張洲，王生維，賀飛，陳安東，張業(yè)暢(.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；3.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點實驗室，山西 晉城 048204)

新疆庫拜煤田煤層與圍巖裂隙對應(yīng)關(guān)系研究

張洲1,2，王生維1,3，賀飛1，陳安東1，張業(yè)暢1
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；3.國家能源煤與煤層氣共采技術(shù)重點實驗室，山西 晉城 048204)

以新疆庫拜煤田煤層氣開發(fā)區(qū)塊近似直立巖層為研究對象，利用地表大比例尺構(gòu)造裂隙填圖和井下煤層對比解剖技術(shù)，驗證了在同一構(gòu)造層的地表和井下煤層及圍巖中發(fā)育相似的裂隙特征，建立了圍巖與煤層裂隙發(fā)育特征之間的對應(yīng)關(guān)系，包括裂隙發(fā)育方向和程度，提出了一種預(yù)測煤層裂隙系統(tǒng)和煤體結(jié)構(gòu)的新方法，劃分出研究區(qū)煤層氣布井有利區(qū)和不利區(qū)。

新疆庫拜煤田；煤層與圍巖；裂隙系統(tǒng)；對應(yīng)關(guān)系；煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測

煤層中裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征是影響煤層氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵因素之一[1]，對煤層氣井的鉆井、壓裂、排采有重要影響[2-3]。目前，煤層氣勘探開發(fā)過程中較少考慮裂隙系統(tǒng)特征，有三方面原因：其一，研究難度大。煤層一般賦存在地下一定深度，無法直接觀察和測量，獲取煤層裂隙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)較難；其二，研究方法有限?，F(xiàn)有裂隙系統(tǒng)的研究主要是采集樣品或巖心，進行孔隙裂隙的實驗和觀測，或利用地球物理方法或數(shù)學(xué)模擬方法判別或預(yù)測煤體結(jié)構(gòu)[4-5]，但由于煤層高度的非均質(zhì)性，少量樣品的觀測結(jié)果和物探數(shù)據(jù)無法代表整個開發(fā)區(qū)塊煤層裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征；其三，研究程度低。現(xiàn)有研究成果還未從本質(zhì)上揭示煤層裂隙發(fā)育特征和分布規(guī)律，還不能較好的指導(dǎo)煤層氣勘探開發(fā)。

巖性、層厚和構(gòu)造應(yīng)力作用共同控制著裂隙的發(fā)育特征[6]。地表露頭巖層中節(jié)理發(fā)育密集的區(qū)域，在地下相同深度處節(jié)理的發(fā)育也較其他地區(qū)巖層密集[7-8]，即在同一構(gòu)造應(yīng)力作用下，不同巖性、不同層厚的巖層中產(chǎn)生的裂隙具密切的對應(yīng)關(guān)系，可通過研究地表露頭巖層裂隙的發(fā)育特征，預(yù)測地下煤層裂隙發(fā)育程度，為煤層氣勘探開發(fā)服務(wù)。

1　研究區(qū)地質(zhì)條件

新疆庫拜煤田地處天山褶皺帶南麓，為向南傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向近EW向，傾向178°~184°，傾角30°~89°，具東陡、西緩、中部直立倒轉(zhuǎn)的變化規(guī)律，斷層不發(fā)育。研究區(qū)即煤層氣重點開發(fā)區(qū)塊位于庫拜煤田中部，主要含煤地層為下侏羅統(tǒng)塔里奇克組，地層平均厚度230.02 m，含煤層2~15層，編號自下而上為A1~A15，煤層結(jié)構(gòu)簡單至中等；煤層平均總厚28.99 m，含煤系數(shù)12.60%；可采煤層平均總厚26.76 m，含煤系數(shù)11.63%。其中大部可采和零星可采煤層9層(A1~A9)；含煤地層巖性多為砂礫巖、粗砂巖、中、細、粉砂巖、泥巖和煤層組成。

圖1　研究區(qū)某勘探線剖面Fig.1 Coal seams profile of a exploration line in the study area

一般煤層氣開發(fā)區(qū)塊因受自然條件限制，不能觀測煤層和圍巖的裂隙發(fā)育情況，而該區(qū)發(fā)育近直立且保存完好的煤層和圍巖露頭(圖1)，為觀測和解析煤層與圍巖裂隙系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系提供了絕佳的研究條件。研究區(qū)地表出露全部為塔里奇克組，且斷層、褶皺不發(fā)育，便于分析對比同等構(gòu)造應(yīng)力條件下，煤層和圍巖中裂隙的發(fā)育情況。

2　圍巖節(jié)理發(fā)育特征

2.1圍巖節(jié)理的產(chǎn)狀

在研究區(qū)共測量了4 405條節(jié)理，圍巖中節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面常平直、延伸中等，常見層內(nèi)節(jié)理，以剪節(jié)理為主，張節(jié)理較少見。節(jié)理傾角小于30° 占33%，30°~60°占38%，大于60°占29%，傾角從平緩到較陡均有發(fā)育。節(jié)理傾向主要集中在60°~ 120°，240°~300°，即優(yōu)勢走向為NNW向、NNE和NS向。

2.2圍巖巖性與節(jié)理線密度的關(guān)系

統(tǒng)計研究區(qū)相同層厚，不同巖性巖層中節(jié)理線密度的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著巖石顆粒和孔隙體積減小，巖石變得致密，巖石強度增大，低孔隙度和較細顆粒巖石節(jié)理更發(fā)育。反映在相同組分的巖石中，隨著巖石顆粒變細，節(jié)理線密度越大；相反，巖石顆粒越粗，節(jié)理線密度越小(表1)。

表1　不同巖性節(jié)理平均線密度統(tǒng)計表Table 1 Joint line average density of different lithology statistics　單位:條/m

2.3圍巖層厚與節(jié)理線密度的關(guān)系

對全區(qū)觀測點節(jié)理線密度進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)同一觀測點相同巖性巖層的節(jié)理線密度與其層厚呈較好的負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，表明同種巖性的巖層，在相同的構(gòu)造應(yīng)力作用下，層厚越薄，節(jié)理越發(fā)育。層厚對巖層節(jié)理線密度的影響隨層厚的增大而逐漸減小，當(dāng)巖層為厚度小于10 cm的薄層時，節(jié)理線密度受層厚的影響最大；當(dāng)層厚為中厚層和厚層時，影響逐漸變小；當(dāng)巖層為厚度大于100 cm的塊狀層時，節(jié)理密度逐漸接近于一個穩(wěn)定值(圖2)。

3　煤層裂隙發(fā)育特征

3.1地表煤層露頭裂隙發(fā)育特征

地表煤層露頭中肉眼可見的裂隙有3類：外生裂隙、內(nèi)生裂隙和風(fēng)化裂隙。其中外生裂隙為構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，裂隙的方向性好，可切穿整個煤層，不受煤巖組分影響。內(nèi)生裂隙主要發(fā)育在鏡煤及亮煤條帶中，暗煤和絲炭中較少發(fā)育。風(fēng)化裂隙一般沿煤層已存在的外生裂隙擴展，產(chǎn)生不規(guī)則擴展裂隙，不同于方向性較規(guī)則的外生裂隙。因此，通過裂隙的幾何形態(tài)和發(fā)育位置可區(qū)分3種裂隙，便于精確統(tǒng)計外生裂隙的發(fā)育特征。

圖2　研究區(qū)中砂巖層厚與節(jié)理線密度關(guān)系圖Fig.2 The relationship between medium sandstone thickness and structural fracture line density in the study area

地表出露A5、A7煤層的產(chǎn)狀為175°∠85°，外生裂隙主要優(yōu)勢方向為NNW向、NNE向和NS向，與地表圍巖中裂隙的發(fā)育方向一致。

3.2井下煤層裂隙發(fā)育特征

井下觀測點到A5煤層傾角83°，向南傾斜。煤體結(jié)構(gòu)較完整，以碎裂煤、原生結(jié)構(gòu)煤為主。外生裂隙可見4組，其中產(chǎn)狀為271°∠86°，115°∠44°的兩組，延伸性好，發(fā)育規(guī)則，幾乎貫穿可見范圍；另可見90°∠65°的一組節(jié)理發(fā)育較少。

井下觀測到A7煤層厚度約2 m，頂?shù)装寰梢?。頂板為砂礫巖，底板為灰黑色泥巖。煤體結(jié)構(gòu)完整，為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤。外生節(jié)理發(fā)育3組：281°∠35°，273°∠54°，41°∠60°，發(fā)育規(guī)則。

井下觀測到煤層中裂隙的發(fā)育優(yōu)勢方向為NS向、NNE向，,少見NNW向，和地表觀測結(jié)果基本一致。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，地表圍巖、煤層露頭，井下煤層及頂?shù)装逯芯l(fā)育相同方向的節(jié)理裂隙，從而驗證了同一構(gòu)造層中煤層和圍巖受到相同的構(gòu)造應(yīng)力，產(chǎn)生相似節(jié)理裂隙的理論。

4　煤層與圍巖裂隙對應(yīng)關(guān)系

研究區(qū)存在多個天然或人工的橫剖面和縱剖面，可通過分析多個剖面來直觀建立煤層與圍巖裂隙發(fā)育程度的對應(yīng)關(guān)系。

4.1實測剖面

在研究區(qū)內(nèi)實測了多條剖面，剖面出露主采煤層A5、A7及其頂?shù)装?。統(tǒng)計不同巖性、不同層厚圍巖中節(jié)理的發(fā)育特征，煤層中不同外生裂隙發(fā)育程度對煤體結(jié)構(gòu)的影響，為研究煤層和圍巖裂隙的對應(yīng)關(guān)系提供了有利條件(圖3)。

4.2優(yōu)勢方向的對應(yīng)關(guān)系

據(jù)實測數(shù)據(jù)，煤層中節(jié)理裂隙的主要優(yōu)勢方向和圍巖中節(jié)理裂隙的優(yōu)勢方向基本一致(圖4)。

煤層和泥巖、粉砂巖及細砂巖中的優(yōu)勢節(jié)理裂隙產(chǎn)狀一致，傾向之間僅10°左右的差別；而中砂巖、粗砂巖和細礫巖中優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀一致，但和煤層中優(yōu)勢方向有近20°的差別，個別巖層甚至超過30°。產(chǎn)生角度差別的原因是研究區(qū)主要發(fā)育剪節(jié)理，遵循庫倫破裂準(zhǔn)則，剪裂面與最大擠壓主應(yīng)力的夾角θ滿足：

θ=45°-φ/ 2

式中：φ為巖石內(nèi)摩擦角。彈性模量較大的脆性巖石內(nèi)摩擦角也較大，彈性模量較小的塑性巖石內(nèi)摩擦角較小[9]，因此，由細礫巖、粗砂巖、中砂巖、細砂巖到粉砂巖、泥巖和煤層，巖石由硬而脆變?yōu)檐浂埽瑥椥阅Ａ繙p小，內(nèi)摩擦角減小，剪裂面與最大主應(yīng)力的夾角增大，兩節(jié)理面間夾角也增大。因此，利用研究區(qū)內(nèi)的泥巖、粉砂巖中發(fā)育的節(jié)理裂隙可準(zhǔn)確預(yù)測煤層中節(jié)理裂隙的發(fā)育優(yōu)勢方向。

4.3發(fā)育程度的對應(yīng)關(guān)系

圖3　研究區(qū)內(nèi)實測剖面圖Fig.3 The measured section in the study area

圖4　砂巖及煤層赤平投影及走向玫瑰花圖Fig.4 Stereographic projection and rose diagram of sandstone and coal seam in the study area

巖層(煤層)中裂隙線密度是預(yù)測煤層裂隙系統(tǒng)發(fā)育特征的一個關(guān)鍵參數(shù)，1個觀測點上發(fā)育不同方向的裂隙，因此，采用以半徑為1 m的圓內(nèi)發(fā)育裂隙的條數(shù)總和作為該測點的線密度，同種巖性、不同層厚的數(shù)據(jù)做線性擬合，發(fā)現(xiàn)裂隙的線密度與層厚呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，從而建立不同巖性巖層厚度與裂隙線密度的關(guān)系：

泥巖：y=172.92x-0.88……………(1)

粉砂巖：y=108.72x-0.77…………(2)

細砂巖：y=87.48x-0.83…………(3)

中砂巖：y=43.54x-0.61…………(4)

粗砂巖：y=33.57x-0.58…………(5)

細礫巖：y=26.32x-0.49…………(6)

煤層：y=610.75x-0.17……………(7)

在公式(1)~(7)中，x為各巖性巖層厚度，cm；y為各巖性巖層中裂隙的線密度，條/m。通過數(shù)學(xué)關(guān)系建立不同巖性和煤層裂隙線密度的對應(yīng)關(guān)系：

y煤=610.75x煤0.77x泥-0.88…………………(8)

粉砂巖與煤層：y煤=610.75x煤0.60x粉-0.77…(9)

細砂巖與煤層：y煤=610.75x煤0.56x細-0.83…(10)

中砂巖與煤層：y煤=610.75x煤0.44x中-0.61…(11)

粗砂巖與煤層：y煤=610.75x煤0.41x粗-0.58…(12)

礫巖層與煤層：y煤=610.75x煤0.32x礫-0.49…(13)

上式中y煤為煤層中裂隙的線密度，條/m；x煤為地表觀測點對應(yīng)地下煤層的厚度，cm；x粉(等)為地表觀測點測量不同巖性巖層的厚度，cm。公式(8)~(13)即為研究區(qū)不同巖性巖層與煤層裂隙的對應(yīng)關(guān)系。

5　應(yīng)用

5.1實例驗證

利用研究區(qū)大比例尺構(gòu)造裂隙填圖技術(shù)，在地表高精度布置觀測點，獲取不同巖性巖層厚度、裂隙線密度、產(chǎn)狀等參數(shù)；利用煤層厚度等值線圖估算每個觀測點對應(yīng)地下的煤層厚度，把以上參數(shù)代入公式(8)~(13)，可預(yù)測地下煤層中裂隙的發(fā)育程度和優(yōu)勢方向。

利用研究區(qū)近直立煤層的地表露頭和井下人工露頭，直觀定量確定最有利于煤層氣勘探開發(fā)的原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤中裂隙線密度發(fā)育范圍，劃分出布井有利區(qū)和布井不利區(qū)。在煤層氣開發(fā)區(qū)塊內(nèi)，預(yù)測了3個布井有利區(qū)塊(綠色區(qū)塊)，4個布井不利區(qū)塊(黃色區(qū)塊)(圖5)。布井有利區(qū)內(nèi)煤層優(yōu)勢方向為271°和110°，線密度為100~150條/m；布井不利區(qū)煤層優(yōu)勢方向為268°和112°，線密度大于300條/m。目前，整個開發(fā)區(qū)塊內(nèi)有1口煤層氣生產(chǎn)試驗井BCS-1井，布井位置在中部有利區(qū)塊內(nèi)。通過取心獲得主力煤層煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤，與預(yù)測結(jié)果一致。該井2014年11月開始排采，到2015年10月日產(chǎn)量保持在4 000 m3左右，為煤層氣高產(chǎn)井，初步驗證了該方法的可行性和有效性。

圖5　庫拜煤田煤層氣開發(fā)區(qū)塊布井有利區(qū)預(yù)測圖Fig.5 Coalbed methane development blocks well spacing favorable area in Kubai mining area

5.2應(yīng)用方向

通過煤層與圍巖中裂隙發(fā)育方向的對應(yīng)關(guān)系，可得到研究區(qū)煤層主要裂隙的發(fā)育方向，而該方向也是煤層的主滲透率方向，可應(yīng)用到井網(wǎng)類型選擇、井位方位和確定井間距等方面。利用對應(yīng)關(guān)系獲得煤層裂隙系統(tǒng)的發(fā)育特征，預(yù)測煤體結(jié)構(gòu)，劃分布井有利區(qū)和不利區(qū)(煤層破碎帶)，可為煤層氣井鉆井、水力壓裂和排采提供理論依據(jù)。

6　結(jié)論

(1)在新疆庫拜煤田發(fā)育近直立煤層礦區(qū)，通過地表大比例尺構(gòu)造裂隙填圖和井下煤層精細對比解剖技術(shù)，驗證了圍巖和煤層發(fā)育相似的裂隙系統(tǒng)，以線密度作為關(guān)鍵參數(shù)進行線性擬合，建立圍巖和煤層裂隙的對應(yīng)關(guān)系，提出了預(yù)測煤層裂隙發(fā)育特征和煤體結(jié)構(gòu)的一種新方法。

(2)利用新疆庫拜煤田煤層氣勘探開發(fā)區(qū)塊煤層與圍巖裂隙的對應(yīng)關(guān)系，預(yù)測了研究區(qū)煤層裂隙發(fā)育特征，包括發(fā)育方向和發(fā)育程度；劃分出布井有利區(qū)和布井不利區(qū)。通過煤層與圍巖裂隙對應(yīng)關(guān)系的應(yīng)用研究，可為煤層氣勘探開發(fā)服務(wù)。

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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

項目資助:國家科技重大專項（2016ZX05041002-002）資助

2015-11-16;

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

張洲（1979-），男，云南通海人，講師，博士研究生，從事煤層氣勘探與開發(fā)研究