煤中顯微裂隙的發(fā)育特征

煤中顯微裂隙的發(fā)育特征

-商品煤層是優(yōu)質(zhì)純能源煤層的氣層和儲(chǔ)氣層。近十幾年來(lái),煤層氣地質(zhì)工作者對(duì)煤中裂隙的研究十分關(guān)注,因?yàn)榱严妒敲簩託膺\(yùn)移和產(chǎn)出的主要通道。煤中裂隙主要通過(guò)礦井巷道揭露的煤層、煤巖手標(biāo)本以及煤巖光片的觀測(cè)來(lái)研究,由于煤體結(jié)構(gòu)不均勻、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜以及研究手段局限等,煤中裂隙的揭示和認(rèn)識(shí)仍有很多不足之處。筆者借助于掃描電子顯微鏡,展現(xiàn)和分析了幾種用其他研究方法和手段無(wú)法揭示的顯微裂隙。1掃描電鏡小塊樣的制備研究樣品為我國(guó)不同地區(qū)、不同時(shí)代、不同類型的煤巖塊樣。用掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,以下簡(jiǎn)稱SEM或掃描電鏡)觀察煤巖塊樣的自然斷面,其樣品制備方法和過(guò)程簡(jiǎn)要如下:從較大的煤巖塊樣上用手掰(或用小錘敲)成1～2cm3的小塊,選相對(duì)平整的自然斷面(1～2cm2)作觀察面,用吸球吹去表面附物,然后對(duì)觀察面做導(dǎo)電處理,通常是鍍金膜(或稱金導(dǎo)電層)。對(duì)于煤體破壞嚴(yán)重的松散煤樣(如碎粒煤、糜棱煤等),可用錫紙或其他可用作包裹的材料將取好的小塊固定住,然后鍍金導(dǎo)電層。該制樣方法對(duì)樣品基本沒有人為損傷,能夠保持樣品的原始狀態(tài)。制備掃描電鏡小塊樣前,須先做宏觀描述,并仔細(xì)記錄觀察面特征。從大塊樣上制取小塊樣的過(guò)程是破裂和斷開的過(guò)程,樣品會(huì)優(yōu)先沿內(nèi)部原有某種界面(層面、組分界面、裂面、滑移面、磨擦面等)裂開。新鮮斷面參差不齊,通常盡可能選取垂直層理的新鮮斷面作掃描電鏡的觀察面。掃描電鏡主要觀察微米級(jí)裂隙,除了研究尺度小以外,其觀察內(nèi)容和研究方法與宏觀研究基本相同。因樣品制備方法與光學(xué)顯微鏡所用樣品的制備方法不同,所獲信息與煤巖光片(經(jīng)過(guò)拋光的)的觀測(cè)結(jié)果有很多不同。2煤中顯微裂隙的類型及成因類型裂隙在煤中常見,但不同國(guó)家、不同學(xué)科、不同學(xué)者對(duì)此有不同的稱謂。裂隙的近義詞或同義詞有:節(jié)理、割理(Law,1993;張勝利,1995)、裂縫、斷裂等,這些名稱術(shù)語(yǔ)的含義和所指實(shí)際上就是煤中不同類型、不同規(guī)模的裂隙。裂隙一詞最早由煤巖學(xué)引用蘇聯(lián)的概念,有內(nèi)生和外生之分,此名稱已在我國(guó)煤田地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用多年。為了避免名詞上的混淆,本文的“裂隙(fracture)”一詞指掃描電鏡下觀察到的所有顯微裂隙。裂隙是煤中的線狀空隙,孔隙(pore)是點(diǎn)狀或環(huán)狀空隙(張慧,2001)。煤中裂隙的分類首先始于宏觀觀察,主要基于裂隙發(fā)育的規(guī)模,有的按等級(jí)劃分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)等,類似于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)對(duì)斷裂的劃分;有的劃分為主裂隙和次裂隙(李小彥,1998);用“割理”一詞來(lái)描述煤中裂隙的學(xué)者劃分為面割理和端割理;有的劃分為巨割理、大割理、中割理、小割理、微割理等(張勝利,1995);蘇現(xiàn)波(1998)劃分為割理(內(nèi)生)、外生裂隙和繼承性裂隙;霍永忠(1998)在光學(xué)顯微鏡下把裂隙分為內(nèi)生裂隙、層面裂隙、繼承性裂隙和構(gòu)造裂隙。各種分類方案主要因觀察尺度和出發(fā)點(diǎn)不同而異。目前在掃描電鏡下研究和劃分煤中顯微裂隙類型的有關(guān)報(bào)道很少見到。所有裂隙都是應(yīng)力作用的結(jié)果,裂隙的形態(tài)、大小、排列組合等特征是其力學(xué)性質(zhì)的反映,可根據(jù)裂隙發(fā)育特征劃分其成因類型。筆者沿用煤田地質(zhì)學(xué)對(duì)煤中裂隙的劃分,仍將煤中顯微裂隙劃分為內(nèi)生和外生兩大類,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步劃分出7小類(表1)。3組合體結(jié)構(gòu)發(fā)育裂隙發(fā)育特征包括裂隙的形態(tài)、大小(或者說(shuō)規(guī)模,包括長(zhǎng)度、寬度、高度)、排列組合、密度(條數(shù)/cm2)、與層理和組分的關(guān)系等,這些發(fā)育特征是成因分析的主要依據(jù),也是成因類型鑒別的標(biāo)志。3.1體積收縮的原因內(nèi)生裂隙是在煤化作用過(guò)程(包括成巖作用和變質(zhì)作用)中,煤中凝膠化物質(zhì)受溫度、壓力影響,內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化,體積收縮產(chǎn)生內(nèi)張力而形成的。內(nèi)生裂隙主要發(fā)生在鏡煤中,有定向的,也有不定向的。煤化作用具有明顯的階段性,不同階段煤層內(nèi)部發(fā)生不同的變化,形成成因不同的裂隙。按煤化階段和力的來(lái)源,將內(nèi)生裂隙進(jìn)一步劃分為失水裂隙、縮聚裂隙和靜壓裂隙,前兩者為不定向裂隙,后者為定向裂隙。3.1.1煤中不斷形成結(jié)構(gòu)的水滲透膜單根裂隙多呈彎曲狀,一般較短,不穿過(guò)鏡煤分層,不同方向性的失水裂隙常組合成不規(guī)則網(wǎng)狀,形似干裂紋。其寬度大多為幾至幾十微米,為大孔級(jí)(>1μm)以上(張慧,2001)。失水裂隙對(duì)組分選擇性不很強(qiáng),鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組中均有發(fā)育,但鏡質(zhì)組中明顯多于惰質(zhì)組(圖1b)。失水裂隙在層面上發(fā)育較多,有的發(fā)育于組分之間。煤中不同組分多呈層狀排列,因此,組分間的失水裂隙易與層理平行(圖1a)或等同,若組分為碎屑顆粒狀,即形成屑間孔(張慧,2001)。失水裂隙與風(fēng)化裂隙在成因上有相似之處,常見于褐煤和低階煙煤中,如山東黃縣和云南宜良的褐煤、鄂爾多斯盆地的弱粘煤、不粘煤和長(zhǎng)焰煤等。3.1.2質(zhì)體結(jié)構(gòu)的制約縮聚裂隙是煤化過(guò)程中化學(xué)變化的結(jié)果。其主要形貌特征是短小、彎曲、密集、無(wú)序,其長(zhǎng)度為2～5μm或更小,寬度為0.1～2μm或更小,屬中孔級(jí)(0.1～1μm)范圍?？s聚裂隙嚴(yán)格受組分制約,僅發(fā)育于鏡質(zhì)組中,尤其是膠質(zhì)體、瀝青質(zhì)體等塑流性強(qiáng)的組分(圖1c、d),并多見于組分界面上。不同變質(zhì)程度的煤中,縮聚裂隙的發(fā)育特征有差異(Suárez_Ruiz,1994),低變質(zhì)程度的煤中,縮聚裂隙主要見于塑流性強(qiáng)的組分,在中-高變質(zhì)煤的鏡質(zhì)組中相對(duì)較多見,如山西長(zhǎng)子縣貧煤、霍東肥-焦煤、晉城無(wú)煙煤和貴州織金無(wú)煙煤等。無(wú)煙煤中有時(shí)可見密度大的很細(xì)小的縮聚裂隙(圖1d)。溫度高、壓力低的變質(zhì)條件更容易使煤中產(chǎn)生縮聚裂隙,鄒艷榮(1998)的研究結(jié)果表明,疊加巖漿熱變質(zhì)作用有利于內(nèi)生裂隙進(jìn)一步發(fā)展,更有利于縮聚裂隙的形成。3.1.3靜壓裂隙發(fā)育特征靜壓裂隙基本上就是煤巖學(xué)中的“內(nèi)生裂隙”和有些煤層氣專家所指的“割理”。靜壓裂隙通常僅限于鏡質(zhì)組中,不穿越組分,其主要形貌特征是短、直、定向,寬度為大孔級(jí)及以上。靜壓裂隙兩側(cè)沒有位移,與層理大體垂直,并常等間距排列(圖1e、f、g),因受煤巖組分制約,靜壓裂隙本身不易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。受現(xiàn)今地應(yīng)力的影響,各地靜壓裂隙的啟開程度不盡相同。靜壓裂隙在低變質(zhì)-高變質(zhì)煤中均有發(fā)育,但煤級(jí)不同,其發(fā)育特征有明顯差異。許多研究已表明,中變質(zhì)煤的靜壓裂隙最發(fā)育(Law,1993;霍永忠,1998)。本次研究還發(fā)現(xiàn),高變質(zhì)煤中的靜壓裂隙規(guī)模小、密度大,啟開程度低,從圖1e～g可以看出,山西陽(yáng)泉無(wú)煙煤中靜壓裂隙的密度(數(shù)百倍鏡下裂隙密集)大于黑龍江鶴崗氣煤和山西汾西焦煤(幾十倍鏡下裂隙密集,數(shù)百倍鏡下裂隙稀疏)。從靜壓裂隙受限于鏡質(zhì)組的特征來(lái)看,靜壓裂隙的形成還與凝膠化組分的演變有關(guān),因其明顯的方向性充分體現(xiàn)了垂向靜壓的主導(dǎo)作用,故稱之為靜壓裂隙。3.2煤層層理與煤的相互作用煤層形成后,受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂隙為外生裂隙,或稱之為構(gòu)造裂隙。其主要特征是不受組分的限制,規(guī)模大小不等,相差懸殊,與層理呈高角度相交。煤層褶皺構(gòu)造撓曲部位或斷層附近的煤中,外生裂隙密度有時(shí)可達(dá)每平方厘米幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)條(張慧等,1998)。定性地來(lái)講,所有煤層都有外生裂隙,但構(gòu)造煤(主要是碎裂煤和碎粒煤)中最發(fā)育。按其力學(xué)性質(zhì),將外生裂隙進(jìn)一步劃分為張性裂隙、壓性裂隙、剪性裂隙、松弛裂隙等(表1),其中前三類裂隙在宏觀上已有較多研究(李小彥,1998;張勝利,1995;蘇現(xiàn)波,1998)。3.2.1組內(nèi)裂隙發(fā)育特點(diǎn)張性裂隙是煤層脆性變形的形式之一,寬度幾至幾十微米,裂面粗糙不平或呈波狀、鋸齒狀,無(wú)擦痕。張性裂隙在均質(zhì)鏡質(zhì)組中相對(duì)較直,當(dāng)穿越不同組分時(shí),常轉(zhuǎn)向、錯(cuò)位或?qū)挾葴p小(圖1h、i)。在結(jié)構(gòu)多變的煤層中,呈彎曲狀,背斜軸部和正斷層附近的煤中,張性裂隙比較發(fā)育,裂隙交匯處?？梢姷浇堑[。張性裂隙有統(tǒng)計(jì)上的方向性,與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相關(guān),是煤中主要裂隙類型之一,當(dāng)其密度大到一定程度時(shí)即形成不同級(jí)別的角礫,或在一定范圍內(nèi)構(gòu)成不同級(jí)別的裂隙網(wǎng)絡(luò)。3.2.2煤切割的排列壓性裂隙通常比較長(zhǎng)和直,裂隙兩側(cè)位移量大,成組排列,各組以不同角度斜交,常將煤切割成楔狀塊(圖1k)、菱形塊或透鏡體等(張慧等,1998)。3.2.3痕或碎粒發(fā)育剪性裂隙區(qū)別于其他裂隙類型的主要特征是派生裂隙發(fā)育,常有兩組或多組共軛裂隙,裂面上有時(shí)可見擦痕或碎粒,可穿越不同組分,但優(yōu)先在鏡質(zhì)組中發(fā)育。均質(zhì)鏡質(zhì)組中的共軛剪性裂隙容易構(gòu)成菱形(圖1j)、X形、三角形、多邊形網(wǎng)絡(luò)(張慧等,1998),共軛剪性裂隙中常有一組寬度大、延伸長(zhǎng)的裂隙,通常稱之為主裂隙(李小彥,1998)。剪性裂隙還有張剪性和壓剪性之分,前者啟開度大于后者。3.2.4滑移面、磨損面煤中構(gòu)造面上,由應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的裂隙為松弛裂隙(圖1l)。遭受構(gòu)造破壞較嚴(yán)重的煤層中滑移面、磨擦面非常之多,這些面是地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)中應(yīng)力集中的部位,碎粒、糜棱質(zhì)(類似泥質(zhì))首先從這些面上產(chǎn)生,當(dāng)應(yīng)力釋放時(shí)便形成松弛裂隙。松弛裂隙裂面不平,呈鋸齒狀,方向性不強(qiáng),在磨擦面上常見,與擦痕伴生。4內(nèi)生裂隙發(fā)育煤中顯微裂隙成因類型多,特征各異,這是因?yàn)橛绊懥严栋l(fā)育的因素眾多。立足于煤層,可將影響因素分為外界因素和內(nèi)在因素。外界因素主要是作用于煤層的外力的性質(zhì)、大小、作用方式等,其次還有煤層頂?shù)装鍘r石的機(jī)械性能;內(nèi)在因素有煤巖組分、變質(zhì)程度、煤層(或組分)厚度、孔隙性、含水性等。內(nèi)在因素通過(guò)外界條件起作用,內(nèi)、外因素都很重要。外生裂隙的發(fā)育與外界因素更為密切,內(nèi)在因素對(duì)內(nèi)生裂隙的發(fā)育更為重要。掃描電鏡下比較直觀和明顯的內(nèi)在因素主要有組分和變質(zhì)程度。同一應(yīng)力場(chǎng)中的同一塊煤中,組分不同裂隙發(fā)育程度不同(Close,1991;鄒艷榮,1998),鏡質(zhì)組是煤中脆性較大的組分,外生裂隙優(yōu)先在其中發(fā)育。鏡質(zhì)組富含水分和揮發(fā)分,是煤化過(guò)程中變化最大的顯微組分,內(nèi)生裂隙也主要發(fā)育于其中。內(nèi)生裂隙與煤級(jí)關(guān)系密切(Law,1993;CloseandMavor,1991),總體來(lái)看,低階煤中以失水裂隙為主,中階煤中縮聚裂隙和靜壓裂隙兼而有之,高階煤中縮聚裂隙多見,靜壓裂隙規(guī)模小、密度大。5裂隙的成因類型在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中,隨著煤層所經(jīng)受的地質(zhì)條件的變化,裂隙也發(fā)生相應(yīng)的變化。成巖作用和變質(zhì)作用初期形成的失水裂隙、靜壓裂隙等,在高變質(zhì)階段閉合(Law,1993)。早期構(gòu)造作用形成的裂隙,在后期構(gòu)造作用下進(jìn)一步發(fā)展(即繼承性裂隙)、轉(zhuǎn)向或加密等(蘇現(xiàn)波,1998)。在較嚴(yán)重的擠壓作用下,啟開狀裂隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀。強(qiáng)烈的構(gòu)造破壞作用使煤碎?；蛎永饣?煤層原生結(jié)構(gòu)破壞,原有各類裂隙被強(qiáng)烈改造。煤中裂隙具極不均勻性和多樣性,一個(gè)煤層或者一塊煤巖手標(biāo)本中,裂隙的成因類型復(fù)雜多變,掃描電鏡下常見的是兩種或兩種以上類型的裂隙并存,即使同一條裂隙,也會(huì)兼有兩種或多種成因,所以裂隙成因類型的識(shí)別有時(shí)是比較困難的。一般來(lái)講,原生結(jié)構(gòu)煤中的裂隙類型容易識(shí)別;構(gòu)造破壞輕微的煤中,裂隙較易識(shí)別;經(jīng)受多次構(gòu)造變動(dòng)的煤層,裂隙成因類型比較難判斷。6裂隙發(fā)育狀況煤中顯微裂隙成因類型多,特征各異。所有裂隙都是煤層內(nèi)力、外力或二者共同作用的結(jié)果,在地史中隨煤層經(jīng)受的地質(zhì)條件變化而變化。內(nèi)生裂隙受組分制約,僅在煤分層中局部連通,對(duì)煤層局部滲透率有貢獻(xiàn)。壓性裂隙呈閉合狀,對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)小;松弛裂隙發(fā)育于嚴(yán)重遭受破壞的煤層,此煤層的整體滲透率通常