付江偉，傅雪海，李 鵬，張 楊

（1.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

構(gòu)造煤（指狹義構(gòu)造煤，不包括碎裂煤），又稱破壞煤[1]、構(gòu)造變形煤[2]、變形煤[3]、軟煤[4]等，是指在構(gòu)造作用下，煤的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使煤體出現(xiàn)不同程度的破碎甚至粉化的一類特殊煤的統(tǒng)稱。通常認為，構(gòu)造煤在一期或多期構(gòu)造應(yīng)力作用下形成，其結(jié)構(gòu)已發(fā)生不同程度的脆韌性變形和流變遷移，煤的物理結(jié)構(gòu)、內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)、聲電響應(yīng)等特征與原生結(jié)構(gòu)煤相比存在顯著差異[5-9]。大量研究表明，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)無論是與煤層氣（瓦斯）資源開發(fā)效果還是煤與瓦斯突出（以下簡稱“突出”）的發(fā)生都存在直接或間接的聯(lián)系[10-11]，為了取得理想的地面煤層氣開發(fā)效果，業(yè)內(nèi)在選區(qū)、布井考慮上甚至將構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)列為煤層氣開發(fā)的“禁區(qū)”。此外，有研究認為亞洲、歐洲和北美、澳大利亞等地90%以上的突出都發(fā)生在構(gòu)造煤發(fā)育的強烈變形區(qū)[12]。正是由于構(gòu)造煤在煤層氣資源開發(fā)和煤炭資源安全開采中扮演著重要角色，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量與構(gòu)造煤有關(guān)的研究：構(gòu)造煤的形成機制[6，11，13-15]、構(gòu)造煤的分類及特征[6，14-15]、構(gòu)造煤的孔-裂隙結(jié)構(gòu)[16-19]、構(gòu)造煤的力學(xué)特征[20-22]、構(gòu)造煤的吸附/解吸、擴散、滲流性能[23-26]等。

盡管圍繞構(gòu)造煤的形成及其特征，國內(nèi)外進行了廣泛而深入的研究，并試圖從構(gòu)造煤的角度揭示突出的發(fā)生機理，從而更好地為煤層氣（瓦斯）抽采和突出災(zāi)害防治服務(wù)。但是這些研究都是基于對單一煤層各煤分層的研究，對構(gòu)造煤煤層并未給出清晰的定義和認識。無論是煤層氣的開發(fā)效果還是突出的發(fā)生與否都是建立在整個煤層基礎(chǔ)上的，如山西沁水盆地晉城礦區(qū)3 號煤層盡管底部有0.7 m 左右的構(gòu)造煤，但是煤層氣開發(fā)效果在國內(nèi)最好；在安徽淮南礦區(qū)，構(gòu)造煤分層絕對厚度<0.5 m 的區(qū)域，一般不發(fā)生突出[27]。整個煤層均為構(gòu)造煤的情況十分少見，有的煤層構(gòu)造煤發(fā)育在煤層的頂部、有的發(fā)育在中部、有的發(fā)育在底部，有的多次交替出現(xiàn)；有的構(gòu)造煤分層厚、有的薄。由此可以看出，構(gòu)造煤在煤層中的發(fā)育規(guī)模（如構(gòu)造煤分層的絕對厚度和相對厚度等）是開展煤層氣產(chǎn)能評價和突出防治不容忽視的一個重要因素。前人從構(gòu)造煤分層類型做了大量富有成效的研究工作，但是對構(gòu)造煤煤層定義和劃分的文獻還鮮有報道。因此，開展了構(gòu)造煤煤層界定的相關(guān)研究，無論對煤層氣資源的開發(fā)還是突出災(zāi)害的防治都具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

1 構(gòu)造煤煤層的概念

為更直觀地表述或傳達煤層的某些屬性，研究人員根據(jù)煤層所具有的不同特征將其進行了多種多樣的分類，例如：根據(jù)煤層含夾矸情況將煤層劃分為簡單結(jié)構(gòu)煤層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層；根據(jù)煤層厚度情況將煤層劃分為薄煤層、中厚煤層、厚煤層和巨厚煤層；根據(jù)煤層的穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定煤層、較穩(wěn)定煤層、不穩(wěn)定煤層和極不穩(wěn)定煤層；按構(gòu)造復(fù)雜程度將煤層劃分為簡單構(gòu)造、中等構(gòu)造、復(fù)雜構(gòu)造和極復(fù)雜構(gòu)造；按含瓦斯情況將煤層劃分為低瓦斯煤層、高瓦斯煤層和突出危險煤層等等，這些不同的分類方法不但表征了煤層某一屬性之間的差異性，更重要的是，通過這些不同的分類或界定，更加方便了人們對事物的認識，從而更直接或科學(xué)地為人們做出針對性的決策服務(wù)。鑒于構(gòu)造煤在礦井安全生產(chǎn)和資源有效開發(fā)中的重要影響，對構(gòu)造煤本身也進行了詳細的歸類和劃分[6，15-16]，從3 個方面對開展構(gòu)造煤煤層認定的必要性進行分析。

1.1 構(gòu)造煤地質(zhì)成因與分布

構(gòu)造煤是地質(zhì)作用的結(jié)果，尤其是與地質(zhì)構(gòu)造的影響規(guī)模和類型密切相關(guān)。研究認為構(gòu)造煤的成因與分布具有尺度控制效應(yīng)，這種尺度又可分為區(qū)域的和局部的[6,11,28]。對于區(qū)域尺度，例如煤田規(guī)模甚至更大的范圍內(nèi)，層理滑動是主要控制因素；對于局部尺度，例如采區(qū)或工作面，貫穿煤層的斷層則起主要作用。相對于圍巖而言，煤層屬于軟巖，地層受力擠壓滑動過程中，煤層更容易發(fā)生變形破壞，在區(qū)域范圍內(nèi)，順層滑動作用下，煤層流變和韌性剪切帶會導(dǎo)致煤層變形程度不同，煤體結(jié)構(gòu)更加疏松，煤骨架的力學(xué)性能降低。在局部尺度上，以斷層為例，斷層滑移面是構(gòu)造煤的主要發(fā)育部位，其中又以斷層上盤面更為顯著，構(gòu)造煤的發(fā)育特征與斷層不同時間和空間下的應(yīng)力密切相關(guān)。

構(gòu)造煤受控于地質(zhì)構(gòu)造作用，區(qū)域分布與含煤盆地經(jīng)歷的構(gòu)造運動密切相關(guān)。我國主要的成煤期為石炭紀、二疊紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀，成煤之后發(fā)生了多期構(gòu)造運動，主要包括印支期（晚二疊紀至三疊紀），燕山期（侏羅紀至早白堊紀）和喜馬拉雅（新近紀早期至更新世）[29]。其中尤以晚古生代的石炭-二疊紀含煤盆地經(jīng)歷的構(gòu)造期次最多，煤層賦存的地質(zhì)條件最為復(fù)雜，構(gòu)造煤發(fā)育相應(yīng)也較為突出。在中國版圖內(nèi)，石炭-二疊紀煤主要聚集的中東部和西南地區(qū)構(gòu)造煤最為典型，而西北和華北北部因為成煤期相對較晚，經(jīng)歷的構(gòu)造運動也較少，這些地區(qū)的構(gòu)造煤不十分發(fā)育。值得注意的是，我國最晚的成煤期也有23.5～0.78 Ma，嚴格意義上說，在漫長的地質(zhì)作用下，煤作為一種軟巖，幾乎所有煤田都有存在構(gòu)造煤的可能。因此，對于指導(dǎo)煤層氣開發(fā)和突出災(zāi)害的防治來說，僅僅摸清構(gòu)造煤成因及其存在與否還不夠，更應(yīng)該從如何定義構(gòu)造煤煤層的角度來探討其對實踐的指導(dǎo)。

1.2 構(gòu)造煤與瓦斯突出的關(guān)系

按照綜合假說觀點，煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體結(jié)構(gòu)3 個因素綜合作用的結(jié)果[29]。國內(nèi)外大量突出點的實際調(diào)查統(tǒng)計也證明幾乎所有發(fā)生突出的地點或附近都發(fā)育有一定厚度的構(gòu)造煤[30]，一定厚度的構(gòu)造煤是發(fā)生突出的必要條件。構(gòu)造煤之所以與突出之間存在密切聯(lián)系，一定程度上在于構(gòu)造煤的存在其本身就是綜合假說三要素的體現(xiàn)：首先，從構(gòu)造煤的成因來說，其是地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果，因此，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)也是應(yīng)力集中區(qū)；其次，構(gòu)造煤微孔隙發(fā)育、吸附性強、滲透性差，瓦斯保存條件好，相應(yīng)的瓦斯壓力也較高；再次，構(gòu)造煤強度低、易破碎，抵抗能力弱，最易被破壞和拋出。

從能量轉(zhuǎn)移和守恒的角度來說，煤與瓦斯突出的發(fā)生本質(zhì)上是失衡條件下能量積聚、轉(zhuǎn)移和釋放的過程，包括孕育、激發(fā)、發(fā)展和終止4 個階段[11]。在激發(fā)階段中，突出能否發(fā)生取決于煤體貯存的能量是否超過了對應(yīng)的閾值，而這主要依賴于煤層中應(yīng)力能的大小，在這個過程中，能量的蓄積和消耗可以用能量守恒方程式進行表達：

式中：W 為煤體的彈性潛能，J；λ 為煤體中瓦斯的膨脹能；A 為煤體破碎到突出煤粉時的能量，主要用于煤體的破碎、搬運等能量的消耗，J。

從能量上，構(gòu)造煤之所以比原生結(jié)構(gòu)煤更有利于突出的發(fā)生，一方面在于構(gòu)造煤受力形成過程中本身蓄積的彈性潛能就高；另一方構(gòu)造煤更大的吸附能力和對瓦斯良好的保存條件，煤體中瓦斯的膨脹能也更大。除此之外，當(dāng)平衡狀態(tài)被打破后，構(gòu)造煤的瓦斯解吸、釋放能力又顯著高于原生結(jié)構(gòu)煤。據(jù)有關(guān)研究[11]，在相同采樣位置處的甲烷擴散性能，構(gòu)造煤的甲烷擴散系數(shù)為原生結(jié)構(gòu)煤的1.26～94.05倍，平均為12.2 倍，再加上構(gòu)造煤顆粒相對較小，嚴重的甚至已經(jīng)粉化，用于煤體破損和搬運所消耗能量也相對較少，因此，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)往往也是突出發(fā)生的優(yōu)勢地區(qū)。

含瓦斯構(gòu)造煤一定程度上對突出起到了綜合的控制作用。基于此，國內(nèi)不少礦區(qū)將構(gòu)造煤厚度作為預(yù)測突出的1 個重要參考[16]，如陽泉3 號煤層發(fā)生突出的構(gòu)造煤厚度為0.45 m。南桐礦區(qū)4 號煤層的構(gòu)造煤厚度為1.6～2.0 m，發(fā)生突出的次數(shù)占全礦總次數(shù)的48.3%，平均突出強度110 t；5 號煤層構(gòu)造煤厚度0.04～0.3 m，發(fā)生突出的次數(shù)占全礦總次數(shù)的23.6%，平均突出強度31.6 t；6 號煤層構(gòu)造煤厚度0.1～0.4 m，發(fā)生突出的次數(shù)占全礦總次數(shù)的24.8%，平均突出強度37.1 t。一般認為如果構(gòu)造煤較薄，在0.15 m 以下時，不管其它條件如何都不會發(fā)生突出。

由于煤與瓦斯突出的復(fù)雜性，各礦區(qū)突出的發(fā)生和構(gòu)造煤厚度之間很難給出1 個確定的數(shù)值，但即使如此，一定厚度構(gòu)造煤的存在是突出啟動和發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來源是毋容置疑的，足夠量的瓦斯供應(yīng)是突出持續(xù)發(fā)展的保障，為提高突出危險預(yù)測的準確性和災(zāi)害防治開展的針對性，進行構(gòu)造煤煤層認定和劃分仍然具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1.3 煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣開發(fā)效果的影響

產(chǎn)氣量是評價煤層氣開發(fā)效果的最直觀方式，煤層氣井能否保持穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)主要與煤層的解吸半徑和氣體解吸產(chǎn)出的難易程度有關(guān)，吸附氣越容易解吸產(chǎn)出且解吸半徑越大，煤層氣井就容易實現(xiàn)穩(wěn)定高產(chǎn)。

煤層氣井理論產(chǎn)能表示如下：

式中：Q 為煤層氣井理論產(chǎn)能，m3；R 為解吸半徑，m；h 為煤層厚度，m；ρ 為煤層密度，t/m3；α 為解吸率，%；V 為煤層含氣量，m3/t。

從式（2）可以看出，在某一確定的區(qū)塊內(nèi)，煤層厚度、含氣量、密度等參數(shù)基本是穩(wěn)定的，煤層氣產(chǎn)能主要受控于解吸率和解吸半徑。研究表明，與原生結(jié)構(gòu)煤相比，構(gòu)造煤具有更大的比表面積和更強的氣體吸附能力[31]，對于結(jié)構(gòu)破碎嚴重的碎粒煤、糜棱煤，孔隙連通性差且儲層改造難度大，在沒有有效釋放空間的情況下，氣體是極難進行解吸并持續(xù)傳輸?shù)?，因而不利于煤層氣開發(fā)。

根據(jù)研究者對山西古交礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)能關(guān)系的研究[32]，氣井日產(chǎn)量與破碎煤層厚度占比存在顯著的負相關(guān)關(guān)系。在古交礦區(qū)的東部、東北部以及南部馬蘭向斜兩翼區(qū)，煤體以原生結(jié)構(gòu)煤為主，碎裂煤次之，堅硬煤占比超過55%，最多可達80%，特高產(chǎn)井（>1 000 m3/d）、高產(chǎn)井（500～1 000 m3/d）以及中產(chǎn)井（300～500 m3/d）主要分布在這些地區(qū)；而在馬蘭向斜的軸部，以碎粒煤為主的碎軟煤，所占比例超過60%，最高可達83%，由于碎軟煤占比過大，多分布低產(chǎn)井（0～300 m3/d），甚至干井（0 m3/d），在碎軟煤占比過大的直井中，即使進行壓裂，產(chǎn)氣量依舊很低。因此，從提高煤層氣開發(fā)效果的角度出發(fā)，將構(gòu)造煤煤層厚度或其在全煤層中所占比例作為一個限制性選區(qū)參數(shù)進行利用十分必要。

2 構(gòu)造煤煤層界定的原則與依據(jù)

1）構(gòu)造煤煤層與構(gòu)造煤在概念認識上不同，構(gòu)造煤本質(zhì)上是一種特殊的煤，對其分類主要著眼于煤體本身的變化，強調(diào)的是破壞程度的不同以及相應(yīng)的表現(xiàn)特征，因此，構(gòu)造煤的認定和劃分以客觀屬性的表達為主。而本文所指的構(gòu)造煤煤層雖然也是基于構(gòu)造煤的客觀屬性，但并不單純地將構(gòu)造煤分層叫構(gòu)造煤煤層，也不簡單地將發(fā)育有構(gòu)造煤分層的煤層就稱為構(gòu)造煤煤層，而是結(jié)合構(gòu)造煤的發(fā)育程度、規(guī)模以及與整個煤層的組合情況，對其進行綜合認定，目的是將這種稱呼或分類所傳達的信息更直觀、方便、有效地用于生產(chǎn)實踐的指導(dǎo)。

2）構(gòu)造煤煤層的界定要有明確的目的性或指導(dǎo)性：①直觀上能夠表達出構(gòu)造煤在絕對厚度或相對厚度（構(gòu)造煤占該煤層的厚度比例）上的發(fā)育程度；②一定程度上能夠反映出該煤層是否會發(fā)生煤與瓦斯突出或突出危險發(fā)生的相對難易程度；③在煤層氣資源開發(fā)選區(qū)和煤層氣開發(fā)效果評價方面，可以作為1 個重要的參考，對區(qū)塊進行優(yōu)選或否決。

3）構(gòu)造煤煤層的分類范圍是全部煤層，即，通過構(gòu)造煤煤層的界定，將整個煤層劃分為幾類，構(gòu)造煤煤層是該屬性下的一類。當(dāng)然，根據(jù)實際情況或需要，也可對構(gòu)造煤煤層再進行亞類劃分。

4）無論是對煤與瓦斯突出的發(fā)生還是煤層氣的開發(fā)，構(gòu)造煤要起到顯著的影響，都需要一定規(guī)模的構(gòu)造煤分層厚度作為前提。因此，將構(gòu)造煤的絕對厚度作為構(gòu)造煤煤層認定和劃分的一個重要指標，相對厚度作為輔助指標加以利用。

5）構(gòu)造煤破壞程度不同，其所具有的物理力學(xué)性質(zhì)以及所體現(xiàn)突出傾向性也有所差別。因此，構(gòu)造煤煤層劃分過程中應(yīng)對這一特征應(yīng)有所體現(xiàn)。構(gòu)造煤的類別劃分有多種，鑒于河南理工大學(xué)提出的“四分法”[16]最有較強的代表性，在使用過程中將作為主要參考。

6）構(gòu)造煤煤層的界定與劃分力求簡單實用，易于辨識，根據(jù)這一特點和要求，整個分類將煤層劃分為原生結(jié)構(gòu)煤層、過渡結(jié)構(gòu)煤層和構(gòu)造煤煤層3 大類。

3 構(gòu)造煤煤層的界定與劃分方案

為方便對比構(gòu)造煤煤層與非構(gòu)造煤煤層之間的區(qū)別與聯(lián)系，煤層類型的劃分范圍為全部煤層，按煤層破壞規(guī)模共分為3 個類型，即：Ⅰ原生結(jié)構(gòu)煤層、Ⅱ過渡結(jié)構(gòu)煤層、Ⅲ構(gòu)造煤煤層，分別代表的煤層破壞程度為較輕、較重、嚴重，這3 類煤層在災(zāi)害風(fēng)險等級和煤層氣開發(fā)評價方面各自具有不同的表征意義。Ⅰ類煤層的突出危險等級較低，為低風(fēng)險，是煤層氣開發(fā)的優(yōu)選區(qū)；Ⅱ類煤層的突出危險等級中等，具有一定程度的風(fēng)險，在煤層氣開發(fā)選區(qū)評價方面盡量規(guī)避；Ⅲ類煤層的突出危險等級最高，極易發(fā)生煤與瓦斯突出，對于煤層氣開發(fā)，現(xiàn)有技術(shù)條件下，一般要力求規(guī)避?；诿后w破壞規(guī)模的煤層結(jié)構(gòu)分類見表1。

表1 基于煤體破壞規(guī)模的煤層結(jié)構(gòu)分類Table 1 Classification table of coal seam structure based on coal failure scale

表1 中：dg為某煤層構(gòu)造煤的累積厚度，也稱為構(gòu)造煤的絕對厚度，構(gòu)造煤是依據(jù)河南理工大學(xué)的“四分法”[16]認定的，統(tǒng)一將其中的Ⅲ、Ⅳ煤視為構(gòu)造煤；A 為構(gòu)造煤占該煤層厚度的百分比，也稱構(gòu)造煤的相對厚度，即:

式中：d 為煤層厚度，m。

與其它關(guān)于構(gòu)造煤的分類方案相比，以往研究都是基于對單一煤層各煤分層的認定，關(guān)注的重點主要是煤體結(jié)構(gòu)本身是否發(fā)生變化，強調(diào)的是破壞程度的不同以及對應(yīng)物性特征的表現(xiàn)。而劃分方案針對的是整個煤層的認定，除考慮是否發(fā)育構(gòu)造煤外，更加注重構(gòu)造煤的發(fā)育規(guī)模（如：絕對厚度、相對厚度），前后方案出發(fā)點存在本質(zhì)不同。本劃分方案的優(yōu)點在于：①基于構(gòu)造煤的發(fā)育規(guī)模，實現(xiàn)了對整個煤層破環(huán)程度的認定和劃分，在煤層屬性傳達上，豐富和完善了煤層分類方案；②明確了每類煤層所屬類型的界定指標，實現(xiàn)了煤層類型認定的定量評價，可操作性更強；③指出了每類煤層在瓦斯災(zāi)害等級和煤層氣資源開發(fā)評價方面所表征的意義，實踐指導(dǎo)價值更強。

4 結(jié) 語

1）構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)對煤礦安全生產(chǎn)和煤層氣資源開發(fā)的不利影響是業(yè)界人士的共識，理論上構(gòu)造煤的發(fā)育存在普遍性，但具體對生產(chǎn)實踐的影響程度與其絕對厚度，包括相對厚度密切相關(guān)。從構(gòu)造煤煤層界定與劃分的必要性對上述問題進行了探討，通過對構(gòu)造煤煤層的認定，一方面，在煤層屬性傳達上，豐富和完善了煤層的分類；另一方面，通過對構(gòu)造煤煤層的分類，將每類煤層所表征的瓦斯災(zāi)害危險性和煤層氣開發(fā)難易程度直接、形象地表達出來，更有利于生產(chǎn)實踐的應(yīng)用。

2）研究以構(gòu)造煤絕對厚度0.5、1.3 m 和占比25%、50%將煤層劃分為原生結(jié)構(gòu)煤層、過渡結(jié)構(gòu)煤層和構(gòu)造煤煤層。所提出的構(gòu)造煤煤層劃分原則與依據(jù)、類型、界定指標等是初步的，隨著研究工作的深入開展，基于煤體破壞規(guī)模的煤層結(jié)構(gòu)分類方案會更加細化，所采用的界定指標也會進一步優(yōu)化，屆時劃分方案將更加科學(xué)和完善。