煤是由植物残骸在沉积过程中经过漫长复杂的生物化学、物理化学及地球化学作用转变而成的一种固体可燃有机岩[1]。煤层的形成和分布除受沉积因素影响外,也和构造变化有关,这最终导致了煤层赋存的复杂性和多样性[2]。在腐殖型有机物的成煤和变质过程中,会产生以甲烷为主的煤层瓦斯,主要以吸附态存在于煤的孔隙中。煤层瓦斯是一种清洁能源,然而也是煤矿开采中的重大危险源。自1834年法国伊萨克煤矿首次记录煤与瓦斯突出(以下简称突出)以来,全世界共发生了30 000 多次突出[3-4]。在过去的几十年里,突出作为煤矿生产中最具破坏性的灾害之一,造成了严重的经济损失和人员伤亡。通常认为,突出的发生与地质构造、煤体性质、瓦斯压力、应力状态等多个因素有关。
由于构造作用(如断层、褶曲、滑移等)的影响,煤的原生结构会被破坏,造成煤体的严重破碎甚至是粉化[5]——这种受到了严重破碎或粉化的煤通常称为构造煤或地质构造变形煤。换句话说,构造煤是在一期或多期构造应力作用下,在原生结构发生不同程度的脆裂、破碎、韧性变形、叠加破坏甚至达到内部化学成分和结构变化后形成的煤[6]。构造煤在中国乃至世界上均广泛分布。相对于原生煤而言,构造煤表现出低强度、弱黏结的特征[7],这在突出的发生和发展中扮演了关键的作用。一方面,构造煤的低强度特性降低了突出的力学条件。另一方面,构造煤破碎后易于形成大量的小颗粒散体煤,这些细煤粉具有极快的瓦斯解吸速率,为突出煤(岩)的搬运提供了巨大的动力[8]。例如1977年的中梁山突出,瓦斯涌出量38 540 m3,突出强度817 t,抛出距离167 m,但是持续时间仅39 s。赵伟等[8]通过理论分析得出中梁山突出中破碎煤体的粒径需要低于0.117 mm 才能在这样极短的时间内提供足够的解吸瓦斯来满足搬运功的需求,指出突出煤体低于临界粒径(通常在0.1 mm 附近)后具有的快速解吸能力是突出能够持续发展的关键。因此,瓦斯膨胀潜能很大程度上依赖于气体解吸能力,这在突出危险等级的判定中扮演了重要角色。
除了低强度和弱黏结,构造煤还有一个重要的特征是其在原位条件下的低渗透性。一般认为,这是由于煤的割理系统在构造应力的作用下发生了变化,最终导致了渗透率急剧下降[9]。例如,阳泉矿区的煤层渗透率约为1.70 × 10-17 m2 (1 mD = 0.987 ×10-15 m2),淮南矿区为1.97×10-19～1.07×10-16 m2,淮北矿区为6.9×10-19～9.87×10-19 m2,松藻矿区为1.23×10-18～2.07×10-17 m2[10]。由于构造煤的渗透率远低于相邻的原生煤(通常大于10-15 m2)[10],这些区域会形成对瓦斯流动的天然封堵,使得局部区域出现瓦斯富集[11],为突出的发生提供了能量条件[12]。另一方面,构造煤区域的低渗透性也给瓦斯抽采带来了困难,不仅不利于防治瓦斯灾害,也限制了用地面井对煤层气的开发,造成了能源的极大浪费[13-15]。
由于构造煤在能源开发和采矿安全中扮演着重要的角色,国内外学者开展了大量与构造煤有关的研究,例如构造煤的形成机制[16-17]、构造煤的地球化学特征[18-19],构造煤的储层性质[20-22]以及有关构造煤分类的综述[23]。其中,构造煤与突出之间的联系被广泛关注。GRAY[24]总结了来自8 个煤炭生产国的105 起突出事件,除与构造类型的关系尚不清楚的18起外,与构造关系明确的突出案例达87 起,其中95.4%发生在构造带中,如断层、褶曲和复杂构造地带的区域。SHEPHERD 等认为亚洲、欧洲和北美、澳大利亚等地90%以上的突出都发生在非对称的褶皱、断层和层滑构造等强烈变形区域[4]。SATO 等[25]发现突出区域几乎是沿着正断层延展的,认为正断层在日本Sunagawa 煤矿的突出中起了很大作用。此外,中国豫西“三软”煤层在低指标(如低瓦斯含量与低瓦斯压力)下存在严重突出的现象也被证明与构造煤存在密切关系[26]。总体而言,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[27]。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。为进一步揭示突出灾害与构造煤之间的内在关系,需要对构造煤与原生煤的地质成因、孔隙结构、甲烷吸附、解吸、扩散、渗流和力学性质等进行系统性的分析对比,并结合突出能量进行定量计算。
中国大多数成煤盆地经历了多期构造运动,形成了复杂的构造[28]。这导致煤层发生破碎或强烈的韧塑性变形及流变迁移,形成构造煤[29]。中国的成煤时期与世界其他地区相同,主要在石炭纪,二叠纪,三叠纪,侏罗纪,白垩纪和古新近纪[30]。古生代石炭纪和二叠纪煤主要分布在中国中东部和华南地区。在成煤期之后,经历了连续的构造运动,包括印支期(晚二叠纪至三叠纪,257～205 Ma),燕山期(侏罗纪至早白垩纪中生代,205～135 Ma),四川期(早白垩世至古新世,135～52 Ma),华北期(始新世至渐新世52～23.5 Ma)和喜马拉雅(新近世早期至更新世,23.5～0.78 Ma)[31]。这些板块的构造运动和造山作用引起碰撞、隆升、下陷、挤压、张拉、断层、岩浆活动和其他地质运动,使煤层变形、滑移和剪切。这些构造运动改变了煤的厚度、结构和变质程度。根据前人在现场勘查、扫描电子显微镜(SEM)观察和孔隙结构的研究成果[20,32],普遍认为构造煤是原生煤在一期或多期构造应力作用下,煤体原生结构和构造发生不同程度的脆裂、破碎或韧性变形或叠加破坏甚至达到内部化学成分和结构变化的一类煤。其具有低强度、低渗透性、吸附能力强和扩散速度快等性质。
1 我国构造煤分布与地质成因
由于构造煤的赋存与构造作用有关,因此构造煤可在中国西南和中东部大部分地区找到。对应的,中国西北和华北北部因为成煤期相对较短且经历的构造运动较少,所以构造煤在这些地区不太典型。图1给出了中国构造煤的可能分布[10]。应该注意的是,由于长期的地质构造作用,任何区域的煤田中都可能出现构造煤,因此图1仅是一种可能的图示。
构造煤的地质成因取决于尺度,包括区域和局部尺度[33]。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[34]。
在区域范围内,顺层滑动引起的煤层流变和韧性剪切带会导致煤层变形程度不同[35]。煤系地层在沉积以后,地层由于挤压构造作用力的影响而发生褶皱。煤层是一个软岩层,通常具有许多分层,在分层界面上的力学性能差异很大[36],因此煤层通常首先发生变形。在此过程中,由于顺层滑动,受影响的煤的孔隙度增加,这使煤变得更加疏松,煤骨架的力学性能降低。图2(a)和(b)说明了区域规模构造煤的形成机制。
在局部尺度上,基于动力力学理论,王恩营等[5]分析了正断层和逆断层在不同时间和空间下的应力分布和构造煤发育特征。研究表明,无论断层是正断层还是逆断层,断层的上盘为主动盘,下盘为被动盘。构造煤作为断层的伴生产物,其在断层的上盘会更加发育。图2(c)显示了由于断层造成的局部规模构造煤的形成机制。
构造煤和原生煤在微观尺度上的差异也是显著的,图3给出了两者扫描电镜的图片。可以看出,构造煤多发育有裂隙面(图3(a)),裂隙面是不均匀的,呈层状堆积,其表面具有许多凹凸结构。原生煤的表面相对平整,偶有孔洞和矿物质(图3(b))[37]。特别是,与原生煤相比,构造煤的表面具有更多的亚微米级颗粒,例如黏土颗粒和微小的煤碎片。
2 构造煤的储层特性
2.1 构造煤的孔隙结构
图1 中国境内可能的构造煤分布
Fig.1 Possibility distribution of tectonic coal in China
图2 构造煤地质成因示意
Fig.2 A schematic drawing of geological genesis of tectonic coal
通常认为,结构破坏是造成构造煤孔隙结构与原生煤差异的关键因素之一。不同类型构造煤(碎裂煤、粒状煤和糜棱煤)的孔隙结构会因为破碎程度的不同产生很大的差异[38]。图4比较了原生煤和构造煤的孔体积和比表面积[17,22,39-48]。一般而言,煤的镜质组反射率(Ro)越大代表煤的变质程度越高。可以看到,对于不同类型的构造煤,随着变质程度的增加(即Ro 增大时),其大孔和中孔的孔隙体积和比表面积均呈下降趋势。其中,在高变质阶段(Ro >2.0%),大孔的孔隙体积,中孔的孔隙体积和中孔的比表面积随变质程度的增加而增加(图4(a),(c),(d)),而大孔的比表面积却没有呈现明显趋势(图4(b))。尽管很难区分碎裂煤和粒状煤与原生煤之间在中孔段的差异,但是糜棱煤的中孔孔隙体积和比表面积比原生煤明显要高。对于微孔而言,由于数据点太离散,原生煤和构造煤之间没有明显的差异(图4(e),(f))。
图3 大宁煤矿构造煤和原生煤的SEM 图像[37]
Fig.3 SEM images of tectonic coal and intact coal in the Daning Coal Mine[37]
对于不同破坏程度的构造煤,碎裂煤的孔隙体积和比表面积与原生煤最为相似,其次是粒状煤,差异最大的是糜棱煤。其中,粒状煤和糜棱煤大孔的孔隙体积和比表面积一般都高于原生煤,这表明大孔隙在强烈的构造作用后显著发育。但是构造煤的中孔体积和比表面积与原生煤相比没有明显差异,并且在中至高变质阶段,原生煤的孔隙体积和比表面积均比构造煤高。这种孔隙结构之间的差异是变质作用和构造作用综合影响的结果。总体而言,构造煤不同孔径的孔隙体积均会因构造作用的影响而增大;但是,由于变质作用,煤中较小孔总体上具有孔体积减小的趋势,这种趋势增强了芳构化和芳环的收缩,同时也增加了煤中大分子的有序度[49-50]。因此,原生煤和构造煤的中孔孔隙体积和比表面积是重叠的,差异不如大孔明显。对于微孔而言,它们更容易受到变质作用的影响,而非构造作用,导致原生煤与构造煤之间没有明显的差异。综上,构造煤孔隙体积的大幅度增加可主要归结于大孔隙更易发生构造作用。
2.2 构造煤的吸附/解吸性能
在储层温度和压力条件下,煤中的瓦斯吸附是物理吸附,并且是压力,温度和表面积的函数[51]。吸附态密度较大,能提供大量的解吸瓦斯,这是煤与瓦斯突出的主要因素之一,也是煤层气的来源[52]。Langmuir 吸附模型是广泛应用于煤瓦斯吸附[21,39]的模型:
式中,Q 为吸附气体的体积,m3/t;VL 为Langmuir 体积,m3/t,是基于单层吸附的吸收剂的最大吸附容量;p 为平衡压力,MPa;PL 为Langmuir 压力,MPa,是吸附体积( Q)等于Langmuir 体积(VL)一半时的压力。
图4 原生煤与构造煤的孔隙体积和比表面积比较[17,22,39-48]
Fig.4 Pore volume and specific surface area comparison between intact and tectonic coals[17,22,39-48]
如图5所示,随着煤的镜质组反射率增大,构造煤和原生煤的Langmuir 体积均呈不对称“U”形。即,Langmuir 体积从低阶煤到中阶煤呈下降趋势,然后从中阶煤到高阶煤呈上升趋势,这与以往的结果一致[37,44]。如2.1 节所述,随着煤变质程度从低级到中级的增加,煤的微孔体积和比表面积会降低。由于大部分的物理吸附发生在煤的微孔结构中[53],因此微孔体积和比表面积的减少会导致吸附能力的降低[54]。对应的,中阶煤到高阶煤伴随着微孔体积和比表面积的增加则会使吸附能力增大,并且此时总碳含量的增加同样也将导致吸附能力的增大[55]。此外,从图5中也可发现,构造煤的Langmuir 体积通常比原生煤的Langmuir 体积大。这可归结于构造煤更加发达的孔隙结构导致了更大的气体吸附能力。另一方面,受构造作用的影响,构造煤碎裂度的增加也会导致吸附位的增加[55]。吸附量达到极限吸附量一半时的Langmuir 压力是气体与表面之间吸附亲和力的量度,较低的Langmuir 压力意味着较强的吸附亲和力。如图5所示,朗格缪尔压力在变质程度方面显示出类似的不对称“ U”形趋势,并且最小Langmuir压力对应的镜质体反射率高于最小Langmuir 体积的镜质体反射率。此外,构造煤的Langmuir 压力通常小于原生煤的Langmuir 压力,这表明甲烷与构造煤的亲和力要强于原生煤。
图5 Langmuir 体积与Langmuir 压力和镜质组反射率之间的关系[21,39,43-44,53-55]
Fig.5 Relationship between Langmuir volume,Langmuir pressure and vitrinite reflectance[21,39,43-44,53-55]
无外界干扰条件下,煤中的吸附瓦斯和游离瓦斯处于动态平衡状态。当煤储层压力降到临界解吸压力以下时,动态平衡将被破坏,瓦斯将开始解吸,直到建立新的动态平衡为止。需要注意的是,解吸是吸附在煤孔隙表面的瓦斯分子从基质孔隙表面离开的过程,而扩散是瓦斯分子通过基质中的孔隙网络传输到裂隙的过程[56]。解吸时间通常是指从气体离开孔隙表面到裂隙的特征时间,是考虑了煤尺度条件下的瓦斯释放时间,具有现场实际应用意义。由于解吸过程比扩散过程快得多,因此解吸时间实际上是受扩散过程控制的,是扩散系数和基质形状因子的函数。其中,形状因子又与基质体积、基质与裂隙之间的质量交换面积以及扩散特征距离有关。基于不同的假设,以往的研究提出了许多关于形状因子模型[57-60]。但是,由于构造煤基质和裂隙结构的关系并不清楚,因此基质形状因子中的基质和裂隙质量交换面积以及扩散特征距离均未知。目前为止,构造煤的基质形状因子仍不明确。在这种情况下,即使确定了构造煤的扩散系数,但由于基质形状因子未知,要获得实际环境中构造煤的甲烷扩散量依然面临着巨大的困难。图6绘制了构造煤和原生煤在不同吸附平衡压力下的平均解吸速率[37,47,60-62]。由图6可以看出,构造煤的平均解吸速率在相同压力下普遍大于原生煤。并且,初始解吸速率随吸附压力的增大也有增长的趋势。另一方面,由于煤中大孔为瓦斯的解吸提供了良好的扩散通道,所以初始解吸能力主要取决于发达的大孔[47],这说明原生煤比构造煤具有更多的中孔和微孔[63]。尽管瓦斯的解吸速率也受到变质类型和构造变形程度的影响[55],但是构造煤普遍比原生煤具有更高的初始瓦斯解吸能力,这种快速解吸的能力对突出危险区预测和防突措施的实施有直接影响[64]。
图6 不同时间段中构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 构造煤的扩散性能
气体在材料中的宏观迁移称为气体扩散,这是由气体分子的热运动引起的[65]。煤层可被视作由基质孔隙和围绕煤基质的裂隙组成的双重孔隙系统[56]。通常而言,通过煤基质孔隙的甲烷流动被视为扩散过程,而裂隙系统中的甲烷迁移被视为达西渗流[56]。基于克努森数Kn 可将多孔介质中的气体扩散分为Fick 扩散,Knudsen 扩散和过渡扩散[66]。 Kn 的表达式为
其中, Kn 为克努森数; λ 为气体分子的平均自由程,nm;d 为孔隙的代表性宽度,nm。当Kn ≥10 时,气体分子主要与孔壁碰撞,其流动为Knudsen 扩散。当Kn ≤0.1 时,碰撞主要发生在气体分子之间。当0.1 < Kn < 10 时,分子之间以及与壁的碰撞同样重要,其特征是过渡扩散[66]。扩散通量是描述气体扩散的关键物理量,其定义是单位时间内气体通过单位面积的质量[65]:
其中, J 为扩散通量,kg/(m2 ·s);D 为扩散系数,m2/s;C 为扩散气体的质量浓度,kg/m3;x 为扩散距离,m。在实际应用中,如考虑煤层中的瓦斯抽采时,单位时间内煤中的甲烷扩散量是一个重要的参数,它与扩散通量的关系[67]为
式中,Q 为单位时间内单位体积煤中的甲烷扩散量,kg/(m3·s); σ 为基质形状因子,m-2,其值与煤基质的体积V、基质与裂隙之间的质量交换面积S,以及特征扩散距离L 有关,满足σ=S/(VL);
为煤基质中的平均甲烷质量浓度,kg/m3;cf 为裂隙中的甲烷质量浓度,kg/m3。
可以发现,表征气体在多孔介质中扩散的关键参数是扩散系数和基质形状因子。图7收集了部分研究在不同压力下获得的甲烷扩散系数[37,62,66,68-74]。如图7(a)所示,构造煤和原生煤的扩散系数都在10-15～10-7 m2/s,不同煤样品的扩散系数跨越了8 个数量级,显示出高度分散的特性。图7(b)进一步比较了构造煤和原生煤在相同采样位置处的甲烷扩散系数比值,发现构造煤的甲烷扩散系数为原生煤的1.26～94.05 倍,平均为12.2 倍,表明构造煤甲烷的扩散系数通常显著地高于原生煤。事实上,由于甲烷是在孔隙中扩散的,因此构造煤与原生煤在扩散系数上的差异可归结于孔隙结构的不同。然而,甲烷扩散系数与孔隙结构之间的定量关系现在仍未明确。
2.4 构造煤的渗流性能
煤层的渗透率是一个重要的储层性质,它控制着煤矿瓦斯抽采率和煤层气产量。煤的渗透率主要与自身的裂隙系统(或称割理系统)有关,同时也对外部环境比较敏感[75],受到周围应力条件的影响[76]。为了比较构造煤和原生煤之间的渗透率,图8中收集了一些有代表性的煤层气生产区域的渗透率数据[77-79]。可以发现,原生煤的渗透率通常比构造煤高出2 个数量级以上。构造煤的低渗透率可主要归结于其裂隙系统在高应力条件下被严重挤压后导致的裂隙体积大幅度减少,这最终使得构造煤的渗透率显著下降。
需要指出的是,与煤渗透率的现场测试相比,使用岩芯样品在实验室中进行渗透率测试是更为普遍的。然而,与结构完整,抗扰动能力强的原生煤不同,强度低、黏聚力弱的构造煤很难直接获得岩芯试样。因此用煤粉(有时加入胶结剂)制备的重构岩芯试样被广泛用于研究构造煤和渗透率。
图7 原生煤和构造煤中的甲烷扩散系数[37,62,66,68-74]
Fig.7 Diffusion coefficients of methane in intact coal and tectonic coal from literature[37,62,66,68-74]
图8 不同区域的煤层渗透率[77-78]
Fig.8 Coal permeability in different areas[77-78]
在这种情况下,原生煤的原始结构得到了很好的保存,其相关特性得以保留。但是对于构造煤,其原始结构在重构过程中会发生不可逆的改变,进而使得重构的型煤并不能完全还原构造煤的原始物理性质。事实上,大部分实验室研究均表明,当有效应力相同时,实验室测得的原生煤渗透率一般小于构造煤的渗透率,差异甚至可以达到2 个数量级[76,80-84],这与现场测试得出结论是截然不同的。这个现象以及背后隐藏着的问题是将来研究中应当引起关注的。
2.5 构造煤的力学性能
在这一节中,主要以抗压强度和弹性模量来比较构造煤和原生煤的力学性能差异。图9展示了不同地区的构造煤和原生煤在不同围压下的抗压强度和弹性模量[85-91]。可以发现,构造煤的抗压强度和弹性模量明显低于原生煤:构造煤的单轴抗压强度一般小于3 MPa,而原生煤的单轴抗压强度为10～80 MPa;并且,大部分构造煤的弹性模量小于1 GPa,而原生煤的弹性模量为2～8 GPa。这种显著的差异一方面是原生煤与构造煤结构不同导致的,另一方面可归结于实验室制样过程的影响。事实上,构造煤力学性能的实验室测试同样遭遇到了无法完全重构构造煤体的问题。在这种情况下,构造煤的强度和弹性模量会不可避免得受到制样过程的影响。
为了减少不同取样地点和制样过程带来的影响,董骏等[20]利用从中国淮北煤田祁南煤矿的同一地点收集的构造煤和原生煤,直接将构造煤样品与粉碎后的原生煤样品筛分到所需的尺寸进行力学测试。如图10(a)所示,构造煤和原生煤颗粒的有效弹性模量均随粒径的减小而增加。特别是,大多数原生煤颗粒的有效弹性模量高于相同粒径的构造煤的弹性模量。此外,相对有效弹性模量(定义为原生煤与构造煤的有效弹性模量之比)随煤粒径的增加而增加,其值从2.72 变为4.57。图10(b)为不同粒径的构造煤和原生煤样品的抗拉强度。类似地,2 个煤样品的抗拉强度均随着粒径的减小而增加,并且原生煤的值明显高于构造煤。可以看出,相对抗拉强度(定义为原生煤与构造煤的抗拉强度之比)也随着煤粒径的增加而增加,相对抗拉强度从2.86 变为6.35。综上,原生煤的弹性模量与抗拉强度要普遍高于构造煤,且原生煤与构造煤型煤样之间的力学性能差异比两者颗粒之间的差异更为显著。
图9 原生煤和构造煤的抗压强度和弹性模量与围压的关系[85-90]
Fig.9 Difference of mechanical properties between intact coal and tectonic coal[85-90]
图10 原生煤和构造煤颗粒的有效弹性模量和抗拉强度的测量值与粒径的函数关系[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 煤与瓦斯突出能量分析
3.1 煤与瓦斯突出的发展过程
煤与瓦斯突出是地下煤矿中最具破坏性的灾害之一。长期以来,突出的防治都是中国乃至全世界学者们关注的重点[92]。通常认为,突出是一个由多因素控制(如瓦斯、应力和煤体性质)的动力过程,包括孕育、激发、发展和终止4 个阶段[8,12,41,92],如图11所示。突出过程的本质是将煤层在长期地质构造过程中聚集的气体能量和应力能量在极短时间内释放的过程。在孕育阶段,煤层以及煤层瓦斯的赋存状态受到周围的构造应力的控制[3]。当煤的原生结构经过一期或多期构造应力作用后,会发生不同程度的脆裂、破碎、韧性变形、叠加破坏甚至发生内部化学成分和结构变化,最终形成构造煤区域。这些区域往往导致煤层瓦斯的异常分布,形成局部瓦斯富集——在很多实际案例中,这都是诱发突出的一个主要因素。在激发阶段中,突出能否发生取决于气体压力或环境应力是否超过了对应的阈值。需要指出的是,岩柱/煤柱的破坏往往是突出发生的先决条件,而这主要依赖于煤层中应力能的大小[93]。因此,当进入深部开采的高应力环境后,发生突出以及相关复合灾害的危险性将显著增大[12]。突出激发后,煤岩体迅速的失稳破坏,此时煤层形成初始暴露面,为后续的发展提供空间条件。进入发展阶段后,破坏阵面不断向突出煤层的内部发展,此时释放出的大量瓦斯混合着突出煤岩体形成气固流向巷道中猛烈喷出,只有当能量供给不足以支持气固流的持续搬运时,突出才会终止。
图11 突出过程的阶段划分及能量原理
Fig.11 Stage classification for the dynamic process of outburst
突出煤的充分破碎是瓦斯供给能够支撑煤体搬运的必要条件[8,12,64,94-95]。例如,赵伟等[96] 基于1977年中梁山突出获得的现场数据,认为突出过程中破碎煤体的平均粒径需小于0.117 mm 才能提供足够的解吸瓦斯能量以支撑煤体搬运,提出突出煤体在破碎至临界粒径以下后具有的快速解吸能力对突出的持续发展极为关键。需要指出的是,尽管突出发生后,煤层中瓦斯瞬间泄压产生的压力梯度以及搬运过程中含瓦斯煤颗粒间的碰撞也会导致突出煤体的破碎及粉化,但物理实验与理论分析均指出基于这些方式产生的破碎率是较低的,煤体破碎的主要能量来源依然是应力能。例如,金侃等[97]基于相似模拟实验在无应力条件下研究了突出过程中气固二相流的运动过程,发现原生煤颗粒在搬运过程中的粉碎率仅为3.06%～8.15%,其中< 0.074 mm 粉煤的质量分数低于0.41%,说明了瓦斯导致煤体破碎的能力是极其有限的。此外,涂庆毅等[98]分析了搬运过程中瓦斯作用导致煤体粉化的条件,指出与易于发生破碎的构造煤颗粒不同,原生煤颗粒发生粉碎需要极高的应力条件,甚至远超过突出应力的范围。
由于煤(尤其是原生煤)破坏/粉化的主要原因是应力能的释放,因此应力条件决定了煤体的破碎程度,进而影响着突出发展过程中破碎煤体的瓦斯解吸能力。因此,突出的发生和发展均依赖于应力释放时对煤体的破坏程度。
3.2 煤与瓦斯突出的能量计算
瓦斯膨胀能通常被认为是突出能量中最重要的组成部分,部分研究指出瓦斯膨胀能甚至比煤体的弹性能高出2 个量级以上[98,100,102,105]。突出灾害的破坏力可主要归结为气体能量的释放。但是,由3.1 节可知,气体能量主要作用于煤体的搬运,而较少导致煤体的破碎。因此,无论瓦斯膨胀能和应力能各自的占比如何,突出的激发都需要应力达到足以使煤体破碎甚至粉碎的条件。事实上,应力能先于瓦斯膨胀能释放,并在很大程度上决定了瓦斯膨胀能的大小。
能量守恒是自然界的普遍规律,煤与瓦斯突出的过程本质上也是能量积聚、转移和释放的过程。突出发生时,煤层中应力和瓦斯吸附的平衡态发生瞬时改变,导致存储的弹性潜能和瓦斯能突然失稳释放,然后煤岩体发生破碎并混合着高速瓦斯流向外部的采掘空间喷出。在这个过程中,突出能量守恒的表达式为
式中,W1 为煤体的弹性势能;W2 为煤体中瓦斯的膨胀能;A1 为破碎煤体消耗的能量; A2 为搬运突出煤体消耗的能量;A3 为其他能量耗散,如气体的残余动能以及突出煤体摩擦、震动、发热、声发射耗散能量等。
煤层在应力条件下的应力能,和瓦斯以膨胀做功的形式贡献的瓦斯能[11,64,99-100]可以分别表示为
式中,E 为弹性模量;σx,σy,σz 分别为x,y,z 方向上的应力;dv 为气体膨胀时体系体积的变化值;P0,P分别为环境压力和煤层中的瓦斯压力; γn 为过程指数,常取1.3。
对于应力能而言,其大小受到应力条件和煤体自身物理性质的控制;对于瓦斯膨胀能而言,其大小强烈依赖于突出时的游离瓦斯压力以及突出持续期间的瓦斯释放量。在这些参数中,应力条件、压力条件、煤体性质等可被认为是突出的初始条件或者环境条件,这些条件对瓦斯释放量,特别是突出发展过程中的瓦斯解吸能力有着控制作用。以往的研究通常利用物理模拟实验或者基于均质球形颗粒的单孔扩散模型(式(8))对解吸瓦斯的参与量进行估计。
式中,qt 为t 时间内的瓦斯解吸量;q∞为无穷时间后的总瓦斯解吸量;rc 为颗粒直径。
图12列举了以往研究对解吸瓦斯能量在总瓦斯膨胀能中占比的估计范围[98,100-102]。可以发现,解吸瓦斯能量是气体能量的重要组成部分,在很多突出案例的计算中均占到80%以上。物理模拟(<65%)和理论分析(>80%)之间的差异可主要归结于实验室中型煤的孔隙率过高(通常高于15%)使得游离气体的占比偏大导致的[99]。前面提到,型煤孔隙率增大导致实验室测得的渗透率普遍高于现场,这同时也会导致物理模拟实验得到的解吸瓦斯能量占比普遍低于实际突出中的值。
图12 解吸气体的能量占比[98,100-102]
Fig.12 Proportion of desorbed gas energy[98,100-102]
另一方面,由图6和7 可知,在相同变质程度下,构造煤的极限解吸量( q∞)和扩散系数(D)均普遍高于原生煤,将数值代入式(8)可得单位时间内相同粒径的构造煤比原生煤的解吸量高出1.12～9.70 倍,表明构造煤区域具有更大的解吸瓦斯的潜能。需要指出的是,除了本身具有的更高的解吸能力,构造区域导致的瓦斯富集(即q∞增大)同样也是值得注意的,这会使得总的瓦斯膨胀潜能增大2 个数量级以上[103]。
在突出发展过程中,粒径变化对瓦斯解吸能力的影响是非常显著的。特别是,构造煤的力学性质决定其在相同应力条件下比原生煤更易破碎,这会导致构造煤突出时的解吸瓦斯参与量远大于原生煤。若将式(8)对时间t 进行求导,则可以进一步得出平均瓦斯解吸速率vt 的表达式:
由于参数D 和q∞并不会随着粒径的变化有明显的改变[64],因此在这里可视为常数。基于式(9),并考虑煤体不均匀性带来的影响[96,104],最终可以得到粒径与平均解吸速率之间的关系:
式中,vt1 和vt2 分别为煤体在粒径为rc1 和rc2 时的平均解吸速率;δ 为考虑了煤体不均匀性影响的修正系数,通常取0.5～0.7。
若假设粒径为1 mm 的煤体初始解吸速度为单位值1,并取δ=0.5～0.7,则可以根据式(10)可以得到如图13所示的曲线,该曲线描述了破碎煤体相对解吸速度随粒径变化的规律。可以发现,当破碎煤体的粒径小于某个临界粒径后,解吸速度会急剧增大。这些具有极快解吸速率的煤粉将在突出发展过程中提供巨大的能量供给,是突出煤体能够持续搬运的关键。以往研究对于突出发展要求的临界粒径进行了实验性与理论性的分析[100-101,104],指出临界粒径通常在0.1 mm 附近。
图13 相对瓦斯解吸速率随粒径变化的规律
Fig.13 Relation between relative gas desorption rate and particle size
综上,解吸瓦斯能量在突出总能量中占有很大的比重,因此充足的解吸瓦斯供给是突出发展的关键,而这依赖于应力能对突出煤体的充分破碎。此外,与原生煤相比,构造煤在突出过程中更容易形成大量具有极快解吸速率的煤粉,这可为突出发展提供巨大的能量供给。
3.3 煤与瓦斯突出的必要条件
尽管已经明确了煤体破碎到临界粒径以下时具有的快速解吸能力对突出的发展极为重要,但是究竟需要怎样的应力条件才能使得煤体达到这种破碎程度仍是不明确的。因此,需要进一步分析应力条件与煤体破碎粒径之间的关系。
破碎比功(Γ)被普遍用来衡量煤的破碎/粉化特性,它表示了煤在破碎过程形成单位面积新增表面积所消耗的破碎功大小。若认为煤体的破碎主要是由于应力能的释放,则单位体积突出煤体与应力能之间的关系可以近似的表示为(将煤颗粒视为球体):
式中,ΔS 为破碎煤体的新增表面积;Γ 为破碎比功;
为破碎煤体的平均粒径。
假设应力条件为σx =σy =σz,综合式(6)和式(11),σx 可以表示为
为了探究原生煤的和构造煤破碎时需要的应力条件,可以对两者的力学参数选取一个合理的范围进行计算。对于原生煤,取弹性模量2～8 GPa,破碎比功200～1 000 J/m2;对于构造煤,取弹性模量1 GPa,破碎比功10～50 J/m2;对于两者而言,煤体破碎后的平均粒径
取0.01～3 mm,泊松比μ=0.3。图14为煤体破碎粒径与所需应力的关系,可以看出,所需应力随着煤体破碎程度的增大而增大,特别是当粒径降低到0.25 mm 附近时,所需要的应力条件急剧增大。考虑到1 000 m 以内埋深所能提供的垂直应力和水平应力一般不会超过30 MPa,且大部分的突出都发生在埋深300～700 m 内[105],笔者在图14中标记出了应力为30 MPa 的参考线。
图14 煤体破碎需要的应力条件
Fig.14 Stress conditions required for outburst development
如图14(a)所示,对于原生煤而言,即使
=3 mm,所需要的平均应力也达到了32 MPa。原生煤的破碎比功和弹性模量只有在相对较低的取值下才能使得所需要的应力条件处于30 MPa 的参考线以下。尽管如此,
的最小值也超过了1.1 mm,这种破碎程度依然远超过临界粒径(通常在0.1 mm 附近),其解吸能力是难以满足突出需求的[98,100-102,104]。根据式(12),若要使原生煤的
达到0.1 mm,所需的应力条件为100～191 MPa。显然,原生煤破碎到临界粒径所需要的应力条件在目前采掘深度下是极难达到的。
如图14(b)所示,对于构造煤,其平均粒径d在30 MPa 应力条件下能达到的最小值约为0.07 mm,这满足目前绝大多数研究中对临界粒径的估计值。尤其是,在现有采掘深度的应力范围之内,构造煤可以很容易的达到
≥0.4 mm,其平均破碎程度显著高于原生煤。因此,在相同的应力条件下,构造煤在突出过程中提供的解吸瓦斯量会远超过原生煤,表明构造煤具有极高的瓦斯膨胀潜能。此外,也需要指出的是,应力对煤体的破碎只是突出的一个必要条件,若初始瓦斯膨胀能没有超过突出条件所需的阈值,则只会出现压出等动力现象。第2 节中提到,构造带由于低渗透特性,容易形成高瓦斯富集区,这为初始瓦斯膨胀能达到突出阈值提供了有利的条件,这也使得构造煤区域普遍具有更高的突出危险性。
综上,目前采掘深度的应力条件可以很容易的将构造煤破碎到临界粒径以下,这使得构造煤在突出发展过程中具有极强的瓦斯解吸能力,成为突出能够持续发展的关键之一。相反,若要使原生煤破碎到临界粒径,其需要的应力条件不仅远高于构造煤,甚至会远高于目前采掘深度能达到的应力水平。尽管对于低强度、低弹性模量的原生煤(或者说性质接近构造煤时),其在较高的应力条件下也是具备破碎条件的,但是由于达不到临界粒径的要求,破碎煤体的瓦斯解吸能力是有限的,这极大的限制了瓦斯的膨胀能。事实上,这也符合以往研究的统计规律,能够很好解释为什么绝大多数的突出现场均能发现构造煤的存在,而那些少数没有发现明显构造带以及构造煤的突出案例通常只有非常低的突出强度。例如,澳大利亚仅发生了3 起与构造煤无关的突出,它们的突出强度均低于30 t[106],这表明大型的突出事故往往与构造煤密切相关。
4 讨 论
通过对大量的突出案例发生地的统计分析,可以发现绝大部分的突出事故发生在地质构造地带(断层、褶曲、逆推等),这些区域分布着大量的构造煤。上面的分析表明,造成这个结果的根本原因是构造煤具有一系列区别于原生煤的特性,这些特性对突出的发动和发展至关重要。在本节中,笔者将对构造煤的物理性质和突出的能量进行系统性的分析,进一步揭示构造煤与突出的关系。同时,也会指出目前研究的不足,并提出潜在的研究方向。
4.1 构造煤是煤与瓦斯突出发展的必要条件
基于对构造煤的地质成因和储层特性的分析可以得出,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、弱黏结的特征,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。
因此,从储层特性的角度来看,构造煤相对于原生煤而言具有多个利于突出激发及持续发展的特征。需要注意的是,在实际中,煤层力学性质的不均匀性是显著的。根据断裂力学,可以很自然的假设突出的激发通常是由于那些相对薄弱的,具有更低突出阈值的区域首先出现了煤体的破碎,进而导致煤层中储存的气体能量和应力能量瞬间失稳释放,最终引发连续的煤体破碎和喷出。对于存在有地质构造带的煤层,构造煤赋存的区域即是那些相对薄弱,易于发生突出的区域。但是,显然并非所有的突出均是因为遭遇到煤层中更为薄弱的区域而触发的—相当一部分突出事故的诱因是煤层的揭露。从地质学的角度来看,揭露新煤层时并不会总是正好采掘到煤层中的构造煤区域。然而从统计结果来看,完全是原生煤发生突出的案例极其稀少。显然,这不能简单归结于是构造煤更易于突出导致的。
从突出发展的角度来看,煤的破坏和搬运是两个必要过程。由于突出煤/岩搬运的需求,突出时需要煤体高度破碎,通常认为破碎煤体小于临界粒径后具有的快速解吸能力对突出的持续发展极为关键。但是,由于原生煤的强度特性,原生煤破碎到临界粒径时(取0.1 mm[100,104])消耗的破碎功是巨大的,需要应力条件达到100～191 MPa,而这种应力条件是目前的采掘深度难以达到的。相反的,构造煤在30 MPa 的应力条件下最小能达到0.07 mm,这满足大多数研究中对临界粒径的估计值。这些具有极快的瓦斯解吸速率的构造煤颗粒能够为突出发展提供大量的解吸瓦斯。因此,在实际情况中,突出初始阶段首先发生破碎失稳的可以是原生煤甚至是强度更大的岩石,但是原生煤能达到的破碎程度难以提供足够的解吸瓦斯以支持突出煤体的搬运,这使得突出能否持续的发展几乎取决于附近是否存在构造煤。
构造煤与突出之间的关系最终可以描述为图15。突出事故的统计结果、地质构造与突出的关系、煤体物理结构的分析表明,构造煤具有多个有利于突出激发和发展的特性。能量分析表明,现有采掘深度下的应力条件可以达到构造煤突出的要求。相反,原生煤发生突出时所需要的应力条件则远高于构造煤,甚至会远超过目前采掘深度下能达到的应力水平。因此,突出的发展强烈依赖于构造煤的存在。结果表明,构造煤不仅是更易于突出,更是突出的一个必要条件。
4.2 目前研究存在的不足
对于构造煤的研究,主要有2 个方面:煤粒和煤体。吸附解吸实验需要使用构造煤颗粒,渗透率和力学测试需要构造煤的岩芯试样,研究气体扩散则煤粒和煤体皆可。对孔隙结构、吸附、扩散和力学性能的研究不仅是分析突出临界指标的基础,对于瓦斯抽采和利用也至关重要。但是在考虑瓦斯抽采和利用时,研究的对象是构造煤体而不是煤颗粒,此时已经不能再使用煤颗粒的物理性质。然而,对构造煤体的研究一直没有引起足够的重视。事实上,由于构造煤岩芯试样的制备条件差异很大,因此扩散、吸附、解吸、力学性能和渗透率的结果也存在各种差异。其中,差异最大的是煤渗透率的测试,实验室渗透率结果与现场结果会相差2 个量级以上。一般而言,构造煤在原位条件下的孔隙率通常小于6%,而重构构造煤样品的孔隙率一般大于15%,其主要原因是样品制备中应力条件不足。因此,为了更好地进行这些实验,需要构造煤样品的标准,并且该标准应能很好的复制原位条件下的各种特征性质。
图15 突出与构造煤之间的联系
Fig.15 Relation between tectonic coal and coal and gas outbursts
对于突出能量的研究,主要有2 种方式:实验和理论。控制突出的主要因素普遍认为有3 个:煤体性质、煤层瓦斯和应力条件。但是,即使是单个因素的细微变化也会对其他多个因素产生线性或者非线性的影响,并且这种影响是难以定量判定的。事实上,突出机理的研究目前仍处于定性或者半定量的阶段,要实现定量化研究仍面临巨大的挑战。基于突出能量探究突出的激发和发展是一种有效的定量化研究手段。然而,突出过程中的瓦斯参与量,特别是解吸瓦斯的参与量一直是难以解决的难题。尽管有多种近似估计的方法,但是尚未得到统一的认识。各种计算方法之间的差异也是显著的。在将来,进一步揭示突出能量的原理依然主要依靠数值模拟或者物理模拟实验。
综上,目前研究存在的不足可归纳如下:
(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。
4.3 未来的研究重点
基于以上分析,可以总结出未来在地质、实验室和现场应用方面的潜在研究方向,如图16所示。
图16 潜在的研究方向
Fig.16 Potential researches of tectonic coal and outburst
在地质方面,还有一些领域需要进一步研究。一个值得注意的关键问题是,构造作用下构造煤化学组成和物理结构的演化。深入研究构造煤的形成过程是指导构造煤精细预测的前提。此外,构造煤低渗透率的形成机制及其在突出孕育阶段中的关键作用也是需要继续探究的。
在理论和实验方面,揭示构造煤颗粒的性质并探究其中哪些性质可以代表构造煤是非常关键的。例如,纳米压痕可用于测试构造煤颗粒的力学性能,但如何使用这些结果来代表构造煤体的力学性能仍需进一步的研究。对于那些不能用煤颗粒特性表示的特性,如何完善构造煤的重构过程以获得接近原位状态下的性质是非常重要的。特别是,构造煤的重构不仅影响着对其本身性质的研究,对于促进突出的物理模拟实验也有重要意义。实验室中的突出模拟实验是定量研究突出机理的重要手段,而这强烈依赖于实验型煤的性质。此外,现有的突出模拟装置难以真实还原构造带对于突出的影响,这也使得构造煤与突出的关系只能以理论分析为主,缺乏实验验证。
构造煤和原生煤的瓦斯流动机理有本质的区别。理论上的突破和工程上的优化是实现构造煤卸压和提高渗透率的关键,这对有效抽采瓦斯以及预防突出具有重要意义。另一方面,构造煤与突出之间存在深刻的内在联系,未来仍需对突出,特别是构造煤突出的机理进行深入研究。
5 结 论
(1)构造煤孔隙结构参数的变化主要与变质和构造运动有关。构造煤的扩散系数大于原生煤,煤体的扩散系数大于煤颗粒,这是由于不同尺度的裂隙和孔隙结构不同所致。对于同等变质程度的构造煤与原生煤,构造煤的Langmuir 体积更大而Langmuir 压力更小,表明构造煤具备更强的瓦斯吸附能力。此外,构造煤的初始瓦斯解吸速率也比原生煤高,表明构造煤中的大孔隙较多。
(2)随着围压的增加,构造煤和原生煤的抗压强度和弹性模量都有增加的趋势,但构造煤的抗压强度和弹性模量明显低于原生煤。构造煤的原位渗透率小于原生煤的原位渗透率,这与实验室的结果相反。在实验室测试中,发现使用重构煤岩芯来代表构造煤是主要问题。
(3)构造煤具有更低的黏聚力和强度,其在突出过程中比原生煤更易于形成大量粉碎的、小粒径颗粒,这对突出过程中的能量供给有重要意义。同时,构造区域的低渗透性特征也限制了瓦斯抽采效率,这对采矿安全和煤层气抽采有直接影响。突出案例的统计数据也证实了构造煤更易于突出的特征是广泛存在的。
(4)煤的解吸瓦斯能力对突出的发展极为关键。足够的游离瓦斯供应是突出持续发展的前提,这要求突出煤的尺寸小于临界粒径。基于突出能量的分析,原生煤要破碎到临界粒径需要极高的应力条件,这在目前采掘深度下是难以达到的。相反,构造煤则可以很容易的满足突出发展的需求。因此在实际中,煤岩体破碎失稳后能否诱发突出几乎取决于其附近是否存在构造煤。结果表明,构造煤不仅是易于突出,更是突出发展的一个必要条件。
(5)尽管对构造煤颗粒的研究已经取得了许多成果,但对构造煤体仍需要进行更系统的研究,弄清构造煤体的性质是瓦斯抽采和利用的关键。另一方面,进一步探究构造煤样品重构的新方法也具有重要意义,这不仅有助于对更好地了解孔隙结构、吸附、扩散、力学和渗流特性,也能使得突出模拟实验得到更为可靠真实的数据,进而促进突出机理的定量化研究。
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