程遠(yuǎn)平雷 楊

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州221116;3.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

煤是由植物殘骸在沉積過程中經(jīng)過漫長復(fù)雜的生物化學(xué)、物理化學(xué)及地球化學(xué)作用轉(zhuǎn)變而成的一種固體可燃有機(jī)巖[1]。煤層的形成和分布除受沉積因素影響外,也和構(gòu)造變化有關(guān),這最終導(dǎo)致了煤層賦存的復(fù)雜性和多樣性[2]。在腐殖型有機(jī)物的成煤和變質(zhì)過程中,會(huì)產(chǎn)生以甲烷為主的煤層瓦斯,主要以吸附態(tài)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(xiǎn)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(fā)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(chǎn)中最具破壞性的災(zāi)害之一,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。通常認(rèn)為,突出的發(fā)生與地質(zhì)構(gòu)造、煤體性質(zhì)、瓦斯壓力、應(yīng)力狀態(tài)等多個(gè)因素有關(guān)。

由于構(gòu)造作用(如斷層、褶曲、滑移等)的影響,煤的原生結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞,造成煤體的嚴(yán)重破碎甚至是粉化[5]——這種受到了嚴(yán)重破碎或粉化的煤通常稱為構(gòu)造煤或地質(zhì)構(gòu)造變形煤。換句話說,構(gòu)造煤是在一期或多期構(gòu)造應(yīng)力作用下,在原生結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的脆裂、破碎、韌性變形、疊加破壞甚至達(dá)到內(nèi)部化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)變化后形成的煤[6]。構(gòu)造煤在中國乃至世界上均廣泛分布。相對(duì)于原生煤而言,構(gòu)造煤表現(xiàn)出低強(qiáng)度、弱黏結(jié)的特征[7],這在突出的發(fā)生和發(fā)展中扮演了關(guān)鍵的作用。一方面,構(gòu)造煤的低強(qiáng)度特性降低了突出的力學(xué)條件。另一方面,構(gòu)造煤破碎后易于形成大量的小顆粒散體煤,這些細(xì)煤粉具有極快的瓦斯解吸速率,為突出煤(巖)的搬運(yùn)提供了巨大的動(dòng)力[8]。例如1977年的中梁山突出,瓦斯涌出量38 540 m3,突出強(qiáng)度817 t,拋出距離167 m,但是持續(xù)時(shí)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(shí)間內(nèi)提供足夠的解吸瓦斯來滿足搬運(yùn)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(xù)發(fā)展的關(guān)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(xiǎn)等級(jí)的判定中扮演了重要角色。

除了低強(qiáng)度和弱黏結(jié),構(gòu)造煤還有一個(gè)重要的特征是其在原位條件下的低滲透性。一般認(rèn)為,這是由于煤的割理系統(tǒng)在構(gòu)造應(yīng)力的作用下發(fā)生了變化,最終導(dǎo)致了滲透率急劇下降[9]。例如,陽泉礦區(qū)的煤層滲透率約為1.70 × 10-17m2(1 mD = 0.987 ×10-15m2),淮南礦區(qū)為1.97×10-19～1.07×10-16m2,淮北礦區(qū)為6.9×10-19～9.87×10-19m2,松藻礦區(qū)為1.23×10-18～2.07×10-17m2[10]。由于構(gòu)造煤的滲透率遠(yuǎn)低于相鄰的原生煤(通常大于10-15m2)[10],這些區(qū)域會(huì)形成對(duì)瓦斯流動(dòng)的天然封堵,使得局部區(qū)域出現(xiàn)瓦斯富集[11],為突出的發(fā)生提供了能量條件[12]。另一方面,構(gòu)造煤區(qū)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(zāi)害,也限制了用地面井對(duì)煤層氣的開發(fā),造成了能源的極大浪費(fèi)[13-15]。

由于構(gòu)造煤在能源開發(fā)和采礦安全中扮演著重要的角色,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量與構(gòu)造煤有關(guān)的研究,例如構(gòu)造煤的形成機(jī)制[16-17]、構(gòu)造煤的地球化學(xué)特征[18-19],構(gòu)造煤的儲(chǔ)層性質(zhì)[20-22]以及有關(guān)構(gòu)造煤分類的綜述[23]。其中,構(gòu)造煤與突出之間的聯(lián)系被廣泛關(guān)注。GRAY[24]總結(jié)了來自8 個(gè)煤炭生產(chǎn)國的105 起突出事件,除與構(gòu)造類型的關(guān)系尚不清楚的18起外,與構(gòu)造關(guān)系明確的突出案例達(dá)87 起,其中95.4%發(fā)生在構(gòu)造帶中,如斷層、褶曲和復(fù)雜構(gòu)造地帶的區(qū)域。SHEPHERD 等認(rèn)為亞洲、歐洲和北美、澳大利亞等地90%以上的突出都發(fā)生在非對(duì)稱的褶皺、斷層和層滑構(gòu)造等強(qiáng)烈變形區(qū)域[4]。SATO 等[25]發(fā)現(xiàn)突出區(qū)域幾乎是沿著正斷層延展的,認(rèn)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(biāo)(如低瓦斯含量與低瓦斯壓力)下存在嚴(yán)重突出的現(xiàn)象也被證明與構(gòu)造煤存在密切關(guān)系[26]?？傮w而言,突出是受地質(zhì)構(gòu)造控制的動(dòng)力災(zāi)害,其與構(gòu)造煤的聯(lián)系是廣泛存在的[27]。但是,由于對(duì)構(gòu)造煤與原生煤的基本性質(zhì)缺乏詳細(xì)的分析和對(duì)比,仍不清楚突出的發(fā)生與煤體特性之間究竟存在怎樣的定量關(guān)系,構(gòu)造煤為何易于突出仍缺乏有力的論證。

搭建突出機(jī)理與構(gòu)造煤特性之間的橋梁對(duì)實(shí)現(xiàn)突出防治有重要意義。為進(jìn)一步揭示突出災(zāi)害與構(gòu)造煤之間的內(nèi)在關(guān)系,需要對(duì)構(gòu)造煤與原生煤的地質(zhì)成因、孔隙結(jié)構(gòu)、甲烷吸附、解吸、擴(kuò)散、滲流和力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)性的分析對(duì)比,并結(jié)合突出能量進(jìn)行定量計(jì)算。

中國大多數(shù)成煤盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成了復(fù)雜的構(gòu)造[28]。這導(dǎo)致煤層發(fā)生破碎或強(qiáng)烈的韌塑性變形及流變遷移,形成構(gòu)造煤[29]。中國的成煤時(shí)期與世界其他地區(qū)相同,主要在石炭紀(jì),二疊紀(jì),三疊紀(jì),侏羅紀(jì),白堊紀(jì)和古新近紀(jì)[30]。古生代石炭紀(jì)和二疊紀(jì)煤主要分布在中國中東部和華南地區(qū)。在成煤期之后,經(jīng)歷了連續(xù)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),包括印支期(晚二疊紀(jì)至三疊紀(jì),257～205 Ma),燕山期(侏羅紀(jì)至早白堊紀(jì)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)和造山作用引起碰撞、隆升、下陷、擠壓、張拉、斷層、巖漿活動(dòng)和其他地質(zhì)運(yùn)動(dòng),使煤層變形、滑移和剪切。這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改變了煤的厚度、結(jié)構(gòu)和變質(zhì)程度。根據(jù)前人在現(xiàn)場(chǎng)勘查、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和孔隙結(jié)構(gòu)的研究成果[20,32],普遍認(rèn)為構(gòu)造煤是原生煤在一期或多期構(gòu)造應(yīng)力作用下,煤體原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生不同程度的脆裂、破碎或韌性變形或疊加破壞甚至達(dá)到內(nèi)部化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)變化的一類煤。其具有低強(qiáng)度、低滲透性、吸附能力強(qiáng)和擴(kuò)散速度快等性質(zhì)。

1 我國構(gòu)造煤分布與地質(zhì)成因

由于構(gòu)造煤的賦存與構(gòu)造作用有關(guān),因此構(gòu)造煤可在中國西南和中東部大部分地區(qū)找到。對(duì)應(yīng)的,中國西北和華北北部因?yàn)槌擅浩谙鄬?duì)較短且經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較少,所以構(gòu)造煤在這些地區(qū)不太典型。圖1給出了中國構(gòu)造煤的可能分布[10]。應(yīng)該注意的是,由于長期的地質(zhì)構(gòu)造作用,任何區(qū)域的煤田中都可能出現(xiàn)構(gòu)造煤,因此圖1僅是一種可能的圖示。

構(gòu)造煤的地質(zhì)成因取決于尺度,包括區(qū)域和局部尺度[33]。對(duì)于區(qū)域尺度,例如煤田規(guī)模甚至更大的范圍內(nèi),層理滑動(dòng)是主要控制因素。對(duì)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(qū)域范圍內(nèi),順層滑動(dòng)引起的煤層流變和韌性剪切帶會(huì)導(dǎo)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(gòu)造作用力的影響而發(fā)生褶皺。煤層是一個(gè)軟巖層,通常具有許多分層,在分層界面上的力學(xué)性能差異很大[36],因此煤層通常首先發(fā)生變形。在此過程中,由于順層滑動(dòng),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(xué)性能降低。圖2(a)和(b)說明了區(qū)域規(guī)模構(gòu)造煤的形成機(jī)制。

在局部尺度上,基于動(dòng)力力學(xué)理論,王恩營等[5]分析了正斷層和逆斷層在不同時(shí)間和空間下的應(yīng)力分布和構(gòu)造煤發(fā)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(dòng)盤,下盤為被動(dòng)盤。構(gòu)造煤作為斷層的伴生產(chǎn)物,其在斷層的上盤會(huì)更加發(fā)育。圖2(c)顯示了由于斷層造成的局部規(guī)模構(gòu)造煤的形成機(jī)制。

構(gòu)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(gòu)造煤多發(fā)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(jié)構(gòu)。原生煤的表面相對(duì)平整,偶有孔洞和礦物質(zhì)(圖3(b))[37]。特別是,與原生煤相比,構(gòu)造煤的表面具有更多的亞微米級(jí)顆粒,例如黏土顆粒和微小的煤碎片。

2 構(gòu)造煤的儲(chǔ)層特性

2.1 構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)

圖1 中國境內(nèi)可能的構(gòu)造煤分布Fig.1 Possibility distribution of tectonic coal in China

圖2 構(gòu)造煤地質(zhì)成因示意Fig.2 A schematic drawing of geological genesis of tectonic coal

通常認(rèn)為,結(jié)構(gòu)破壞是造成構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)與原生煤差異的關(guān)鍵因素之一。不同類型構(gòu)造煤(碎裂煤、粒狀煤和糜棱煤)的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)槠扑槌潭鹊牟煌a(chǎn)生很大的差異[38]。圖4比較了原生煤和構(gòu)造煤的孔體積和比表面積[17,22,39-48]。一般而言,煤的鏡質(zhì)組反射率(Ro)越大代表煤的變質(zhì)程度越高。可以看到,對(duì)于不同類型的構(gòu)造煤,隨著變質(zhì)程度的增加(即Ro增大時(shí)),其大孔和中孔的孔隙體積和比表面積均呈下降趨勢(shì)。其中,在高變質(zhì)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(zhì)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(xiàn)明顯趨勢(shì)(圖4(b))。盡管很難區(qū)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(duì)于微孔而言,由于數(shù)據(jù)點(diǎn)太離散,原生煤和構(gòu)造煤之間沒有明顯的差異(圖4(e),(f))。

圖3 大寧煤礦構(gòu)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(duì)于不同破壞程度的構(gòu)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(qiáng)烈的構(gòu)造作用后顯著發(fā)育。但是構(gòu)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(zhì)階段,原生煤的孔隙體積和比表面積均比構(gòu)造煤高。這種孔隙結(jié)構(gòu)之間的差異是變質(zhì)作用和構(gòu)造作用綜合影響的結(jié)果?？傮w而言,構(gòu)造煤不同孔徑的孔隙體積均會(huì)因構(gòu)造作用的影響而增大;但是,由于變質(zhì)作用,煤中較小孔總體上具有孔體積減小的趨勢(shì),這種趨勢(shì)增強(qiáng)了芳構(gòu)化和芳環(huán)的收縮,同時(shí)也增加了煤中大分子的有序度[49-50]。因此,原生煤和構(gòu)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(duì)于微孔而言,它們更容易受到變質(zhì)作用的影響,而非構(gòu)造作用,導(dǎo)致原生煤與構(gòu)造煤之間沒有明顯的差異。綜上,構(gòu)造煤孔隙體積的大幅度增加可主要?dú)w結(jié)于大孔隙更易發(fā)生構(gòu)造作用。

2.2 構(gòu)造煤的吸附/解吸性能

在儲(chǔ)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(shù)[51]。吸附態(tài)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(yīng)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(shí)的壓力。

圖4 原生煤與構(gòu)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(zhì)組反射率增大,構(gòu)造煤和原生煤的Langmuir 體積均呈不對(duì)稱“U”形。即,Langmuir 體積從低階煤到中階煤呈下降趨勢(shì),然后從中階煤到高階煤呈上升趨勢(shì),這與以往的結(jié)果一致[37,44]。如2.1 節(jié)所述,隨著煤變質(zhì)程度從低級(jí)到中級(jí)的增加,煤的微孔體積和比表面積會(huì)降低。由于大部分的物理吸附發(fā)生在煤的微孔結(jié)構(gòu)中[53],因此微孔體積和比表面積的減少會(huì)導(dǎo)致吸附能力的降低[54]。對(duì)應(yīng)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(huì)使吸附能力增大,并且此時(shí)總碳含量的增加同樣也將導(dǎo)致吸附能力的增大[55]。此外,從圖5中也可發(fā)現(xiàn),構(gòu)造煤的Langmuir 體積通常比原生煤的Langmuir 體積大。這可歸結(jié)于構(gòu)造煤更加發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了更大的氣體吸附能力。另一方面,受構(gòu)造作用的影響,構(gòu)造煤碎裂度的增加也會(huì)導(dǎo)致吸附位的增加[55]。吸附量達(dá)到極限吸附量一半時(shí)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(qiáng)的吸附親和力。如圖5所示,朗格繆爾壓力在變質(zhì)程度方面顯示出類似的不對(duì)稱“ U”形趨勢(shì),并且最小Langmuir壓力對(duì)應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率高于最小Langmuir 體積的鏡質(zhì)體反射率。此外,構(gòu)造煤的Langmuir 壓力通常小于原生煤的Langmuir 壓力,這表明甲烷與構(gòu)造煤的親和力要強(qiáng)于原生煤。

圖5 Langmuir 體積與Langmuir 壓力和鏡質(zhì)組反射率之間的關(guān)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(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力降到臨界解吸壓力以下時(shí),動(dòng)態(tài)平衡將被破壞,瓦斯將開始解吸,直到建立新的動(dòng)態(tài)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(zhì)孔隙表面離開的過程,而擴(kuò)散是瓦斯分子通過基質(zhì)中的孔隙網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅严兜倪^程[56]。解吸時(shí)間通常是指從氣體離開孔隙表面到裂隙的特征時(shí)間,是考慮了煤尺度條件下的瓦斯釋放時(shí)間,具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用意義。由于解吸過程比擴(kuò)散過程快得多,因此解吸時(shí)間實(shí)際上是受擴(kuò)散過程控制的,是擴(kuò)散系數(shù)和基質(zhì)形狀因子的函數(shù)。其中,形狀因子又與基質(zhì)體積、基質(zhì)與裂隙之間的質(zhì)量交換面積以及擴(kuò)散特征距離有關(guān)。基于不同的假設(shè),以往的研究提出了許多關(guān)于形狀因子模型[57-60]。但是,由于構(gòu)造煤基質(zhì)和裂隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系并不清楚,因此基質(zhì)形狀因子中的基質(zhì)和裂隙質(zhì)量交換面積以及擴(kuò)散特征距離均未知。目前為止,構(gòu)造煤的基質(zhì)形狀因子仍不明確。在這種情況下,即使確定了構(gòu)造煤的擴(kuò)散系數(shù),但由于基質(zhì)形狀因子未知,要獲得實(shí)際環(huán)境中構(gòu)造煤的甲烷擴(kuò)散量依然面臨著巨大的困難。圖6繪制了構(gòu)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(gòu)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(shì)。另一方面,由于煤中大孔為瓦斯的解吸提供了良好的擴(kuò)散通道,所以初始解吸能力主要取決于發(fā)達(dá)的大孔[47],這說明原生煤比構(gòu)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(zhì)類型和構(gòu)造變形程度的影響[55],但是構(gòu)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(duì)突出危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)和防突措施的實(shí)施有直接影響[64]。

圖6 不同時(shí)間段中構(gòu)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(gòu)造煤的擴(kuò)散性能

氣體在材料中的宏觀遷移稱為氣體擴(kuò)散,這是由氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)引起的[65]。煤層可被視作由基質(zhì)孔隙和圍繞煤基質(zhì)的裂隙組成的雙重孔隙系統(tǒng)[56]。通常而言,通過煤基質(zhì)孔隙的甲烷流動(dòng)被視為擴(kuò)散過程,而裂隙系統(tǒng)中的甲烷遷移被視為達(dá)西滲流[56]。基于克努森數(shù)Kn可將多孔介質(zhì)中的氣體擴(kuò)散分為Fick 擴(kuò)散,Knudsen 擴(kuò)散和過渡擴(kuò)散[66]。Kn的表達(dá)式為

其中,Kn為克努森數(shù);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(dāng)Kn≥10 時(shí),氣體分子主要與孔壁碰撞,其流動(dòng)為Knudsen 擴(kuò)散。當(dāng)Kn≤0.1 時(shí),碰撞主要發(fā)生在氣體分子之間。當(dāng)0.1< Kn <10 時(shí),分子之間以及與壁的碰撞同樣重要,其特征是過渡擴(kuò)散[66]。擴(kuò)散通量是描述氣體擴(kuò)散的關(guān)鍵物理量,其定義是單位時(shí)間內(nèi)氣體通過單位面積的質(zhì)量[65]:

其中,J為擴(kuò)散通量,kg/(m2·s);D為擴(kuò)散系數(shù),m2/s;C為擴(kuò)散氣體的質(zhì)量濃度,kg/m3;x為擴(kuò)散距離,m。在實(shí)際應(yīng)用中,如考慮煤層中的瓦斯抽采時(shí),單位時(shí)間內(nèi)煤中的甲烷擴(kuò)散量是一個(gè)重要的參數(shù),它與擴(kuò)散通量的關(guān)系[67]為

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

可以發(fā)現(xiàn),表征氣體在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散的關(guān)鍵參數(shù)是擴(kuò)散系數(shù)和基質(zhì)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(kuò)散系數(shù)[37,62,66,68-74]。如圖7(a)所示,構(gòu)造煤和原生煤的擴(kuò)散系數(shù)都在10-15～10-7m2/s,不同煤樣品的擴(kuò)散系數(shù)跨越了8 個(gè)數(shù)量級(jí),顯示出高度分散的特性。圖7(b)進(jìn)一步比較了構(gòu)造煤和原生煤在相同采樣位置處的甲烷擴(kuò)散系數(shù)比值,發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤的甲烷擴(kuò)散系數(shù)為原生煤的1.26～94.05 倍,平均為12.2 倍,表明構(gòu)造煤甲烷的擴(kuò)散系數(shù)通常顯著地高于原生煤。事實(shí)上,由于甲烷是在孔隙中擴(kuò)散的,因此構(gòu)造煤與原生煤在擴(kuò)散系數(shù)上的差異可歸結(jié)于孔隙結(jié)構(gòu)的不同。然而,甲烷擴(kuò)散系數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系現(xiàn)在仍未明確。

2.4 構(gòu)造煤的滲流性能

煤層的滲透率是一個(gè)重要的儲(chǔ)層性質(zhì),它控制著煤礦瓦斯抽采率和煤層氣產(chǎn)量。煤的滲透率主要與自身的裂隙系統(tǒng)(或稱割理系統(tǒng))有關(guān),同時(shí)也對(duì)外部環(huán)境比較敏感[75],受到周圍應(yīng)力條件的影響[76]。為了比較構(gòu)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(chǎn)區(qū)域的滲透率數(shù)據(jù)[77-79]?？梢园l(fā)現(xiàn),原生煤的滲透率通常比構(gòu)造煤高出2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上。構(gòu)造煤的低滲透率可主要?dú)w結(jié)于其裂隙系統(tǒng)在高應(yīng)力條件下被嚴(yán)重?cái)D壓后導(dǎo)致的裂隙體積大幅度減少,這最終使得構(gòu)造煤的滲透率顯著下降。

需要指出的是,與煤滲透率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相比,使用巖芯樣品在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行滲透率測(cè)試是更為普遍的。然而,與結(jié)構(gòu)完整,抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的原生煤不同,強(qiáng)度低、黏聚力弱的構(gòu)造煤很難直接獲得巖芯試樣。因此用煤粉(有時(shí)加入膠結(jié)劑)制備的重構(gòu)巖芯試樣被廣泛用于研究構(gòu)造煤和滲透率。

圖7 原生煤和構(gòu)造煤中的甲烷擴(kuò)散系數(shù)[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(qū)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(jié)構(gòu)得到了很好的保存,其相關(guān)特性得以保留。但是對(duì)于構(gòu)造煤,其原始結(jié)構(gòu)在重構(gòu)過程中會(huì)發(fā)生不可逆的改變,進(jìn)而使得重構(gòu)的型煤并不能完全還原構(gòu)造煤的原始物理性質(zhì)。事實(shí)上,大部分實(shí)驗(yàn)室研究均表明,當(dāng)有效應(yīng)力相同時(shí),實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的原生煤滲透率一般小于構(gòu)造煤的滲透率,差異甚至可以達(dá)到2 個(gè)數(shù)量級(jí)[76,80-84],這與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出結(jié)論是截然不同的。這個(gè)現(xiàn)象以及背后隱藏著的問題是將來研究中應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注的。

2.5 構(gòu)造煤的力學(xué)性能

在這一節(jié)中,主要以抗壓強(qiáng)度和彈性模量來比較構(gòu)造煤和原生煤的力學(xué)性能差異。圖9展示了不同地區(qū)的構(gòu)造煤和原生煤在不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度和彈性模量[85-91]。可以發(fā)現(xiàn),構(gòu)造煤的抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯低于原生煤:構(gòu)造煤的單軸抗壓強(qiáng)度一般小于3 MPa,而原生煤的單軸抗壓強(qiáng)度為10～80 MPa;并且,大部分構(gòu)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(gòu)造煤結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的,另一方面可歸結(jié)于實(shí)驗(yàn)室制樣過程的影響。事實(shí)上,構(gòu)造煤力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試同樣遭遇到了無法完全重構(gòu)構(gòu)造煤體的問題。在這種情況下,構(gòu)造煤的強(qiáng)度和彈性模量會(huì)不可避免得受到制樣過程的影響。

為了減少不同取樣地點(diǎn)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(diǎn)收集的構(gòu)造煤和原生煤,直接將構(gòu)造煤樣品與粉碎后的原生煤樣品篩分到所需的尺寸進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。如圖10(a)所示,構(gòu)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(shù)原生煤顆粒的有效彈性模量高于相同粒徑的構(gòu)造煤的彈性模量。此外,相對(duì)有效彈性模量(定義為原生煤與構(gòu)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?yōu)?.57。圖10(b)為不同粒徑的構(gòu)造煤和原生煤樣品的抗拉強(qiáng)度。類似地,2 個(gè)煤樣品的抗拉強(qiáng)度均隨著粒徑的減小而增加,并且原生煤的值明顯高于構(gòu)造煤?？梢钥闯?相對(duì)抗拉強(qiáng)度(定義為原生煤與構(gòu)造煤的抗拉強(qiáng)度之比)也隨著煤粒徑的增加而增加,相對(duì)抗拉強(qiáng)度從2.86 變?yōu)?.35。綜上,原生煤的彈性模量與抗拉強(qiáng)度要普遍高于構(gòu)造煤,且原生煤與構(gòu)造煤型煤樣之間的力學(xué)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(gòu)造煤的抗壓強(qiáng)度和彈性模量與圍壓的關(guān)系[85-90]Fig.9 Difference of mechanical properties between intact coal and tectonic coal[85-90]

圖10 原生煤和構(gòu)造煤顆粒的有效彈性模量和抗拉強(qiáng)度的測(cè)量值與粒徑的函數(shù)關(guān)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(fā)展過程

煤與瓦斯突出是地下煤礦中最具破壞性的災(zāi)害之一。長期以來,突出的防治都是中國乃至全世界學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)[92]。通常認(rèn)為,突出是一個(gè)由多因素控制(如瓦斯、應(yīng)力和煤體性質(zhì))的動(dòng)力過程,包括孕育、激發(fā)、發(fā)展和終止4 個(gè)階段[8,12,41,92],如圖11所示。突出過程的本質(zhì)是將煤層在長期地質(zhì)構(gòu)造過程中聚集的氣體能量和應(yīng)力能量在極短時(shí)間內(nèi)釋放的過程。在孕育階段,煤層以及煤層瓦斯的賦存狀態(tài)受到周圍的構(gòu)造應(yīng)力的控制[3]。當(dāng)煤的原生結(jié)構(gòu)經(jīng)過一期或多期構(gòu)造應(yīng)力作用后,會(huì)發(fā)生不同程度的脆裂、破碎、韌性變形、疊加破壞甚至發(fā)生內(nèi)部化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)變化,最終形成構(gòu)造煤區(qū)域。這些區(qū)域往往導(dǎo)致煤層瓦斯的異常分布,形成局部瓦斯富集——在很多實(shí)際案例中,這都是誘發(fā)突出的一個(gè)主要因素。在激發(fā)階段中,突出能否發(fā)生取決于氣體壓力或環(huán)境應(yīng)力是否超過了對(duì)應(yīng)的閾值。需要指出的是,巖柱/煤柱的破壞往往是突出發(fā)生的先決條件,而這主要依賴于煤層中應(yīng)力能的大小[93]。因此,當(dāng)進(jìn)入深部開采的高應(yīng)力環(huán)境后,發(fā)生突出以及相關(guān)復(fù)合災(zāi)害的危險(xiǎn)性將顯著增大[12]。突出激發(fā)后,煤巖體迅速的失穩(wěn)破壞,此時(shí)煤層形成初始暴露面,為后續(xù)的發(fā)展提供空間條件。進(jìn)入發(fā)展階段后,破壞陣面不斷向突出煤層的內(nèi)部發(fā)展,此時(shí)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(dāng)能量供給不足以支持氣固流的持續(xù)搬運(yùn)時(shí),突出才會(huì)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(yùn)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(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),認(rèn)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(yùn),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(duì)突出的持續(xù)發(fā)展極為關(guān)鍵。需要指出的是,盡管突出發(fā)生后,煤層中瓦斯瞬間泄壓產(chǎn)生的壓力梯度以及搬運(yùn)過程中含瓦斯煤顆粒間的碰撞也會(huì)導(dǎo)致突出煤體的破碎及粉化,但物理實(shí)驗(yàn)與理論分析均指出基于這些方式產(chǎn)生的破碎率是較低的,煤體破碎的主要能量來源依然是應(yīng)力能。例如,金侃等[97]基于相似模擬實(shí)驗(yàn)在無應(yīng)力條件下研究了突出過程中氣固二相流的運(yùn)動(dòng)過程,發(fā)現(xiàn)原生煤顆粒在搬運(yùn)過程中的粉碎率僅為3.06%～8.15%,其中<0.074 mm 粉煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.41%,說明了瓦斯導(dǎo)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(yùn)過程中瓦斯作用導(dǎo)致煤體粉化的條件,指出與易于發(fā)生破碎的構(gòu)造煤顆粒不同,原生煤顆粒發(fā)生粉碎需要極高的應(yīng)力條件,甚至遠(yuǎn)超過突出應(yīng)力的范圍。

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

3.2 煤與瓦斯突出的能量計(jì)算

瓦斯膨脹能通常被認(rèn)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(gè)量級(jí)以上[98,100,102,105]。突出災(zāi)害的破壞力可主要?dú)w結(jié)為氣體能量的釋放。但是,由3.1 節(jié)可知,氣體能量主要作用于煤體的搬運(yùn),而較少導(dǎo)致煤體的破碎。因此,無論瓦斯膨脹能和應(yīng)力能各自的占比如何,突出的激發(fā)都需要應(yīng)力達(dá)到足以使煤體破碎甚至粉碎的條件。事實(shí)上,應(yīng)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(guī)律,煤與瓦斯突出的過程本質(zhì)上也是能量積聚、轉(zhuǎn)移和釋放的過程。突出發(fā)生時(shí),煤層中應(yīng)力和瓦斯吸附的平衡態(tài)發(fā)生瞬時(shí)改變,導(dǎo)致存儲(chǔ)的彈性潛能和瓦斯能突然失穩(wěn)釋放,然后煤巖體發(fā)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(gè)過程中,突出能量守恒的表達(dá)式為

式中,W1為煤體的彈性勢(shì)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(yùn)突出煤體消耗的能量;A3為其他能量耗散,如氣體的殘余動(dòng)能以及突出煤體摩擦、震動(dòng)、發(fā)熱、聲發(fā)射耗散能量等。

煤層在應(yīng)力條件下的應(yīng)力能,和瓦斯以膨脹做功的形式貢獻(xiàn)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(yīng)力;dv為氣體膨脹時(shí)體系體積的變化值;P0,P分別為環(huán)境壓力和煤層中的瓦斯壓力;γn為過程指數(shù),常取1.3。

對(duì)于應(yīng)力能而言,其大小受到應(yīng)力條件和煤體自身物理性質(zhì)的控制;對(duì)于瓦斯膨脹能而言,其大小強(qiáng)烈依賴于突出時(shí)的游離瓦斯壓力以及突出持續(xù)期間的瓦斯釋放量。在這些參數(shù)中,應(yīng)力條件、壓力條件、煤體性質(zhì)等可被認(rèn)為是突出的初始條件或者環(huán)境條件,這些條件對(duì)瓦斯釋放量,特別是突出發(fā)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(shí)驗(yàn)或者基于均質(zhì)球形顆粒的單孔擴(kuò)散模型(式(8))對(duì)解吸瓦斯的參與量進(jìn)行估計(jì)。

式中,qt為t時(shí)間內(nèi)的瓦斯解吸量;q∞為無窮時(shí)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(duì)解吸瓦斯能量在總瓦斯膨脹能中占比的估計(jì)范圍[98,100-102]。可以發(fā)現(xiàn),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(jì)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?dú)w結(jié)于實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致的[99]。前面提到,型煤孔隙率增大導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的滲透率普遍高于現(xiàn)場(chǎng),這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致物理模擬實(shí)驗(yàn)得到的解吸瓦斯能量占比普遍低于實(shí)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(zhì)程度下,構(gòu)造煤的極限解吸量(q∞)和擴(kuò)散系數(shù)(D)均普遍高于原生煤,將數(shù)值代入式(8)可得單位時(shí)間內(nèi)相同粒徑的構(gòu)造煤比原生煤的解吸量高出1.12～9.70 倍,表明構(gòu)造煤區(qū)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(gòu)造區(qū)域?qū)е碌耐咚垢患?即q∞增大)同樣也是值得注意的,這會(huì)使得總的瓦斯膨脹潛能增大2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上[103]。

在突出發(fā)展過程中,粒徑變化對(duì)瓦斯解吸能力的影響是非常顯著的。特別是,構(gòu)造煤的力學(xué)性質(zhì)決定其在相同應(yīng)力條件下比原生煤更易破碎,這會(huì)導(dǎo)致構(gòu)造煤突出時(shí)的解吸瓦斯參與量遠(yuǎn)大于原生煤。若將式(8)對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo),則可以進(jìn)一步得出平均瓦斯解吸速率vt的表達(dá)式:

由于參數(shù)D和q∞并不會(huì)隨著粒徑的變化有明顯的改變[64],因此在這里可視為常數(shù)?；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(guān)系:

式中,vt1和vt2分別為煤體在粒徑為rc1和rc2時(shí)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(shù),通常取0.5～0.7。

若假設(shè)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(jù)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(duì)解吸速度隨粒徑變化的規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)破碎煤體的粒徑小于某個(gè)臨界粒徑后,解吸速度會(huì)急劇增大。這些具有極快解吸速率的煤粉將在突出發(fā)展過程中提供巨大的能量供給,是突出煤體能夠持續(xù)搬運(yùn)的關(guān)鍵。以往研究對(duì)于突出發(fā)展要求的臨界粒徑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)瓦斯解吸速率隨粒徑變化的規(guī)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(fā)展的關(guān)鍵,而這依賴于應(yīng)力能對(duì)突出煤體的充分破碎。此外,與原生煤相比,構(gòu)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(fā)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(jīng)明確了煤體破碎到臨界粒徑以下時(shí)具有的快速解吸能力對(duì)突出的發(fā)展極為重要,但是究竟需要怎樣的應(yīng)力條件才能使得煤體達(dá)到這種破碎程度仍是不明確的。因此,需要進(jìn)一步分析應(yīng)力條件與煤體破碎粒徑之間的關(guān)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(rèn)為煤體的破碎主要是由于應(yīng)力能的釋放,則單位體積突出煤體與應(yīng)力能之間的關(guān)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(shè)應(yīng)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(gòu)造煤破碎時(shí)需要的應(yīng)力條件,可以對(duì)兩者的力學(xué)參數(shù)選取一個(gè)合理的范圍進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于原生煤,取彈性模量2～8 GPa,破碎比功200～1 000 J/m2;對(duì)于構(gòu)造煤,取彈性模量1 GPa,破碎比功10～50 J/m2;對(duì)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(yīng)力的關(guān)系,可以看出,所需應(yīng)力隨著煤體破碎程度的增大而增大,特別是當(dāng)粒徑降低到0.25 mm 附近時(shí),所需要的應(yīng)力條件急劇增大?？紤]到1 000 m 以內(nèi)埋深所能提供的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力一般不會(huì)超過30 MPa,且大部分的突出都發(fā)生在埋深300～700 m 內(nèi)[105],筆者在圖14中標(biāo)記出了應(yīng)力為30 MPa 的參考線。

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

如圖14(a)所示,對(duì)于原生煤而言,即使=3 mm,所需要的平均應(yīng)力也達(dá)到了32 MPa。原生煤的破碎比功和彈性模量只有在相對(duì)較低的取值下才能使得所需要的應(yīng)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(yuǎn)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(jù)式(12),若要使原生煤的達(dá)到0.1 mm,所需的應(yīng)力條件為100～191 MPa。顯然,原生煤破碎到臨界粒徑所需要的應(yīng)力條件在目前采掘深度下是極難達(dá)到的。

如圖14(b)所示,對(duì)于構(gòu)造煤,其平均粒徑d在30 MPa 應(yīng)力條件下能達(dá)到的最小值約為0.07 mm,這滿足目前絕大多數(shù)研究中對(duì)臨界粒徑的估計(jì)值。尤其是,在現(xiàn)有采掘深度的應(yīng)力范圍之內(nèi),構(gòu)造煤可以很容易的達(dá)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(yīng)力條件下,構(gòu)造煤在突出過程中提供的解吸瓦斯量會(huì)遠(yuǎn)超過原生煤,表明構(gòu)造煤具有極高的瓦斯膨脹潛能。此外,也需要指出的是,應(yīng)力對(duì)煤體的破碎只是突出的一個(gè)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(huì)出現(xiàn)壓出等動(dòng)力現(xiàn)象。第2 節(jié)中提到,構(gòu)造帶由于低滲透特性,容易形成高瓦斯富集區(qū),這為初始瓦斯膨脹能達(dá)到突出閾值提供了有利的條件,這也使得構(gòu)造煤區(qū)域普遍具有更高的突出危險(xiǎn)性。

綜上,目前采掘深度的應(yīng)力條件可以很容易的將構(gòu)造煤破碎到臨界粒徑以下,這使得構(gòu)造煤在突出發(fā)展過程中具有極強(qiáng)的瓦斯解吸能力,成為突出能夠持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。相反,若要使原生煤破碎到臨界粒徑,其需要的應(yīng)力條件不僅遠(yuǎn)高于構(gòu)造煤,甚至?xí)h(yuǎn)高于目前采掘深度能達(dá)到的應(yīng)力水平。盡管對(duì)于低強(qiáng)度、低彈性模量的原生煤(或者說性質(zhì)接近構(gòu)造煤時(shí)),其在較高的應(yīng)力條件下也是具備破碎條件的,但是由于達(dá)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(shí)上,這也符合以往研究的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,能夠很好解釋為什么絕大多數(shù)的突出現(xiàn)場(chǎng)均能發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤的存在,而那些少數(shù)沒有發(fā)現(xiàn)明顯構(gòu)造帶以及構(gòu)造煤的突出案例通常只有非常低的突出強(qiáng)度。例如,澳大利亞僅發(fā)生了3 起與構(gòu)造煤無關(guān)的突出,它們的突出強(qiáng)度均低于30 t[106],這表明大型的突出事故往往與構(gòu)造煤密切相關(guān)。

4 討 論

通過對(duì)大量的突出案例發(fā)生地的統(tǒng)計(jì)分析,可以發(fā)現(xiàn)絕大部分的突出事故發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造地帶(斷層、褶曲、逆推等),這些區(qū)域分布著大量的構(gòu)造煤。上面的分析表明,造成這個(gè)結(jié)果的根本原因是構(gòu)造煤具有一系列區(qū)別于原生煤的特性,這些特性對(duì)突出的發(fā)動(dòng)和發(fā)展至關(guān)重要。在本節(jié)中,筆者將對(duì)構(gòu)造煤的物理性質(zhì)和突出的能量進(jìn)行系統(tǒng)性的分析,進(jìn)一步揭示構(gòu)造煤與突出的關(guān)系。同時(shí),也會(huì)指出目前研究的不足,并提出潛在的研究方向。

4.1 構(gòu)造煤是煤與瓦斯突出發(fā)展的必要條件

基于對(duì)構(gòu)造煤的地質(zhì)成因和儲(chǔ)層特性的分析可以得出,構(gòu)造煤是構(gòu)造應(yīng)力使得煤的原生結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞/粉化后導(dǎo)致的,這使得構(gòu)造煤具有低強(qiáng)度、弱黏結(jié)的特征,導(dǎo)致構(gòu)造煤極易在地應(yīng)力和瓦斯的作用下發(fā)生破壞。此外,瓦斯在構(gòu)造煤中的賦存和流動(dòng)與在原生煤中有如下3 個(gè)明顯差異:

(1)由于構(gòu)造煤的更加發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)以及構(gòu)造煤碎裂度增加進(jìn)而導(dǎo)致的吸附位增加,導(dǎo)致構(gòu)造煤通常比原生煤具有更強(qiáng)的吸附性,使得構(gòu)造煤區(qū)域的瓦斯膨脹潛能更為巨大。

(2)構(gòu)造煤的滲透率比原生煤的滲透率普遍低約2 個(gè)數(shù)量級(jí),使得構(gòu)造煤區(qū)域易于形成瓦斯的天然封堵區(qū),導(dǎo)致瓦斯大量聚集,進(jìn)而增大了孔隙壓力以及突出危險(xiǎn)性。

(3)由于構(gòu)造煤的基質(zhì)尺度變小,瓦斯的流動(dòng)速度加快,構(gòu)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(gòu)造煤也更容易分解成具有極強(qiáng)解吸特性的粒狀甚至粉狀煤體,導(dǎo)致初始瓦斯解吸速率進(jìn)一步的急劇增大,為突出發(fā)展提供巨大的有效瓦斯膨脹能。

因此,從儲(chǔ)層特性的角度來看,構(gòu)造煤相對(duì)于原生煤而言具有多個(gè)利于突出激發(fā)及持續(xù)發(fā)展的特征。需要注意的是,在實(shí)際中,煤層力學(xué)性質(zhì)的不均勻性是顯著的。根據(jù)斷裂力學(xué),可以很自然的假設(shè)突出的激發(fā)通常是由于那些相對(duì)薄弱的,具有更低突出閾值的區(qū)域首先出現(xiàn)了煤體的破碎,進(jìn)而導(dǎo)致煤層中儲(chǔ)存的氣體能量和應(yīng)力能量瞬間失穩(wěn)釋放,最終引發(fā)連續(xù)的煤體破碎和噴出。對(duì)于存在有地質(zhì)構(gòu)造帶的煤層,構(gòu)造煤賦存的區(qū)域即是那些相對(duì)薄弱,易于發(fā)生突出的區(qū)域。但是,顯然并非所有的突出均是因?yàn)樵庥龅矫簩又懈鼮楸∪醯膮^(qū)域而觸發(fā)的—相當(dāng)一部分突出事故的誘因是煤層的揭露。從地質(zhì)學(xué)的角度來看,揭露新煤層時(shí)并不會(huì)總是正好采掘到煤層中的構(gòu)造煤區(qū)域。然而從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,完全是原生煤發(fā)生突出的案例極其稀少。顯然,這不能簡單歸結(jié)于是構(gòu)造煤更易于突出導(dǎo)致的。

從突出發(fā)展的角度來看,煤的破壞和搬運(yùn)是兩個(gè)必要過程。由于突出煤/巖搬運(yùn)的需求,突出時(shí)需要煤體高度破碎,通常認(rèn)為破碎煤體小于臨界粒徑后具有的快速解吸能力對(duì)突出的持續(xù)發(fā)展極為關(guān)鍵。但是,由于原生煤的強(qiáng)度特性,原生煤破碎到臨界粒徑時(shí)(取0.1 mm[100,104])消耗的破碎功是巨大的,需要應(yīng)力條件達(dá)到100～191 MPa,而這種應(yīng)力條件是目前的采掘深度難以達(dá)到的。相反的,構(gòu)造煤在30 MPa 的應(yīng)力條件下最小能達(dá)到0.07 mm,這滿足大多數(shù)研究中對(duì)臨界粒徑的估計(jì)值。這些具有極快的瓦斯解吸速率的構(gòu)造煤顆粒能夠?yàn)橥怀霭l(fā)展提供大量的解吸瓦斯。因此,在實(shí)際情況中,突出初始階段首先發(fā)生破碎失穩(wěn)的可以是原生煤甚至是強(qiáng)度更大的巖石,但是原生煤能達(dá)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(yùn),這使得突出能否持續(xù)的發(fā)展幾乎取決于附近是否存在構(gòu)造煤。

構(gòu)造煤與突出之間的關(guān)系最終可以描述為圖15。突出事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果、地質(zhì)構(gòu)造與突出的關(guān)系、煤體物理結(jié)構(gòu)的分析表明,構(gòu)造煤具有多個(gè)有利于突出激發(fā)和發(fā)展的特性。能量分析表明,現(xiàn)有采掘深度下的應(yīng)力條件可以達(dá)到構(gòu)造煤突出的要求。相反,原生煤發(fā)生突出時(shí)所需要的應(yīng)力條件則遠(yuǎn)高于構(gòu)造煤,甚至?xí)h(yuǎn)超過目前采掘深度下能達(dá)到的應(yīng)力水平。因此,突出的發(fā)展強(qiáng)烈依賴于構(gòu)造煤的存在。結(jié)果表明,構(gòu)造煤不僅是更易于突出,更是突出的一個(gè)必要條件。

4.2 目前研究存在的不足

對(duì)于構(gòu)造煤的研究,主要有2 個(gè)方面:煤粒和煤體。吸附解吸實(shí)驗(yàn)需要使用構(gòu)造煤顆粒,滲透率和力學(xué)測(cè)試需要構(gòu)造煤的巖芯試樣,研究氣體擴(kuò)散則煤粒和煤體皆可。對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)、吸附、擴(kuò)散和力學(xué)性能的研究不僅是分析突出臨界指標(biāo)的基礎(chǔ),對(duì)于瓦斯抽采和利用也至關(guān)重要。但是在考慮瓦斯抽采和利用時(shí),研究的對(duì)象是構(gòu)造煤體而不是煤顆粒,此時(shí)已經(jīng)不能再使用煤顆粒的物理性質(zhì)。然而,對(duì)構(gòu)造煤體的研究一直沒有引起足夠的重視。事實(shí)上,由于構(gòu)造煤巖芯試樣的制備條件差異很大,因此擴(kuò)散、吸附、解吸、力學(xué)性能和滲透率的結(jié)果也存在各種差異。其中,差異最大的是煤滲透率的測(cè)試,實(shí)驗(yàn)室滲透率結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果會(huì)相差2 個(gè)量級(jí)以上。一般而言,構(gòu)造煤在原位條件下的孔隙率通常小于6%,而重構(gòu)構(gòu)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(yīng)力條件不足。因此,為了更好地進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn),需要構(gòu)造煤樣品的標(biāo)準(zhǔn),并且該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能很好的復(fù)制原位條件下的各種特征性質(zhì)。

圖15 突出與構(gòu)造煤之間的聯(lián)系Fig.15 Relation between tectonic coal and coal and gas outbursts

對(duì)于突出能量的研究,主要有2 種方式:實(shí)驗(yàn)和理論?？刂仆怀龅闹饕蛩仄毡檎J(rèn)為有3 個(gè):煤體性質(zhì)、煤層瓦斯和應(yīng)力條件。但是,即使是單個(gè)因素的細(xì)微變化也會(huì)對(duì)其他多個(gè)因素產(chǎn)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(shí)上,突出機(jī)理的研究目前仍處于定性或者半定量的階段,要實(shí)現(xiàn)定量化研究仍面臨巨大的挑戰(zhàn)?；谕怀瞿芰刻骄客怀龅募ぐl(fā)和發(fā)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(jì)的方法,但是尚未得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。各種計(jì)算方法之間的差異也是顯著的。在將來,進(jìn)一步揭示突出能量的原理依然主要依靠數(shù)值模擬或者物理模擬實(shí)驗(yàn)。

綜上,目前研究存在的不足可歸納如下:

(1)尚未對(duì)構(gòu)造煤體的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究,且構(gòu)造煤瓦斯吸附/解吸性能與其孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系的理論研究也仍不完善。

(2)構(gòu)造煤體擴(kuò)散系數(shù)高于構(gòu)造煤顆粒的原因及其與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系尚不清楚。

(3)實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)構(gòu)造煤體的孔隙率顯著大于原位狀態(tài)下的,這不僅導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的滲透率偏大,也使得模擬突出實(shí)驗(yàn)得出的解吸瓦斯能量偏大。

(4)煤體性質(zhì)、煤層瓦斯以及應(yīng)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(gòu)造煤與突出之間的關(guān)系仍需更為全面和詳細(xì)的討論。

4.3 未來的研究重點(diǎn)

基于以上分析,可以總結(jié)出未來在地質(zhì)、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(zhì)方面,還有一些領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究。一個(gè)值得注意的關(guān)鍵問題是,構(gòu)造作用下構(gòu)造煤化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)的演化。深入研究構(gòu)造煤的形成過程是指導(dǎo)構(gòu)造煤精細(xì)預(yù)測(cè)的前提。此外,構(gòu)造煤低滲透率的形成機(jī)制及其在突出孕育階段中的關(guān)鍵作用也是需要繼續(xù)探究的。

在理論和實(shí)驗(yàn)方面,揭示構(gòu)造煤顆粒的性質(zhì)并探究其中哪些性質(zhì)可以代表構(gòu)造煤是非常關(guān)鍵的。例如,納米壓痕可用于測(cè)試構(gòu)造煤顆粒的力學(xué)性能,但如何使用這些結(jié)果來代表構(gòu)造煤體的力學(xué)性能仍需進(jìn)一步的研究。對(duì)于那些不能用煤顆粒特性表示的特性,如何完善構(gòu)造煤的重構(gòu)過程以獲得接近原位狀態(tài)下的性質(zhì)是非常重要的。特別是,構(gòu)造煤的重構(gòu)不僅影響著對(duì)其本身性質(zhì)的研究,對(duì)于促進(jìn)突出的物理模擬實(shí)驗(yàn)也有重要意義。實(shí)驗(yàn)室中的突出模擬實(shí)驗(yàn)是定量研究突出機(jī)理的重要手段,而這強(qiáng)烈依賴于實(shí)驗(yàn)型煤的性質(zhì)。此外,現(xiàn)有的突出模擬裝置難以真實(shí)還原構(gòu)造帶對(duì)于突出的影響,這也使得構(gòu)造煤與突出的關(guān)系只能以理論分析為主,缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

構(gòu)造煤和原生煤的瓦斯流動(dòng)機(jī)理有本質(zhì)的區(qū)別。理論上的突破和工程上的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)構(gòu)造煤卸壓和提高滲透率的關(guān)鍵,這對(duì)有效抽采瓦斯以及預(yù)防突出具有重要意義。另一方面,構(gòu)造煤與突出之間存在深刻的內(nèi)在聯(lián)系,未來仍需對(duì)突出,特別是構(gòu)造煤突出的機(jī)理進(jìn)行深入研究。

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化主要與變質(zhì)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。構(gòu)造煤的擴(kuò)散系數(shù)大于原生煤,煤體的擴(kuò)散系數(shù)大于煤顆粒,這是由于不同尺度的裂隙和孔隙結(jié)構(gòu)不同所致。對(duì)于同等變質(zhì)程度的構(gòu)造煤與原生煤,構(gòu)造煤的Langmuir 體積更大而Langmuir 壓力更小,表明構(gòu)造煤具備更強(qiáng)的瓦斯吸附能力。此外,構(gòu)造煤的初始瓦斯解吸速率也比原生煤高,表明構(gòu)造煤中的大孔隙較多。

(2)隨著圍壓的增加,構(gòu)造煤和原生煤的抗壓強(qiáng)度和彈性模量都有增加的趨勢(shì),但構(gòu)造煤的抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯低于原生煤。構(gòu)造煤的原位滲透率小于原生煤的原位滲透率,這與實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果相反。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)使用重構(gòu)煤巖芯來代表構(gòu)造煤是主要問題。

(3)構(gòu)造煤具有更低的黏聚力和強(qiáng)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(duì)突出過程中的能量供給有重要意義。同時(shí),構(gòu)造區(qū)域的低滲透性特征也限制了瓦斯抽采效率,這對(duì)采礦安全和煤層氣抽采有直接影響。突出案例的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也證實(shí)了構(gòu)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(duì)突出的發(fā)展極為關(guān)鍵。足夠的游離瓦斯供應(yīng)是突出持續(xù)發(fā)展的前提,這要求突出煤的尺寸小于臨界粒徑?；谕怀瞿芰康姆治?原生煤要破碎到臨界粒徑需要極高的應(yīng)力條件,這在目前采掘深度下是難以達(dá)到的。相反,構(gòu)造煤則可以很容易的滿足突出發(fā)展的需求。因此在實(shí)際中,煤巖體破碎失穩(wěn)后能否誘發(fā)突出幾乎取決于其附近是否存在構(gòu)造煤。結(jié)果表明,構(gòu)造煤不僅是易于突出,更是突出發(fā)展的一個(gè)必要條件。

(5)盡管對(duì)構(gòu)造煤顆粒的研究已經(jīng)取得了許多成果,但對(duì)構(gòu)造煤體仍需要進(jìn)行更系統(tǒng)的研究,弄清構(gòu)造煤體的性質(zhì)是瓦斯抽采和利用的關(guān)鍵。另一方面,進(jìn)一步探究構(gòu)造煤樣品重構(gòu)的新方法也具有重要意義,這不僅有助于對(duì)更好地了解孔隙結(jié)構(gòu)、吸附、擴(kuò)散、力學(xué)和滲流特性,也能使得突出模擬實(shí)驗(yàn)得到更為可靠真實(shí)的數(shù)據(jù),進(jìn)而促進(jìn)突出機(jī)理的定量化研究。