（矿业工程专业论文）芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价.pdf

摘要 应用构造地质学、煤岩学、沉积岩石学、地球物理化学等多学科知识体系及 前人大量的研究成果，从现场调查入手，在对芦岭矿井主采煤层构造煤的几何形 态、分布特点进行总结的基础上，探讨了构造煤产生的背景及控制因素：运用x 衍射、顺磁共振技术手段，探析了8 煤层构造煤的微观结构特征；利用压汞实验、 液氮吸附实验和扫描电镜研究了构造煤的孔隙特征，认为8 煤储层主要以半封闭 状的细瓶颈微孔隙为主；采用吸附、解吸实验分析了包裹体状、鳞片状构造煤的 吸附、解析性与渗透 生，储层过渡孔、微孔含量高，吸附能力强、连通性差是矿 井储层瓦斯含量高、难抽取的根本原因：应用数值分析方法对现场观测到的钻孔 自然涌出、负压抽取状态下抽取钻孔数目不同钻场瓦斯抽取量数据进行了处理， 分析了不同状态下的瓦斯衰减系数；综合评价了矿井主采煤层的可抽取性，为矿 井进一步提高储层瓦斯抽取率提供了依据和基础。 关键词：构造煤；孔隙特征；渗透性；抽取性 a b s t r a c t a d o p t i n gm a n ys c i e n t i f i cm e t h o d sa n dp r o v e nf i n d i n g s ，t h i s p a p e rs t u d i e st h o r o u g h l ys t r u c t u r a lc o a li nl u l i n gc o a l m i n ef o c u s i n g o ni t sf o r m a t i o n ，d i s t r i b u t i o n ，i t sm i c r o p o r o s i t y 。e s p e c i a l l yo fs e a m8 ， o n eo fi t sm a i n w o r k a b l es e a m s ，w h i c hi s h i g h l ya d s o r p t i v ea n d b a d l yi m p e r m e a b l et om e t h a n e a c c o r d i n g l y l tt r i e st o s e t t l e p r o b l e m sc o n c e r n i n gh o w t ob e t t e rd r a i nm e t h a n ef r o mu n d e r g r o u n d t h i sp a p e rc a nb er e f e r r e da sas e e dl e a d i n gt oi m p r o v ed r a i n a g e e f f i c i e n c yi nl u l i n gc o a l m i n e k e y w o r d s ：s t r u c t u r a lc o a l ；p o r o u sc h a r a c t e r i s t i c s ；p e r m e a b i l i t y d r a i n a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀翌王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵里王盍堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授积塞邀理王 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名 签字丑期：年月 日签字日期：年月 日 安擞理工大学工程硕士研究生掌位论文 1 引言 1 1 选题依据和意义 淮北矿业集团公司芦岭煤矿是皖北地区特大型矿井之一，设计年产量1 5 0 万 吨，1 9 8 8 年矿井改扩建后的生产能力2 4 0 万吨年；最高年产量达2 4 6 万多吨， 煤质优良，是煤炭出口基地之一。该矿井是一水、火、瓦斯、煤尘、顶板“五害” 俱全的矿井。自1 9 8 5 年以来，在中部采区先后发生过项板、水、火、瓦斯突出和 瓦斯爆炸事故，伤亡和损失惨重。2 0 0 2 年4 月7 同，矿井发生一起特大煤岩与瓦 斯突出事故；2 0 0 3 年5 月1 3 同，又发生一起特大瓦斯爆炸事故。瓦斯成为制约 矿井安全、稳产、高效的突出因素，虽然矿井采用了瓦斯综合治理技术，但由于 主采煤层8 、9 煤层间距较近，平均为3 5 m 。 8 煤为特厚、极松软煤层，平均煤厚8 9 6 m ，两极厚度0 3 0 1 7 7 5 m ，一般 厚8 l om ，全层大多为构造煤；9 煤为中厚煤层，全层均是构造煤，据测算，一5 9 0 m 水平( i i 水平) 8 煤层瓦斯含量为1 6 2 0m 。t ，预测一7 0 01 1 1 水平( 暂定为i i i 水平下限标高) 瓦斯含量将更高。瓦斯含量大、压力高，透气性低，瓦斯抽取难 度大，因而瓦斯综合治理的成效提高困难。 矿井自投产以来，一直在不断地探索瓦斯治理新方法、新思路，先后与多家 科研院校联合攻关，从不同角度探讨瓦斯综合治理的方法。使瓦斯抽取率从不足 1 0 提高到目前的2 5 左右，取得了较好的效果。但随着矿井生产向深部延深，主 采煤层的瓦斯含量的迸一步增大，瓦斯压力的增高。瓦斯抽取难度越来越大，需 要予抽的时间越来越长。因此需要更长的超前掘进时间，又因地压大，岩石松软 破碎超前掘出的巷道维护困难，造成失修率高，维修工程量大。同时，长时间抽 取后钻孔瓦斯浓度衰减迅速，提高抽取率难度大，抽取效果难以理想。瓦斯对矿井 生产的制约随开采深度的增加而日益加剧，与矿井安全、稳产、高效发展的矛盾 愈加突出。因此。无论是从安全生产的需要，还是矿井生产效率要求，都需要进 一步探索瓦斯综合治理、提高瓦斯抽取率的新思路、新方法、新工艺，以确保矿 井安全、稳产、高效的发展。 多年来的生产实践也的确证实了芦岭矿井煤储层瓦斯含量高，透气性低，但 对产生这一事实的根本原因的研究却不够深入和广泛。 地质构造是影响瓦斯存储最重要的条件之，且地质构造对煤储层的瓦斯存 储的影响是复杂的，它与煤犍地的地质发展史、构造热演化史和构造形态特征及 陈富勇芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价 煤储层特征密切相关。封闭型地质构造有利于瓦斯存储，丌放型构造有利于排放 瓦斯，不同期次的地质构造的发生、发展，不仅形成了聚煤搞地，产生了煤阳， 同时也对煤的原始结构进行了改造，使煤的储层物性发生变革，将构造应力作用、 煤结构特征、煤层气的生、储层物性和控气机理有机结合起来，采用计算机储层 模拟分析，对特厚构造煤与储层特征和抽取性进行系统探讨，可有望为瓦斯综合 治理、提高瓦斯抽取率提供有益帮助： 矿井主采8 煤层是一稳定特厚极松软煤层，其硬度系数f 值为0 1 6 0 5 3 ， 构造煤厚约占全层厚度的6 5 9 0 ；9 煤层为较稳定煤层，全层为构造煤，硬度 系数f 值为0 1 2 0 4 1 。针对煤储层的特点，从地质构造的发生、发展、构造演 化和对8 、9 煤层的储层物性特征进行探讨，深入迸行构造作用、构造煤特征、储 层物性特征及其控气地质机理等的综合分析，综合评价煤层瓦斯的可抽取性，为 矿井瓦斯综合治理、进一步提高瓦斯抽取率寻找突破，是选择本课题的理由和目 的。 芦岭煤矿现有二套瓦斯抽放系统，建有总容量1 7 5 万m 1 的贮气柜，除供居民 作为民用燃料外，2 0 0 3 年又兴建成了一座瓦斯发电站，充分利用有限的资源，加 长了产业链，本课题所获得成果可为进一步探讨瓦斯综合治理，提高煤储层瓦斯 抽取率的研究基础，矿井瓦斯抽取率的提高，势必能为芦岭煤矿的安全、稳产、 高效提供一些保障，既增加新的经济增长点，又可充分利用资源，化害为利，为 民造福。 1 2 国内外研究现状及发展动态 在地质构造运动的作用下，煤体受到不同程度的破坏，煤体的破坏类型是预 测煤与瓦斯突出危险性的重要指标之一。对于不同破坏类型的煤体，其强度不同， 突出的危险性也不相同。地质构造表现出对煤与瓦斯突出的明显控制作用，而构 造煤( 软煤分层) 又是这一控制作用最直观的体现。 煤的组成部分在空间的定向和分布即煤层的构造。苏联东方煤矿安全研究所 把它分为四类，即层状构造、微褶皱状构造、褶皱状构造、强烈褶皱状构造；傅 雪海把煤体结构分为三种类型，对不同结构煤的储层物性特征进行了探讨”：苏 现波对煤层储集层分类，把煤储层分为原生结构、碎裂煤、碎粒煤和糜棱四种类 型的煤储层，同时依据煤的变质程度，又细分成1 2 个型号，描述了各类煤储层特 征”。煤的后生破碎对煤化程度及矿井瓦斯的影响是不可低估的。尽管还有许 多需要探讨之处，但前人较为丰富的研究成果为构造煤的再研究打下了基础。 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 煤结构是煤粒的尺寸和形态特征。地质构造影响煤体结构类型，煤体结构不 同，又控制着瓦斯突出参数( f ，x p ) 的变化“。因此，为了研究各种结构类型 煤瓦斯突出的可能性，2 0 世纪5 0 年代，苏联矿业研究所依据煤中裂隙的宽度及 特性，把煤结构分成非破坏煤、破坏煤、强烈破坏煤、粉碎煤、全粉煤五类；1 9 9 5 年，原煤炭工业部防治煤与瓦斯突出细则中依据煤的光泽、构造与构造特性、 节理面性质、断口性质、强度把煤的破坏类型分为非破坏煤( i ) 、破坏煤( 1 i ) 、 强烈破坏煤( i i i ) 、粉碎煤( i v ) 和全粉煤( v ) 五类1 。郭德勇综合研究了矿井 内构造煤的结构和成因，对构造煤形成的力学条件及其对瓦斯突出的影响进行了 探讨”。俞启香认为：突出的次数和强度随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增 加而增多。突出最严重的煤层一般是最厚的主采煤层8 1 。袁崇孚根据煤体结构的 宏观特征，以构造煤分类为基础，以突出难易程度为依据，将煤体结构分为四种 类型“1 。 随着研究的不断深入和各种先进仪器设备的引入应用，许多学者、专家不仅 仅从地质学角度宏观研究构造煤结构，还将宏观与微观结合起来研究。探讨其成 因机制。近年来国内外采用扫描电镜，对煤的微结构进行了研究，煤炭科学研究 总院重庆分院根据煤的表面形态用微结构力学特性，把煤的微结构划分为均一结 构、碎裂结构、粒状结构和糜棱结构，认为：i 类为非突出煤层，i i 类为过渡类 型，i i i 、类为突出煤层。王桂梁教授详细研究构造应力作用下煤层流变的特征 和机制i l l l l 。唐修义等在显微镜下，对比构造煤与非构造煤，发现以下几点特征： 构造煤与非构造煤镜质组内基质镜质体的差别最为明显。在有突出危险性煤层的 煤样中，多数基质镜质体为不均一状，内部混杂数量较多的壳质组碲屑和腐泥基 质，有不同程度的荧光性；在没有突出危险煤层的煤样里，基质镜质镜质体多数 为均一结构，内部混杂的壳质组碎屑少1 。李康等根据煤层显微构造特征，将煤 岩划分为五类，特别探讨了糜棱煤的一系列塑性变形特征“。中国科学院地质研 究所按照煤的微结构形态，把煤的微结构划分为五类：i 类为非突出煤，i i 、 i i i 类为开放系统，v 类为封闭系统的突出煤。 显微构造的研究，能有助于分析鉴定各种小构造的动力学性质，而且还能够 提供构造变形机制、变形环境、构造动力学等方面的信息，籍此可分析研究其变 形史。随着一些新理论、新技术的应用，人们对岩石显微变形构造特征在构造地 质学研究方面取得了一系列的成果。何永年等提出了脆韧性转换的概念，并对脆 韧性转换的显微构造特征了研究。但相对于岩石而占，煤的显微构造研究还是 浅薄的。煤在经受应力的作用后，不仅会表现出宏观变形，褶皱、断裂、流变等， 陈富勇芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价 而且不同煤级的煤在不同温、压条件下，不仅具有不同的微观变形特征，而且煤 的结构在变形中也会发生变化，在超微尺度上反映为煤的有序化程度的增高。在 同变质程度的煤里，镜质组越多，储气性越好。自烟煤到无烟煤的变质过程中， 由于镜质组分子结构的变化，微孔增多，总孔容增大，比表面积增大，吸附能力 增强，因而储气能力，特别是储集吸附气能力必然增强。 关于构造煤的超显微结构变形研究方面，f | 本学者粟源一雄用扫描电子显微 镜观测到构造煤中有纤维状结构、牵牛花状结构和粒囊水结构等，并指出构造煤 的煤面上伴有剪切的擦痕和许多微裂纹、细褶皱、；利用扫描电子显微镜观察发 现煤中的微孔和割理系统之间存在微米级的裂隙和孔隙，微裂隙通常与光亮煤共 生，微孔隙与暗淡煤有关；大量的研究结果表明，在不同构造环境不同的构造应 力作用下所形成的构造煤，其镜质组反射率呈现一定的规律性，一般表现为最大 反射率与最小应力方向一致，最小反射率一般代表着最大挤压应力方向。 一般地，煤层既是生气层，同时也是储气层。煤层中的甲烷主要是以吸附态 存在于微孔表面和在煤的粒子内部占据着煤分子结构的空穴或煤分子之间，另一 种是在煤的可渗透空间内游离方式存在着的。甲烷在煤中赋存状态十分复杂，对 此，人们的认识还是肤浅的；但随着研究的不断深入进行，人们的认识也在不断 提高，苏联学者艾鲁尼研究了埋深一8 0 0 1 2 0 0 m 内的中变质程度烟煤内甲烷的赋 存状态，认为：在孔隙和裂隙内部以游离状态存在的甲烷只占甲烷总量的8 1 2 ，在孔隙和裂隙表面以吸者状态存在的甲烷也只占甲烷总量的8 1 2 ，其余 大部分甲烷呈固溶状态赋存在煤的大分子结构内部和分子之间“”。 煤储层的孑l 、裂隙是煤层气储存、运移和产出的通道。无论是从防治煤与瓦 斯突出的角度，还是从煤层气开发利用方面，都对煤储层的孔隙特征进行研究。 孔隙的特征直接影响着煤储层对煤层瓦斯储存和运移能力。王生维等分析了煤储 层裂隙的形成机理，认为煤相、煤质及变质作用、构造作用等是影响煤储层孔一 裂隙系统发育的主导因素”。吴俊根据煤的微孔隙的连通性，采用体积比例法对 中国煤层进行了以孔隙分布特征为基础的分数，将煤的微孔隙分布划分为三大类 9 小类。指出：孔隙连通性与煤层气体的运储、瓦斯突出灾害及瓦斯抽放效果有 着十分密切的关系1 1 7 1 。李小彦从煤岩学角度，对煤储层的研究方法进行了探讨， 认为：主裂隙的展布方向是渗透率的优势方向，裂隙的几何形态参数可以度量渗 透力的大小，裂隙的连通性是裂隙网络高深度的良好标志“。霍永忠等通过对煤 储层孔一裂隙系统的分析，指出连通性和开放性是煤储层孔裂隙系统的两个重 要属性，识别裂隙的充填特征对深化煤储层特性研究具有重要的价值。并利用煤岩 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 学的理论和方法割析了显微的裂隙成因分类，将显微孔隙分为生物成因孔和非生 物成因孔；显微裂隙划分i ：t ：i 内生裂隙、继承性裂隙、层面裂隙和构造裂隙”“。 针对破碎煤和硬块煤的孔隙性研究发现：煤的破坏，与其孔隙性有着密切关系。 破坏程度大的煤，具有较大的孔隙体积，并且含有较多孔径( 直径) 大于m o o a 的孔隙类型f 1 1 。采用压汞法研究淮南不同煤层的孔隙性发现各煤层孔径分布特 征基本一致，各孔径段容积占总孔容的比例大约分别为微孔5 0 ，过渡孑l3 0 ，中 孔1 0 ，不同煤层孔容积各不相同，突出煤层大于非突出煤层，煤岩类型对微孔 分布有显著影响”“。 在对煤的渗透性研究方面，从煤中孔隙变形角度研究了应力对煤样渗透率的 影响。建立了相应的模型，得出煤层瓦斯的渗透率对应力非常敏感，与应力成反 比关系的结论”“。实验证实：渗透率取决于有效应力、显微组分组成和显微结构， 内生裂隙发育的亮煤渗透率最高，对应力变化最敏感的是渗透率最低的暗煤。研 究认为煤体结构及较高的有效地应力是主要影响因素”。综合多种统计数据和测 试结果，对煤层的渗透性用主要地质控制因素探讨表明：控制煤层渗透性的主要 地质因素为割理的发育程度，其次为有效地应力、外生裂隙和煤体结构等”。 综上所述，前人的各种研究成果资料尽管都很丰富，但在构造煤的研究方面， 无论采取显微还是超显微手段，都是咀防治煤与瓦斯突出为主导，关于不同类型 构造煤的孔隙一裂隙特征及形成机理方面，尤其是构造煤的孔裂隙结构特征、 动力机制及控气因素等方面还认识不够，尚有进一步探讨的必要。 瓦斯抽放方面，英国采用开采相邻煤体和机械振动的方法来提高煤的透气性 ”“；独联体国家广泛采用交叉钻孔预抽煤层瓦斯的方法，大大提高了瓦斯抽放率 1 。由于我国大多数煤层透气性较低，在研究和改进瓦斯抽放技术方面取得了一 些重大进展，采用深孔预裂爆破强化抽放”“；充分利用采动影响，把钻孔布置在 工作前、后和上方一定范围的顶板中，提高瓦斯抽放量”，及采用交叉长 钻孔技术，增大钻孔煤壁暴露面积，可以避免因钻孔坍塌及堵孔而影响投放效果 的现象，提高单孔瓦斯抽放量”“。 对芦岭煤矿主采煤层瓦斯综合治理研究方面，主要丌展的的工作有重庆煤炭 科学研究分院的瓦斯抽放设计、扰顺煤炭科学研究分院的下解放层丌采瓦斯综合 治理研究等，都是从治理瓦斯的角度，以抽放方式、方法为主题的研究，对煤层 储气层、结构等特征未有过多的涉及。利用测井曲线的反映差异对芦岭及其它矿 井的构造煤进行了识别“”。总之，对芦岭煤矿主采煤层的物理、化学特征的系统 研究基本上是一空白点。特别是象芦岭矿这种特厚构造煤和近距离构造煤层组瓦 堕宣重苎竺! 竺! 竺兰竺苎竺竺堡垒苎竺竺兰竺 斯储性特征的研究尚不够深入，值得做些工作予以完善。 1 3 研究内容及技术关键 1 3 1 主要研究内容 针对芦岭煤矿主采煤层8 煤构造煤的发育规律、分布特征及构造控制因素， 通过区域构造背景分析、井田构造研究、矿井地质观测，探讨了区域构造控制下 的井田构造的空间展布、构造组合规律及其对煤层赋存控制作用，结合测并曲线 解释，探讨了构造煤分布特征及构造煤结构特征。 构造煤储层物性分析。探讨分析了构造煤的物质组成、结构和赋存状态特 征，特别是垂向结构和非均质性对煤储层孔隙性和渗透性的控制作用及其与构造 作用的相互关系，可为提高瓦斯抽取率提供理论依据。 通过计算机模拟，探讨了主采煤层的储层物性特征，进而评价了主采煤层 的抽取能力。对现场各种抽取方式对比分析，提出提高瓦斯抽取率的对策与建议。 1 3 2 技术关键 ( 1 ) 依据丰富的地质资料及各种测试、实验成果，系统查明不同构造应力作用 和应交环境及构造的复合、改造作用所导致的构造煤的分布和赋存规律。进而探 讨构造煤的结构演化特征及其对储层物性的控制作用。 ( 2 ) 探讨构造控制下煤的变形、变质、气体运移及其煤层结构与煤储层孔隙性 和渗透性的内在联系。 ( 3 ) 探讨构造煤的孔隙度、渗透率和饱和度等物性特征表现形式，及其与正常 煤的差异。 构造煤储层的孔隙性、吸附性及渗透性等相关性研究是论文工作的难点和关 键所在。 1 3 3 采用的研究方法、技术路线、实施方案 在区域构造背景控制下，以矿区地质构造的形成、演化及其对煤层变质、变 形、生气、运移和储气特征作为主线，通过多手段、多层次、多尺度的综合研究 技术，研究矿井主采煤层的构造煤结构演化及储层物性：研究采用理论分析、井 下采样、实验室观测、井下调查、计算机模拟等综合方法。其流程图如图卜l 。 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 酗1 1 研究工作流程幽 7 陈富勇芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价 1 4 主要完成的的工作置 ( 1 ) 基础研究工作 在前人研究工作的基础一1 - ，进一步搜集相关资料，追踪相关研究的最新成果， 系统分析和研究了本矿井地质发育规律、储层的空间分布、结构特征、储层的储 集性能及控制要素，深入现场系统观测了煤储层的宏观特征、分布状态、构造特 点，采集样品2 7 件。 ( 2 ) 样品系统测试、实验 采集样品对8 煤层不同类型构造煤进行了微观结构、超微构造等观测，进行 了x 射线衍射、电子顺磁共振等化学结构的测试分析；对构造煤样采用压汞、 低温液氮吸附测试、显微镜和电子扫描分析8 煤储层的孔裂隙性；根据吸附实验 结果对储层的固气能力进行了计算尝试。 ( 3 ) 综合分析 根据现场观测、实验测试、理论分析等对各种研究成果进行系统分析，总结 了矿井8 煤储层构造煤特征、微观结构、孔裂隙性、储集气特点，进行了抽耿性 评价。 通过3 7 条地质剖面、1 6 8 个观测点的调查、观测，搜集了大量的第一手资料， 详细了解了矿井主采煤层的构造煤宏观特征、分布特点：采集样品2 7 件，并通过 2 7 个样品的测试分析和对各种相关文献系统学习领会，编写出本报告。 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 2 矿区及井田地质 2 1 矿区地质 2 1 1 矿区地层简况 本区属华北型石炭二叠纪煤系。受古生代加里东早期构造运动的影响，华 北地区地壳整体隆起，遭受风化剥蚀，沉积间断，致使本区缺失了上奥陶统、志 留系、泥贫系和下石炭统地层。石炭纪早期，本区地壳开始缓慢下沉，接受沉积， 并具备有良好的成煤环境，沉积了一套煤系，总厚度约1 1 8 5 m 。受海西、印支运 动的影响，本区地壳再次抬升，遭受剥蚀，缺失了石干峰组、三迭系、侏罗系、 白垩系地层。经喜山运动之后，本区再次缓慢下沉，沉积了第三系、第四系松散 层。各时代地层简介如下： 中奥陶统：( 如) 由灰、深灰色厚层状隐晶质、细晶质及白云质灰岩组成。揭 露厚度1 3 3 ，4 7 m ，灰岩裂隙溶洞发育。其中裂隙多被方解石充填，并见有黄铁矿 晶体。 石炭系( c 。) ：与下伏奥陶系灰岩呈假整合接触。控制厚度1 7 5 m 左右，下部 以泥岩为主；中部以砂岩为主，夹薄层石灰岩，含3 4 层薄煤；上部以灰岩为主， 夹薄层泥岩或砂岩。生物组合关系为：下部以蜒类化石为主，上部蜒、贝类化石 和科达、羊齿类化石为主。 二迭系( p ) ：与下伏石炭系地层呈整合接触。为主要含煤地层，含煤岩系总 厚度约1 0 1 0m ，含煤1 9 5 8 层。下部山西组厚度为1 0 2 1 6 7 m ，平均厚度1 2 0m ： 以过渡相沉积为特征，中部台主采煤层1 0 煤：岩性以泥岩、砂岩为主，植物化石 以羊齿为主，动物化石以贝壳类为主；中部下石盒子组厚度约2 4 5 3 2 5 m ，平均 厚度2 8 0 m ，主要岩性为砂岩和泥岩，含可采煤层5 层，其中主采煤层2 层；化石 以羊齿为主；上部上石盒子组已控制厚度大于6 1 0m ，以杂色陆相沉积为特征， 下部含煤8 1 2 层，局部可采煤层1 2 层，植物化石以羊齿和轮叶类为主。 新生界( k z ) ：第三系、第四系：新生界松散沉积物厚度1 2 0m 2 5 0m ，由 东南1 2 0m 向西北增厚至2 5 0m ，般厚为l7 0m 2 4 0 m 。 2 1 2 含煤地层 井田内含煤地层由一系列基本连续的沉积物组成，总厚度约1 1 8 5 m ；石炭系 中上统不含可采煤层，厚度1 7 5m ；二迭统山西组及下石盒子组为主要含煤段， 陈富勇芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价 含主采煤层8 、9 、t o 三层，地层厚度4 0 0 。上二迭统上石盒子组含煤层数多， 但大多不可采，厚度在6 1 0i l l 以上。 本溪组( c ：。) ：与下伏奥陶系呈假整合接触。井田内钻孔揭露厚度8 9 5 1 4 3 4 m ，下部为青灰灰白色铝质泥岩，夹绿色薄层泥岩，底部含铁质结核，上部为 青灰色深灰色泥岩或粉砂岩，含铝质和黄铁矿。 太原组( c ，。) ：与下伏本溪组整合接触。钻孔揭露厚度1 6 0 6 9m ，一般含煤4 6 层，煤层厚度薄且煤质差，无开采价值。本组含石灰岩1 0 1 4 层，其中四灰裂 隙、溶洞发育，含水丰富。本组为海陆交互相沉积。下部：灰绿深灰色粉砂岩、 砂岩为主，夹薄层石灰岩，含3 4 层薄而不稳定的煤层，无丌采价值。中部：次 色石灰岩为主，夹灰灰绿色泥岩与粉砂岩，含薄煤l 2 层，均为不可采煤层。 上部：灰深灰色砂岩与粉砂岩为主，夹薄层石灰岩2 3 层，一般不含煤。太原 组顶部第一层灰岩( 一灰) ，土黄灰褐色，泥质含量高，层面具有明显的风化特 征，发育有裂隙和小溶洞，呈豆粒状大小，裂隙多被方解石充填，该层位稳定， 厚2 3m ，富含海百合、珊瑚等动物化石碎片，为二迭系与石岩系的分界标志层 ( k ) 。 下二迭统山西组( p 。) ：自太原组一灰顶界面至铝质泥岩底界蕊，厚1 0 2 1 6 7 m ，平均厚度1 2 0 m ，以过渡相沉积为特征。下部：深灰色厚层状砂质泥岩或粉 砂岩，俗称海相泥岩。层位稳定，变化不大，厚度1 0 2 0 m ，偶含海楣动物化石。 中部：以深灰色互层状砂泥岩、灰白色厚层状中、细砂岩为主，夹薄层状泥岩、 粉砂岩，含主采煤层1 0 煤，局部地区含煤两层，以下层较为稳定。l o 煤顶板有 古河流冲蚀现象。1 0 煤下部第一层岩石，由薄层粉砂岩或砂质泥岩与灰灰白色 薄层细砂岩组成，呈互层状，剖面上呈竹叶形( 俗称叶片状砂岩) ，具明显的底栖 动物通道，水平、微波状及透镜状层理，层面富含云母片。层位稳定，厚度2 3 m ，顶面距l o 煤层2 3 m 。上部：以浅狄色中细粒砂岩为主，深灰色泥岩与粉砂 岩次之，夹薄层或透镜状菱铁质砂岩，水平、微波状与斜交层理，常见鲕状结构， 岩性变化较大，砂岩相变明显。井| ：；1 1 中部及西北部厚度变化不大，井闭东南变化 较为显著，个别孔出现特厚现象。泥岩、粉砂岩常具铁质染成的花斑( 俗称紫斑) ， 斑块形态为云朵状、团块状及蠕虫状。顶部常发育有一层次白色厚层状中、粗粒 砂岩或含砾砂岩，局部夹薄层砾岩。厚度4 1 0 m ，富产鲕状菱铁，分布广泛。 下二迭统下石盒子组( p ，。) ：与下伏山西组连续沉积，为主要含煤段。自铝质 泥岩底界面向上至3 煤组下第一层中细砂岩( k 。) 底界面为止，厚度2 4 5 3 2 5 m ， 平均厚度为2 8 0 m 。底部：铝质泥岩，厚度0 4 7 m ，一般厚度为3 m 左右，呈灰白 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 色或银灰色、微肉红色，贝壳状断e l ，有滑腻感，局部地段发育有2 层，下层呈 青灰色，多含菱铁鲕粒，铝质含量较低；上层发育较稳定，质地较纯，粘土矿物 成份主要是高岭石，在显微镜下还可见有碳酸钙结核，为湖泊相化学沉积，本层 为9 煤下部的标志层，即k ：标志层。下部：以狄色浅狄色中、细砂岩为主，靠 近煤层过渡为粉砂岩、泥岩或炭质泥岩。含7 、8 、9 三层可采煤层；8 煤为特厚 煤层，是本区主要标志层之一。8 、9 煤层层问距较小，为分叉合并关系；7 煤多 具古河流冲蚀现象，在9 煤底板及8 煤顶板富含植物化石。中部：以深坎色厚层 状泥岩、粉砂岩为主，夹薄层、中厚层石英砂岩，靠近煤层处泥岩发育，含6 、5 两个煤层组。上部：以中细粒砂岩、粉砂岩为主，夹2 3 层鲕状泥岩。多为灰 狄绿色，常具紫斑状，下部砂岩为灰灰白色，成份单一，硬度较大，一般为中 厚层状石英砂岩，多钙质胶结，策波状层理及交错状、透镜状层理。含4 煤组。 上二迭统上石盒子组( p “) ：与下石盒子组为连续沉积。上界不清，已控制 厚度大于6 1 0 m ，以杂色纯陆相沉积为特征，煤组位于下部，煤层多达8 1 2 层， 大多属极不稳定煤层，仅l 2 层局部可采。下部：3 煤组下第一层厚层状中、粗 粒砂岩( 标志层k 。) 底面至1 煤组顶板砂岩以下，厚约2 8 0 m ，除煤层附近颜色较 深外，一般为灰、灰绿色及紫斑等杂色，岩石以中、细砂岩和粉砂岩为主，夹泥 岩和薄煤层，砂岩台较多的绿色矿物，常为硬砂岩，粉砂岩与泥岩多具紫斑状， 偶见鲕状结构。煤层附近常有菱铁质及泥质结核，厚度变化不明显，含3 、2 、1 煤组。上部：1 煤组顶板砂岩以上，已控制厚度大于3 2 0 m ，以扶绿色薄层中细砂 岩与紫红色粉砂岩为主，泥岩含量小，偶见粗砂岩和煤线，呈带状分布在井田北 部，具不太明显的斜层理、断续波状层理及韵律分选结构。 2 1 3 煤层及其特征 淮北煤田是一个多煤层发育地区，含煤层数多达5 0 余层，南北有别、东西备 异。煤层分叉合并、变薄尖灭现象多现。各可采煤层或局部可采煤层层数不一。 宿北断裂以北的濉肖矿区含可采及局部可采煤3 5 层，厚5 8 8 4 m ；临涣矿区 含可采或局部可采煤层6 9 层，厚9 0 7 1 3 4 4 m ；涡阳矿区含可采或局部可采 煤层4 6 层，厚4 。7 4 7 9 m ；宿东矿区含可采或局部可采煤层6 1 2 层，厚 1 2 0 9 1 8 4 8 m 。宿东矿区不仅可采煤层或局部可采煤层层数多，其可采厚度也较 其它矿区大，特别是其主采煤层8 煤，一般厚度高达l o m ，而在其它矿区8 煤厚 度相对要小得多。 宿东矿区处于淮北煤田东南缘，同淮北煤f 日的其它矿区相比，有着鲜明的小 堕宣要兰竺! 竺! 竺兰堡! ! 苎竺堡垒兰竺竺竺竺 区域特征，其煤层的几何特征与其他矿区有着明显的差异，但作为淮北煤f = r 的组成 部分，受区域古地理、古环境等因素的控制，又表现出有一定的可对比性。 芦岭井田以二迭系为主含煤地层，含煤1 9 2 8 层，可采及局部可采煤层8 层， 总厚度为1 1 4 5 8 4 8 m ，总平均厚度2 0 6 0 m ，含煤系数为2 0 4 。详见下表2 - 1 。 表2 - 1 煤系地层含煤情况一览表 称地鬻度数三主军篇m 含萎系备注l mj镕r h m 山西组 下石盒子组 上石金子组 二迭系 12 0 2 8 0 6 1 0 1 0 1 0 不含煤 薄煤或煤线 矿井开采的主采煤层为8 、9 、l o 煤层，各煤层特征简述如下： 8 煤层：主采煤层，稳定特厚，全区可采。平均煤厚8 9 6 m , 两极厚度0 3 0 1 7 7 5 m 。东部拐头区相对较厚，平均i 0 5 8 m 。煤层结构复杂，上部含1 2 层、 局部2 4 层夹矸，厚度0 1 0 2 5 0 m ，下部有时也含l 层，厚度0 0 2 o 6 4 m ， 平均0 3 5 m 。9 线以东因夹矸增厚而出现两个分层，以下分层发育较好，定为8 煤； 上部分层虽有可采点，但因不能连成片，列入不可采煤层类：在1 卜1 2 线附近，8 煤上部夹矸层数较多，夹矸及煤分层薄且煤质较差，呈互层状，经生产证实，走 向长度约2 0 0 m ，并向深部延深。 8 煤层沿走向上呈东部厚、西部相对薄，倾向上呈浅部厚、深部薄的变化变化 趋势。在煤层垂直剖面上，8 煤层呈现出条带状分层现象，通过对3 7 条剖面1 6 8 个观测点的观测统计，依据煤岩的破碎、揉皱程度、碎块大小、形态等特征，自 上而下可将8 煤划分出6 个构造煤种类、1 7 2 0 个构造煤分层。各类构造煤分层 交互出现，总的趋势是上部煤层相对较完整，中、下部煤更为松软破碎。详见8 、 9 煤层构造煤分层柱状图。 9 煤层：位于下石盒子组下部，距也标志层1l m 左右，为主要可采煤层之一， o 卜 臼 一m 磊黝一本太 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 较稳定煤层，厚度o 9 8 2 m ，平均厚度2 7 2 m ，煤层结构简单。9 煤层厚度变化 主要受原生沉积控制，1 1 一j 2 线以西向深部合并于8 煤层。据现已揭露的资料， 仅在9 2 8 风巷实见到具原生结构的9 煤层，其余所见9 煤均为鳞片状或粉末状构 造煤。 2 2 矿区及井田构造 2 2 1 区域构造格局 区域构造研究成果表明，淮北煤 = f | 位于华北板块的东南缘。据安徽省区域 地质志介绍，淮北煤田位于安徽省内i 级构造单元一淮河台坳的北部、 淮北陷皱断带内，属中朝地台的南缘。介于蚌埠和丰沛两个古隆起之间的淮北陷 皱带中部，是淮河台坳的组成部分，南与蚌埠台拱相邻。中生代以前，本区主要构 造线为东西向，以整体升降为主。三迭纪以后，进入了一个地壳频繁运动的新时 期，在印支运动，东西向的构造和n n e 向的郊庐断裂发生大规模的左旋平移运动， 盖层发生强烈褶皱，形成了一系列轴向n e 向的短轴状舒缓背、向斜。侏罗纪以后， 盖层褶皱受到燕山运动的强烈改造，在此基础上产生了一套新的褶皱和断裂并存 的弧形构造一徐宿弧形构造。弧形构造整体向西突出，其中向斜较为宽缓，而背 斜则较为紧密。褶曲以正常( 直立或歪斜) 类型为主，轴面绝大多数东倾，断裂 与褶皱轴向一致，属逆逆掩性质，断层面东倾。这个时期除东西向断裂再次活 动外，新生的n n e 向断裂也十分活跃，至晚侏罗世的火山活动主要受这两组断裂 控制。第三纪以后，东西向的宿北深大断裂急剧沉降，使断褶带南部被喜马拉雅 构造层深埋，北部抬升。该构造单元为安徽省区调队划分的级构造单元一宿州 凹断皱束。详见上图2 一l 。 陈富勇芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价 i 量l叠 i l i ,量 m 藩摹l i ： 拄何奇埘 穗北雎一l ：，搿州凹膏膏曩ci 1 置音霉r i ：“， 穗 【r i ， 蚌粕携f i ；) h 稚魁 带r f | ， ? ， i r 蠢台曩 长山鸯增j 0 1 r l 】 盘t 翔k t 鼻卜t 山虚商并土山凹齄。i i - ， 峰 檀芾 i i t 山攉_ 柬r i ：1 ， 蜡f i f “， 舒键_ 嚏f i i 矗曩台鼍强j 憎囊t i ；l c 1j 岳矗台囊【i 量 j 卅毫蠢t ；”一 手 疆舅凹囊fi ：， 下* 子由 穹栅i f ：一- 臂旺擞拜膏( i l ij警匮脚一覃l i f i 准 百台弩蓓事c ；1 1 l i l 曾蕾曩c i f 麓 f j l t ) t i l l 帝m l f t ；， 弩蕾囊摹r j 1 i 一凹舢一i “1 台 t 辩陷- 嘣謦t ； 艏i ：” i t l b l l l ! f i r i f i j 征古 捧i 山啬辨f jj 螋啦 b ) 编母中0 代表独立的次级单元 图2 - l 安徽省构造单元划分略图= “1 在淮北陷褶断带内，基底发育存在的两条东西向构造板桥断裂和宿北断裂， 是淮北煤田内的两条重要断裂构造之一。板桥断裂为淮北煤田的南部边界。宿北 断裂将淮北煤田分成南北两大部分，同时也是地貌单元的分界线。南北两部分在 含煤性、构造发育和岩浆侵入程度上存在显著差异；褶曲发育程度和特点在宿北 断裂两侧也具有明显不同，宿北断裂以北，主要为n n e 向箱状和梳状褶皱，褶曲 呈不对称性，其特点是向斜西翼缓、东翼陡，自东向西依次为皇藏峪背斜、闸河 复向斜、肖县背斜和肖西向斜：宿北断裂以南，主要为n n e 、n e 、近s n 和n _ l j l f 向 的短轴宽缓的复式背向斜，自东向西依次有宿东向斜、宿南向斜、南坪向斜、童 亭背斜、五沟向斜和花沟背斜等。 2 2 2 矿区构造 宿东向斜是徐宿弧形构造内侧晟南端的一个褶曲，四周为多条断裂所包围， 其北部为东西向的宿北断裂东段和大辛家断层：东有n e 向的同镇一长丰断裂：南 有板桥断裂：西南为西寺坡逆冲断层；西北为界沟断层，详见下图2 - 2 。受四周 边界区域断裂构造的制约和改造，矿区的构造形态也是经受多次构造运动的产物。 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 据宿东矿区十煤层开采底板狄岩水文地质条件初步评价研究成果：宿东向斜 形成于印支运动期，存在两期构造运动。第一期印支运动，本区在n 6 0 。e 非均匀 挤压应力作用下，首先形成早期平面“x ”型剪节理，早期平面“x ”型剪节理形 成后，宿东向斜继续受n e 方向挤压应力作用，地层弯曲褶皱，形成宿东向斜，并 在早期平面“x ”型剪节理的基础上，逐步发展成n n e 、n n w 向大中型张及张扭性 正和正平移断层，芦岭井田以n n e 向一组较为发育，如f 。f 。f 。f = 等，朱仙 庄则以n n w 向一组较发育如f 。、f 、h 等。f _ 断裂组也应属于早期平面“x ”型 剪节理发育而成的正平移断层，可能由于局部边界条件影响，应力方向发生变化 或后期改造等原因而导致断层走向为近南北向。 圈2 - 2 淮北煤田宿尔矿区构造地质图 随着构造作用力的不断加大或持续作用，宿东向斜递进变形，向斜东北翼发 陈富勇芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价 生局部倒转，向斜中产生晚期剖面“x ”型剪节理，走向n w ，倾角比早期平面“x ” 型剪节理要缓，在此基础上发育形成了f 1 、r - 、f z z 等走向逆冲断层a 褶皱晚期，在转折端产生了一系列放射状断裂，同时还产生一系列小断层和 层间滑动构造。 印支期挤压应力有两个主应力点，一是在芦岭井田的六采区，二是在朱仙庄 井田的补7 线、4 线附近，此处应力集中，向斜较窄，构造较为发育，地层变形 较大，据此预计芦岭矿i i 四、i i 六、i i 八采区断层也会极为复杂，煤层赋存条件 极差，将给开采带来很大困难。 从矿区构造图( 图2 2 ) 上可以看出，宿东矿区构造形迹在向斜最窄处以n e 向为对称轴线呈类似对称关系，此处的宿东向斜轴线向西南突出到最大位置，因 此，可以断定此处应是宿东向斜在第一期构造运动中的最大主应力集中区，在强 大构造应力作用下，轴线两侧形成了两个方向相反的次级应场，东南侧( 芦岭井 田) 产主逆时针方向的旋转应力，松林王、小史家背斜、王格庄向斜可能就是这 一积少成多力场留下的产物，同时还对先期形成的r 、f ，进行了改造，从而导致 芦岭井田的n n e 向的构造产生走向偏移。 印支运动奠定了宿东矿区的主体构造格局。 根据矿区小断层及共轭节理和岩组图反映，宿东向斜经受过第二构造应力的 作用，主应力方向来自于1 0 5 。左右方向，但强度和规模远不如第一期构造作用 强烈，第二构造作用使宿东向斜枢纽在平面上发生弯曲，次级褶皱及断层发生走 向偏移，加剧了煤系地层变形程度，破坏了煤层的原生结构，使构造进一步复杂 化，初步分析，其作用时间可能在燕山晚期或第三纪。 宿东矿区的主体构造格局形成于印支期，燕运动期，构造应力加大和改造了 宿东向斜的变形程度，岩浆沿着早期形成的断裂构造侵入到煤系。 喜马拉雅构造期，宿东矿区与周围煤层赋存有很大差异，特别是8 煤层差异 较大，较为合理的解释为推覆构造，宿东向斜为外来岩系，其主滑面为西寺坡逆 冲断裂。宿东向斜如一叶小舟漂泊其上，在宿东向斜内部，9 煤及l o 煤顶板附近 发育有次级滑动面。据安徽省“两淮”煤体推覆构造与找煤研究成果报告， 西寺坡逆冲断裂为淮北地区推覆构造体的南部前缘挤压带，基本上是顺层推覆于 石炭一二迭系之上，形成于印支晚期，属盖层冲掩。其动力来源于华北板块与华 南板块对接碰撞对板块内施加的应力。宿东向斜也是在这一构造背景和应力作用 下形成的属徐宿推覆系统保留下来的一个向斜，这使它与周围的地质构造与煤 层赋存具有相对独立特性。 安徽理工大学工程硕士研究生掌位论文 宿东向斜的形成与沿西寺坡断裂的逆冲滑动也应是同期的。 2 2 3 井田构造特征 ( 1 ) 井田构造特征 芦岭煤矿位于宿东向斜东南端。井嗣内主要以斜切断层为主。根据井罔构造 发育的复杂程度，将井田划分为三部分。 井田西部( 6 - 7 线f ，) 包括六、八、十采区，其中十采区( 1 0 煤层) 是宿 东向斜最宽缓的部分，煤岩层倾角5 。2 0 。，中小断层发育，浅部沿倾斜方向 发育有松林王背斜、王格庄向斜两个次级褶曲，呈短轴状；沿走向上有舒缓波状 起伏。在水平上部，发育有一条走向方向的正断层，与斜切断层组合成“卅”字 形。本块段内以i i 六采区构造最为复杂，把i i 六采区切割成五个孤立块段。 断层走向以n e 向的斜切断层为主，该块段一8 0 0 m 以上约3 4 k m 2 范围内，发育 有落差l o m 以上的小断层1 9 条，断层发育密度5 5 9 条k m 2 ，尤其是1 1 6 采区，在 0 7 k m 2 范围内发育7 条 o m 以上断层，构造极为复杂。 丝珍 图2 - 3 八采区小断层走向玫瑰花幽图2 - 41 0 1 0 采区小断层走向玫瑰花图 从三个采区小断层走向玫瑰花图( 图2 - 3 、图2 - 4 、图2 - 5 ) 所反映的断层优 势走向方向看，西部各采区小断层走向变化较大，规律性较差。但从落差l o m 以 上断层摆布及组合分析，西部采区仍以n e 向斜切断层为主，但增加了n w 向走向 断层，特别是i i 六采区，构造发育密度大，断层切割关系复杂。 井阐中部( f 7 1 卜1 2 线) ：包括一、三、二、四采区，相对构造比较简单， 发育有几条斜切断层，其中i i 四采区一6 0 0 m 水平以上煤岩层倾角宽缓，煤岩层 沿走向有平缓的波状起伏，薄及中厚煤层中落差1 0 m 以下断层发育。 从各采区生产揭露资料分析。影帕8 煤开采的主要是煤厚变化，影响1 0 煤开采的主要是中小断层，特别是落差5 m 以下的小断裂构造。对小断层统计表明， 三采区小断层以n e 和近s n 向为主，1 0 1 采区以n n e 向为主，其它方向 陈富勇芦岭矿特厚构造煤储层特征及抽取性评价 少见，四采区小断层最为发育，出现四组以上的断层方向，其中以n e 向的一组最 为发育。详见图2 - 6 、图2 - 7 、图2 - 8 。从整个中部块段构造发育情况看，中部采 区构造较简单些，两侧采区构造相对复杂，落差1 0 以上的断层以四采区最为发育， 断层有多个走向，但n n e 向发育相对较优些 幽2 - 5 六采区小断层走向玫瑰花圈 纱 心眨 图2 - 6 四采区小断层走向玫瑰花圈 0 0 |金 图2 - 7 三采区小断层走向玫瑰花幽 图2 81 0 1 采区小断层走向玫瑰花幽 东部拐头区( 1 1 一1 2 线以东) ：包括五、七采区，为宿东向斜的仰起端，呈弧形 向突出，地层走向为n 5 0 。w e w n 1 0 。b ，呈“s ”型：地层倾角变化较大，一 般在4 0 。7 5 。，局部出现地层倒转。发育有小史家背斜和宿东向斜；并有层间 断层3 条，断层密集，切割关系复杂