宏觀-微觀尺度的孔-裂隙對(duì)應(yīng)發(fā)育，孔隙度對(duì)應(yīng)增加，密度變小。即認(rèn)為同類煤巖中，構(gòu)造煤密度明顯小于原生結(jié)構(gòu)煤的。

(2)介質(zhì)傳播差異性特征：相對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造煤具有低膠結(jié)程度、低密度和高孔隙度特征，以致構(gòu)造煤中聲波的傳播速度明顯低于原生結(jié)構(gòu)煤，震動(dòng)波的傳播是通過煤巖體的震動(dòng)完成，完整的煤巖中震動(dòng)波折射次數(shù)相對(duì)較少，若煤體結(jié)構(gòu)較為破碎導(dǎo)致折射次數(shù)增加，若以聲波時(shí)差表征，則在構(gòu)造煤中，其值相對(duì)于原生結(jié)構(gòu)煤較大。

(3)自然伽馬測(cè)井特征：構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤之間的自然伽馬值較為接近，說明地質(zhì)運(yùn)動(dòng)改造對(duì)于自然伽馬值的影響微弱；局部區(qū)域煤層中或煤層地下水元素地球化學(xué)特征的差異性使煤巖體自然伽馬值存在較大跨度。

(4)中子測(cè)井特征：該方法基于煤巖體中氫原子差異性實(shí)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別，煤巖中低含水或不含水的條件下，氫原子含量接近，無明顯差異，中子測(cè)井技術(shù)難以有效識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)特征；若煤巖體含水率較高或水飽和條件下，上文提及構(gòu)造煤中孔-裂隙較為發(fā)育，含水量明顯高于原生結(jié)構(gòu)煤的，導(dǎo)致了氫原子含量也相應(yīng)增高，對(duì)應(yīng)中子測(cè)井值差異明顯。

(5)井徑的變化：相比于原生結(jié)構(gòu)煤，構(gòu)造煤存在擴(kuò)徑現(xiàn)象，煤體越破碎，測(cè)井曲線的擴(kuò)徑特征越明顯。

(6)電阻率差異性特征：上文已分析得出同類煤巖體中，構(gòu)造煤破碎程度大，孔隙度增大，含水能力變強(qiáng)，鉆孔擴(kuò)徑現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致了煤巖的電阻率明顯減小，煤巖體的改造程度越高，越破碎，對(duì)應(yīng)的視電阻率下降幅度越大。

2 研究依據(jù)與方法

眾多學(xué)者總結(jié)出了一套成熟的煤體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)方法，利用交叉學(xué)科知識(shí)解決地質(zhì)問題，其中以數(shù)學(xué)和地球物理學(xué)的結(jié)合成果最為顯著[13-16]。基于鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括井徑測(cè)井值、聲波時(shí)差值、補(bǔ)償密度測(cè)井值、自然伽馬測(cè)井、三側(cè)向測(cè)井和密度測(cè)井等，由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與測(cè)試分析得出了各個(gè)參數(shù)之間的地質(zhì)聯(lián)系，以及參數(shù)與煤體結(jié)構(gòu)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13-16]。

謝學(xué)恒等[11]研究得出，煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)N可應(yīng)用于煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別，計(jì)算式為

N=(CAL×DT)/(100×DEN2)，

(1)

式中：N為煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)，無量綱；CAL為井徑測(cè)試結(jié)果，cm；DT為測(cè)井聲波時(shí)差值，μs/m；DEN為補(bǔ)償密度測(cè)井值，g/cm3。

當(dāng)平均煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)N小于50且多數(shù)小于40時(shí)，可視為原生結(jié)構(gòu)煤；N大于60且多數(shù)大于80時(shí)，可視為碎粒-糜棱煤；碎裂煤與碎裂-碎粒煤為過度階段煤，二者差異不大，即N小于70的視為碎裂煤，而N大于70的視為碎裂煤碎裂-碎粒煤。

原生煤所占該煤層厚度的比例A反映煤體結(jié)構(gòu)破壞程度，

(2)

式中：A為原生結(jié)構(gòu)煤比例；d1為煤層中原生結(jié)構(gòu)煤厚度，m；d為該煤層總厚度，m。

一般認(rèn)為，當(dāng)A≤20%時(shí)，煤體受構(gòu)造影響很大，煤體結(jié)構(gòu)以碎粒-糜棱煤為主；20%60%時(shí)，煤體受構(gòu)造影響很小，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)的煤體結(jié)構(gòu)解釋

上文分析了構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤測(cè)井曲線的差異及對(duì)應(yīng)控制機(jī)理，基于此，應(yīng)用測(cè)井曲線反映的煤巖體密度特征、孔隙度特征、含水率特征和鉆孔擴(kuò)徑特征等對(duì)煤巖類型和煤體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行劃分。煤巖體的沉積特征控制著巖層中放射性元素類型和含量，一般而言，煤層具有自然伽馬特征，判別標(biāo)識(shí)明顯；煤層的密度值一般介于1.25～1.75 g/cm3，煤層圍巖的密度一般高于2.3 g/cm3，遠(yuǎn)高于煤層。此外，測(cè)井密度特征也可表征煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，識(shí)別出煤層中的夾矸；構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)域的鉆孔擴(kuò)徑現(xiàn)象明顯，井徑測(cè)井值遠(yuǎn)高于原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育區(qū)域的。

首先，根據(jù)測(cè)井曲線區(qū)別煤層與其他巖體，其次，聚焦于煤層內(nèi)，基于煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)計(jì)算結(jié)果，完成煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別和分類工作。結(jié)合大同煤田塔山礦20余口取巖心鉆孔、測(cè)井結(jié)果進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別，對(duì)比煤巖手標(biāo)本觀測(cè)結(jié)果，原生結(jié)構(gòu)煤層段的平均煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)均<50，相對(duì)而言，構(gòu)造煤層段的平均煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)>50，由此可判別原生結(jié)構(gòu)煤和構(gòu)造煤，具體數(shù)據(jù)參考表1。

由表1可知，碎裂煤層段的煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)為55.7～70.8，平均69.2；碎裂-碎粒煤的煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)為57.9～78.1，平均70.4；二者在煤體結(jié)構(gòu)曲線上處于原生結(jié)構(gòu)煤與糜棱煤之間；碎粒-糜棱煤的煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)為54.5～80.6，平均76.7。

表1 大同煤田3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)及其他巖類測(cè)井特征

具體應(yīng)用時(shí)，原生煤與構(gòu)造煤易于區(qū)別，當(dāng)煤層段平均煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)<50，同時(shí)，大多計(jì)算點(diǎn)位煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)<40，將此區(qū)段劃分為原生結(jié)構(gòu)煤；當(dāng)煤層段平均煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)>60，同時(shí)，且有存在一定量的計(jì)算點(diǎn)位煤體結(jié)構(gòu)體數(shù)>80，將此區(qū)段劃分為碎粒-糜棱煤；碎裂煤與碎裂-碎粒煤為過渡階段煤，二者差異不大，可認(rèn)為平均煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)<70的為碎裂煤，而平均煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)>70的為碎裂煤碎裂-碎粒煤。

由于受地質(zhì)作用影響，煤層的破壞程度增大，煤體孔隙度增大，密度減小，聲波的傳播速度減慢，從大同煤礦兩口井的測(cè)井曲線看，研究區(qū)3～5號(hào)煤層在測(cè)井曲線上具有高電阻率、高聲波時(shí)差、高井徑，低自然伽馬值、低密度的特征，一般將其簡(jiǎn)稱為“三高兩低”，圍巖曲線的區(qū)別較大，易于識(shí)別(圖2)。表明煤體結(jié)構(gòu)與電阻率、聲波時(shí)差、井徑，自然伽馬值、密度等測(cè)井參數(shù)存在著一定的相關(guān)性。

圖2 塔山礦ZK3鉆孔3～5號(hào)煤層測(cè)井曲線特征

大同煤田塔山礦ZK3號(hào)鉆孔3～5號(hào)煤層測(cè)井曲線如圖2所示，共分為6層，夾矸5層，煤層中部受巖漿巖侵入影響部分變質(zhì)為天然焦，可見煌斑巖。煤層相對(duì)復(fù)雜，煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)為29.2～84.9，平均68.7，整體處于碎裂煤與碎裂-碎粒煤過渡階段，頂?shù)變擅簩訛樵?，未見糜棱煤?/p>

3.2 不同結(jié)構(gòu)煤體平面展布特征

不同煤體結(jié)構(gòu)類型對(duì)于礦井開采過程中施工布置，機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用等有一定的指示作用，確定井田的煤體結(jié)構(gòu)區(qū)域性分布特征對(duì)礦井工作效率意義重大。本次研究共收集大同煤田塔山礦50余口鉆孔巖心和測(cè)井資料，基于煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)法分別計(jì)算了3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)分層特征和厘清了煤層厚度分布特征。在區(qū)域煤體結(jié)構(gòu)可視化分析過程中，通過原生煤在3～5號(hào)煤層中的厚度比例系數(shù)A表征煤體結(jié)構(gòu)的完整性，當(dāng)A≤20%時(shí)，認(rèn)為受構(gòu)造影響很大，認(rèn)定該區(qū)域的煤層主要為碎粒-糜棱煤；當(dāng)20%﹤A≤40%時(shí)，認(rèn)定該區(qū)域中煤層主要為碎裂-碎粒煤；當(dāng)40%﹤A≤60%時(shí)，認(rèn)為煤體結(jié)構(gòu)整體以碎裂煤為主；當(dāng)A>60%時(shí)，認(rèn)為受構(gòu)造影響很小，認(rèn)定煤體結(jié)構(gòu)整體以原生煤為主。

在大同塔山礦區(qū)共收集31口鉆井、測(cè)井資料，通過上述方法劃分了3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)分層及厚度，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造的主要發(fā)育位置及井下煤體結(jié)構(gòu)觀察，繪制了塔山礦3～5號(hào)主采煤層煤體結(jié)構(gòu)平面分布圖(圖3)。由圖3可知，大同塔山礦區(qū)3～5號(hào)主采煤層煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大，整體呈現(xiàn)“中間構(gòu)造煤發(fā)育，四周原生煤發(fā)育，構(gòu)造煤以碎裂煤為主，見碎粒-糜棱煤發(fā)育”特征。

圖3 塔山礦3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)平面展布特征

通過對(duì)比研究區(qū)煤體構(gòu)造發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)特征明顯受構(gòu)造發(fā)育規(guī)律控制(圖4)。圖3中存在幾處碎粒-糜棱煤和碎裂-碎粒煤發(fā)育區(qū)，而相對(duì)構(gòu)造綱要圖中，正是構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，具體而言，構(gòu)造煤發(fā)育的區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造及褶皺極為發(fā)育，斷裂密度高，延伸長(zhǎng)度大，褶皺所造成的地層平面變形復(fù)雜，且不同斷裂和褶皺間的構(gòu)造交點(diǎn)多，地層破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致了原生煤體破碎，進(jìn)而形成了破碎的構(gòu)造煤，總體而言，構(gòu)造越復(fù)雜，煤體結(jié)構(gòu)越破碎。而原生煤，即原生結(jié)構(gòu)煤主要發(fā)育于研究區(qū)邊緣區(qū)，對(duì)比構(gòu)造綱要圖，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定，大型斷裂即褶皺發(fā)育較少，甚至不發(fā)育斷裂，因此構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層及煤層保存條件較好，大部分為原生結(jié)構(gòu)煤。

圖4 塔山礦構(gòu)造綱要簡(jiǎn)圖

研究區(qū)太原組3～5號(hào)煤層，為三大成煤期之一的石炭-二疊系煤層，研究區(qū)地處華北克拉通內(nèi)，陰山—燕山緯向構(gòu)造帶南部。自石炭-二疊系3～5號(hào)煤層形成以來，研究區(qū)先后經(jīng)歷了海西期、印之期、燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，多其構(gòu)造作用疊加，形成了目前研究區(qū)的構(gòu)造格局，對(duì)應(yīng)形成了當(dāng)今的3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)分布特征。塔山礦勘探和采掘過程中工程布置參考3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)特征展布規(guī)律，可大大降低施工過程中卡鉆、漏水等發(fā)生概率，有效提高開采效率和安全性。

4 結(jié) 論

(1)建立了大同煤田塔山礦3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)及其他巖性的敏感測(cè)井曲線響應(yīng)范圍表，并對(duì)應(yīng)計(jì)算了煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)N和原生煤比例A。并通過計(jì)算煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)N，劃分了原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎裂-碎粒結(jié)構(gòu)和碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)4類煤體結(jié)構(gòu)類型。

(2)通過塔山礦特征鉆孔的測(cè)井曲線分析，發(fā)現(xiàn)3～5號(hào)煤層在測(cè)井曲線具有高電阻率、高聲波時(shí)差、高井徑，低自然伽馬值、低密度的特征，圍巖測(cè)井曲線的特征區(qū)別明顯。原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育于井田周圍，受構(gòu)造影響較小，而中部煤體破碎嚴(yán)重，尤其是雁8，W903和T401孔周圍最為嚴(yán)重，為碎粒-糜棱巖。

(3)研究區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育及展布特征明顯受構(gòu)造作用控制，煤體結(jié)構(gòu)破碎區(qū)對(duì)應(yīng)了構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，而周邊及局部構(gòu)造簡(jiǎn)單區(qū)，3～5號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)則以原生煤為主。這表明構(gòu)造規(guī)模、延伸特征、構(gòu)造交點(diǎn)分布等嚴(yán)重影響了煤體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。