中梁山南矿不同尺度煤体变形特征_宋晓夏.pdf

第41卷第5期 2013年10月 煤田地质与勘探 COALGEOLOGY 2.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024 摘要多尺度观察和综合分析是媒体变形研究的基本要求．从煤层、手标本和显微尺度上分析了 中梁山南矿煤体变形特征．结果表明，区域相皱作用是拉制井田内煤层厚度变化的主要因素，逆 断层作用造成局部煤层厚度增大；在宏观，和显微尺度上构造煤具有相似的变形特征，表现为随着 构造变形程度增强，煤中裂隙的密度加大，粒度变小，媒体强度降低；碎梨煤裂隙表面独特的条 纹结构可能是煤体静态剪切破裂的结果，而鳞片煤中大量的摩擦面则是煤体动态剪切变形的产物． 关键词媒体结构；多尺度；变形；条纹裂隙 中固分类号P618.11文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-l 986.2013.05.005 Deation characteristics of different scale of coal in Zhongliangshan southern mine SONG Xiaoxia1“ 2, TANG Yuegang1, LI Wei2, JIA.Long1，。UOMingt旷 1. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining 2. College of Mining Engineering, Taz川anUniversity of Technology, Tai川an030024, China Abstract Observation of different scale and comprehensive analysis are basic s for coal deation re- search. Examination of coal seams, hand specimens and micro-scale samples reveals the characteristics of coal de- ation in Zhongliangshan southern mine. The results show that the regional fold is the controlling geological factor that affects the thickness variation of coal seam in the mine, and reverse fault has made the也icknessof local coal seam increase. The tectonic coal has similar features in macro- and micro-scale. Wi也theincreased dea- tion the density of企acturesincreases, the size becomes small and the coal strength decreases. The special striated texture of the台acturesof cataclastic coal may be resulted台omstatic shear fracturing, while the great amount of 台ictionface of the scaled coal is the product of the dynamic shear deation of coal. Key words coal texture; multi-scale; deation; striated企acture 我国大多数含煤盆地经历了多期次构造作用的 叠加改造［汀，使媒体结构遭受不同程度的变形，形 成了不同类型的构造煤。煤层及围岩的强烈变形会 导致煤矿开采难度加大而且在廉棱煤发育区容易发 生煤与瓦斯突出［2剖，所以煤矿开采需要尽量避开构 造复杂区。开展煤体变形特征研究，既可丰富对构造 煤形成机制的认识，也可为煤及煤层气勘查开发和煤 矿瓦斯突出防治提供科学依据问。国内外学者对煤层 的变形进行过大量的研究［5-6］，并通过煤岩高温高压 实验研究煤岩流变机制［7-8］，取得了许多创新性成果。 地质构造现象是不同空间尺度和时间尺度构造 综合的有机整体［9］，就空间尺度来说，地质构造可 分为大地构造、大构造、小构造、微构造、超微构 造等，跨越了近十个尺度量级，在不同的尺度上既 有相似性又有不一致的表现［JO］。每一尺度的构造研 收稿日期2013-03-06 究都强调某些不同的方面，而且有其不同的研究任 务和观察方式。各种尺度的构造研究是紧密联系的。 因此，多尺度的观察和综合分析也是煤体变形研究 的基本要求（图1）。一般来说，首先要对煤层厚度、 结构、构造及其变化特征进行观察，分析区域构造 演化史及井田构造分布规律，研究不同构造环境下 构造煤发育的控制机理；然后，从手标本尺度分析 煤的宏观煤岩成分、破碎程度、裂隙及揉皱发育程 度和手试强度等，划分构造煤类型；进而，借助光 学显微镜、扫描电镜和透射电镜观察煤的显微构造 和超微构造，揭示煤的流变学机制。中梁山矿区地 处川东弧形榴皱带，矿井地质条件复杂，在五十多 年的开采过程中揭露了形式多样的构造现象，是详 细研究媒体变形特征的起想地区。胡广青等对中梁 山矿区构造煤特征进行了初步分析［II］。笔者在矿井 作者简介宋晓夏（1967一），男，山西原平人，博士研究生，从事矿井地质与煤层气地质研究． ChaoXing 第5期宋晓夏等中梁山南矿不同尺度媒体变形特征 25 地质编录的基础上，从煤层、手标本和显微尺度上 进一步探讨煤体变形特征。 层煤系地层 观测尺度／mm BSU显微组分或矿物煤心 醒因 IO_. 10-s 10_. 10-1 10-2 10-1 I IO I 02 I 03 IO 透射电镜 －－－一扫描电镜 －一－一－光学显微镜 JI接观测 图1煤体变形的观测尺度（根据文献［12］修改） Fig. 1 Observation scales of coal deation 1 井田地质特征 中梁山南矿位于重庆市华辈山煤田西部观音峡背 500 400 200 100 斜中段。区域构造研究表明，观音峡背斜为川东弧形 榴皱带的一个分支，在晚中生代华南板块内部NW-SE 向挤压作用下，从雪峰山向四川盆地发生隔档式榴皱 带（13叫。磷灰石裂变径迹（AFT）分析结果显示，观音峡 背斜变形起始时间为90Ma，即晚白歪世早期（15］。 本井田含煤地层为二叠系上统龙潭组，属海陆 交互相沉积（16］。龙潭组平均厚度111.75m，含可采 煤层9层（自上而下编号为K1-K5,K「K10），煤类 均为焦煤。中梁山南矿是我国煤与瓦斯突出较严重 的矿井，除K2煤层外，其它煤层都具有突出危险性， 建矿以来共发生煤与瓦斯突出44次。井田主体构造 为一直立倾伏背斜，宽度近1km，两翼基本对称， 地层倾角65。～70。，轴向NIO。E。枢纽向南倾伏，倾 伏角为8。。背斜轴部和东翼发育NNE向高角度逆断 层（图2）。 茅口组 P,m 0 50 IOOm 50 图2中梁山南矿北二石门剖面图 Fig. 2 Section of the second northern crosscut in Zhongliangshan southern mine 2 不同尺度媒体变形特征 2.1 煤层厚度变化规律 利用中梁山南矿40个钻孔的成果资料对可采 煤层厚度及稳定性进行了统计分析，结果见表1。 本井田煤层厚度变化大且常见分岔、合并现象，以 较稳定或不稳定薄煤层为主。本文以K1煤层为例分 析煤层厚度变化规律。 根据钻探成果资料用Suefer软件制作K1煤层厚 ChaoXing 26 煤田地质与勘探第41卷 表1煤层厚度及稳定性 Table 1 Thickness and stability of coal seams 煤层平均厚度Im 厚度变异系数可采性指数 稳定性 i Km K1 2.51 35 0.92 较稳定 K2 0.71 23 0.98 稳定 K3 1.03 32 0.93 较稳定 K. 1.31 30 0.95 较稳定 Ks 0.82 68 。.63不稳定 K1 0.70 52 0.69 不稳定 Ks I.I I 43 。.84较稳定 K9 1.14 22 1.0 稳定 Kio 2.21 34 0.96 较稳定 度立面图（图3）。可以看出，K1煤层空间展布很不 均匀，增厚减薄区呈岛状圈闭。总体来讲，井田北 部煤层厚度较小，中部和南部厚度较大。沿背斜顶 部煤层较厚，两翼变薄。背斜东翼因逆断层作用导 致局部煤层厚度增大。 2.2 煤体宏观变形特征 中梁山南矿煤层变形十分强烈，构造煤普遍发 育。煤岩层变形过程中，由于不同煤层的厚度、结 构和顶底板岩性存在差异，能够形成不同类型的构 造煤；同一煤层的不同位置因受力程度不同，也能形 10 Z J 国叫坠附叫接 成不同类型的构造煤。笔者观察发现，煤层与围岩的 接触带通常变形较强，煤层中部变形较弱（图4a）。按照 瑭宜文等提出的分类方案［18］，本井田有碎裂煤、碎粒 煤和鳞片煤3种类型构造煤。下面从宏观煤岩类型可 分辨程度、煤体破碎程度、裂隙及揉皱发育程度和手 试强度等方面分析各种构造煤的宏观变形特征。 碎裂煤具有条带状结构，块状构造。宏观煤岩 类型清晰可辨，局部轻微错动。煤中发育垂直层面 的裂隙，手试强度较大，可掰成小碎块（图4b）。十 分重要的是，笔者观察到在碎裂煤的裂隙表面发育 一种独特的条纹结构（图4c、图4d），成为主裂隙面 的次级结构。Bustin等国外学者对此曾做过专门研 究［19］，但在国内还未见报道。条纹的粗细较均匀， 纹脊和纹槽宽度基本相等，一般在0.5-2mm。条纹 方向近平行或分叉，长度可达数厘米。分叉状条纹 有5。～10。的顶角，呈放射状、马尾状或羽毛状散开。 条纹裂隙面光泽较暗淡，与煤中剪切裂隙面明亮的 光泽有明显差别。裂隙表面条纹的确切成因仍有待 实验证明。但是，沿着裂隙面无明显的位移以及条 纹有时呈分叉状，说明这种裂隙可能是煤静态剪切 破裂的结果［20］。 10 5 4 500 图3K1煤层厚度立面图（单位m Fig. 3 Thickness stereogram of coal seam K1 碎粒煤的原生结构遭到破坏，宏观煤岩类型整 体不可分辨。煤中裂隙密集，方向不一，裂隙面光 滑。煤体破碎，粒径一般小于5mm，手试强度低。 大小不一的煤颗粒依靠相互之间的机械啃合力及一 些凝胶化物质彼此粘结在一起（图4e）。 鳞片煤的原生结构遭受严重破坏，煤岩成分无 法分辨，呈鳞片状结构，为强烈劈理化煤。断面常 见微型榴曲，细层面滑动痕迹明显，表面常见擦痕 及矿物薄膜。煤的强度很低，极易剥离，用手轻捏 即成粉末（图4f。 2.3 煤体显微变形特征 光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）是研究煤 体结构十分有效的手段。利用光学显微镜可以识别 和划分煤的岩石学组成，以及煤中裂隙的平面形态 和分布特征，进而根据煤的显微图像测量和统计裂 隙参数。另外，通过测定煤的镜质组反射率能够判 别煤的变质程度。使用扫描电子显微镜能够在更高 的分辨率下，观察煤中的微裂隙、孔隙等显微构造 和构造面特征［21］。笔者结合这两种方法，按不同煤 体结构分析煤的显微变形特征。 a.碎裂结构 显微煤岩组分分层连续，受后期改造作用，局 部有微错动。常见贝壳状断口。裂隙规则、平直， 裂隙面平整，连通性较好，主要表现为张性及剪性 裂隙（图5a、图5b）。受后期构造作用，裂隙宽度扩 大，被方解石脉充填（图5c、图5d）。脉体形成方式 ChaoXing 第5期宋晓夏等中梁山南矿不同尺度煤体变形特征 27 为对生式，纤维方向垂直裂隙面，说明裂隙扩张形 成方解石脉的过程中，两侧的煤体未发生旋转［22] 大小悬殊，形状不规则，呈板条状、片状、棱角状等， 经后期构造破坏形成摩擦面，部分煤颗粒挤入裂隙中 （图5e、图5f）。内生裂隙不明显，低角度及顺层裂隙 发育，一般表现为剪性裂隙及轻微挤压裂隙（图5g）。 b.碎粒结构 显微煤岩组分较破碎，局部组分相互揉搓。颗粒 a K，煤层的不同变形b）碎裂煤c）裂隙表面放射状条纹 。，23 4 5 d）裂隙表丽近平行条纹e）碎粒煤（η鳞片煤 图4煤体宏观变形特征 Fig. 4 Macro-deation characteristics of coal a）碎裂结构，汕浸反射光b）剪切裂隙，SEM（。裂隙被方解石脉充填，SEM d）裂隙被方解石脉充填，泊R反射光e）碎粒结构，SEM（η摩擦而上的麽梭质，SEM g）裂隙网络，汹浸反射光h）裂隙网络，SEMi）廉棱质及摩擦丽，SEM 飞，忘，吃‘二喃 毒，六飞；.＿，.；＿＇- . 飞 二I.卢 飞‘．、，才二钱；二j ν 、.＇-- l－二飞叫～ ；若守主运段写 b叫“ 。）裂隙表面片状高岭石，SEMk）挤压面及松弛裂隙，SEMI）微祸皱，SEM 图5媒体显微变形特征 Fig. 5 Micro-deation characteristics of coal ChaoXing 28 煤田地质与勘探第41卷 c.屎棱结构 煤体发生揉皱变形，形成大量不规则裂隙（图5时， 裂隙中常充满粉煤（廉棱质）。笔者在中梁山井下瓦斯 抽放孔施工现场看到，钻进过程中，大量的粉煤从钻 孔中迅速喷出，甚至发生堵孔、卡钻。在电镜下观 察，康棱质呈粒状、鳞片状或泥状，粒度一般小于 1 m。在构造破坏较严重的煤层中滑移面、摩擦面 十分常见，使廉棱质与教土矿物（主要是片状高岭石） 混杂在一起（图Si、图勾）。由于蒙古土矿物本身的层 状结构特征，使它在煤层内起到了润滑剂的作用， 有利于煤层或煤岩组分间的滑动破坏，尤其在含 有较高水分或娃类物质的情况下，这种效应更为 明显［23］。当应力释放时摩擦面上会形成松弛裂隙（图 5k）。松弛裂隙呈锯齿状，方向性不强［24）。有时可见 到塑性弯曲的显微榴皱，细层内大量的微裂隙使组 分碎粒化，说明煤层经历了先韧后脆的变形［25）。显 微榴皱宽度1mm左右，规模仅为观音峡背斜的十 万分之一（图51）。 3结论 a.区域榴皱作用是控制井田内煤层厚度变化 的主要因素，逆断层作用导致局部煤层厚度增大。 b.井田内煤体变形程度不同，形成不同类型的 构造煤。在宏观和显微尺度上，构造煤具有相似的 变形特征。随着构造变形程度增强，煤中裂隙的密 度加大、不规则性增强，媒体强度降低，粒度较大 的角砾变为泥状、粒状廉棱质。 c.碎裂煤裂隙表面发育分叉状或平行状条纹， 这种结构可能是煤体静态剪切破裂的结果，而鳞片 煤中大量的摩擦面则是煤体动态剪切变形的产物。 致谢研究得到重庆市国土资源与房屋管理局 科技项目“重庆市煤层气赋存分布规律及开采地质 条件研究一－训中梁山矿区为例”的资助，在此表示 感谢． 参考文献 [I］刘池洋，赵重远，杨兴科．活动性强、深部作用活跃－中国沉 和、盆地的两个重要特点［几石泊与天然气地质，2000,211 Hi. 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