構造煤和煤與瓦斯突出關系的研究

程遠平雷 楊

(1.中國礦業大學 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇 徐州221116;3.中國礦業大學 安全工程學院,江蘇 徐州 221116)

煤是由植物殘骸在沉積過程中經過漫長復雜的生物化學、物理化學及地球化學作用轉變而成的一種固體可燃有機巖[1]。煤層的形成和分布除受沉積因素影響外,也和構造變化有關,這最終導致了煤層賦存的復雜性和多樣性[2]。在腐殖型有機物的成煤和變質過程中,會產生以甲烷為主的煤層瓦斯,主要以吸附態存在于煤的孔隙中。煤層瓦斯是一種清潔能源,然而也是煤礦開采中的重大危險源。自1834年法國伊薩克煤礦首次記錄煤與瓦斯突出(以下簡稱突出)以來,全世界共發生了30 000 多次突出[3-4]。在過去的幾十年里,突出作為煤礦生產中最具破壞性的災害之一,造成了嚴重的經濟損失和人員傷亡。通常認為,突出的發生與地質構造、煤體性質、瓦斯壓力、應力狀態等多個因素有關。

由于構造作用(如斷層、褶曲、滑移等)的影響,煤的原生結構會被破壞,造成煤體的嚴重破碎甚至是粉化[5]——這種受到了嚴重破碎或粉化的煤通常稱為構造煤或地質構造變形煤。換句話說,構造煤是在一期或多期構造應力作用下,在原生結構發生不同程度的脆裂、破碎、韌性變形、疊加破壞甚至達到內部化學成分和結構變化后形成的煤[6]。構造煤在中國乃至世界上均廣泛分布。相對于原生煤而言,構造煤表現出低強度、弱黏結的特征[7],這在突出的發生和發展中扮演了關鍵的作用。一方面,構造煤的低強度特性降低了突出的力學條件。另一方面,構造煤破碎后易于形成大量的小顆粒散體煤,這些細煤粉具有極快的瓦斯解吸速率,為突出煤(巖)的搬運提供了巨大的動力[8]。例如1977年的中梁山突出,瓦斯涌出量38 540 m3,突出強度817 t,拋出距離167 m,但是持續時間僅39 s。趙偉等[8]通過理論分析得出中梁山突出中破碎煤體的粒徑需要低于0.117 mm 才能在這樣極短的時間內提供足夠的解吸瓦斯來滿足搬運功的需求,指出突出煤體低于臨界粒徑(通常在0.1 mm 附近)后具有的快速解吸能力是突出能夠持續發展的關鍵。因此,瓦斯膨脹潛能很大程度上依賴于氣體解吸能力,這在突出危險等級的判定中扮演了重要角色。

除了低強度和弱黏結,構造煤還有一個重要的特征是其在原位條件下的低滲透性。一般認為,這是由于煤的割理系統在構造應力的作用下發生了變化,最終導致了滲透率急劇下降[9]。例如,陽泉礦區的煤層滲透率約為1.70 × 10-17m2(1 mD = 0.987 ×10-15m2),淮南礦區為1.97×10-19～1.07×10-16m2,淮北礦區為6.9×10-19～9.87×10-19m2,松藻礦區為1.23×10-18～2.07×10-17m2[10]。由于構造煤的滲透率遠低于相鄰的原生煤(通常大于10-15m2)[10],這些區域會形成對瓦斯流動的天然封堵,使得局部區域出現瓦斯富集[11],為突出的發生提供了能量條件[12]。另一方面,構造煤區域的低滲透性也給瓦斯抽采帶來了困難,不僅不利于防治瓦斯災害,也限制了用地面井對煤層氣的開發,造成了能源的極大浪費[13-15]。

由于構造煤在能源開發和采礦安全中扮演著重要的角色,國內外學者開展了大量與構造煤有關的研究,例如構造煤的形成機制[16-17]、構造煤的地球化學特征[18-19],構造煤的儲層性質[20-22]以及有關構造煤分類的綜述[23]。其中,構造煤與突出之間的聯系被廣泛關注。GRAY[24]總結了來自8 個煤炭生產國的105 起突出事件,除與構造類型的關系尚不清楚的18起外,與構造關系明確的突出案例達87 起,其中95.4%發生在構造帶中,如斷層、褶曲和復雜構造地帶的區域。SHEPHERD 等認為亞洲、歐洲和北美、澳大利亞等地90%以上的突出都發生在非對稱的褶皺、斷層和層滑構造等強烈變形區域[4]。SATO 等[25]發現突出區域幾乎是沿著正斷層延展的,認為正斷層在日本Sunagawa 煤礦的突出中起了很大作用。此外,中國豫西“三軟”煤層在低指標(如低瓦斯含量與低瓦斯壓力)下存在嚴重突出的現象也被證明與構造煤存在密切關系[26]?？傮w而言,突出是受地質構造控制的動力災害,其與構造煤的聯系是廣泛存在的[27]。但是,由于對構造煤與原生煤的基本性質缺乏詳細的分析和對比,仍不清楚突出的發生與煤體特性之間究竟存在怎樣的定量關系,構造煤為何易于突出仍缺乏有力的論證。

搭建突出機理與構造煤特性之間的橋梁對實現突出防治有重要意義。為進一步揭示突出災害與構造煤之間的內在關系,需要對構造煤與原生煤的地質成因、孔隙結構、甲烷吸附、解吸、擴散、滲流和力學性質等進行系統性的分析對比,并結合突出能量進行定量計算。

中國大多數成煤盆地經歷了多期構造運動,形成了復雜的構造[28]。這導致煤層發生破碎或強烈的韌塑性變形及流變遷移,形成構造煤[29]。中國的成煤時期與世界其他地區相同,主要在石炭紀,二疊紀,三疊紀,侏羅紀,白堊紀和古新近紀[30]。古生代石炭紀和二疊紀煤主要分布在中國中東部和華南地區。在成煤期之后,經歷了連續的構造運動,包括印支期(晚二疊紀至三疊紀,257～205 Ma),燕山期(侏羅紀至早白堊紀中生代,205～135 Ma),四川期(早白堊世至古新世,135～52 Ma),華北期(始新世至漸新世52～23.5 Ma)和喜馬拉雅(新近世早期至更新世,23.5～0.78 Ma)[31]。這些板塊的構造運動和造山作用引起碰撞、隆升、下陷、擠壓、張拉、斷層、巖漿活動和其他地質運動,使煤層變形、滑移和剪切。這些構造運動改變了煤的厚度、結構和變質程度。根據前人在現場勘查、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和孔隙結構的研究成果[20,32],普遍認為構造煤是原生煤在一期或多期構造應力作用下,煤體原生結構和構造發生不同程度的脆裂、破碎或韌性變形或疊加破壞甚至達到內部化學成分和結構變化的一類煤。其具有低強度、低滲透性、吸附能力強和擴散速度快等性質。

1 我國構造煤分布與地質成因

由于構造煤的賦存與構造作用有關,因此構造煤可在中國西南和中東部大部分地區找到。對應的,中國西北和華北北部因為成煤期相對較短且經歷的構造運動較少,所以構造煤在這些地區不太典型。圖1給出了中國構造煤的可能分布[10]。應該注意的是,由于長期的地質構造作用,任何區域的煤田中都可能出現構造煤,因此圖1僅是一種可能的圖示。

構造煤的地質成因取決于尺度,包括區域和局部尺度[33]。對于區域尺度,例如煤田規模甚至更大的范圍內,層理滑動是主要控制因素。對于局部尺度,例如工作面,貫穿煤層的斷層則是主要控制因素[34]。

在區域范圍內,順層滑動引起的煤層流變和韌性剪切帶會導致煤層變形程度不同[35]。煤系地層在沉積以后,地層由于擠壓構造作用力的影響而發生褶皺。煤層是一個軟巖層,通常具有許多分層,在分層界面上的力學性能差異很大[36],因此煤層通常首先發生變形。在此過程中,由于順層滑動,受影響的煤的孔隙度增加,這使煤變得更加疏松,煤骨架的力學性能降低。圖2(a)和(b)說明了區域規模構造煤的形成機制。

在局部尺度上,基于動力力學理論,王恩營等[5]分析了正斷層和逆斷層在不同時間和空間下的應力分布和構造煤發育特征。研究表明,無論斷層是正斷層還是逆斷層,斷層的上盤為主動盤,下盤為被動盤。構造煤作為斷層的伴生產物,其在斷層的上盤會更加發育。圖2(c)顯示了由于斷層造成的局部規模構造煤的形成機制。

構造煤和原生煤在微觀尺度上的差異也是顯著的,圖3給出了兩者掃描電鏡的圖片?？梢钥闯?構造煤多發育有裂隙面(圖3(a)),裂隙面是不均勻的,呈層狀堆積,其表面具有許多凹凸結構。原生煤的表面相對平整,偶有孔洞和礦物質(圖3(b))[37]。特別是,與原生煤相比,構造煤的表面具有更多的亞微米級顆粒,例如黏土顆粒和微小的煤碎片。

2 構造煤的儲層特性

2.1 構造煤的孔隙結構

圖1 中國境內可能的構造煤分布Fig.1 Possibility distribution of tectonic coal in China

圖2 構造煤地質成因示意Fig.2 A schematic drawing of geological genesis of tectonic coal

通常認為,結構破壞是造成構造煤孔隙結構與原生煤差異的關鍵因素之一。不同類型構造煤(碎裂煤、粒狀煤和糜棱煤)的孔隙結構會因為破碎程度的不同產生很大的差異[38]。圖4比較了原生煤和構造煤的孔體積和比表面積[17,22,39-48]。一般而言,煤的鏡質組反射率(Ro)越大代表煤的變質程度越高?？梢钥吹?對于不同類型的構造煤,隨著變質程度的增加(即Ro增大時),其大孔和中孔的孔隙體積和比表面積均呈下降趨勢。其中,在高變質階段(Ro>2.0%),大孔的孔隙體積,中孔的孔隙體積和中孔的比表面積隨變質程度的增加而增加(圖4(a),(c),(d)),而大孔的比表面積卻沒有呈現明顯趨勢(圖4(b))。盡管很難區分碎裂煤和粒狀煤與原生煤之間在中孔段的差異,但是糜棱煤的中孔孔隙體積和比表面積比原生煤明顯要高。對于微孔而言,由于數據點太離散,原生煤和構造煤之間沒有明顯的差異(圖4(e),(f))。

圖3 大寧煤礦構造煤和原生煤的SEM 圖像[37]Fig.3 SEM images of tectonic coal and intact coal in the Daning Coal Mine[37]

對于不同破壞程度的構造煤,碎裂煤的孔隙體積和比表面積與原生煤最為相似,其次是粒狀煤,差異最大的是糜棱煤。其中,粒狀煤和糜棱煤大孔的孔隙體積和比表面積一般都高于原生煤,這表明大孔隙在強烈的構造作用后顯著發育。但是構造煤的中孔體積和比表面積與原生煤相比沒有明顯差異,并且在中至高變質階段,原生煤的孔隙體積和比表面積均比構造煤高。這種孔隙結構之間的差異是變質作用和構造作用綜合影響的結果?？傮w而言,構造煤不同孔徑的孔隙體積均會因構造作用的影響而增大;但是,由于變質作用,煤中較小孔總體上具有孔體積減小的趨勢,這種趨勢增強了芳構化和芳環的收縮,同時也增加了煤中大分子的有序度[49-50]。因此,原生煤和構造煤的中孔孔隙體積和比表面積是重疊的,差異不如大孔明顯。對于微孔而言,它們更容易受到變質作用的影響,而非構造作用,導致原生煤與構造煤之間沒有明顯的差異。綜上,構造煤孔隙體積的大幅度增加可主要歸結于大孔隙更易發生構造作用。

2.2 構造煤的吸附/解吸性能

在儲層溫度和壓力條件下,煤中的瓦斯吸附是物理吸附,并且是壓力,溫度和表面積的函數[51]。吸附態密度較大,能提供大量的解吸瓦斯,這是煤與瓦斯突出的主要因素之一,也是煤層氣的來源[52]。Langmuir 吸附模型是廣泛應用于煤瓦斯吸附[21,39]的模型:

式中,Q為吸附氣體的體積,m3/t;VL為Langmuir 體積,m3/t,是基于單層吸附的吸收劑的最大吸附容量;p為平衡壓力,MPa;PL為Langmuir 壓力,MPa,是吸附體積(Q)等于Langmuir 體積(VL)一半時的壓力。

圖4 原生煤與構造煤的孔隙體積和比表面積比較[17,22,39-48]Fig.4 Pore volume and specific surface area comparison between intact and tectonic coals[17,22,39-48]

如圖5所示,隨著煤的鏡質組反射率增大,構造煤和原生煤的Langmuir 體積均呈不對稱“U”形。即,Langmuir 體積從低階煤到中階煤呈下降趨勢,然后從中階煤到高階煤呈上升趨勢,這與以往的結果一致[37,44]。如2.1 節所述,隨著煤變質程度從低級到中級的增加,煤的微孔體積和比表面積會降低。由于大部分的物理吸附發生在煤的微孔結構中[53],因此微孔體積和比表面積的減少會導致吸附能力的降低[54]。對應的,中階煤到高階煤伴隨著微孔體積和比表面積的增加則會使吸附能力增大,并且此時總碳含量的增加同樣也將導致吸附能力的增大[55]。此外,從圖5中也可發現,構造煤的Langmuir 體積通常比原生煤的Langmuir 體積大。這可歸結于構造煤更加發達的孔隙結構導致了更大的氣體吸附能力。另一方面,受構造作用的影響,構造煤碎裂度的增加也會導致吸附位的增加[55]。吸附量達到極限吸附量一半時的Langmuir 壓力是氣體與表面之間吸附親和力的量度,較低的Langmuir 壓力意味著較強的吸附親和力。如圖5所示,朗格繆爾壓力在變質程度方面顯示出類似的不對稱“ U”形趨勢,并且最小Langmuir壓力對應的鏡質體反射率高于最小Langmuir 體積的鏡質體反射率。此外,構造煤的Langmuir 壓力通常小于原生煤的Langmuir 壓力,這表明甲烷與構造煤的親和力要強于原生煤。

圖5 Langmuir 體積與Langmuir 壓力和鏡質組反射率之間的關系[21,39,43-44,53-55]Fig.5 Relationship between Langmuir volume,Langmuir pressure and vitrinite reflectance[21,39,43-44,53-55]

無外界干擾條件下,煤中的吸附瓦斯和游離瓦斯處于動態平衡狀態。當煤儲層壓力降到臨界解吸壓力以下時,動態平衡將被破壞,瓦斯將開始解吸,直到建立新的動態平衡為止。需要注意的是,解吸是吸附在煤孔隙表面的瓦斯分子從基質孔隙表面離開的過程,而擴散是瓦斯分子通過基質中的孔隙網絡傳輸到裂隙的過程[56]。解吸時間通常是指從氣體離開孔隙表面到裂隙的特征時間,是考慮了煤尺度條件下的瓦斯釋放時間,具有現場實際應用意義。由于解吸過程比擴散過程快得多,因此解吸時間實際上是受擴散過程控制的,是擴散系數和基質形狀因子的函數。其中,形狀因子又與基質體積、基質與裂隙之間的質量交換面積以及擴散特征距離有關。基于不同的假設,以往的研究提出了許多關于形狀因子模型[57-60]。但是,由于構造煤基質和裂隙結構的關系并不清楚,因此基質形狀因子中的基質和裂隙質量交換面積以及擴散特征距離均未知。目前為止,構造煤的基質形狀因子仍不明確。在這種情況下,即使確定了構造煤的擴散系數,但由于基質形狀因子未知,要獲得實際環境中構造煤的甲烷擴散量依然面臨著巨大的困難。圖6繪制了構造煤和原生煤在不同吸附平衡壓力下的平均解吸速率[37,47,60-62]。由圖6可以看出,構造煤的平均解吸速率在相同壓力下普遍大于原生煤。并且,初始解吸速率隨吸附壓力的增大也有增長的趨勢。另一方面,由于煤中大孔為瓦斯的解吸提供了良好的擴散通道,所以初始解吸能力主要取決于發達的大孔[47],這說明原生煤比構造煤具有更多的中孔和微孔[63]。盡管瓦斯的解吸速率也受到變質類型和構造變形程度的影響[55],但是構造煤普遍比原生煤具有更高的初始瓦斯解吸能力,這種快速解吸的能力對突出危險區預測和防突措施的實施有直接影響[64]。

圖6 不同時間段中構造煤和原生煤的平均解吸速率[37,47,60-62]Fig.6 Average desorption rate of tectonic and intact coals at different times[37,47,60-62]

2.3 構造煤的擴散性能

氣體在材料中的宏觀遷移稱為氣體擴散,這是由氣體分子的熱運動引起的[65]。煤層可被視作由基質孔隙和圍繞煤基質的裂隙組成的雙重孔隙系統[56]。通常而言,通過煤基質孔隙的甲烷流動被視為擴散過程,而裂隙系統中的甲烷遷移被視為達西滲流[56]?；诳伺瓟礙n可將多孔介質中的氣體擴散分為Fick 擴散,Knudsen 擴散和過渡擴散[66]。Kn的表達式為

其中,Kn為克努森數;λ為氣體分子的平均自由程,nm;d為孔隙的代表性寬度,nm。當Kn≥10 時,氣體分子主要與孔壁碰撞,其流動為Knudsen 擴散。當Kn≤0.1 時,碰撞主要發生在氣體分子之間。當0.1< Kn <10 時,分子之間以及與壁的碰撞同樣重要,其特征是過渡擴散[66]。擴散通量是描述氣體擴散的關鍵物理量,其定義是單位時間內氣體通過單位面積的質量[65]:

其中,J為擴散通量,kg/(m2·s);D為擴散系數,m2/s;C為擴散氣體的質量濃度,kg/m3;x為擴散距離,m。在實際應用中,如考慮煤層中的瓦斯抽采時,單位時間內煤中的甲烷擴散量是一個重要的參數,它與擴散通量的關系[67]為

式中,Q為單位時間內單位體積煤中的甲烷擴散量,kg/(m3·s);σ為基質形狀因子,m-2,其值與煤基質的體積V、基質與裂隙之間的質量交換面積S,以及特征擴散距離L有關,滿足σ=S/(VL);為煤基質中的平均甲烷質量濃度,kg/m3;cf為裂隙中的甲烷質量濃度,kg/m3。

可以發現,表征氣體在多孔介質中擴散的關鍵參數是擴散系數和基質形狀因子。圖7收集了部分研究在不同壓力下獲得的甲烷擴散系數[37,62,66,68-74]。如圖7(a)所示,構造煤和原生煤的擴散系數都在10-15～10-7m2/s,不同煤樣品的擴散系數跨越了8 個數量級,顯示出高度分散的特性。圖7(b)進一步比較了構造煤和原生煤在相同采樣位置處的甲烷擴散系數比值,發現構造煤的甲烷擴散系數為原生煤的1.26～94.05 倍,平均為12.2 倍,表明構造煤甲烷的擴散系數通常顯著地高于原生煤。事實上,由于甲烷是在孔隙中擴散的,因此構造煤與原生煤在擴散系數上的差異可歸結于孔隙結構的不同。然而,甲烷擴散系數與孔隙結構之間的定量關系現在仍未明確。

2.4 構造煤的滲流性能

煤層的滲透率是一個重要的儲層性質,它控制著煤礦瓦斯抽采率和煤層氣產量。煤的滲透率主要與自身的裂隙系統(或稱割理系統)有關,同時也對外部環境比較敏感[75],受到周圍應力條件的影響[76]。為了比較構造煤和原生煤之間的滲透率,圖8中收集了一些有代表性的煤層氣生產區域的滲透率數據[77-79]?？梢园l現,原生煤的滲透率通常比構造煤高出2 個數量級以上。構造煤的低滲透率可主要歸結于其裂隙系統在高應力條件下被嚴重擠壓后導致的裂隙體積大幅度減少,這最終使得構造煤的滲透率顯著下降。

需要指出的是,與煤滲透率的現場測試相比,使用巖芯樣品在實驗室中進行滲透率測試是更為普遍的。然而,與結構完整,抗擾動能力強的原生煤不同,強度低、黏聚力弱的構造煤很難直接獲得巖芯試樣。因此用煤粉(有時加入膠結劑)制備的重構巖芯試樣被廣泛用于研究構造煤和滲透率。

圖7 原生煤和構造煤中的甲烷擴散系數[37,62,66,68-74]Fig.7 Diffusion coefficients of methane in intact coal and tectonic coal from literature[37,62,66,68-74]

圖8 不同區域的煤層滲透率[77-78]Fig.8 Coal permeability in different areas[77-78]

在這種情況下,原生煤的原始結構得到了很好的保存,其相關特性得以保留。但是對于構造煤,其原始結構在重構過程中會發生不可逆的改變,進而使得重構的型煤并不能完全還原構造煤的原始物理性質。事實上,大部分實驗室研究均表明,當有效應力相同時,實驗室測得的原生煤滲透率一般小于構造煤的滲透率,差異甚至可以達到2 個數量級[76,80-84],這與現場測試得出結論是截然不同的。這個現象以及背后隱藏著的問題是將來研究中應當引起關注的。

2.5 構造煤的力學性能

在這一節中,主要以抗壓強度和彈性模量來比較構造煤和原生煤的力學性能差異。圖9展示了不同地區的構造煤和原生煤在不同圍壓下的抗壓強度和彈性模量[85-91]?？梢园l現,構造煤的抗壓強度和彈性模量明顯低于原生煤:構造煤的單軸抗壓強度一般小于3 MPa,而原生煤的單軸抗壓強度為10～80 MPa;并且,大部分構造煤的彈性模量小于1 GPa,而原生煤的彈性模量為2～8 GPa。這種顯著的差異一方面是原生煤與構造煤結構不同導致的,另一方面可歸結于實驗室制樣過程的影響。事實上,構造煤力學性能的實驗室測試同樣遭遇到了無法完全重構構造煤體的問題。在這種情況下,構造煤的強度和彈性模量會不可避免得受到制樣過程的影響。

為了減少不同取樣地點和制樣過程帶來的影響,董駿等[20]利用從中國淮北煤田祁南煤礦的同一地點收集的構造煤和原生煤,直接將構造煤樣品與粉碎后的原生煤樣品篩分到所需的尺寸進行力學測試。如圖10(a)所示,構造煤和原生煤顆粒的有效彈性模量均隨粒徑的減小而增加。特別是,大多數原生煤顆粒的有效彈性模量高于相同粒徑的構造煤的彈性模量。此外,相對有效彈性模量(定義為原生煤與構造煤的有效彈性模量之比)隨煤粒徑的增加而增加,其值從2.72 變為4.57。圖10(b)為不同粒徑的構造煤和原生煤樣品的抗拉強度。類似地,2 個煤樣品的抗拉強度均隨著粒徑的減小而增加,并且原生煤的值明顯高于構造煤?？梢钥闯?相對抗拉強度(定義為原生煤與構造煤的抗拉強度之比)也隨著煤粒徑的增加而增加,相對抗拉強度從2.86 變為6.35。綜上,原生煤的彈性模量與抗拉強度要普遍高于構造煤,且原生煤與構造煤型煤樣之間的力學性能差異比兩者顆粒之間的差異更為顯著。

圖9 原生煤和構造煤的抗壓強度和彈性模量與圍壓的關系[85-90]Fig.9 Difference of mechanical properties between intact coal and tectonic coal[85-90]

圖10 原生煤和構造煤顆粒的有效彈性模量和抗拉強度的測量值與粒徑的函數關系[20]Fig.10 Measured and regressed values of effective elastic moduli and tensile strengths for intact coal and tectonic coal particles as a function of particle diameter[20]

3 煤與瓦斯突出能量分析

3.1 煤與瓦斯突出的發展過程

煤與瓦斯突出是地下煤礦中最具破壞性的災害之一。長期以來,突出的防治都是中國乃至全世界學者們關注的重點[92]。通常認為,突出是一個由多因素控制(如瓦斯、應力和煤體性質)的動力過程,包括孕育、激發、發展和終止4 個階段[8,12,41,92],如圖11所示。突出過程的本質是將煤層在長期地質構造過程中聚集的氣體能量和應力能量在極短時間內釋放的過程。在孕育階段,煤層以及煤層瓦斯的賦存狀態受到周圍的構造應力的控制[3]。當煤的原生結構經過一期或多期構造應力作用后,會發生不同程度的脆裂、破碎、韌性變形、疊加破壞甚至發生內部化學成分和結構變化,最終形成構造煤區域。這些區域往往導致煤層瓦斯的異常分布,形成局部瓦斯富集——在很多實際案例中,這都是誘發突出的一個主要因素。在激發階段中,突出能否發生取決于氣體壓力或環境應力是否超過了對應的閾值。需要指出的是,巖柱/煤柱的破壞往往是突出發生的先決條件,而這主要依賴于煤層中應力能的大小[93]。因此,當進入深部開采的高應力環境后,發生突出以及相關復合災害的危險性將顯著增大[12]。突出激發后,煤巖體迅速的失穩破壞,此時煤層形成初始暴露面,為后續的發展提供空間條件。進入發展階段后,破壞陣面不斷向突出煤層的內部發展,此時釋放出的大量瓦斯混合著突出煤巖體形成氣固流向巷道中猛烈噴出,只有當能量供給不足以支持氣固流的持續搬運時,突出才會終止。

圖11 突出過程的階段劃分及能量原理Fig.11 Stage classification for the dynamic process of outburst

突出煤的充分破碎是瓦斯供給能夠支撐煤體搬運的必要條件[8,12,64,94-95]。例如,趙偉等[96]基于1977年中梁山突出獲得的現場數據,認為突出過程中破碎煤體的平均粒徑需小于0.117 mm 才能提供足夠的解吸瓦斯能量以支撐煤體搬運,提出突出煤體在破碎至臨界粒徑以下后具有的快速解吸能力對突出的持續發展極為關鍵。需要指出的是,盡管突出發生后,煤層中瓦斯瞬間泄壓產生的壓力梯度以及搬運過程中含瓦斯煤顆粒間的碰撞也會導致突出煤體的破碎及粉化,但物理實驗與理論分析均指出基于這些方式產生的破碎率是較低的,煤體破碎的主要能量來源依然是應力能。例如,金侃等[97]基于相似模擬實驗在無應力條件下研究了突出過程中氣固二相流的運動過程,發現原生煤顆粒在搬運過程中的粉碎率僅為3.06%～8.15%,其中<0.074 mm 粉煤的質量分數低于0.41%,說明了瓦斯導致煤體破碎的能力是極其有限的。此外,涂慶毅等[98]分析了搬運過程中瓦斯作用導致煤體粉化的條件,指出與易于發生破碎的構造煤顆粒不同,原生煤顆粒發生粉碎需要極高的應力條件,甚至遠超過突出應力的范圍。

由于煤(尤其是原生煤)破壞/粉化的主要原因是應力能的釋放,因此應力條件決定了煤體的破碎程度,進而影響著突出發展過程中破碎煤體的瓦斯解吸能力。因此,突出的發生和發展均依賴于應力釋放時對煤體的破壞程度。

3.2 煤與瓦斯突出的能量計算

瓦斯膨脹能通常被認為是突出能量中最重要的組成部分,部分研究指出瓦斯膨脹能甚至比煤體的彈性能高出2 個量級以上[98,100,102,105]。突出災害的破壞力可主要歸結為氣體能量的釋放。但是,由3.1 節可知,氣體能量主要作用于煤體的搬運,而較少導致煤體的破碎。因此,無論瓦斯膨脹能和應力能各自的占比如何,突出的激發都需要應力達到足以使煤體破碎甚至粉碎的條件。事實上,應力能先于瓦斯膨脹能釋放,并在很大程度上決定了瓦斯膨脹能的大小。

能量守恒是自然界的普遍規律,煤與瓦斯突出的過程本質上也是能量積聚、轉移和釋放的過程。突出發生時,煤層中應力和瓦斯吸附的平衡態發生瞬時改變,導致存儲的彈性潛能和瓦斯能突然失穩釋放,然后煤巖體發生破碎并混合著高速瓦斯流向外部的采掘空間噴出。在這個過程中,突出能量守恒的表達式為

式中,W1為煤體的彈性勢能;W2為煤體中瓦斯的膨脹能;A1為破碎煤體消耗的能量;A2為搬運突出煤體消耗的能量;A3為其他能量耗散,如氣體的殘余動能以及突出煤體摩擦、震動、發熱、聲發射耗散能量等。

煤層在應力條件下的應力能,和瓦斯以膨脹做功的形式貢獻的瓦斯能[11,64,99-100]可以分別表示為

式中,E為彈性模量;σx,σy,σz分別為x,y,z方向上的應力;dv為氣體膨脹時體系體積的變化值;P0,P分別為環境壓力和煤層中的瓦斯壓力;γn為過程指數,常取1.3。

對于應力能而言,其大小受到應力條件和煤體自身物理性質的控制;對于瓦斯膨脹能而言,其大小強烈依賴于突出時的游離瓦斯壓力以及突出持續期間的瓦斯釋放量。在這些參數中,應力條件、壓力條件、煤體性質等可被認為是突出的初始條件或者環境條件,這些條件對瓦斯釋放量,特別是突出發展過程中的瓦斯解吸能力有著控制作用。以往的研究通常利用物理模擬實驗或者基于均質球形顆粒的單孔擴散模型(式(8))對解吸瓦斯的參與量進行估計。

式中,qt為t時間內的瓦斯解吸量;q∞為無窮時間后的總瓦斯解吸量;rc為顆粒直徑。

圖12列舉了以往研究對解吸瓦斯能量在總瓦斯膨脹能中占比的估計范圍[98,100-102]。可以發現,解吸瓦斯能量是氣體能量的重要組成部分,在很多突出案例的計算中均占到80%以上。物理模擬(<65%)和理論分析(>80%)之間的差異可主要歸結于實驗室中型煤的孔隙率過高(通常高于15%)使得游離氣體的占比偏大導致的[99]。前面提到,型煤孔隙率增大導致實驗室測得的滲透率普遍高于現場,這同時也會導致物理模擬實驗得到的解吸瓦斯能量占比普遍低于實際突出中的值。

圖12 解吸氣體的能量占比[98,100-102]Fig.12 Proportion of desorbed gas energy[98,100-102]

另一方面,由圖6和7 可知,在相同變質程度下,構造煤的極限解吸量(q∞)和擴散系數(D)均普遍高于原生煤,將數值代入式(8)可得單位時間內相同粒徑的構造煤比原生煤的解吸量高出1.12～9.70 倍,表明構造煤區域具有更大的解吸瓦斯的潛能。需要指出的是,除了本身具有的更高的解吸能力,構造區域導致的瓦斯富集(即q∞增大)同樣也是值得注意的,這會使得總的瓦斯膨脹潛能增大2 個數量級以上[103]。

在突出發展過程中,粒徑變化對瓦斯解吸能力的影響是非常顯著的。特別是,構造煤的力學性質決定其在相同應力條件下比原生煤更易破碎,這會導致構造煤突出時的解吸瓦斯參與量遠大于原生煤。若將式(8)對時間t進行求導,則可以進一步得出平均瓦斯解吸速率vt的表達式:

由于參數D和q∞并不會隨著粒徑的變化有明顯的改變[64],因此在這里可視為常數?；谑?9),并考慮煤體不均勻性帶來的影響[96,104],最終可以得到粒徑與平均解吸速率之間的關系:

式中,vt1和vt2分別為煤體在粒徑為rc1和rc2時的平均解吸速率;δ為考慮了煤體不均勻性影響的修正系數,通常取0.5～0.7。

若假設粒徑為1 mm 的煤體初始解吸速度為單位值1,并取δ=0.5～0.7,則可以根據式(10)可以得到如圖13所示的曲線,該曲線描述了破碎煤體相對解吸速度隨粒徑變化的規律?？梢园l現,當破碎煤體的粒徑小于某個臨界粒徑后,解吸速度會急劇增大。這些具有極快解吸速率的煤粉將在突出發展過程中提供巨大的能量供給,是突出煤體能夠持續搬運的關鍵。以往研究對于突出發展要求的臨界粒徑進行了實驗性與理論性的分析[100-101,104],指出臨界粒徑通常在0.1 mm 附近。

圖13 相對瓦斯解吸速率隨粒徑變化的規律Fig.13 Relation between relative gas desorption rate and particle size

綜上,解吸瓦斯能量在突出總能量中占有很大的比重,因此充足的解吸瓦斯供給是突出發展的關鍵,而這依賴于應力能對突出煤體的充分破碎。此外,與原生煤相比,構造煤在突出過程中更容易形成大量具有極快解吸速率的煤粉,這可為突出發展提供巨大的能量供給。

3.3 煤與瓦斯突出的必要條件

盡管已經明確了煤體破碎到臨界粒徑以下時具有的快速解吸能力對突出的發展極為重要,但是究竟需要怎樣的應力條件才能使得煤體達到這種破碎程度仍是不明確的。因此,需要進一步分析應力條件與煤體破碎粒徑之間的關系。

破碎比功(Γ)被普遍用來衡量煤的破碎/粉化特性,它表示了煤在破碎過程形成單位面積新增表面積所消耗的破碎功大小。若認為煤體的破碎主要是由于應力能的釋放,則單位體積突出煤體與應力能之間的關系可以近似的表示為(將煤顆粒視為球體):

式中,ΔS為破碎煤體的新增表面積;Γ為破碎比功;為破碎煤體的平均粒徑。

假設應力條件為σx=σy=σz,綜合式(6)和式(11),σx可以表示為

為了探究原生煤的和構造煤破碎時需要的應力條件,可以對兩者的力學參數選取一個合理的范圍進行計算。對于原生煤,取彈性模量2～8 GPa,破碎比功200～1 000 J/m2;對于構造煤,取彈性模量1 GPa,破碎比功10～50 J/m2;對于兩者而言,煤體破碎后的平均粒徑取0.01～3 mm,泊松比μ=0.3。圖14為煤體破碎粒徑與所需應力的關系,可以看出,所需應力隨著煤體破碎程度的增大而增大,特別是當粒徑降低到0.25 mm 附近時,所需要的應力條件急劇增大?？紤]到1 000 m 以內埋深所能提供的垂直應力和水平應力一般不會超過30 MPa,且大部分的突出都發生在埋深300～700 m 內[105],筆者在圖14中標記出了應力為30 MPa 的參考線。

圖14 煤體破碎需要的應力條件Fig.14 Stress conditions required for outburst development

如圖14(a)所示,對于原生煤而言,即使=3 mm,所需要的平均應力也達到了32 MPa。原生煤的破碎比功和彈性模量只有在相對較低的取值下才能使得所需要的應力條件處于30 MPa 的參考線以下。盡管如此,的最小值也超過了1.1 mm,這種破碎程度依然遠超過臨界粒徑(通常在0.1 mm 附近),其解吸能力是難以滿足突出需求的[98,100-102,104]。根據式(12),若要使原生煤的達到0.1 mm,所需的應力條件為100～191 MPa。顯然,原生煤破碎到臨界粒徑所需要的應力條件在目前采掘深度下是極難達到的。

如圖14(b)所示,對于構造煤,其平均粒徑d在30 MPa 應力條件下能達到的最小值約為0.07 mm,這滿足目前絕大多數研究中對臨界粒徑的估計值。尤其是,在現有采掘深度的應力范圍之內,構造煤可以很容易的達到≥0.4 mm,其平均破碎程度顯著高于原生煤。因此,在相同的應力條件下,構造煤在突出過程中提供的解吸瓦斯量會遠超過原生煤,表明構造煤具有極高的瓦斯膨脹潛能。此外,也需要指出的是,應力對煤體的破碎只是突出的一個必要條件,若初始瓦斯膨脹能沒有超過突出條件所需的閾值,則只會出現壓出等動力現象。第2 節中提到,構造帶由于低滲透特性,容易形成高瓦斯富集區,這為初始瓦斯膨脹能達到突出閾值提供了有利的條件,這也使得構造煤區域普遍具有更高的突出危險性。

綜上,目前采掘深度的應力條件可以很容易的將構造煤破碎到臨界粒徑以下,這使得構造煤在突出發展過程中具有極強的瓦斯解吸能力,成為突出能夠持續發展的關鍵之一。相反,若要使原生煤破碎到臨界粒徑,其需要的應力條件不僅遠高于構造煤,甚至會遠高于目前采掘深度能達到的應力水平。盡管對于低強度、低彈性模量的原生煤(或者說性質接近構造煤時),其在較高的應力條件下也是具備破碎條件的,但是由于達不到臨界粒徑的要求,破碎煤體的瓦斯解吸能力是有限的,這極大的限制了瓦斯的膨脹能。事實上,這也符合以往研究的統計規律,能夠很好解釋為什么絕大多數的突出現場均能發現構造煤的存在,而那些少數沒有發現明顯構造帶以及構造煤的突出案例通常只有非常低的突出強度。例如,澳大利亞僅發生了3 起與構造煤無關的突出,它們的突出強度均低于30 t[106],這表明大型的突出事故往往與構造煤密切相關。

4 討 論

通過對大量的突出案例發生地的統計分析,可以發現絕大部分的突出事故發生在地質構造地帶(斷層、褶曲、逆推等),這些區域分布著大量的構造煤。上面的分析表明,造成這個結果的根本原因是構造煤具有一系列區別于原生煤的特性,這些特性對突出的發動和發展至關重要。在本節中,筆者將對構造煤的物理性質和突出的能量進行系統性的分析,進一步揭示構造煤與突出的關系。同時,也會指出目前研究的不足,并提出潛在的研究方向。

4.1 構造煤是煤與瓦斯突出發展的必要條件

基于對構造煤的地質成因和儲層特性的分析可以得出,構造煤是構造應力使得煤的原生結構發生破壞/粉化后導致的,這使得構造煤具有低強度、弱黏結的特征,導致構造煤極易在地應力和瓦斯的作用下發生破壞。此外,瓦斯在構造煤中的賦存和流動與在原生煤中有如下3 個明顯差異:

(1)由于構造煤的更加發達的孔隙結構以及構造煤碎裂度增加進而導致的吸附位增加,導致構造煤通常比原生煤具有更強的吸附性,使得構造煤區域的瓦斯膨脹潛能更為巨大。

(2)構造煤的滲透率比原生煤的滲透率普遍低約2 個數量級,使得構造煤區域易于形成瓦斯的天然封堵區,導致瓦斯大量聚集,進而增大了孔隙壓力以及突出危險性。

(3)由于構造煤的基質尺度變小,瓦斯的流動速度加快,構造煤的初始瓦斯解吸速度顯著增大,不僅如此,這些黏聚力較弱的構造煤也更容易分解成具有極強解吸特性的粒狀甚至粉狀煤體,導致初始瓦斯解吸速率進一步的急劇增大,為突出發展提供巨大的有效瓦斯膨脹能。

因此,從儲層特性的角度來看,構造煤相對于原生煤而言具有多個利于突出激發及持續發展的特征。需要注意的是,在實際中,煤層力學性質的不均勻性是顯著的。根據斷裂力學,可以很自然的假設突出的激發通常是由于那些相對薄弱的,具有更低突出閾值的區域首先出現了煤體的破碎,進而導致煤層中儲存的氣體能量和應力能量瞬間失穩釋放,最終引發連續的煤體破碎和噴出。對于存在有地質構造帶的煤層,構造煤賦存的區域即是那些相對薄弱,易于發生突出的區域。但是,顯然并非所有的突出均是因為遭遇到煤層中更為薄弱的區域而觸發的—相當一部分突出事故的誘因是煤層的揭露。從地質學的角度來看,揭露新煤層時并不會總是正好采掘到煤層中的構造煤區域。然而從統計結果來看,完全是原生煤發生突出的案例極其稀少。顯然,這不能簡單歸結于是構造煤更易于突出導致的。

從突出發展的角度來看,煤的破壞和搬運是兩個必要過程。由于突出煤/巖搬運的需求,突出時需要煤體高度破碎,通常認為破碎煤體小于臨界粒徑后具有的快速解吸能力對突出的持續發展極為關鍵。但是,由于原生煤的強度特性,原生煤破碎到臨界粒徑時(取0.1 mm[100,104])消耗的破碎功是巨大的,需要應力條件達到100～191 MPa,而這種應力條件是目前的采掘深度難以達到的。相反的,構造煤在30 MPa 的應力條件下最小能達到0.07 mm,這滿足大多數研究中對臨界粒徑的估計值。這些具有極快的瓦斯解吸速率的構造煤顆粒能夠為突出發展提供大量的解吸瓦斯。因此,在實際情況中,突出初始階段首先發生破碎失穩的可以是原生煤甚至是強度更大的巖石,但是原生煤能達到的破碎程度難以提供足夠的解吸瓦斯以支持突出煤體的搬運,這使得突出能否持續的發展幾乎取決于附近是否存在構造煤。

構造煤與突出之間的關系最終可以描述為圖15。突出事故的統計結果、地質構造與突出的關系、煤體物理結構的分析表明,構造煤具有多個有利于突出激發和發展的特性。能量分析表明,現有采掘深度下的應力條件可以達到構造煤突出的要求。相反,原生煤發生突出時所需要的應力條件則遠高于構造煤,甚至會遠超過目前采掘深度下能達到的應力水平。因此,突出的發展強烈依賴于構造煤的存在。結果表明,構造煤不僅是更易于突出,更是突出的一個必要條件。

4.2 目前研究存在的不足

對于構造煤的研究,主要有2 個方面:煤粒和煤體。吸附解吸實驗需要使用構造煤顆粒,滲透率和力學測試需要構造煤的巖芯試樣,研究氣體擴散則煤粒和煤體皆可。對孔隙結構、吸附、擴散和力學性能的研究不僅是分析突出臨界指標的基礎,對于瓦斯抽采和利用也至關重要。但是在考慮瓦斯抽采和利用時,研究的對象是構造煤體而不是煤顆粒,此時已經不能再使用煤顆粒的物理性質。然而,對構造煤體的研究一直沒有引起足夠的重視。事實上,由于構造煤巖芯試樣的制備條件差異很大,因此擴散、吸附、解吸、力學性能和滲透率的結果也存在各種差異。其中,差異最大的是煤滲透率的測試,實驗室滲透率結果與現場結果會相差2 個量級以上。一般而言,構造煤在原位條件下的孔隙率通常小于6%,而重構構造煤樣品的孔隙率一般大于15%,其主要原因是樣品制備中應力條件不足。因此,為了更好地進行這些實驗,需要構造煤樣品的標準,并且該標準應能很好的復制原位條件下的各種特征性質。

圖15 突出與構造煤之間的聯系Fig.15 Relation between tectonic coal and coal and gas outbursts

對于突出能量的研究,主要有2 種方式:實驗和理論。控制突出的主要因素普遍認為有3 個:煤體性質、煤層瓦斯和應力條件。但是,即使是單個因素的細微變化也會對其他多個因素產生線性或者非線性的影響,并且這種影響是難以定量判定的。事實上,突出機理的研究目前仍處于定性或者半定量的階段,要實現定量化研究仍面臨巨大的挑戰?；谕怀瞿芰刻骄客怀龅募ぐl和發展是一種有效的定量化研究手段。然而,突出過程中的瓦斯參與量,特別是解吸瓦斯的參與量一直是難以解決的難題。盡管有多種近似估計的方法,但是尚未得到統一的認識。各種計算方法之間的差異也是顯著的。在將來,進一步揭示突出能量的原理依然主要依靠數值模擬或者物理模擬實驗。

綜上,目前研究存在的不足可歸納如下:

(1)尚未對構造煤體的孔隙結構進行系統研究,且構造煤瓦斯吸附/解吸性能與其孔隙結構關系的理論研究也仍不完善。

(2)構造煤體擴散系數高于構造煤顆粒的原因及其與孔隙結構的關系尚不清楚。

(3)實驗室重構構造煤體的孔隙率顯著大于原位狀態下的,這不僅導致實驗室測得的滲透率偏大,也使得模擬突出實驗得出的解吸瓦斯能量偏大。

(4)煤體性質、煤層瓦斯以及應力條件的具體作用以及相互之間的影響仍不明確。

(5)突出能量的原理尚不明確,各組成能量的占比仍存爭議。

(6)構造煤與突出之間的關系仍需更為全面和詳細的討論。

4.3 未來的研究重點

基于以上分析,可以總結出未來在地質、實驗室和現場應用方面的潛在研究方向,如圖16所示。

圖16 潛在的研究方向Fig.16 Potential researches of tectonic coal and outburst

在地質方面,還有一些領域需要進一步研究。一個值得注意的關鍵問題是,構造作用下構造煤化學組成和物理結構的演化。深入研究構造煤的形成過程是指導構造煤精細預測的前提。此外,構造煤低滲透率的形成機制及其在突出孕育階段中的關鍵作用也是需要繼續探究的。

在理論和實驗方面,揭示構造煤顆粒的性質并探究其中哪些性質可以代表構造煤是非常關鍵的。例如,納米壓痕可用于測試構造煤顆粒的力學性能,但如何使用這些結果來代表構造煤體的力學性能仍需進一步的研究。對于那些不能用煤顆粒特性表示的特性,如何完善構造煤的重構過程以獲得接近原位狀態下的性質是非常重要的。特別是,構造煤的重構不僅影響著對其本身性質的研究,對于促進突出的物理模擬實驗也有重要意義。實驗室中的突出模擬實驗是定量研究突出機理的重要手段,而這強烈依賴于實驗型煤的性質。此外,現有的突出模擬裝置難以真實還原構造帶對于突出的影響,這也使得構造煤與突出的關系只能以理論分析為主,缺乏實驗驗證。

構造煤和原生煤的瓦斯流動機理有本質的區別。理論上的突破和工程上的優化是實現構造煤卸壓和提高滲透率的關鍵,這對有效抽采瓦斯以及預防突出具有重要意義。另一方面,構造煤與突出之間存在深刻的內在聯系,未來仍需對突出,特別是構造煤突出的機理進行深入研究。

5 結 論

(1)構造煤孔隙結構參數的變化主要與變質和構造運動有關。構造煤的擴散系數大于原生煤,煤體的擴散系數大于煤顆粒,這是由于不同尺度的裂隙和孔隙結構不同所致。對于同等變質程度的構造煤與原生煤,構造煤的Langmuir 體積更大而Langmuir 壓力更小,表明構造煤具備更強的瓦斯吸附能力。此外,構造煤的初始瓦斯解吸速率也比原生煤高,表明構造煤中的大孔隙較多。

(2)隨著圍壓的增加,構造煤和原生煤的抗壓強度和彈性模量都有增加的趨勢,但構造煤的抗壓強度和彈性模量明顯低于原生煤。構造煤的原位滲透率小于原生煤的原位滲透率,這與實驗室的結果相反。在實驗室測試中,發現使用重構煤巖芯來代表構造煤是主要問題。

(3)構造煤具有更低的黏聚力和強度,其在突出過程中比原生煤更易于形成大量粉碎的、小粒徑顆粒,這對突出過程中的能量供給有重要意義。同時,構造區域的低滲透性特征也限制了瓦斯抽采效率,這對采礦安全和煤層氣抽采有直接影響。突出案例的統計數據也證實了構造煤更易于突出的特征是廣泛存在的。

(4)煤的解吸瓦斯能力對突出的發展極為關鍵。足夠的游離瓦斯供應是突出持續發展的前提,這要求突出煤的尺寸小于臨界粒徑。基于突出能量的分析,原生煤要破碎到臨界粒徑需要極高的應力條件,這在目前采掘深度下是難以達到的。相反,構造煤則可以很容易的滿足突出發展的需求。因此在實際中,煤巖體破碎失穩后能否誘發突出幾乎取決于其附近是否存在構造煤。結果表明,構造煤不僅是易于突出,更是突出發展的一個必要條件。

(5)盡管對構造煤顆粒的研究已經取得了許多成果,但對構造煤體仍需要進行更系統的研究,弄清構造煤體的性質是瓦斯抽采和利用的關鍵。另一方面,進一步探究構造煤樣品重構的新方法也具有重要意義,這不僅有助于對更好地了解孔隙結構、吸附、擴散、力學和滲流特性,也能使得突出模擬實驗得到更為可靠真實的數據,進而促進突出機理的定量化研究。