扫描电镜下寺河井田3号煤微孔裂隙特征研究

李吉平

(山西泽州天泰西陈庄煤业有限公司，山西 晋城 048000)

煤是一种孔裂隙双重发育的多孔介质[1]，煤中孔裂隙特征对煤层气吸附、储集、扩散及渗流产出等具有至关重要的控制作用，是煤层气高产富集区评价及优选、产能模拟、预测及评价的重要研究内容之一[2-4]。煤中孔裂隙研究最早始于19世纪煤田地质与勘探领域[5]，在近百年的研究进程中，国内外学者做了大量工作，历经了宏观到微观、定性到定量研究、描述和表征过程，研究方法、技术体系得到了极大发展[6]，研究成果有力地指导了煤层气开发和矿井瓦斯防治。煤孔裂隙的发育特征受煤变质作用[7]、煤体结构类型[8]、煤岩显微组分[9]、煤中矿物质含量[10]及构造应力场[11]等诸多因素控制，使得不同煤矿区煤中孔裂隙发育具有一定差异。为此，本文采用扫描电镜对寺河井田3号煤中微孔裂隙进行了观测和分析，研究成果以期为研究区煤层气开发和矿井瓦斯抽采及防治提供技术支撑。

1 研究区概况

寺河井田地处沁水盆地东南部晋城矿区，是晋煤集团一座高瓦斯突出矿井。地域跨泽州、阳城、沁水三县，属山西省晋城市管辖。地理坐标：东经112°27 ' 07"～112°40 ' 54"，北纬35°30 ' 51"～35°36 ' 11"，面积173.2 km2。井田划分为东井区(简称“东区”)和西井区(简称“西区”)，主采3号煤层。

井田内煤系地层发育，煤层多、厚度大。仅主要煤系地层山西组(1、2、3、4号煤层)和太原组(5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16号煤层)共计含煤15层，净煤总厚度14.97 m。煤层自上而下编号为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、15、16号煤层。其中，3、15号煤层为井田全区稳定可采煤层，9号煤层为较稳定局部可采煤层。井田内3号煤层厚度大(4.45～8.75 m，平均6.31 m)、含气量高(11.28～28 m3/t，平均16.6 m3/t)，为矿井主力开采和煤层气开发主要目标层位。为解决3号煤层开采过程中矿井瓦斯涌出量严重超限及煤与瓦斯突出难题，晋煤集团在井田范围内开展了地面煤层气井抽采三级瓦斯治理，突破了煤层气地面抽采的无烟煤“禁区”，率先创立了“采煤采气一体化”的煤矿瓦斯治理新模式，实现了煤与瓦斯协同绿色开采。

2 扫描电镜下煤的微孔裂隙特征

2.1 实验仪器及工作原理

2.1.1 实验仪器

采用德国卡尔.蔡司公司制造生产的EVO MA15高倍扫描电子显微镜(图1)对寺河井田3号煤中裂隙进行观测，仪器由“电子光学系统、信号收集和图像显示系统及真空系统”三大部分组成。扫描电子显微镜是现代研究物体表面微观世界的科学利器，可以实现微观世界的立体化观测和结构特征分析等。放大倍数和分辨率高，可实现5～1 000 000倍观测视域的放大和30 kV SE高真空模式下实现3 nm，加速电压0.2～30 kV，具有5个自动样品分析台。工作压力范围一般为10～400 Pa，最大试样高度和直径分别不超过145 mm和250 mm。

2.1.2 工作原理

扫描电镜是扫描电子显微镜(Scaning Electron Microscope-SEM)的简称，是通过“电子枪”发射聚焦过的电子束轰击和扫描样品的表面，进而使样品激发出各种系列的物理信号(如背散射电子、二次电子、吸收电子及投射电子等信号)，这些物理信号通过信号收集系统的检测、放大和处理，最终在图像显示系统中获得样品表面各种特征的扫描图像。

2.2 样品采集及样品制作

2.2.1 样品采集

本文扫描电镜所用煤样采集于寺河井田“东区”的4304工作面切巷3号煤壁，煤样采集遵循“新鲜、未受损、块状”原则。从采样情况来看，该煤层破坏不严重，采集到的煤样的煤体结构类型为原生结构煤见图2(a)和碎裂煤见图2(b)。煤样的宏观煤岩类型主要为光亮型煤，半亮型煤次之，呈黑色，基本不染手，似金属光泽，致密坚硬，为均一状结构，块状构造，具贝壳状及阶梯状断口，节理裂隙相对发育。

图2 样品采集实物

2.2.2 样品制作

对采集的煤样进行切割，使切割样品的高度和直径分别不超过145 mm和250 mm。对样品一面进行研磨和剖光处理，而后用导电胶粘贴于样品剖光面并使其粘于样品托上，再用吹扫器把样品表面的附着物或杂物吹扫掉，进行干净处理。最后对吹扫过的样品在真空下干燥和导电处理。

2.3 实验观测

2.3.1 扫描电镜下微孔隙特征

通过扫描电镜下煤中孔隙观测，发现寺河井田3号煤中主要发育有气孔(图3(a)～(f))和角砾孔(图3(c))两种微孔隙类型。气孔属于一种变质孔，是煤变质作用过程中由生气和聚气作用所形成的孔隙[12]。而角砾孔则属于一种外生孔，形成于构造变动(或构造应力作用)致使角砾状物质堆叠所形成的孔隙[12]。常在壳质组中看见定向排列的气孔群(图3(d)～(e))，其他煤中气孔分布较为杂乱、无规律分布(图3(f))。孔隙形态呈次圆形状、椭球状及不规则状，孔隙直径(孔径)大小不一，一般为0.5～10 μm。常见粒状和片状碎屑物附着于样品表面(图3(a)～(f))和充填于部分孔隙中(图3(b)、图3(e)～(f))。煤中孔隙基本为“死孔”，其连通性差。

2.3.2 扫描电镜下微裂隙特征

据扫描电镜煤中微裂隙观测可知，寺河井田3号煤中微裂隙以剪性裂隙(图4(a)～(e)、图4(g)～(h))发育为主，张性裂隙(图4(f))不甚发育，前者多见于原生结构煤中，后者则多见于碎裂煤之中。剪性裂隙的裂隙面光滑平直，煤中可见一组(图4(e)、图4(g)～(h))、两组(图4(b)～(d))和多组裂隙(图4(a))存在。两组、多组裂隙间近似垂直相交，呈“T”型状展布。张性裂隙的裂隙面弯曲，呈不规则状产出(图4(f))。裂隙面宽度大小不一，一般为1～20 μm。常见粒状、片状等碎屑物充填于裂隙之中和附着于煤表面(图4(a)～(h))，同时，可见方解石以脉状形式充填于裂隙之中，见图4(g)，总体而言，煤中微裂隙被充填现象不甚严重。

图3 寺河井田3号煤扫描电镜下微孔隙特征

3 结 语

1) 受煤变质作用和构造应力作用，寺河井田3号煤中微孔隙主要发育气孔和角砾孔两种孔隙类型。孔隙基本为“死孔”，常见粒状、片状碎屑物充填于其中，孔隙的连通性差。

图4 寺河井田3号煤扫描电镜下微裂隙特征

2) 煤中微裂隙可见剪性裂隙和张性裂隙，剪性裂隙主要发育于原生结构煤中，张性裂隙多见于碎裂煤中。裂隙面宽度不一，裂隙中常见粒状、片状等碎屑物和少量方解石脉充填于裂隙之中，对煤层的渗透性能具有一定影响。