掃描電鏡下寺河井田3號煤微孔裂隙特征研究

李吉平

(山西澤州天泰西陳莊煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

煤是一種孔裂隙雙重發(fā)育的多孔介質(zhì)[1]，煤中孔裂隙特征對煤層氣吸附、儲集、擴散及滲流產(chǎn)出等具有至關重要的控制作用，是煤層氣高產(chǎn)富集區(qū)評價及優(yōu)選、產(chǎn)能模擬、預測及評價的重要研究內(nèi)容之一[2-4]。煤中孔裂隙研究最早始于19世紀煤田地質(zhì)與勘探領域[5]，在近百年的研究進程中，國內(nèi)外學者做了大量工作，歷經(jīng)了宏觀到微觀、定性到定量研究、描述和表征過程，研究方法、技術體系得到了極大發(fā)展[6]，研究成果有力地指導了煤層氣開發(fā)和礦井瓦斯防治。煤孔裂隙的發(fā)育特征受煤變質(zhì)作用[7]、煤體結(jié)構類型[8]、煤巖顯微組分[9]、煤中礦物質(zhì)含量[10]及構造應力場[11]等諸多因素控制，使得不同煤礦區(qū)煤中孔裂隙發(fā)育具有一定差異。為此，本文采用掃描電鏡對寺河井田3號煤中微孔裂隙進行了觀測和分析，研究成果以期為研究區(qū)煤層氣開發(fā)和礦井瓦斯抽采及防治提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

寺河井田地處沁水盆地東南部晉城礦區(qū)，是晉煤集團一座高瓦斯突出礦井。地域跨澤州、陽城、沁水三縣，屬山西省晉城市管轄。地理坐標：東經(jīng)112°27 ' 07"～112°40 ' 54"，北緯35°30 ' 51"～35°36 ' 11"，面積173.2 km2。井田劃分為東井區(qū)(簡稱“東區(qū)”)和西井區(qū)(簡稱“西區(qū)”)，主采3號煤層。

井田內(nèi)煤系地層發(fā)育，煤層多、厚度大。僅主要煤系地層山西組(1、2、3、4號煤層)和太原組(5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16號煤層)共計含煤15層，凈煤總厚度14.97 m。煤層自上而下編號為：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16號煤層。其中，3、15號煤層為井田全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，9號煤層為較穩(wěn)定局部可采煤層。井田內(nèi)3號煤層厚度大(4.45～8.75 m，平均6.31 m)、含氣量高(11.28～28 m3/t，平均16.6 m3/t)，為礦井主力開采和煤層氣開發(fā)主要目標層位。為解決3號煤層開采過程中礦井瓦斯涌出量嚴重超限及煤與瓦斯突出難題，晉煤集團在井田范圍內(nèi)開展了地面煤層氣井抽采三級瓦斯治理，突破了煤層氣地面抽采的無煙煤“禁區(qū)”，率先創(chuàng)立了“采煤采氣一體化”的煤礦瓦斯治理新模式，實現(xiàn)了煤與瓦斯協(xié)同綠色開采。

2 掃描電鏡下煤的微孔裂隙特征

2.1 實驗儀器及工作原理

2.1.1 實驗儀器

采用德國卡爾.蔡司公司制造生產(chǎn)的EVO MA15高倍掃描電子顯微鏡(圖1)對寺河井田3號煤中裂隙進行觀測，儀器由“電子光學系統(tǒng)、信號收集和圖像顯示系統(tǒng)及真空系統(tǒng)”三大部分組成。掃描電子顯微鏡是現(xiàn)代研究物體表面微觀世界的科學利器，可以實現(xiàn)微觀世界的立體化觀測和結(jié)構特征分析等。放大倍數(shù)和分辨率高，可實現(xiàn)5～1 000 000倍觀測視域的放大和30 kV SE高真空模式下實現(xiàn)3 nm，加速電壓0.2～30 kV，具有5個自動樣品分析臺。工作壓力范圍一般為10～400 Pa，最大試樣高度和直徑分別不超過145 mm和250 mm。

2.1.2 工作原理

掃描電鏡是掃描電子顯微鏡(Scaning Electron Microscope-SEM)的簡稱，是通過“電子槍”發(fā)射聚焦過的電子束轟擊和掃描樣品的表面，進而使樣品激發(fā)出各種系列的物理信號(如背散射電子、二次電子、吸收電子及投射電子等信號)，這些物理信號通過信號收集系統(tǒng)的檢測、放大和處理，最終在圖像顯示系統(tǒng)中獲得樣品表面各種特征的掃描圖像。

2.2 樣品采集及樣品制作

2.2.1 樣品采集

本文掃描電鏡所用煤樣采集于寺河井田“東區(qū)”的4304工作面切巷3號煤壁，煤樣采集遵循“新鮮、未受損、塊狀”原則。從采樣情況來看，該煤層破壞不嚴重，采集到的煤樣的煤體結(jié)構類型為原生結(jié)構煤見圖2(a)和碎裂煤見圖2(b)。煤樣的宏觀煤巖類型主要為光亮型煤，半亮型煤次之，呈黑色，基本不染手，似金屬光澤，致密堅硬，為均一狀結(jié)構，塊狀構造，具貝殼狀及階梯狀斷口，節(jié)理裂隙相對發(fā)育。

圖2 樣品采集實物

2.2.2 樣品制作

對采集的煤樣進行切割，使切割樣品的高度和直徑分別不超過145 mm和250 mm。對樣品一面進行研磨和剖光處理，而后用導電膠粘貼于樣品剖光面并使其粘于樣品托上，再用吹掃器把樣品表面的附著物或雜物吹掃掉，進行干凈處理。最后對吹掃過的樣品在真空下干燥和導電處理。

2.3 實驗觀測

2.3.1 掃描電鏡下微孔隙特征

通過掃描電鏡下煤中孔隙觀測，發(fā)現(xiàn)寺河井田3號煤中主要發(fā)育有氣孔(圖3(a)～(f))和角礫孔(圖3(c))兩種微孔隙類型。氣孔屬于一種變質(zhì)孔，是煤變質(zhì)作用過程中由生氣和聚氣作用所形成的孔隙[12]。而角礫孔則屬于一種外生孔，形成于構造變動(或構造應力作用)致使角礫狀物質(zhì)堆疊所形成的孔隙[12]。常在殼質(zhì)組中看見定向排列的氣孔群(圖3(d)～(e))，其他煤中氣孔分布較為雜亂、無規(guī)律分布(圖3(f))?？紫缎螒B(tài)呈次圓形狀、橢球狀及不規(guī)則狀，孔隙直徑(孔徑)大小不一，一般為0.5～10 μm。常見粒狀和片狀碎屑物附著于樣品表面(圖3(a)～(f))和充填于部分孔隙中(圖3(b)、圖3(e)～(f))。煤中孔隙基本為“死孔”，其連通性差。

2.3.2 掃描電鏡下微裂隙特征

據(jù)掃描電鏡煤中微裂隙觀測可知，寺河井田3號煤中微裂隙以剪性裂隙(圖4(a)～(e)、圖4(g)～(h))發(fā)育為主，張性裂隙(圖4(f))不甚發(fā)育，前者多見于原生結(jié)構煤中，后者則多見于碎裂煤之中。剪性裂隙的裂隙面光滑平直，煤中可見一組(圖4(e)、圖4(g)～(h))、兩組(圖4(b)～(d))和多組裂隙(圖4(a))存在。兩組、多組裂隙間近似垂直相交，呈“T”型狀展布。張性裂隙的裂隙面彎曲，呈不規(guī)則狀產(chǎn)出(圖4(f))。裂隙面寬度大小不一，一般為1～20 μm。常見粒狀、片狀等碎屑物充填于裂隙之中和附著于煤表面(圖4(a)～(h))，同時，可見方解石以脈狀形式充填于裂隙之中，見圖4(g)，總體而言，煤中微裂隙被充填現(xiàn)象不甚嚴重。

圖3 寺河井田3號煤掃描電鏡下微孔隙特征

3 結(jié) 語

1) 受煤變質(zhì)作用和構造應力作用，寺河井田3號煤中微孔隙主要發(fā)育氣孔和角礫孔兩種孔隙類型?？紫痘緸椤八揽住?，常見粒狀、片狀碎屑物充填于其中，孔隙的連通性差。

圖4 寺河井田3號煤掃描電鏡下微裂隙特征

2) 煤中微裂隙可見剪性裂隙和張性裂隙，剪性裂隙主要發(fā)育于原生結(jié)構煤中，張性裂隙多見于碎裂煤中。裂隙面寬度不一，裂隙中常見粒狀、片狀等碎屑物和少量方解石脈充填于裂隙之中，對煤層的滲透性能具有一定影響。