中国矿业大学程远平：构造煤与煤与瓦斯突出关系的研究

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长期以来,中国乃至全球的大部分煤与瓦斯突出事故都发生在构造煤层中,但是其根本原因尚未明确。煤与瓦斯突出是受地质构造控制的动力灾害,其与构造煤的联系是广泛存在的。但是,由于对构造煤与原生煤的基本性质缺乏详细的分析和对比,仍不清楚突出的发生与煤体特性之间究竟存在怎样的定量关系,构造煤为何易于突出仍缺乏有力的论证。

搭建煤与瓦斯突出机理与构造煤特性之间的桥梁对实现突出防治有重要意义。为此，中国矿业大学程远平教授在《煤炭学报》2021年第1期撰文“构造煤与煤与瓦斯突出关系的研究”（扫描下方二维码查看），对构造煤与原生煤的孔隙结构、甲烷吸附、解吸、扩散、渗流和力学性质进行了系统性的回顾与对比,并结合突出能量进行了定量分析，以求揭示构造煤与突出的内在关系。

文章指出构造煤的地质成因取决于尺度,包括区域和局部尺度。对于区域尺度,例如煤田规模甚至更大的范围内,层理滑动是主要控制因素。对于局部尺度,例如工作面,贯穿煤层的断层则是主要控制因素。

构造煤地质成因示意

同时分析了构造煤的储层特性，即：构造煤的孔隙结构、构造煤的吸附/解吸性能、构造煤的扩散性能、构造煤的渗流性能、构造煤的力学性能。

结果表明，由于构造作用,构造煤比原生煤具有更大的总孔隙体积和比表面积,其中大孔受到的影响最为显著。此外,构造煤的吸附/解吸能力和扩散系数普遍较高,而抗压强度和弹性模量则普遍较小。在突出激发阶段,煤体破碎依赖于应力能的释放,此时破碎煤体释放的大量解吸瓦斯是突出后续发展的重要能量来源,特别是小于临界粒径的突出煤体,起到了决定性作用。

大宁煤矿构造煤和原生煤的SEM图像

不同区域的煤层渗透率

从能量角度分析了煤与瓦斯突出的发展过程、煤与瓦斯突出的能量计算、煤与瓦斯突出的必要条件。

能量分析表明,若要满足临界粒径的要求,原生煤所需应力条件远高于构造煤,甚至会远超过目前采掘深度的应力水平。因此,原生煤难以提供足够的能量支撑突出的发展。

突出过程的阶段划分及能量原理

煤体破碎需要的应力条件

基于对构造煤的地质成因和储层特性的分析得出：构造煤是构造应力使得煤的原生结构发生破坏/粉化后导致的,这使得构造煤具有低强度、弱粘结的特征,导致构造煤极易在地应力和瓦斯的作用下发生破坏。

此外,瓦斯在构造煤中的赋存和流动与在原生煤中有如下3个明显差异:

(1)由于构造煤的更加发达的孔隙结构以及构造煤碎裂度增加进而导致的吸附位增加,导致构造煤通常比原生煤具有更强的吸附性,使得构造煤区域的瓦斯膨胀潜能更为巨大。

(2)构造煤的渗透率比原生煤的渗透率普遍低约2个数量级,使得构造煤区域易于形成瓦斯的天然封堵区,导致瓦斯大量聚集,进而增大了孔隙压力以及突出危险性。

(3)由于构造煤的基质尺度变小,瓦斯的流动速度加快,构造煤的初始瓦斯解吸速度显著增大,不仅如此,这些黏聚力较弱的构造煤也更容易分解成具有极强解吸特性的粒状甚至粉状煤体,导致初始瓦斯解吸速率进一步的急剧增大,为突出发展提供巨大的有效瓦斯膨胀能。

突出与构造煤之间的联系

指出了目前研究存在的不足：

(1)尚未对构造煤体的孔隙结构进行系统研究,且构造煤瓦斯吸附/ 解吸性能与其孔隙结构关系的理论研究也仍不完善。

(2)构造煤体扩散系数高于构造煤颗粒的原因及其与孔隙结构的关系尚不清楚。

(3)实验室重构构造煤体的孔隙率显著大于原位状态下的,这不仅导致实验室测得的渗透率偏大,也使得模拟突出实验得出的解吸瓦斯能量偏大。

(4)煤体性质、煤层瓦斯以及应力条件的具体作用以及相互之间的影响仍不明确。

(5)突出能量的原理尚不明确,各组成能量的占比仍存争议。

(6)构造煤与突出之间的关系仍需更为全面和详细的讨论。

最后，总结了未来在地质、实验室和现场应用方面的潜在研究方向，如下图所示：

潜在的研究方向

来源：

程远平,雷杨. 构造煤与煤与瓦斯突出关系的研究[J]. 煤炭学报,2021,46(1):180-198.

CHENG Yuanping,LEI Yang. Causality between tectonic coal and coal and gas outbursts[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(1):180-198.

编辑整理：郭晓炜

审核：常琛

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