论文部分内容阅读
本文以构造演化为主线,在区域地质背景、野外构造观测、煤田地质资料分析的基础上,结合构造岩的显微变形特征及包裹体分析,研究了阳泉矿区构造变形和演化特征及其对煤层沉积、埋藏和变形的控制作用,分析了构造变形期的应力-应变环境。结合不同类型煤体结构分布、构造煤孔裂隙结构和甲烷吸附特性的系统表征,应用CBMHS V1.0软件模拟了阳泉矿区瓦斯生运聚散的动力学过程,深刻揭示了矿区瓦斯演化的构造控制机理。主要研究成果如下:（1）阳泉矿区褶皱构造较为发育,以NNE-NE向褶皱为主,控制着矿区的整体构造形态;近EW向、NW向褶皱发育相对较少,对矿区构造形态的影响相对较小。根据构造类型及其组合形式、变形程度的差异,将矿区分为西部大型褶皱发育区、东北部弱褶皱变形区、中部叠加褶皱发育区、中东部弱褶皱变形区、中南部断褶区和南部复杂叠加褶皱区等6个构造变形区,揭示了阳泉矿区主体构造格局形成于燕山中期上地壳中低温条件下的脆性-脆韧性变形环境。（2）在区域构造演化的控制下,研究区聚煤基底较为平坦,基本处于海陆交互相的沉积环境,沉积了石炭-二叠纪煤系。聚煤作用结束后,阳泉矿区先后经历了印支期、燕山期和喜马拉雅期三期构造运动,分别形成近EW向、NNE-NE向和NW向褶皱和断裂构造,不仅改造了煤层的原始赋存状态,还控制着煤体变形和构造煤的分布。3煤和15煤构造变形相对较弱,以脆性变形为主,I、II、III类煤体结构均有发育,以II类煤体结构为主,II类和III类煤体结构多沿褶皱轴部展布,集中分布在褶皱轴部、褶皱叠加区以及断裂和褶皱叠加区等构造复杂区。（3）煤的构造变形影响其孔-裂隙结构及瓦斯吸附能力。随着煤体变形程度的增加,显微裂隙结构复杂性增强,空间分布非均质性减小;孔体积和孔比表面积增大（尤其是大孔和介孔）,孔隙形态渐趋复杂,大孔之间的连通性减小。煤的微孔和介孔具有多重分形特征,且随着煤体变形的增强,孔径分布趋于连续和均匀、连通性增强。甲烷等温吸附实验、吸附特征曲线以及表面自由能分析表明,随着煤体变形程度的增加,煤的甲烷吸附能力逐渐增加。煤体变形主要是通过影响煤的孔隙结构进而影响煤的甲烷吸附行为,在煤体变形过程中,孔隙（尤其是1-10 nm孔径段孔隙）逐渐增多,孔体积和孔比表面积增大,孔径分布趋于连续和均匀,是强变形构造煤瓦斯吸附能力增强的主要原因。（4）通过数值模拟将研究区瓦斯生运聚散动力学过程划分为6个阶段,即阶段I（晚石炭世-早二叠世）、阶段II（中二叠世-晚三叠世）、阶段III（早中侏罗世）、阶段IV（晚侏罗世-早白垩世）、阶段V（晚白垩世）和阶段VI（新生代）。阶段I为浅埋藏生物成因气阶段,煤层生成少量的生物成因气;阶段II为煤层快速沉降阶段,煤层开始第一次生烃,生气量较少,聚散作用微弱,含气量较低;阶段III为煤层埋深波动阶段,煤层生气量极少,但气体散失作用依然存在,煤层含气量和储层压力下降;阶段IV为煤层第二次生烃阶段,在高异常古地热场作用下,煤层大量生气,并伴随着强烈的扩散散失、盖层突破散失和渗流散失作用,是研究区瓦斯演化的关键阶段;阶段V和阶段VI煤化作用完全停止,为瓦斯散失阶段。（5）构造是瓦斯生运聚散演化过程的主控因素。区域构造背景下,煤层的沉积、埋藏、抬升、构造热事件以及矿井构造的发育共同控制着煤的受热-成熟-生烃-聚集-散失的动力学过程。聚煤期构造通过控制研究区聚煤基底及沉积环境控制煤层的煤质特征、煤厚及展布,进而影响煤层瓦斯的生成和散失。印支期构造作用主要通过控制煤层的沉降,进一步控制煤层瓦斯的生成和散失;燕山期,瓦斯生运聚散演化最为活跃,构造热事件是影响本期煤层瓦斯生成和散失的主控因素,同时,构造应力场的转变及矿区构造形态也是影响煤层瓦斯聚散行为的重要因素;喜马拉雅期,瓦斯演化以散失作用为主,矿区构造形态以及矿井构造的展布继续控制着煤层瓦斯的聚散过程。（6）构造应力作用下构造煤的发育和分布也显著影响着瓦斯的运移、聚集和散失。一方面,弱变形构造煤的渗透性强于强变形构造煤,研究区弱变形和强变形构造煤分布区在燕山期分别表现出较强和较弱的瓦斯渗流散失作用;另一方面,强变形构造煤吸附空间和吸附势明显高于原生结构煤,表现出更强的瓦斯吸附能力,研究区强变形构造煤的发育对区内3煤和15煤瓦斯的聚集及高瓦斯含量区的分布具有重要控制作用。该论文有图98幅,表20个,参考文献297篇