构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ．2 0 2 l j j - - - 辩鬻豢燕搿善獭端鬟戮 。蠹 搿疆搿i i i i 鋈隧戮鞫耧攀糕攀 。一※蠹薯 j 碱篝每辩j j 。叠蕞i 二1 ．一 构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究 程远平1 ’2 ’3 ，雷杨1 ’2 ’3 1 ．中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏徐州 2 2 l l l 6 ；3 ．中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要构造煤是原生煤经过长期的强烈挤压，剪切变形后形成的，其具有黏聚力低、强度低和渗透 率低等特点。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。为了揭示构造煤与突出的内在关系，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。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。然而，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。在实际情况中，即使首先发生破碎的是原 生煤或者岩石，突出的持续发展也强烈依赖于破碎比功更低和解吸能力更强的构造煤，表明构造煤 不仅仅是更易于突出，更是突出发展的一个必要条件。此外，就构造煤的储层特性而言，在实验室 中获得的构造煤渗透性能显著高于现场获得的结果 差异可达2 个数量级 ，其主要原因可归结为 实验室中重构的构造煤样品无法还原构造煤的原始物理性质。因此在未来的研究中，除了仍需要 对构造煤体的孔隙结构进行系统性的研究外，还需要探究构造煤样品重构的新方法。 关键词构造煤；储层特性；突出机理；能量分析；应力 中图分类号T D 7 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 卜0 1 8 0 1 9 C a u s a U t yb e t w e e nt e c t o l l i cc o a la n dc o a la n dg a so u t b u r s t s C H E N GY u a n p i n 9 1 ，2 ⋯，L E IY a n 9 1 ’2 ，3 1 ．№t 如眦ZE 昭i ，聊矗增尺船∞r c o n 衙如，‰zG 伽c o n t r o z ，c i 胍踟i 坩珊盼矿胁n i 增n 蒯n 幽加z o g y ，．Y 让抗o Ⅱ 2 2 l l1 6 ；2 ．研k 6 0 r Ⅱ‘。r y ∥c o Ⅱf 胁琥n 删。耐用r e ∞肋．o f ，胁n 括打y 矿副w Ⅱ勘n ，吼i 凡o ‰；孵m 妙矿心n 垤帆d ‰ n o f o g y ，x 础o Ⅱ2 2 1 1 1 6 ，吼i n o ；3 ．n c “姆0 ，s 咖￡yE 凡g i 础e r 吨，劬i 一 加踟妇膳妙矿埘n i n go 蒯死c 加f 嗍7 ，x 趾如o “ 2 2 1 11 6 ，∞抽n A b s t r a c t T e c t o n i cc o a li sf b 珊e da f t e rt h ei n t a c tc o a lb e i n gs u b j e c t e dt ol o n g t e 彻i n t e n s es q u e e z i n g ，s h e a r i n ga n dd e f ．o r n l a t i o n ．I ti sc h a r a c t e 而z e db yb r i t t l eo rd u c t i l ed a m a g e dc o a l b o d y ，w i t ht h ec h a m c t e r i s t i c so fI o wc o h e s i o n ，l o w s t r e n g t ha n dl o wp e 瑚e a b i l i t y ．T h ee x i s t e n c eo fac a u s a ll i n kb e t w e e no u t b u r s t sa n dt e c t o n i cc o a li sw i d e l ya c c e p t e d ． R e c e n to h s e n ，a t j o n sh a v ea l s oj n d j c a t e dt h a tm n s to ft h eo t h l 】r s tc a s e sj nf h ；n aa n dt h ew o r l do c c u r r e r | i nt e c t n n j P 收稿日期2 0 2 0 0 9 2 1修回日期2 0 2 0 一1 1 3 0责任编辑常明然 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 2 9 4 ，5 2 0 3 4 0 0 8 作者简介程远平 1 9 6 2 一 ，男，吉林集安人，教授。T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 5 9 4 8 ，E m a i l y p c 6 2 0 9 2 4 1 6 3 ．c o m 通讯作者雷杨 1 9 9 4 一 ，男，贵州贵阳人，博士研究生。E m a i l I b l 9 1 2 0 0 0 9 b 2 c u m I ．e d u ．c n 引用格式程远平，雷杨．构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 1 1 8 0 1 9 8 ． c H E N GY u a n p i “g ，L E IY a “g ．c a u s a l i t yb e t w e e nt e c t o n i cc o a la n dc o a la n dg a so u t b u r s t s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a l S o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 1 1 8 0 1 9 8 ． 移动阅读 万方数据 第1 期程远平等构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究 1 8 l c o a ls e a m s ．H o w e V e r ，t h em e c h a n i s mi sn o ty e tc l e a r ．I no r d e rt or e V e a lt h ei n t e m a lc o n n e c t i o nb e t w e e nt e c t o n i cc o a l a n do u t b u r s t ，r e s e r v o i rp m p e r t i e s ，i n c l u d i n gp o r es t m c t u r e ，a d s o r p t i o n ，d i f m s i o n ，p e 彻e a b i l i t ya n dg e o m e c h a n i c a lp r o p - e r t i e so ft h et e c t o n i cc o a la r er e v i e w e di nd e t a i la n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h ei n t a c tc o a l ．I tw a sf b u n dt h a tt e c t o n i c c o a li ng e n e r a ls h o w sl a 唱e rt o t a lp o r eV o l u m ea n ds p e c i 6 cs u r f ．a c ea r e at h a ni n t a c tc o a lf o rl a r g e rp o r e sd u et ot e c t o n - i s m ，a n dt h ei m p a c to nm a c r o p o r e si st h em o s ts i g n i n c a n t ．I na d d i t i o n ，t h ea d s o r p t i o n ／d e s o r p t i o nc a p a c i t ya n dd i f h l s i o n c o e f f i c i e n to ft e c t o n i cc o a la r eg e n e r a l l yh i g h ，w h i l et h ec o m p r e s s i v es t r e n 殍ha n de l a s t i cm o d u l u sa r eg e n e r a l l yl o w ． F u r t h e ra n a l y s i ss h o w st h a tt h er e l e a s eo fs t r e s se n e r g yi st h ek e yt oc o a lc I u s h i n g ，a n dt h ee x i s t e n c eo fc o a lp a r t i c l e s s m a l l e rt h a nt h ec r i t i c a ls i z ei sc r u c i a l ．H o w e v e r ，t or e a c ht h ec r i t i c a lp a r t i c l es i z e ，t h es t r e s sc o n d i t i o n sr e q u i r e df o ri n - t a c tc o a la r em u c hh i g h e rt h a nt e c t o n i cc o a la n dm a ye v e nf a re x c e e dt h es t r e s sl e v e l so fc u r r e n tm i n i n gd e p t h s ． H e n c e ，t h ed e v e l o p m e n to fo u t b u r s t ss t m n 甜yr e l i e so nt e c t o n i cc o a l s ．I nt h i sc a s e ，t h ee x i s t e n c eo ft e c t o n i cc o a li sa n e c e s s a r yc o n d i t i o nf o ro u t b u r s td e v e l o p m e n t ，r a t h e rt h a ne a s i e rt oo u t b u r s t ．I na d d i t i o n ，i nt e r m so ft h er e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c so ft e c t o n i cc o a l ，t h ep e r m e a b i l i t yo b t a i n e di nt h el a b o r a t o r yi s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h er e s u l t so b t a i n e d i nt h e6 e l d u pt ot w oo r d e r so fm a g n i t u d e ．T h er e a s o nc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ef a c tt h a tu s i n gr e e o n s t i t u t e ds a m p l e s f b rt e c t o n i cc o a li nt h el a b o r a t o r ym a yn o tf h l l yr e p l i c a t et h eo r i g i n a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft e c t o n i cc o a l ．I ti s s u g g e s t e d t h a t i na d d i t i o nt os y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ep o r es t l l l c t u r eo ft e c t o n i cc o a l ，i ti sa l s oo fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe x p l o r e n e wm e t h o d sf o rt h er e c o n s t m c t i o no ft e c t o n i cc o a ls a m p l e s ． K e yw o r d s t e c t o n i cc o a l ；r e s e r v o i rp r o p e n i e s ；o u t b u r s tm e c h a n i s m ；o u t b u r s te n e r g y ；s t r e s s 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⋯。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旧J 。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 吸附态存在于煤的孑L 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1 8 3 4 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3 00 0 0 多次突出∞‘4J 。 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”o 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MJ 。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“ J ，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 的动力旧j 。例如1 9 7 7 年的中梁山突出，瓦斯涌出量 3 85 4 0m 3 ，突出强度8 1 7t ，抛出距离1 6 7m ，但是持 续时间仅3 9s 。赵伟等旧1 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 ．1 1 7m m 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 ．1m m 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∽J 。例如，阳泉矿区的煤 层渗透率约为1 ．7 0 1 0 1 7 m 2 1m D 0 ．9 8 7 1 0 - 1 5m 2 ，淮南矿区为1 ．9 7 1 0 _ 1 9 ～1 ．0 7 1 0 ‘1 6m 2 ， 淮北矿区为6 ．9 1 0 叫9 ～9 ．8 7 1 0 9m 2 ，松藻矿区为 1 ．2 3 1 0 。1 8 ～2 ．0 7 1 0 ‘1 7m 2 [ 1 0 ] 。由于构造煤的渗透 率远低于相邻的原生煤 通常大于1 0 。1 5m 2 0 | ，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1 | ，为突出的发生提供了能量条 件l l2 。。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 费陋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 万方数据 1 8 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 究，例如构造煤的形成机制【1 6 。1 7 J 、构造煤的地球化学 特征8 叫9 | ，构造煤的储层性质心0 。2 2 1 以及有关构造煤 分类的综述拉3 | 。其中，构造煤与突出之间的联系被 广泛关注。G R A Y 【2 4 1 总结了来自8 个煤炭生产国的 1 0 5 起突出事件，除与构造类型的关系尚不清楚的1 8 起外，与构造关系明确的突出案例达8 7 起，其中 9 5 ．4 ％发生在构造带中，如断层、褶曲和复杂构造地 带的区域。S H E P H E R D 等认为亚洲、欧洲和北美、澳 大利亚等地9 0 ％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HJ 。s A T o 等口纠 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s u n a g a w a 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ⅢJ 。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【2 7o 。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∽引。这导致煤层发生破碎或强烈 的韧塑性变形及流变迁移，形成构造煤悼9 | 。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“ 0 | 。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，2 5 7 ～2 0 5M a ，燕 山期 侏罗纪至早白垩纪中生代，2 0 5 ～1 3 5M a ，四 川期 早白垩世至古新世，1 3 5 5 2M a ，华北期 始 新世至渐新世5 2 2 3 ．5M a 和喜马拉雅 新近世 早期至更新世，2 3 ．5 0 ．7 8M a 卜1 | 。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 s E M 观察和孔隙结构的研究成果心0 ’3 2J ，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1 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∞3 | 。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嵋4 I 。 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旧5 | 。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旧6 ‘，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1 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 ∞7 。。 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 通常认为，结构破坏是造成构造煤孑L 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 万方数据 第l 期程远平等构造煤和煤与瓦斯突f “关系的研究 1 8 3 顶 构造 图1中困境内可能的构造煤分布 F i g ．1P t s s i h i l i t y ‘1 i s I “b u t i w 1o ft e c t ‘J n i ’【’ a 1 i nC h i n a a 褶皱作用 底板原生煤 b 层滑作用 [ 一 构造撂f ，篇层■ 原尘煤 酬㈣■■● 图2 构造煤地质成因示意 F i g ．2 As c h e n l a t i cd r a w i n go fg e o l o g i c a lg P n e s i so ft P c t o n i c 。‘l a 煤、粒状煤和糜棱煤 的孑L 隙结构会因为破碎程度的 不同产生很大的差异。38 I 。图4 比较了原生煤和构造 煤的孔体积和比表而积⋯ 1 1 。卜48 I 。一般而言，煤的镜 质组反射率 尺，， 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 即尺。增大时 ，其大孑L 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 尺。 2 ．0 ％ ，大孑L 的孑L 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 生煤之间在中孑L 段的差异，但是糜棱煤的中孑L 孑L 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 。 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 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 a 构造煤 图3大宁煤矿构造煤和原生煤的s E M 图像m 卜、i g ．3 S F Mi n l a g e s fI e c I 1 1 i c o a la n 1i n t a 【- t ，a 1i nt h PI a n i n gC a lM i n P 1 7 强烈的构造作用后显著发育。但是构造煤的中孔体有明显的差异。综卜，构造煤孔隙体积的大幅度增力f 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，原生煤的孑L 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，构造煤不同孑L 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。4 ”州。。因此，原生煤和构 造煤的中孑L 孔隙体积和比表面积是重叠的，差异不如 大孔明显。对于微孑L 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问没 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”‘。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K 2 。L a n g m u i r 吸附模型是广泛应用于煤瓦斯吸附{ 2 卜∞] 的模 型 Q 等 1 1 ’rL 式中，Q 为吸附气体的体积，m 3 ／l ；V 。为L a n g m u i r 体 万方数据 第l 期 程远j F 等构造煤和煤‘j 乩斯突⋯火系的铆『究 l8 5 积，，3 ／t ，是嬉于单层吸附的吸收剂的最大吸附容艟； p 为平衡压力，M ， “；P 。为L a l l g m L l i I 压力，M P a ，是吸 附体积 Q 等于I 正u 、g H u i r 体积 y ． 一半时的压／J 。 02 0 O ．16 dO ．12 生O ．0 8 三00 4 ， 汕 J o 厶 卜 工 ∞ R ／％ a 爪求法 M I p } 一总孔休干j T P V 兄／％ c B a r r e t t J o y n e r H a I e n d a B J H ’ 总孔体f I5 T P V l2 R 。／％ c D u b j f l i nA s c a k h o v D A 一总孔体彩{ T P v 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L a 一，g n Ⅲi r 体积均呈4 i 对称“L f ”形。 【 | J L a 、g m u i r 体积从低阶煤到小阶煤足下降趋势，然 兄／％ b 压永法 M I P 卜比农【町杉{ S S A 尺√％ d B r L I n a u e r E m m e t tT e l I e r B E T 一比农l f Ⅱ移 S S A ， ∽ ￡ o ∽ ∽ 出 o R √％ f D u b i n i n R a d u s h k e v j c h D R 一比农f i 杉{ S S A 图4_ 【} ；川i 煤1 j 构造煤的孔隙体_ 1 { } { ；} l l 比表⋯秽{ 比较 F 培4 l ’ 肥、 山l n l ea n 1 叩e 【娟 - s ⋯f a - e 叫P a J 1 1 1 1 1 “s 1 1b m 、。P P l lj 1 1 t a 【la n 1f e - I I l I m - o a l s ’7 1 13 9 一“ 4 0 3 0 2 0 1 0 0 尺√％ a 朗格缪尔体杉{ 35 3 ．O 2 ．5 皇2o 、 钆1 ．5 1 ．O O5 O R n ／％ b 朗格缪尔压力 阁5I m ，g r n L - i ‘体_ 1 { } { 与I m I l g r n L j 州‘／『J 和镜质组反射率之间的火系二1 ’””“。。” g ．5 №㈨ Ⅲ小p №、v ㈣1l 舢g l n L l i rv l L I ⋯P ，l 舢g ⅢL I i rl ∽s ⋯t 川lv ㈨1 1 i I PI 川t ⋯l l ．P 二‘- 3 一“5 3 5 ‘ 一一_．E一＼、，∽∽dI至 一一丑．暑一＼乱卜fo 万方数据 8 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 后从中阶煤到高阶煤呈上升趋势，这与以往的结果一 致∞7 ‘川。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孑L 结构中。5 3 ，因此 微孔体积和比表面积的减少会导致吸附能力的降 低5 4o 。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∞引。此 外，从图5 中也可发现，构造煤的L a ，g m u i ，一体积通常 比原生煤的L a n g m u i r 体积大。这可归结于构造煤更 加发达的孑L 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”。。吸附量达到极限吸附量一 半时的L a n g t n u i - ‘压力是气体与表面之间吸附亲和力 的量度，较低的【删；；m u i r 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L a 皑n ，u i l ． 压力对应的镜质体反射率高于最小L a n g m 。i r 体积的 镜质体反射率。此外，构造煤的L a n g m u i r 压力通常 小于原生煤的L a n g m u i r 压力，这表明甲烷与构造煤 的亲和力要强于原生煤。 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 在煤孑L 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”⋯。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‘5 卜“川。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。3 7 ’47 1 “。6 2J 。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 I ，这说明原生煤比构造煤具有更多的中孔和 微孔∽3 。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“ 引，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1 6 4 _ ， ， 曼 基 ．二 一 g t | j } L 测 螫 融 目 1 ；L 图6 不同时间段中构造煤和原生煤的平均解吸速率∞7 。7 ’⋯“ F i g ．6A v e l ‘a g e J e s o r p t i o n1 ．a t eo fI P c t o n j ’a n 1jn t a c t ’I a l sa c d i 腿1 ．e 1 1 cl i l l l e s 。3 7 4 7 t 6 0 一“1 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【∞J 。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孑L 隙系统。5 ⋯。 通常而言，通过煤基质孑L 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”“。 基于克努森数K n 可将多孔介质中的气体扩散分为 F i c k 扩散，K n u 1 s e n 扩散和过渡扩散。66 I 。蔚l 的表达 式为 硒 鲁 2 其中，K 门为克努森数；A 为气体分子的平均自由 程，n m ；d 为孔隙的代表性宽度，n n ，。当J | ； 九≥1 0 时， 气体分子主要与孔壁碰撞，其流动为K n u d 刚，扩散。 当K n ≤0 ．1 时，碰撞主要发生在气体分子之间。当 0 ．1 K ，j 1 0 时，分子之问以及与壁的碰撞同样重 要，其特征是过渡扩散旧6 。扩散通量是描述气体扩 万方数据 第l 期程远平等构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究 18 7 散的关键物理量，其定义是单位时问内气体通过单位 面积的质量。65 。 ，r l r l 、 ．， 一D I 等l 3 ＼ 1 x ， 其中，，为扩散通量，k ∥ m 2 s ；D 为扩散系 数，m 2 ／s ；c 为扩散气体的质量浓度，k g ／m 3 ；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∞7 。为 C Q t ， D 盯 c 。一 ‘。 4 y 式中，p 为单位时问内单位体积煤中的甲烷扩散 量，k g ／ n 3 s ；盯为基质形状因子，m ，其值与煤 基质的体积y 、基质与裂隙之问的质量交换面积s ， 以及特征扩散距离L 有关，满足盯 s ／ 儿 ；c 。为煤 基质中的平均甲烷质量浓度，k g ／t n 3 ；c ．．为裂隙中的甲 烷质量浓度