构造煤的研究现状及其对煤与瓦斯突出产生的影响

2014-04-25周少华杨洋

中国科技纵横 2014年5期

关键词：结构特征煤体瓦斯

周少华杨洋

(神华宁夏煤业集团金凤煤矿,宁夏吴忠 751504)

构造煤的研究现状及其对煤与瓦斯突出产生的影响

周少华杨洋

(神华宁夏煤业集团金凤煤矿,宁夏吴忠 751504)

煤与瓦斯突出一直是煤矿安全生产中需要克服的重大问题,很多研究表明,煤与瓦斯突出灾害的发生与构造煤有关。通过分析整理有关构造煤的分类、瓦斯放散特性、微观结构特征和力化学作用等研究,来进一步综合认识构造煤对瓦斯突出灾害发生的影响程度,为各煤矿进行安全生产起到一定的认知作用。

构造煤瓦斯突出

1 绪论

煤与瓦斯突出是煤矿井下发生的一种复杂的有煤、岩和瓦斯参与的动力现象[1]。这一现象常发生在地质构造地带，这表明地质构造的复杂程度与煤与瓦斯突出有密切联系。从力学的角度来看，煤与瓦斯突出的发生、发展过程是瓦斯压力、煤体力学性质、地应力三者共同作用的结果；从煤的微观角度来看，煤作为一种多孔质介质，其孔隙表面对瓦斯具有很强的吸附能力，吸附瓦斯的方式以物理吸附为主，可以说是地质构造控制了煤与瓦斯突出。因此，研究构造煤的特征，对总结煤与瓦斯突出规律、预测预防煤与瓦斯突出起到非常重要的作用。

2 研究现状

构造煤是原生结构煤在构造应力作用下形成的具有新的结构特征的变形煤，但煤岩成分变化较小。在煤岩层和瓦斯组成的力学系统中，构造煤对煤与瓦斯突出起到了极为重要的作用，研究构造煤是煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发的重要内容之一。

现阶段，构造煤与瓦斯突出的研究主要分为以下几类。

2.1 构造煤的分类

为了对不同破坏类型煤进行区分和认识，前人进行了大量的工作研究[2-9]，从构造煤的内部细分层褶皱情况、突出难易程度和煤结构的破坏程度、宏观和微观结构特征、手标本和煤岩光片观测、结构特征及其形成的环境条件、手标本或钻井煤芯为尺度、成因结构和构造等方面对构造煤进行了分类，其中最为普遍的分类是前苏联矿业研究所的分类方法—将构造煤按照结构特征分为五类，也即2006年我国《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》中规定的五类破坏类型煤：非破坏煤(Ⅰ类)、破坏煤(Ⅱ类)、强烈破坏煤(Ⅲ类)、粉碎煤(Ⅳ类)和全粉煤五类(Ⅴ类)[10]，见表(1-1)。

2.2 构造煤的瓦斯放散特征

大量的研究证明，构造煤的瞬间释放散瓦斯能力的大小对瓦斯突出的发生、及大小程度有着直接关系。富向等[11-12]通过对构造煤与非构造煤在微观结构上差异的分析，对构造煤的微观、宏观进行了数值模拟研究，得出构造煤在应力降低或者解除时，瓦斯的运移规律用Fick定律比Darcy定律更为合理。构造煤前一分钟瓦斯放散速度规律更符合文特式，且第一秒时的衰减系数、△P、瓦斯放散速度等参数与非构造煤均有很大差异。

2.3 构造煤的微观结构特征

煤的结构包括两方面：一方面是煤的化学结构(分子结构)，在化学反应过程中，孔隙结构起到了非常重要的作用，因为孔径分布及比表面积的变化能够直接影响到气化或者燃烧过程中的化学反应速率[13]。另一方面是煤的物理结构，孔隙结构是煤的物理结构的主要部分，煤的许多物理性质尤其是吸(脱)附特性很大程度上取决于煤的孔隙结构。

煤是一种包含着不同粒径孔隙系统的孔隙介质，其对瓦斯的储存具有两方面的特征：一方面是在压力的作用下具有吸附和容纳气体的能力；另一方面是由于孔隙-裂隙系统的存在而使气体具有流动的特征，其结构特征(孔径结构、孔容、孔比表面积、孔隙率等)决定了煤的吸附、扩散和渗流特性。

煤的孔隙类型目前存在的3类主要划分系统如下。

①煤孔隙的成因分类。张慧[14]将煤孔隙的成因类型划分为四大类(原生孔、外生孔、变质孔、矿物质孔)十小类。Gan[15]等按孔隙的成因将孔隙划分为分子间孔、煤植体孔、热成因孔和裂缝孔。这些孔隙发育的结构特征对瓦斯气体的生成、储存、运移都起到了很大的作用。

②煤孔隙的孔径结构分类。前人从不同的研究角度对煤的孔径进行了分类，归纳如表1-2所示。

③煤孔隙的形态分类。陈萍等根据实验结果将煤中不同形状的孔分为三类：第I类为能产生吸附回线的开放性透气性孔，如(e)、(f)；第Ⅱ类为一端封闭的不透气性孔，如(a)、(b)、(c)、(d)，这类孔不会产生吸附回线；第Ⅲ类为一种特殊形态的孔，即细颈瓶形孔(g)，这种孔虽然是一端封闭的，但它却能产生吸附回线，且在这种孔所引起的回线上有一明显的标志，即解吸分支上有一个急剧下降的拐点[16]。

2.4 构造煤的力化学作用

力化学的概念是Peter在20世纪60年代第一次正式提出的，他把它定义为“物质受机械力的作用而发生化学变化或者物理变化的现象”。从能量角度看，力学与化学的相互关系是机械能与化学能的相互转化。

河南理工大学张子敏等[17]研究了煤的力化学作用类型、力化学能量来源及煤结构演化的影响，认为煤的力化学作用是煤结构演化的一个重要过程，其能量来源有静水压应力和地壳构造应力；构造煤是在煤层构造作用下发生变形、破坏而形成的，在构造作用下能够发生发生裂解、聚合、异构、芳构、分子重排等多种化学一物理反应的过程。

3 构造煤与瓦斯突出

通过对以上大量的前人实践经验进行总结，可以证明：构造煤和煤与瓦斯突出事件的发生有着密切的关系。因此在实践中能够正确的判定构造煤的存在，是避免和减少煤与瓦斯突出事件发生的一个主要目的。

构造煤对煤与瓦斯突出的控制作用，主要表现为以下几个方面[18]：①从煤体的结构特征方面看，构造煤有着较高的孔隙率和较差的透气性，导致构造煤体既能保存更多游离瓦斯也能保持相对较高的瓦斯压力。这就是煤与瓦斯突出发生所需的动力条件也是事故发生的内因。张红日等[19]以利用压汞、低温氮实验为手段，对河北下花园煤矿的易突出构造煤层进行研究，得出该地区构造煤孔隙类型以封闭型为主，此类构造煤具有巨大的比表面积，吸附性能强，利用瓦斯赋存，为瓦斯突出提供能量条件。②构造煤经地质构造运动的作用后，煤体结构受到不同程度的破坏：外形呈碎粒和粉状；裂隙及滑面发育，导致煤体抵御外力作用的能力大大降低，同时形成有利于煤与瓦斯突出事件发生的力学条件。③构造煤中的游离瓦斯，在煤体发生破碎作用时充当着“气垫”的作用，有利于煤体颗粒相对移动；构造煤中的瓦斯吸附层，削弱了煤分子之间的相互作用力，起着一定的“分隔”作用，导致煤体强度明显降低。这两方面的因素促使突出事件持续、迅速地发生与发展。④由于构造煤的强度低，所以其发生变形的幅度差异更明显。例如：煤层采掘前，应力作用相对集中，使得构造煤的变形幅度比原生煤的大；采掘后，由于形成了一定的卸压条件，导致构造煤伸张变形幅度变大，进而煤体就会形成一些更利于瓦斯放散、解吸的新裂隙，加快了瓦斯的流动，使得煤与瓦斯突出事故的发生更为容易。

表1-1 煤的破坏类型分类表

表1-2 煤孔径结构划分方案比较单位:直径/nm

图1-1 煤的孔隙类型及特征

4 结语

(1)经分析，可知前人对构造煤的研究主要从构造煤的分类、瓦斯放散特性、微观结构特征和力化学作用等方面入手。今后工作中，可以针对性的分别以五类煤为研究对象，探究其对瓦斯突出的影响，并进行比较。(2)构造煤对煤与瓦斯突出事件发生的影响程度，取决于构造煤煤体破坏程度的大小，也就是取决于构造煤内部的空隙特征及表面结构。(3)本文只是对前人的研究工作进行了系统的整理，并阐述了构造煤对瓦斯突出的影响，有关深入的研究，将在今后的工作中借助实验进行分析与证明。

[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

[2]琚宜文.构造煤储层物性[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006:22.

[3]琚宜文.构造煤储层物性[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005:26.

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[5]焦作矿业学院瓦斯地质研究室.瓦斯地质概论[M].北京:煤炭工业出版社,1990:109～110.

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[7]姜波,琚宜文.构造煤结构及其储层物性特征[J].天然气工业, 2004,24(5):27～29.

[8]琚宜文,姜波,侯泉林,王桂梁.构造煤结构-成因新分类及其地质意义[J].煤炭学报,2004:29(5).

[9]王恩营,刘明举,魏建平.构造煤成因-结构-构造分类新方案[J].煤炭学报,2009,34(5):656～660.

[10]中华人民共和国煤炭工业部制定.煤与瓦斯突出矿井鉴定规范[M].北京:煤炭工业出版社,2006.12.01.

[11]富向,王魁军,杨天鸿.构造煤的瓦斯放散特征[J].煤炭学报,2008, 33(7):775～779.

[12]富向,王魁军,杨宏伟,何晓东.煤粒瓦斯放散规律数学模型的应用[J].煤矿安全,2006:1～3.