構造煤的研究現狀及其對煤與瓦斯突出產生的影響

周少華 楊洋

(神華寧夏煤業集團金鳳煤礦,寧夏吳忠 751504)

構造煤的研究現狀及其對煤與瓦斯突出產生的影響

周少華 楊洋

(神華寧夏煤業集團金鳳煤礦,寧夏吳忠 751504)

煤與瓦斯突出一直是煤礦安全生產中需要克服的重大問題,很多研究表明,煤與瓦斯突出災害的發生與構造煤有關。通過分析整理有關構造煤的分類、瓦斯放散特性、微觀結構特征和力化學作用等研究,來進一步綜合認識構造煤對瓦斯突出災害發生的影響程度,為各煤礦進行安全生產起到一定的認知作用。

構造煤 瓦斯突出

1 緒論

煤與瓦斯突出是煤礦井下發生的一種復雜的有煤、巖和瓦斯參與的動力現象[1]。這一現象常發生在地質構造地帶，這表明地質構造的復雜程度與煤與瓦斯突出有密切聯系。從力學的角度來看，煤與瓦斯突出的發生、發展過程是瓦斯壓力、煤體力學性質、地應力三者共同作用的結果；從煤的微觀角度來看，煤作為一種多孔質介質，其孔隙表面對瓦斯具有很強的吸附能力，吸附瓦斯的方式以物理吸附為主，可以說是地質構造控制了煤與瓦斯突出。因此，研究構造煤的特征，對總結煤與瓦斯突出規律、預測預防煤與瓦斯突出起到非常重要的作用。

2 研究現狀

構造煤是原生結構煤在構造應力作用下形成的具有新的結構特征的變形煤，但煤巖成分變化較小。在煤巖層和瓦斯組成的力學系統中，構造煤對煤與瓦斯突出起到了極為重要的作用，研究構造煤是煤礦瓦斯災害防治和煤層氣開發的重要內容之一。

現階段，構造煤與瓦斯突出的研究主要分為以下幾類。

2.1 構造煤的分類

為了對不同破壞類型煤進行區分和認識，前人進行了大量的工作研究[2-9]，從構造煤的內部細分層褶皺情況、突出難易程度和煤結構的破壞程度、宏觀和微觀結構特征、手標本和煤巖光片觀測、結構特征及其形成的環境條件、手標本或鉆井煤芯為尺度、成因結構和構造等方面對構造煤進行了分類，其中最為普遍的分類是前蘇聯礦業研究所的分類方法—將構造煤按照結構特征分為五類，也即2006年我國《煤與瓦斯突出礦井鑒定規范》中規定的五類破壞類型煤：非破壞煤(Ⅰ類)、破壞煤(Ⅱ類)、強烈破壞煤(Ⅲ類)、粉碎煤(Ⅳ類)和全粉煤五類(Ⅴ類)[10]，見表(1-1)。

2.2 構造煤的瓦斯放散特征

大量的研究證明，構造煤的瞬間釋放散瓦斯能力的大小對瓦斯突出的發生、及大小程度有著直接關系。富向等[11-12]通過對構造煤與非構造煤在微觀結構上差異的分析，對構造煤的微觀、宏觀進行了數值模擬研究，得出構造煤在應力降低或者解除時，瓦斯的運移規律用Fick定律比Darcy定律更為合理。構造煤前一分鐘瓦斯放散速度規律更符合文特式，且第一秒時的衰減系數、△P、瓦斯放散速度等參數與非構造煤均有很大差異。

2.3 構造煤的微觀結構特征

煤的結構包括兩方面：一方面是煤的化學結構(分子結構)，在化學反應過程中，孔隙結構起到了非常重要的作用，因為孔徑分布及比表面積的變化能夠直接影響到氣化或者燃燒過程中的化學反應速率[13]。另一方面是煤的物理結構，孔隙結構是煤的物理結構的主要部分，煤的許多物理性質尤其是吸(脫)附特性很大程度上取決于煤的孔隙結構。

煤是一種包含著不同粒徑孔隙系統的孔隙介質，其對瓦斯的儲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-裂隙系統的存在而使氣體具有流動的特征，其結構特征(孔徑結構、孔容、孔比表面積、孔隙率等)決定了煤的吸附、擴散和滲流特性。

煤的孔隙類型目前存在的3類主要劃分系統如下。

①煤孔隙的成因分類。張慧[14]將煤孔隙的成因類型劃分為四大類(原生孔、外生孔、變質孔、礦物質孔)十小類。Gan[15]等按孔隙的成因將孔隙劃分為分子間孔、煤植體孔、熱成因孔和裂縫孔。這些孔隙發育的結構特征對瓦斯氣體的生成、儲存、運移都起到了很大的作用。

②煤孔隙的孔徑結構分類。前人從不同的研究角度對煤的孔徑進行了分類，歸納如表1-2所示。

③煤孔隙的形態分類。陳萍等根據實驗結果將煤中不同形狀的孔分為三類：第I類為能產生吸附回線的開放性透氣性孔，如(e)、(f)；第Ⅱ類為一端封閉的不透氣性孔，如(a)、(b)、(c)、(d)，這類孔不會產生吸附回線；第Ⅲ類為一種特殊形態的孔，即細頸瓶形孔(g)，這種孔雖然是一端封閉的，但它卻能產生吸附回線，且在這種孔所引起的回線上有一明顯的標志，即解吸分支上有一個急劇下降的拐點[16]。

2.4 構造煤的力化學作用

力化學的概念是Peter在20世紀60年代第一次正式提出的，他把它定義為“物質受機械力的作用而發生化學變化或者物理變化的現象”。從能量角度看，力學與化學的相互關系是機械能與化學能的相互轉化。

河南理工大學張子敏等[17]研究了煤的力化學作用類型、力化學能量來源及煤結構演化的影響，認為煤的力化學作用是煤結構演化的一個重要過程，其能量來源有靜水壓應力和地殼構造應力；構造煤是在煤層構造作用下發生變形、破壞而形成的，在構造作用下能夠發生發生裂解、聚合、異構、芳構、分子重排等多種化學一物理反應的過程。

3 構造煤與瓦斯突出

通過對以上大量的前人實踐經驗進行總結，可以證明：構造煤和煤與瓦斯突出事件的發生有著密切的關系。因此在實踐中能夠正確的判定構造煤的存在，是避免和減少煤與瓦斯突出事件發生的一個主要目的。

構造煤對煤與瓦斯突出的控制作用，主要表現為以下幾個方面[18]：①從煤體的結構特征方面看，構造煤有著較高的孔隙率和較差的透氣性，導致構造煤體既能保存更多游離瓦斯也能保持相對較高的瓦斯壓力。這就是煤與瓦斯突出發生所需的動力條件也是事故發生的內因。張紅日等[19]以利用壓汞、低溫氮實驗為手段，對河北下花園煤礦的易突出構造煤層進行研究，得出該地區構造煤孔隙類型以封閉型為主，此類構造煤具有巨大的比表面積，吸附性能強，利用瓦斯賦存，為瓦斯突出提供能量條件。②構造煤經地質構造運動的作用后，煤體結構受到不同程度的破壞：外形呈碎粒和粉狀；裂隙及滑面發育，導致煤體抵御外力作用的能力大大降低，同時形成有利于煤與瓦斯突出事件發生的力學條件。③構造煤中的游離瓦斯，在煤體發生破碎作用時充當著“氣墊”的作用，有利于煤體顆粒相對移動；構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，導致煤體強度明顯降低。這兩方面的因素促使突出事件持續、迅速地發生與發展。④由于構造煤的強度低，所以其發生變形的幅度差異更明顯。例如：煤層采掘前，應力作用相對集中，使得構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，導致構造煤伸張變形幅度變大，進而煤體就會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，使得煤與瓦斯突出事故的發生更為容易。

表1-1 煤的破壞類型分類表

表1-2 煤孔徑結構劃分方案比較 單位:直徑/nm

圖1-1 煤的孔隙類型及特征

4 結語

(1)經分析，可知前人對構造煤的研究主要從構造煤的分類、瓦斯放散特性、微觀結構特征和力化學作用等方面入手。今后工作中，可以針對性的分別以五類煤為研究對象，探究其對瓦斯突出的影響，并進行比較。(2)構造煤對煤與瓦斯突出事件發生的影響程度，取決于構造煤煤體破壞程度的大小，也就是取決于構造煤內部的空隙特征及表面結構。(3)本文只是對前人的研究工作進行了系統的整理，并闡述了構造煤對瓦斯突出的影響，有關深入的研究，將在今后的工作中借助實驗進行分析與證明。

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周少華(1983-),男,寧夏銀川人,碩士,礦業工程專業,2011年碩士畢業于河南理工大學安全科學與工程學院,現在神華寧夏煤業集團金鳳煤礦工作。楊洋,河南理工大學2011年6月份本科畢業,安全工程專業,現在在金鳳煤礦通風隊，通風技術員。