煤與有機(jī)巖石學(xué)在煤礦安全中的應(yīng)用研究

馬長玲 陳弦

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西咸陽 712000； 2.陜西煤業(yè)化工建設(shè)(集團(tuán))有限公司 西安 710000)

0 引言

煤巖學(xué)是以巖石學(xué)觀點(diǎn)和方法來研究煤的物質(zhì)成分、性質(zhì)和工藝用途，并確定其成因和合理應(yīng)用的科學(xué)[1]。煤巖學(xué)一般分基礎(chǔ)煤巖學(xué)和應(yīng)用煤巖學(xué)。其中，應(yīng)用煤巖學(xué)主要是利用煤巖組分、物化性質(zhì)差異指導(dǎo)煤炭行業(yè)發(fā)展，具體包括石油地質(zhì)、煤田地質(zhì)、煤核及聚煤古植物研究、煤自燃、突出煤、煤分類、選煤工業(yè)、配煤煉焦和煤液化等領(lǐng)域[2-4]。

在調(diào)研國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文分析了煤巖學(xué)在煤礦安全方面的研究進(jìn)展，并將煤巖學(xué)在煤礦安全中的應(yīng)用概括為下面4個(gè)方面：煤自燃、煤與瓦斯突出、巖石力學(xué)和職業(yè)健康安全。在此基礎(chǔ)上，本文具體闡述了其今后的發(fā)展方向。

1 在煤自燃中的應(yīng)用

1.1 煤自燃及其危害

煤自燃火災(zāi)常發(fā)生在煤礦井下的采空區(qū)、遺留的煤柱、破裂的煤壁及浮煤堆積等地點(diǎn)。文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯示，煤自燃火災(zāi)約占礦井火災(zāi)的70%，部分嚴(yán)重的礦區(qū)其占比在80%～90%[5]。據(jù)報(bào)道，早在1961年，我國內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田淺部煤層就開始自燃。到上世紀(jì)七八十年代，烏達(dá)煤田涌現(xiàn)出數(shù)百個(gè)小煤窯，大規(guī)模的無序開采嚴(yán)重破壞了煤田地質(zhì)結(jié)構(gòu)，造成了煤田淺部多煤層燃燒。2002年的資料顯示，當(dāng)時(shí)烏達(dá)煤田著火面積307.6萬m2，約占整個(gè)煤田8.8%。2006年至2008年進(jìn)行的“滅火工程”，非但未能滅火反而加大了火災(zāi)治理難度，并釀成了生態(tài)環(huán)境災(zāi)難。煤自燃的危害可以總結(jié)為以下3個(gè)方面[5]：

(1)經(jīng)濟(jì)損失。煤自燃不僅會(huì)燒掉很大一部分煤炭資源，還會(huì)造成火區(qū)之間的煤炭資源無法開采。另外，火區(qū)滅火也會(huì)給礦區(qū)和地方政府造成一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

(2)安全危害。對(duì)于露天礦來講，煤層地下自燃會(huì)造成礦區(qū)下部巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，從而有可能引發(fā)地陷、突水等地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)于井工礦來講，煤自燃會(huì)導(dǎo)致礦井火災(zāi)與爆炸，并引發(fā)一系列次生災(zāi)害。

(3)生態(tài)環(huán)境危害。煤自燃會(huì)釋放大量有毒有害氣體，加劇地區(qū)的空氣污染和酸雨問題，加劇溫室效應(yīng)；致使地下水污染及流失；在地表造成巖石燒變、崩塌，在地面形成裂縫、塌陷，土壤沙化，對(duì)植物造成嚴(yán)重危害。

1.2 煤自燃的煤巖學(xué)研究

1.2.1 煤自燃因素

長期以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者從煤巖學(xué)的角度對(duì)煤自燃問題展開了研究，取得了一系列研究成果。NOTZOLD E[6]研究認(rèn)為在空氣循環(huán)不充分的地方，溫度的升高是由煤的導(dǎo)熱性差異造成的。且鏡質(zhì)組總是最易于自燃的顯微組分，但這種危險(xiǎn)性與外部因素(體積、密度等)組成。SCHRODER H[7]研究了煤的粒度組成、煤層厚度、煤級(jí)與自燃趨勢(shì)間的相關(guān)性，她將在沒有外源附加熱供給的條件下由于氧化作用產(chǎn)生放熱反應(yīng)而發(fā)生自燃的溫度稱為起始溫度。CHAKRAVORTY R N等[8]以及MORRIS R等[9]綜述了影響煤自燃潛力的因素(表1)，包括三大類：煤的內(nèi)在不可控因素、地質(zhì)的內(nèi)在不可控因素和采礦過程中的可控因素。

表1 煤自燃的關(guān)鍵因素

對(duì)于煤自燃的內(nèi)因，國內(nèi)外眾多學(xué)者從煤巖學(xué)的角度進(jìn)行深入的研究[5,10-11]，研究成果可以總結(jié)為表2所示。

表2 煤自燃的內(nèi)因研究

1.2.2 氧化煤

氧化煤的煤巖學(xué)研究最初是為了查明引起礦井火災(zāi)或煤自燃的原因。FERRARI B[12]在研究德國魯爾煤田爆燃火災(zāi)時(shí)指出，鏡煤在爆燃火災(zāi)中起了決定性作用，而其他組分卻很不容易吸收氧。有研究認(rèn)為，最穩(wěn)定和最少吸收氧的是暗淡煤和半暗煤；最容易氧化和吸收氧的是構(gòu)造糜棱巖化的鏡煤和鏡絲煤型煤。氧化初期，光亮煤比暗淡煤氧化得更迅速，但在后一階段，光亮煤的氧化作用就減緩了。

(1)顯微構(gòu)造和反射率。按氧化作用的性質(zhì)，氧化煤的顯微構(gòu)造有很大的差別。為了探索自然氧化或風(fēng)化煤不同顯微構(gòu)造的形成條件，在有控制的、條件極不相同的實(shí)驗(yàn)室中對(duì)各種煤進(jìn)行氧化。研究發(fā)現(xiàn)，在各種因素中，氧化溫度對(duì)氧化作用的性質(zhì)有相當(dāng)大的影響。

(2)氧化作用。當(dāng)煤在低溫下(150 ℃以下)受風(fēng)化時(shí)，由于通常局限于鏡質(zhì)組中微孔像、微碎裂、微裂隙的形成而往往共有特征的物理結(jié)構(gòu)。當(dāng)氧化溫度較高時(shí)(150℃以上)，一般會(huì)產(chǎn)生各種類型的纖維裂隙構(gòu)造。鏡質(zhì)組的反射率可能增加，也可能在裂隙邊緣或顆粒周圍形成氧化環(huán)，而位于顆粒內(nèi)部的鏡質(zhì)組的反射率可能會(huì)增加，偶爾可能找到圍繞有較暗的邊或環(huán)的鏡質(zhì)組。

1.2.3 煤自燃監(jiān)測(cè)

燃燒是O2吸收量的一個(gè)函數(shù)，在形成過氧化物復(fù)合物時(shí)產(chǎn)生熱量。復(fù)合物不穩(wěn)定，會(huì)釋放CO和CO2。監(jiān)測(cè)氣體成分是一種預(yù)防潛在煤自燃的方法，盡管在實(shí)際中CO2來源有很多，但是CO卻較少，因此一般通過監(jiān)測(cè)CO來預(yù)防煤自燃[13]。

FENG K K[14]研究了幾種用于預(yù)測(cè)自熱潛力的分析方法。靜態(tài)等溫試驗(yàn)被認(rèn)為是最好的預(yù)測(cè)指標(biāo)，其原理是測(cè)量產(chǎn)生的CO和吸附的O2比值，即CO/△O2。高CO/△O2表示對(duì)燃燒的敏感性高。交叉點(diǎn)溫度是一種廣泛使用的測(cè)試方法，它決定了自熱超過輸入熱量的點(diǎn)[14]。GOUWS M J等[15-16]提出了一種更詳細(xì)的微分熱分析儀(Differential Thermal Analyzer，DTA)衍生參數(shù)組合法。然而，F(xiàn)ENG K K[14]發(fā)現(xiàn)交叉點(diǎn)溫度能很好替代靜態(tài)等溫方法，最終的O2與CO/△O2之間具有很好的相關(guān)性。最終O2是由差異決定的，因此，不應(yīng)將其作為唯一的指標(biāo)。另外，類脂組的含量也與燃燒敏感性有關(guān)。類脂組和最終O2可以用于檢測(cè)交叉點(diǎn)溫度或靜態(tài)等溫法。

2 在煤與瓦斯突出中的應(yīng)用

煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中面臨的一種重大災(zāi)害。傳統(tǒng)上，研究人員對(duì)突出煤僅從采礦安全角度進(jìn)行研究，近20年來已發(fā)展到從煤巖學(xué)、地球化學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)等方面來研究其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征及氣體能量等[4]。

2.1 突出煤的宏觀煤巖特性

突出危險(xiǎn)煤層往往是具有碎屑狀、片狀、粒狀結(jié)構(gòu)的“構(gòu)造煤”，原生結(jié)構(gòu)的煤一般不發(fā)生突出?！皹?gòu)造煤”是在構(gòu)造應(yīng)力作用下，原生煤層發(fā)生碎裂、擠壓、揉搓，形成粒-粉狀。構(gòu)造煤已失去原來的條帶狀結(jié)構(gòu)，它在宏觀上主要有3個(gè)特點(diǎn)：①煤的原生結(jié)構(gòu)受到破壞；②具有明顯的構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征；③手試強(qiáng)度低[4, 17]。

構(gòu)造煤的原生宏觀煤巖組成常難以分辨，據(jù)研究常有兩種類型：一類是以亮煤和鏡煤為主、呈粒狀、鱗片狀，它所反映出的暗淡光澤是光干涉造成的；另一類是以暗煤和亮煤為主的暗淡煤，表現(xiàn)為破碎狀和塊狀，其煤巖組成中常含有較多的殼質(zhì)組。對(duì)北票礦區(qū)主要突出煤層的顯微組成統(tǒng)計(jì)結(jié)果(其中，鏡質(zhì)組最高達(dá)97%，最低達(dá)33%，一般為51%～84%；惰質(zhì)組1%～36%；殼質(zhì)組一般為0%～9%)也表明，鏡質(zhì)組仍然是突出煤的主要有機(jī)顯微組分。

2.2 突出煤的顯微煤巖特性

煤與瓦斯突出與構(gòu)造煤直接相關(guān)，構(gòu)造煤的影響因素除了構(gòu)造應(yīng)力、沉積條件、煤化程度等一系列因素之外，煤的性質(zhì)作為內(nèi)因也是一個(gè)重要的影響因素。

(1)鏡質(zhì)組。鏡質(zhì)組是突出煤中最主要的有機(jī)成分，其中的基質(zhì)鏡質(zhì)組不但占有較高比例，而且在突出與非突出的煤中表現(xiàn)出明顯差異。在突出煤中，主要是不均一基質(zhì)鏡質(zhì)體和塊狀鏡質(zhì)體，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體較少，且細(xì)胞腔常充填樹脂體、瀝青質(zhì)體等類脂物質(zhì)；在非突出煤中主要是均質(zhì)鏡質(zhì)體。

(2)惰質(zhì)組。突出煤中的惰質(zhì)組主要是結(jié)構(gòu)保存較差的絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、粗粒體和各種形態(tài)的微粒體。

(3)殼質(zhì)組。在突出煤，有較多的殼質(zhì)組成分，如木栓質(zhì)體、樹脂體、孢子體、角質(zhì)體等，且在中低煤化程度的突出煤在相對(duì)熒光強(qiáng)度較強(qiáng)。

(4)黏土礦物在突出煤中分布廣泛，大部分呈分散狀和條帶狀，且多余鏡質(zhì)體伴生，有的還充填在絲質(zhì)體胞腔和組分分界面之間。

(5)在煤化過程產(chǎn)生的次生組分。煤化過程中，煤中有機(jī)質(zhì)，特別是富氫組分會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的成烴作用，而易突出煤層常是富氫組分富集、成烴作用較強(qiáng)的煤層。伴隨著成烴作用的發(fā)生，易突出煤中常形成一些具有代表性和特殊意義的組分，主要包括：滲出瀝青體、各種類型的各向異性體、微粒體等。

2.3 突出煤的超微結(jié)構(gòu)

(1)非突出煤的超微結(jié)構(gòu)特征：在掃描電鏡下，非突出煤表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)均一，質(zhì)地純凈，表面平整，均質(zhì)致密，有時(shí)可見纖維貝殼狀端口或球狀斷口和放射狀細(xì)紋。

(2)突出煤的超微結(jié)構(gòu)特征：①超微斷口和微裂隙。突出煤中斷口脊線密度大，呈片狀，放大后可見次級(jí)構(gòu)造及三級(jí)構(gòu)造。微裂隙在突出煤中表現(xiàn)豐富，大小不一，形狀不同，從而使煤變成不規(guī)則塊體。②突出煤的破壞結(jié)構(gòu)特征。在掃描電鏡下，突出煤常有角礫狀、片狀、粒狀等破壞結(jié)構(gòu)。它們是在一定的構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤層發(fā)生脆性破裂或塑性流動(dòng)形成的。③突出煤的孔隙特征。煤孔隙是煤含瓦斯性、滲透性的重要參數(shù)，也是一項(xiàng)突出的重要因素。突出煤中微孔隙錯(cuò)綜復(fù)雜，除了植物殘留組織孔、晶間孔等非突出煤中的孔隙外，還含有較多的變質(zhì)氣孔。變質(zhì)氣孔對(duì)煤中的瓦斯流動(dòng)帶來了阻力，有利于瓦斯內(nèi)能聚集。

3 在巖石力學(xué)中的應(yīng)用

3.1 煤強(qiáng)度

機(jī)械化采煤過程中，煤的硬度過大會(huì)影響煤的可采性，它影響的因素包括以下3個(gè)方面[2]：

(1)地層壓力高，或者開采的相互作用。

(2)相對(duì)于煤的內(nèi)生裂隙的方向，工作面的方向選擇不正確。

(3)有厚的絲炭分層存在，或者煤的礦物含量高。

工作面方向的錯(cuò)誤可以通過測(cè)量煤的內(nèi)生裂隙系統(tǒng)的方向來辨別；所得到的結(jié)果以“煤的內(nèi)生裂隙玫瑰圖”形式表示。厚的或者礦化的絲炭分層一般用肉眼可以辨認(rèn)出來。如果對(duì)暗淡分層的性質(zhì)有懷疑時(shí)，可以采一個(gè)或幾個(gè)樣品在顯微鏡下作鑒定試驗(yàn)。當(dāng)一個(gè)煤層中夾的一些分層或凸透鏡體具有不利的或者礦化的內(nèi)生裂隙系統(tǒng)的特征時(shí)，這樣做不但對(duì)確定其顯微組分或顯微煤巖類型的組成及其礦物質(zhì)含量可能有用，而且對(duì)確定其抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度或它們的“可鉆性”可能有用。

煤的強(qiáng)度和硬度、抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性或可磨性有不同的估算方法，但所有方法都將顯示出與煤的等級(jí)、類型和等級(jí)相關(guān)的趨勢(shì)。在給定的等級(jí)下，由于顯微組分、條帶結(jié)構(gòu)和劈理密度的差異較大，單個(gè)巖石類型的抗壓強(qiáng)度差異較大[18]，如圖1、圖2所示。圖中，BB：光亮帶狀煤，鏡煤> 60%～90%;IB:夾層煤，鏡煤40%～60%；DB:暗帶狀煤，鏡煤10%～40%；DM:暗煤，鏡煤1%～10%;D:暗煤，鏡煤<1%。

圖1 Rv max= 0.8%單層煤巖類型在0.2 MPa圍壓作用下的峰值抗壓強(qiáng)度

圖2 不同圍壓條件下不同煤的抗壓強(qiáng)度分布

3.2 瓦斯抽放

瓦斯抽放特性是實(shí)測(cè)瓦斯含量、解吸速率和煤滲透率的函數(shù)。滲透率隨有效應(yīng)力的增大而減小，而有效應(yīng)力通常隨覆蓋深度的增大而增大。另外，結(jié)構(gòu)不連續(xù)會(huì)降低煤的強(qiáng)度，增加了用于采礦前和瓦斯抽采的煤的滲透性，進(jìn)而降低煤與瓦斯突出的可能性。圖3顯示了澳大利亞二疊紀(jì)布利土煤層的亮帶狀煤與暗煤滲透率的大小差異。圖中根據(jù)有效應(yīng)力估算深度。亮煤定義為亮帶狀>60%鏡煤；鈍煤<10%鏡煤。

圖3 澳大利亞悉尼盆地二疊紀(jì)亮帶狀暗煤滲透率與有效應(yīng)力

對(duì)于給定的壓力或深度，如果水平應(yīng)力垂直于工作面夾層方向，則充填作用可降低夾層滲透性。在地下礦山中，應(yīng)力大小和方向相對(duì)于固有宏觀結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，使得預(yù)測(cè)低滲透或突出區(qū)域成為一個(gè)多維問題。在斷層帶發(fā)生構(gòu)造變形或角礫化的煤附近，當(dāng)氣體積聚而無法逃逸時(shí)，這種情況比較普遍。

3.3 黏土等膨脹礦物

煤中最重要的礦物組是粘土礦物類，其平均含量約占與煤共生的礦物質(zhì)總量的60%～80%，但對(duì)其成因的了解還較少。煤的所有顯微煤巖類型中都可能或多或少地含有粘土礦物。因此，可以區(qū)分出微鏡煤質(zhì)、微亮煤質(zhì)和微暗煤質(zhì)的微碳泥質(zhì)巖。微絲煤質(zhì)的微碳泥質(zhì)巖很少見，微鏡煤質(zhì)和微亮煤質(zhì)的微碳泥質(zhì)巖類型最常出現(xiàn)。

粘土礦物、微碳泥質(zhì)巖和泥質(zhì)頁巖在有水的情況下能夠膨脹。膨脹性能以蒙脫石組礦物最為強(qiáng)烈，伊利石也有膨脹。膨脹常伴有強(qiáng)度的顯著降低，并可能導(dǎo)致礦物完全崩解。這就是煤礦中底板隆起和某些富含黏土的頂板支護(hù)困難的原因之一[2]。

4 在職業(yè)健康安全中的應(yīng)用

盡管煤炭開采技術(shù)很成熟，但有關(guān)其健康后果的研究成果仍在不斷涌現(xiàn)。人們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到，在采礦過程中吸入粉塵與煤會(huì)導(dǎo)致礦工塵肺(Coal Workers′ Pneumoconiosis，CWP)，其特征是在肺氣體交換區(qū)發(fā)生粉塵引起的病變。研究表明，可吸入煤礦粉塵的質(zhì)量與CWP的發(fā)生和嚴(yán)重程度有直接關(guān)系。該疾病是空氣中的粉塵量和礦工吸入可呼吸粉塵的累計(jì)時(shí)間的函數(shù)。CWP也受到煤階的影響，對(duì)于類似的粉塵暴露，CWP在無煙煤礦工中的流行程度是低級(jí)煤礦工的5倍。美國、英國、法國和德國的研究表明，盡管可吸入粉塵的暴露程度相當(dāng)，但不同煤礦的CWP患病率和嚴(yán)重程度存在顯著差異。

根據(jù)美國煤炭工人塵肺病的研究和美國地質(zhì)調(diào)查局的煤炭質(zhì)量數(shù)據(jù)庫表明，CWP在美國7個(gè)礦區(qū)流行度與煤中具有生物可利用性鐵(Bio-available Iron，BAI)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r= 0.94,p<0.001 5)[19]。CWP患病率也與黃鐵礦(r= 0.91,p<0.004 8)或總鐵(r= 0.85,p<0.016)含量有關(guān)，但與煤階(r= 0.59,p<0.16)或二氧化硅(r= 0.28,p<0.54)含量無關(guān)。有學(xué)者利用CWP患病率的線性擬合和計(jì)算得到的7個(gè)煤礦地區(qū)的BAI，進(jìn)而得出并繪制了7 000個(gè)煤樣的塵肺潛在可能性(見圖4)。研究表明，即使在大規(guī)模開采之前，煤中BAI的含量也可以用來預(yù)測(cè)煤的潛在毒性。

圖4 美國7個(gè)地下煤礦黑肺病患病率與BAI之間的相關(guān)性

5 結(jié)論

(1)煤礦安全問題不僅受開采工藝、埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，而且與煤自身性質(zhì)密切相關(guān)。我國煤炭資源分布廣泛，資源量大，如果能建立全國煤炭煤巖特征數(shù)據(jù)庫，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析得到的結(jié)論不僅可以用于指導(dǎo)煤炭綜合高效利用、能源礦產(chǎn)普查與勘探、環(huán)境治理等方面，也能用于指導(dǎo)煤礦安全管理工作。

(2)煤巖學(xué)在煤礦安全領(lǐng)域有一些應(yīng)用，但是目前來看其在煤礦安全管理、煤礦災(zāi)害事故調(diào)查方面應(yīng)用還不是很多。基于傳統(tǒng)的采礦學(xué)知識(shí)，如沖擊地壓、煤與瓦斯突出理論和煤自燃防治，對(duì)煤巖學(xué)進(jìn)行交叉研究可能是一個(gè)很好的研究方向。