構(gòu)造煤的研究現(xiàn)狀及其對(duì)煤與瓦斯突出產(chǎn)生的影響

周少華 楊洋

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金鳳煤礦,寧夏吳忠 751504)

構(gòu)造煤的研究現(xiàn)狀及其對(duì)煤與瓦斯突出產(chǎn)生的影響

周少華 楊洋

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金鳳煤礦,寧夏吳忠 751504)

煤與瓦斯突出一直是煤礦安全生產(chǎn)中需要克服的重大問(wèn)題,很多研究表明,煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生與構(gòu)造煤有關(guān)。通過(guò)分析整理有關(guān)構(gòu)造煤的分類(lèi)、瓦斯放散特性、微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征和力化學(xué)作用等研究,來(lái)進(jìn)一步綜合認(rèn)識(shí)構(gòu)造煤對(duì)瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的影響程度,為各煤礦進(jìn)行安全生產(chǎn)起到一定的認(rèn)知作用。

構(gòu)造煤 瓦斯突出

1 緒論

煤與瓦斯突出是煤礦井下發(fā)生的一種復(fù)雜的有煤、巖和瓦斯參與的動(dòng)力現(xiàn)象[1]。這一現(xiàn)象常發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造地帶，這表明地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度與煤與瓦斯突出有密切聯(lián)系。從力學(xué)的角度來(lái)看，煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程是瓦斯壓力、煤體力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力三者共同作用的結(jié)果；從煤的微觀(guān)角度來(lái)看，煤作為一種多孔質(zhì)介質(zhì)，其孔隙表面對(duì)瓦斯具有很強(qiáng)的吸附能力，吸附瓦斯的方式以物理吸附為主，可以說(shuō)是地質(zhì)構(gòu)造控制了煤與瓦斯突出。因此，研究構(gòu)造煤的特征，對(duì)總結(jié)煤與瓦斯突出規(guī)律、預(yù)測(cè)預(yù)防煤與瓦斯突出起到非常重要的作用。

2 研究現(xiàn)狀

構(gòu)造煤是原生結(jié)構(gòu)煤在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的具有新的結(jié)構(gòu)特征的變形煤，但煤巖成分變化較小。在煤巖層和瓦斯組成的力學(xué)系統(tǒng)中，構(gòu)造煤對(duì)煤與瓦斯突出起到了極為重要的作用，研究構(gòu)造煤是煤礦瓦斯災(zāi)害防治和煤層氣開(kāi)發(fā)的重要內(nèi)容之一。

現(xiàn)階段，構(gòu)造煤與瓦斯突出的研究主要分為以下幾類(lèi)。

2.1 構(gòu)造煤的分類(lèi)

為了對(duì)不同破壞類(lèi)型煤進(jìn)行區(qū)分和認(rèn)識(shí)，前人進(jìn)行了大量的工作研究[2-9]，從構(gòu)造煤的內(nèi)部細(xì)分層褶皺情況、突出難易程度和煤結(jié)構(gòu)的破壞程度、宏觀(guān)和微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征、手標(biāo)本和煤巖光片觀(guān)測(cè)、結(jié)構(gòu)特征及其形成的環(huán)境條件、手標(biāo)本或鉆井煤芯為尺度、成因結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等方面對(duì)構(gòu)造煤進(jìn)行了分類(lèi)，其中最為普遍的分類(lèi)是前蘇聯(lián)礦業(yè)研究所的分類(lèi)方法—將構(gòu)造煤按照結(jié)構(gòu)特征分為五類(lèi)，也即2006年我國(guó)《煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范》中規(guī)定的五類(lèi)破壞類(lèi)型煤：非破壞煤(Ⅰ類(lèi))、破壞煤(Ⅱ類(lèi))、強(qiáng)烈破壞煤(Ⅲ類(lèi))、粉碎煤(Ⅳ類(lèi))和全粉煤五類(lèi)(Ⅴ類(lèi))[10]，見(jiàn)表(1-1)。

2.2 構(gòu)造煤的瓦斯放散特征

大量的研究證明，構(gòu)造煤的瞬間釋放散瓦斯能力的大小對(duì)瓦斯突出的發(fā)生、及大小程度有著直接關(guān)系。富向等[11-12]通過(guò)對(duì)構(gòu)造煤與非構(gòu)造煤在微觀(guān)結(jié)構(gòu)上差異的分析，對(duì)構(gòu)造煤的微觀(guān)、宏觀(guān)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出構(gòu)造煤在應(yīng)力降低或者解除時(shí)，瓦斯的運(yùn)移規(guī)律用Fick定律比Darcy定律更為合理。構(gòu)造煤前一分鐘瓦斯放散速度規(guī)律更符合文特式，且第一秒時(shí)的衰減系數(shù)、△P、瓦斯放散速度等參數(shù)與非構(gòu)造煤均有很大差異。

2.3 構(gòu)造煤的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征

煤的結(jié)構(gòu)包括兩方面：一方面是煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)(分子結(jié)構(gòu))，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，孔隙結(jié)構(gòu)起到了非常重要的作用，因?yàn)榭讖椒植技氨缺砻娣e的變化能夠直接影響到氣化或者燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)速率[13]。另一方面是煤的物理結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)是煤的物理結(jié)構(gòu)的主要部分，煤的許多物理性質(zhì)尤其是吸(脫)附特性很大程度上取決于煤的孔隙結(jié)構(gòu)。

煤是一種包含著不同粒徑孔隙系統(tǒng)的孔隙介質(zhì)，其對(duì)瓦斯的儲(chǔ)存具有兩方面的特征：一方面是在壓力的作用下具有吸附和容納氣體的能力；另一方面是由于孔隙-裂隙系統(tǒng)的存在而使氣體具有流動(dòng)的特征，其結(jié)構(gòu)特征(孔徑結(jié)構(gòu)、孔容、孔比表面積、孔隙率等)決定了煤的吸附、擴(kuò)散和滲流特性。

煤的孔隙類(lèi)型目前存在的3類(lèi)主要?jiǎng)澐窒到y(tǒng)如下。

①煤孔隙的成因分類(lèi)。張慧[14]將煤孔隙的成因類(lèi)型劃分為四大類(lèi)(原生孔、外生孔、變質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔)十小類(lèi)。Gan[15]等按孔隙的成因?qū)⒖紫秳澐譃榉肿娱g孔、煤植體孔、熱成因孔和裂縫孔。這些孔隙發(fā)育的結(jié)構(gòu)特征對(duì)瓦斯氣體的生成、儲(chǔ)存、運(yùn)移都起到了很大的作用。

②煤孔隙的孔徑結(jié)構(gòu)分類(lèi)。前人從不同的研究角度對(duì)煤的孔徑進(jìn)行了分類(lèi)，歸納如表1-2所示。

③煤孔隙的形態(tài)分類(lèi)。陳萍等根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將煤中不同形狀的孔分為三類(lèi)：第I類(lèi)為能產(chǎn)生吸附回線(xiàn)的開(kāi)放性透氣性孔，如(e)、(f)；第Ⅱ類(lèi)為一端封閉的不透氣性孔，如(a)、(b)、(c)、(d)，這類(lèi)孔不會(huì)產(chǎn)生吸附回線(xiàn)；第Ⅲ類(lèi)為一種特殊形態(tài)的孔，即細(xì)頸瓶形孔(g)，這種孔雖然是一端封閉的，但它卻能產(chǎn)生吸附回線(xiàn)，且在這種孔所引起的回線(xiàn)上有一明顯的標(biāo)志，即解吸分支上有一個(gè)急劇下降的拐點(diǎn)[16]。

2.4 構(gòu)造煤的力化學(xué)作用

力化學(xué)的概念是Peter在20世紀(jì)60年代第一次正式提出的，他把它定義為“物質(zhì)受機(jī)械力的作用而發(fā)生化學(xué)變化或者物理變化的現(xiàn)象”。從能量角度看，力學(xué)與化學(xué)的相互關(guān)系是機(jī)械能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。

河南理工大學(xué)張子敏等[17]研究了煤的力化學(xué)作用類(lèi)型、力化學(xué)能量來(lái)源及煤結(jié)構(gòu)演化的影響，認(rèn)為煤的力化學(xué)作用是煤結(jié)構(gòu)演化的一個(gè)重要過(guò)程，其能量來(lái)源有靜水壓應(yīng)力和地殼構(gòu)造應(yīng)力；構(gòu)造煤是在煤層構(gòu)造作用下發(fā)生變形、破壞而形成的，在構(gòu)造作用下能夠發(fā)生發(fā)生裂解、聚合、異構(gòu)、芳構(gòu)、分子重排等多種化學(xué)一物理反應(yīng)的過(guò)程。

3 構(gòu)造煤與瓦斯突出

通過(guò)對(duì)以上大量的前人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，可以證明：構(gòu)造煤和煤與瓦斯突出事件的發(fā)生有著密切的關(guān)系。因此在實(shí)踐中能夠正確的判定構(gòu)造煤的存在，是避免和減少煤與瓦斯突出事件發(fā)生的一個(gè)主要目的。

構(gòu)造煤對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面[18]：①?gòu)拿后w的結(jié)構(gòu)特征方面看，構(gòu)造煤有著較高的孔隙率和較差的透氣性，導(dǎo)致構(gòu)造煤體既能保存更多游離瓦斯也能保持相對(duì)較高的瓦斯壓力。這就是煤與瓦斯突出發(fā)生所需的動(dòng)力條件也是事故發(fā)生的內(nèi)因。張紅日等[19]以利用壓汞、低溫氮實(shí)驗(yàn)為手段，對(duì)河北下花園煤礦的易突出構(gòu)造煤層進(jìn)行研究，得出該地區(qū)構(gòu)造煤孔隙類(lèi)型以封閉型為主，此類(lèi)構(gòu)造煤具有巨大的比表面積，吸附性能強(qiáng)，利用瓦斯賦存，為瓦斯突出提供能量條件。②構(gòu)造煤經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用后，煤體結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞：外形呈碎粒和粉狀；裂隙及滑面發(fā)育，導(dǎo)致煤體抵御外力作用的能力大大降低，同時(shí)形成有利于煤與瓦斯突出事件發(fā)生的力學(xué)條件。③構(gòu)造煤中的游離瓦斯，在煤體發(fā)生破碎作用時(shí)充當(dāng)著“氣墊”的作用，有利于煤體顆粒相對(duì)移動(dòng)；構(gòu)造煤中的瓦斯吸附層，削弱了煤分子之間的相互作用力，起著一定的“分隔”作用，導(dǎo)致煤體強(qiáng)度明顯降低。這兩方面的因素促使突出事件持續(xù)、迅速地發(fā)生與發(fā)展。④由于構(gòu)造煤的強(qiáng)度低，所以其發(fā)生變形的幅度差異更明顯。例如：煤層采掘前，應(yīng)力作用相對(duì)集中，使得構(gòu)造煤的變形幅度比原生煤的大；采掘后，由于形成了一定的卸壓條件，導(dǎo)致構(gòu)造煤伸張變形幅度變大，進(jìn)而煤體就會(huì)形成一些更利于瓦斯放散、解吸的新裂隙，加快了瓦斯的流動(dòng)，使得煤與瓦斯突出事故的發(fā)生更為容易。

表1-1 煤的破壞類(lèi)型分類(lèi)表

表1-2 煤孔徑結(jié)構(gòu)劃分方案比較 單位:直徑/nm

圖1-1 煤的孔隙類(lèi)型及特征

4 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)分析，可知前人對(duì)構(gòu)造煤的研究主要從構(gòu)造煤的分類(lèi)、瓦斯放散特性、微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征和力化學(xué)作用等方面入手。今后工作中，可以針對(duì)性的分別以五類(lèi)煤為研究對(duì)象，探究其對(duì)瓦斯突出的影響，并進(jìn)行比較。(2)構(gòu)造煤對(duì)煤與瓦斯突出事件發(fā)生的影響程度，取決于構(gòu)造煤煤體破壞程度的大小，也就是取決于構(gòu)造煤內(nèi)部的空隙特征及表面結(jié)構(gòu)。(3)本文只是對(duì)前人的研究工作進(jìn)行了系統(tǒng)的整理，并闡述了構(gòu)造煤對(duì)瓦斯突出的影響，有關(guān)深入的研究，將在今后的工作中借助實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析與證明。

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周少華(1983-),男,寧夏銀川人,碩士,礦業(yè)工程專(zhuān)業(yè),2011年碩士畢業(yè)于河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,現(xiàn)在神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金鳳煤礦工作。楊洋,河南理工大學(xué)2011年6月份本科畢業(yè),安全工程專(zhuān)業(yè),現(xiàn)在在金鳳煤礦通風(fēng)隊(duì)，通風(fēng)技術(shù)員。