控制煤与瓦斯突出因素.doc

第三章 控制煤与瓦斯突出的地质因素 从地质角度研究煤与瓦斯突出机理和预测预报, 近几年来在我国已经引起较为普遍的重 视。 大量的调查结果都肯定了瓦斯突出分布是不均衡的。 这种不均衡性与地质条件的差异性 有着密切的联系。 瓦斯地质研究成果表明, 地质条件对煤与瓦斯突出的分区分带具有明显的 控制作用。 从地质角度解释突出机理,目前存在着不同的观点和看法。有的强调煤层围岩的作用; 有的强调煤的结构性能; 还有的强调地质构造和地应力的作用。 即使对地应力的问题, 也有 强调古构造应力为主和现今构造应力为主两种看法,等等。 瓦斯突出不仅需要良好的瓦斯形成和保存的地质条件,还需要具备瓦斯突出的地质条 件, 这两个方面既有联系又有区别。 瓦斯形成和保存的地质因素奠定了突出发生的物质基础, 瓦斯突出的地质因素则是发生瓦斯突出的必要条件。 在某一矿区、 矿井或块段内, 因地质条 件的差别,影响突出的地质因素不尽相同,开展瓦斯地质研究时要结合实际情况具体分析。 在影响瓦斯赋存的地质因素一章中, 已对瓦斯形成和保存的地质条件, 在矿井中小型地质构 造、煤层厚度及其变化、煤体结构等几方面的内容。 一、地质构造对煤与瓦斯突出的控制 地质构造是控制突出发生的主导地质因素, 这一结论已为大量的实际资料所证实。 这里 所指的是井田范围内的中小型地质构造。 国内外一些瓦斯地质研究人员曾对地质构造与瓦斯 突出的关系进行过不同程度的探讨, 并已获得一定的成果。 但这些研究工作多数是从既成事 实统计着手的定性分析,尚处于认识规律的阶段。定量的研究目前还仅是一些尝试。 “湖南红卫、立新、 马田煤民瓦斯突出与地质构造的关系”一文, 是在较大范围内开展 瓦斯地质调研工作的基础上较早提出了地质构造是控制煤与瓦斯突出的主要因素的观点。 此 后, 随着瓦斯地质研究工作的普及深入, 对地质构造与突出关系的研究材料也逐渐丰富。 1982年, 在四川天池召开的煤与瓦斯突出机理和预测预报第三次科研工作暨科研成果鉴定会议上 所提出的“湘、赣、豫煤和瓦斯突出带地质构造特征”研究报告,进一步丰富和强调了地质 构造是控制瓦斯突出的主导因素的论点。此外, “湖南省煤和瓦斯突出与煤层围岩、地质构 造、煤的结构性能关系”的研究报告,以及“甘肃窑街矿务局突出二氧化碳来源和赋存” 、 “华蓥山中段煤与瓦斯突出区域预测预报” 等瓦斯地质研究成果, 也都不同程度地汇总并分 析了地质构造与突出的关系, 对突出发生地段的构造形态、 性质和构造部位等规律作了一定 的分析工作, 说明了地质构造对突出的影响情况。 随着瓦斯地质工作的普遍开展, 目前对地 质构造与突出关系的研究工作也逐渐深入。 一地质构造与突出的关系 大量的瓦斯地质调查资料说明, 与地质构造有关的突出点所占的比例很大, 地质构造与 突出的关系极为密切表 3-1 。有些突出点虽然其附近的地质条件并无明显异常,但却处 于某些封闭性构造圈闭的范围,或受某些特殊的构造边界所控制。 根据调查资料分析, 在发生突出的地段内,煤岩层产状及其变化, 地质构造的类型、规 模、性质、疏密程度、排列组合以及构造部位等的差异,对瓦斯突出均有不同程度的影响。 在具有良好的瓦斯形成主保存的地质条件前提下, 上述某些方面的特殊性是发生突出的重要 人在因素。地质构造与突出的关系主要表现在 1煤岩层产状及其变化与突出的发生关系密切在煤、岩层走向,倾向或倾角突然变 化的部位,多属于应力集中的块段,应力变化梯度大,这些部位的突出危险性较大。例如, 湖南立新矿蛇形山井Ⅱ、 Ⅳ两个采区, 开采Ⅲ煤层的范围基本一致, 但Ⅱ采区地质构造较为 简单,产状变化也小,是比较稳定的单斜构造,煤、岩层走向由近于东西向北东向,倾角由 缓变陡,个别地段近于直立,变形系数是Ⅱ采区的 7倍,该采区属严重突出带图 3-1、表 3-2 。 表 3-1部分矿井瓦斯突出与地质构造关系统计表 图 3-1 立新煤矿蛇形山井 III 煤层瓦斯地质图 表 3-2 立新矿蛇形山井Ⅲ煤层Ⅱ、Ⅳ采区构造特征和突出次数对比表 2突出危险性与褶皱紧闭程度、复杂程度有关形变量增大,突出危险性增加。广东 梅田二矿北三和南二采区, 虽然同位于两条逆断层所夹的一条带内, 但可划分为突出严重程 度不同的两个突出带。北三采区两条边界断层间距较小, 褶皱紧闭,构造复杂,属严重突出 带。而南二采区的两条边界断层间距增大,褶皱宽缓,构造相对简单,是一般突出带图 3-2、表 3-3 。 表 3-3 梅田二矿北三、南二采区瓦斯地质特征对比 3在不协调褶皱发育的多煤层矿井,不同煤层的突出危险程度,和煤层褶皱幅度、强 度密切相关例如湖南金竹山煤矿一平硐,在可采和局部可采煤层中,靠上部的二、三、四 煤层褶皱轻微,而五煤层及其以下各煤层中图 3-3 。 4同煤层不同分层比较,突出危险程度决定于层间滑动和层间揉皱的发育程度软硬 相间的煤、 岩层或同一煤层的不同自然分层, 由于力学性质的差异, 在褶皱过程中往往发生 层间滑动, 产生层间揉皱, 造成不同自然分层煤体结构破坏程度的差别。 破坏严重的煤分层, 突出危险性增大。例如, 湖南红卫煤矿坦家冲和里王庙井,主采的Ⅳ煤层的顶板较稳定,煤 层靠上部的自然分层保存有较好的原生结构, 而煤层底板褶皱起伏, 使靠下部的自然煤矿分 层遭受揉皱碾搓, 该煤层的突出主要发生在靠近底板的自然分层中。 再如, 焦作矿区的山西 组大煤,靠近顶板的自然分层属构造煤, 层间揉皱发育, 煤质酸软,突出也主要在此构造分 图 3-2 广东梅田二矿瓦斯地质图 层内照片 1 。 5在褶曲的不同部位,突出危险性也有较大差别一般褶曲轴部的突出危险性大于翼 部。有此矿区在断层两侧牵引褶曲的轴部突出点分布较为集中。 除以上介绍的褶皱构造对突出的影响外, 断裂构造对突出的发生和分布也有重要的控制 作用。 断裂构造是岩层受应力作用发生脆性变形的一种表现。 沿破裂面发生明显位移的断层, 可根据两盘相对位移方向分为多种类型;按力学性质又可分张性、压性、扭性等几种型式。 不同性质、 不同力学性质及不同规模的断层, 不仅对瓦斯保存和排放有影响, 而且与尤其要 突出也有密切关系。 在地质条件对瓦斯赋存的影响一章,介绍了断层的封闭和开放类型。但断层的封闭与 开放是相对而言的。 据实测资料分析,各种类型的断层带附近,瓦斯涌出量一般比较小,随 着距今断层距离的改变, 瓦斯涌出量有一定的峰值变化。 在断层两侧一定范围内, 有低值区、 高值区和正常区之分图 3-4 。据统计,突出点主要分布在瓦斯涌出量升高区范围内,这 种特点对预测突出点的分布有一定的意义。 瓦斯绝对涌出量曲线 0 -50 0.8 0.8 0.2 10 5 1 C H 4m 3/m i n 图 3-4 断层附近瓦斯涌出量的峰值变化 轨道上山 300t 6车 场 大 巷 巷 52t 图 3-5 马田煤矿桐子山井0大巷瓦斯害出带剖面图 突出点 突出强度 突出日期 图 3-3 金竹山煤矿平硐 A-A ˊ地质剖面图 井田范围内或在煤层中发育的各种小型断裂构造, 因其规模较小, 对瓦斯的保存和排放影响 不大。 但这些断层也是局部构造应力集中的反映, 在小断层发育、 分布密集的地带,反映了 构造应力分布不均衡和相对应力集中点增多,这些部位的突出危险性也较大图 3-5 。 地质构造的组合, 不仅影响瓦斯的赋存, 对突出的发生亦有影响。 不同构造组合特征的 块段其突出危险程度不同。 物我们把具有共性特征的突出带进行了归纳, 提出了瓦斯突出危 险带地质构造类型的概念。 突出危险带地质构造类型的划分, 主要是以构造形态和构造组合 特征为基础, 还综合考虑了构造应力引起的煤厚变化和煤体结构破坏等三项影响瓦斯突出分 带的地质因素。 因此, 突出危险带地质构造类型也是瓦斯突出地质条件的综合体现 图 3-6 。 图 3-6 煤和瓦斯突出危险带地质构造类型图示 二地应力与瓦斯突出 目前大多数瓦斯突出研究工作者认为, 煤与瓦斯突出是地应力、 瓦斯、 煤的结构和物理 力学性质综合作用的结果。因此,为查明煤矿与瓦斯突出机理,预测煤与瓦斯突出危险性, 提高防治突出措施的针对性和可靠性, 一些研究者很重视以地应力的研究, 并对在现场直接 测定突出煤层围岩的原始应力及其变化规律进行了探讨。 在研究煤与瓦斯突出时, 地应力的概念指的是巷道前方某点所受的各向应力, 其中包括地层 的重力、 由于采动引起的应力集中和地壳运动在岩石内聚集的构造应力。 从地质角度主要侧 重于对地质构造应力的研究。 按地质力学观点, 地质构造应务主要是由于地球自转角速度发生变化而引起的, 它可分 为古构造应力和现今构造应力两类。 在分析地质构造对突出的控制时, 也有必要对造成地质 构造的地应力进行讨论。 古构造应力是指形成各种形迹的应力。 大量实际资料说明, 瓦斯突出区、 突出带多数出 现在地质构造应力集中的区域。应力集中表现在 1具有较强烈的压性工或压扭性构造,也有的表现为强烈的层间滑动或层间褶皱。 2由后期改造形成的明显的煤厚变化。 3由后期改造引起的明显的煤层结构的破坏。 这三个方面都属于古构造应力作用的显示。 同时, 部分岩石力学和瓦斯研究工作者强调了残余构造应力的作用, 认为和物体加工后 的残留初应力一样, 岩体中也残留着地质构造力, 称为残余构造应力, 它是激发突出的一种 力源。 因为他们发现, 突出集中发生在构造变动地带。 但残留构造力说不能解释为什么有些 煤矿构造很复杂,但并没有发生突出;为什么在突出矿区也不是所有的构造带都发生突出。 此外, 在漫长的地质历史过程中究竟残余应力是保存了下来还是已经松弛了也尚难验证。 因 此, 把所谓具有残余应力地带看成是近期还保持着原先变形期间的应力场子, 似乎更妥当些。 现今构造应力是指现在仍处于变动的构造应力场正在聚积的构造应力。 它推动着第四纪 的构造变动。 现今构造应力场的分析对认识瓦斯保存条件和突出区的分布有一定的启示。 某 些地区现今构造应力场具有一定的继承性。例如,我国华南地区在中生代经历了印支运动、 燕山运动后,晚古生代的测水煤系、龙潭煤系多数显现北东、北北东向的挤压褶皱、断裂。 到新生代, 华南地区活动性质复杂, 但总的来说, 表现为逆时针压扭性活动 据广东省地震 综合大队 1974年报告 ,因此它对北东向、北北东向的中生代挤压带继续起着碰压扭作用。 地壳内部未曾获得松弛, 地应力未卸, 瓦斯不易逸散, 这可能是导致现今华南晚古生代煤产 地瓦斯涌出量大、突出强度大、始突深度浅的原因。 对于现今构造应力与突出的关系, 有一种观点认为, 突出较集中分布的地区, 地震点和 温泉一般很少出现。 因为在温泉集中出露区和地震活动区有利于应力的释放, 破坏了新构造 运动中煤、岩层紧张的应力状态,不利于承压瓦斯的保存。 据苏联在顿巴斯的观测研究, 煤、 岩石和瓦斯突出的分带性系由岩体的新构造应力的分 带性所决定, 并提到月潮的作用也是影响瓦斯突出的因素。 通过对突出的频率与月亮在轨 道上的位置及月相之间的相互关系图 3-7进行统计分析,得出的结果是在靠近新月或 满月和近地点时的 3天时间内, 突出的次数比月球处于上弦或下弦和在远地点时同时间内的 突出次数多 3.646倍,这就有可能预告发生突出次数最多的时间。 他们认为, 同地震的发生和火山活动强度的增大一样, 发生突出的最有利条件显然是一 定的宇宙条件新月或满月与月球通过的轨道近地点的时间吻合, 这就为区分一年中最容易 发生突出的日期提供了一定的依据。 29 28 27 26 25 24 23 14 13 12 11 10 9 8 近地点 新月 满月 图 3-7 煤和瓦斯突出的分布与月相和月球在轨道上的位置的关系 沿纵坐标轴表示离开近地点的时间天数 二、煤层厚度及其变化与瓦斯突出的关系 据统计,突出点常分布在煤层厚度大和煤厚变化大的部位表 3-4 。突出危险程度的 差与煤厚及其变化的关系有以下几种表现形式 表 3-4 部分矿井瓦斯突出与煤厚变化关系统计表 1在煤层厚度较稳定的多煤层矿井各煤层的突出危险性决定于煤层的厚度,随着危 险性增加表 3-5 。 表 3-5 江西涌山矿瓦斯突出与煤厚关系统计表 图 3-8 红卫煤矿坦家冲 116采区瓦斯突出与煤厚变化关系图 1在煤层厚度变化大的矿井突出多发生在厚煤地段和煤厚变化带。凸透镜状煤包和 被薄煤包围的厚煤地段的突出危险性大。湖南白沙矿区坦家冲井 116采区,走向长 740m 、 宽 140m ,该采区共发生突出 80次,突出煤量达 14810t ,占全井田突出次数的 75.4。其中 特大型突出 5次,大型突出 14次图 3-8 。里王庙井底车场特大型突出点图 3-9就是 在凹透镜状煤包内发知的。 焦作小马村矿二水平东部和田门井二水平西部, 突出点都集中在 被薄煤带包围的厚煤带内。 图 3-9 里王庙井底车场特大型突出点剖面图 2在煤层厚度变化较大的多煤层矿井不同煤层相比较,突出危险性随煤厚变化的增 大而增强。 煤厚变化魇块段比变化小的块段突出危险性大。 如江西萍乡青山矿大槽煤、 硬子 槽煤与管子槽煤相比, 大槽和硬子槽的煤厚变化大, 突出危险性亦大; 管子槽煤层厚度罗小, 有比较稳定,尚未发生过突出表 3-6 。湖南渣渡矿区运用单元分析法计算了矿区内各单 元的煤厚变异系数 C V ,并勾绘了等值线图,反映了不同块段煤厚变化的大小。据统计,在 煤层厚度变化大的块段,其突出危险性比变化不的块段大。对矿区内 38个控制单元的分析 表明,突出单元的 C V 为 0.210.84,平均为 0.51,而非突出单元的 C V 值为 0.050.48,平 均 0.26。 焦作中马村矿一三与一七采区比较, 一七采区煤厚变化大, 突出次数多, 并发生过特大 型突出;而一三采区未发生过突出表 3-7 。 表 3-6 萍乡青山矿不同煤层厚度变化统计 注s 煤厚标准差; 平均煤厚; C V 煤厚变异系数; N 统计点数。 表 3-7 焦作中马村一三与一七采区煤厚对比表 煤层厚度及变化对突出危险程度的影响已为大量的突出资料所证实。 煤层厚度的大小与 生成的瓦斯量多少有关。 此外, 厚煤带还为瓦斯的储集提供了场所。 一些矿井煤层厚度变化 时,瓦斯绝对涌出量也呈明显的正比例变化图 3-10 。 图 3-10 贵州石洞矿暗斜井二横穿瓦斯地质剖面图 煤层厚度变化造成了瓦斯分布上的差异。 煤厚变化的梯度在一定程度上反映了瓦斯的变 化梯度,造成了瓦斯的变化梯度,造成了瓦斯突出点的不均衡分布。 三、煤体结构对瓦斯突出的控制 煤与瓦斯突出发生在煤层中, 煤的结构特征对突出也有显著影响。 一般, 原生结构的煤 不发生突出, 属非突出煤; 受构造应力作用, 煤的原生结构遭受破坏后所表现出的结构称为 构造结构。 突出煤层均具有构造结构特征。 我们把突出煤层的煤结构称为煤矿体结构, 它主 要是指煤层在后期改造中所形成的结构。 根据大量突出点的调查统计, 在发生突出的地点及附近的煤层都具有层理紊乱、 煤质松 软的特点。 人们习惯上把这种煤叫做软分层煤,或简称软煤。 在突出矿井, 煤矿质变软是突 出的一种预兆。 所谓软分层或者软团块、 软煤, 是与正常煤层相比而言的。 这种煤层比正常煤分层的强 度明显降低,具有极端的松软性和易碎性,用手捻搓易成 cm 、 mm 级碎粒甚至煤粉。从地质 角度分析,软分层煤应属于构造煤,它是煤层在构造应力作用下形变的产物。 在地质构造应力作用下, 煤层比围岩更容易遭到破坏,极易破碎。 其形变过程是, 首先 发生密集的裂隙,使煤碎裂;随后进一步破碎,碎粒在移动过程中由于粒间的摩擦、挤压、 揉搓,形成了更小的碎粒,直到成为细粉状。这样的煤已失去原来的条带状结构,而与“构 造岩” 的涵义近似。 所以我们把这种煤称为构造煤。煤的这种遭受破坏的构造结构特征,往 往与煤和瓦斯突出的发生有密切关系。 按照煤在构造作用下的破碎程度,可将构造煤分为三种类型。 碎裂煤煤被密集的相互交叉的裂隙切割成碎块, 这些碎块保持尖棱角状, 相互之间没 有大的移位,煤公在一些剪性裂隙表面被磨成细粉。 碎粒煤煤已被破碎成粒状, 由于运动过程中颗粒间相互摩擦, 大部分颗粒被磨去了棱 角,并被重新压紧。为了描述上的统一,规定其主要粒级在 1mm 以上。 糜棱煤煤已破碎成细粒状或细粉状,并被重新压紧,其主要粒级在 1mm 以下,有时煤 粒磨得很细, 只相当于岩石的粉砂级。 由于这种煤经历了强烈形变和发生了塑性流动, 因而 肉眼和镜下常可看到流动构造,如长条状颗粒的定向排列等。 构造作用除了使煤破碎外,还产生其它一些变动的标志。 1镜面和揉皱镜面构造煤经常有呈镜面状的擦光面存在。由于构造煤经历过塑性流 动,所以镜面往往被揉皱。反映塑性流动的流层一般都以磨光镜面相隔。 2揉皱构是指煤层在形变过程中形成的强烈的小褶皱。褶皱的界面,有的是煤的条 带,但多数不是原来的层理而是构造镜面。具有这种构造的煤也可称为揉皱煤。 3鳞片状构造是指煤在形变过程中被破碎、再压紧,呈片理化状态。这种煤可称为 鳞片煤。 其颗粒可以呈碎粒状, 但多数是糜棱状。 鳞片煤常分布于断层附近, 亦可顺层分布, 分布于煤层中者其鳞片方向往往斜穿煤的层理。 在井下观测,构造煤呈层状、似层状、团块状、条带状等不同形态,以一层、多层或全层等 多种形式位于突出煤层的一定层位或局部构造部位上。构造煤分层的显著特点是与煤层顶 或底板或者正常煤分层呈明显的构造不协调现象接触照片 2 ,并表现出特殊的赋存 形态,例如发育密集的近于平行排列的劈理,强烈的层间揉皱等照片 3、 4 。 一构造煤的宏观、微观特点和瓦斯地质参数特征 构造煤在宏观上主要表现有三个特点。 一是煤的原生结构遭到程度不同的破坏, 除碎裂 煤可断续见到原生条带状结构外, 大部分均失去了原生结构。 二是表现出明显的构造结构特 征,如碎裂状、砂糖状、鳞片状、土状等,还不同程度地发育有镜面、揉皱镜面或定向排列 构造。三是手试强度低。这种煤松软易碎,用手捻搓可成 cm 、 mm 级碎粒或煤粉。 构造煤在微观上多表现出形态方向不同、 长短疏密不等的各种裂隙, 或者有各种显微褶 皱、显微断裂等构造标志。破坏严重的,在镜下表现为显微角砾岩化照片 58 。据构造 煤光片统计,随着破坏程度增高,裂隙条数明显增多。 图 3-11 从构造煤的各项瓦斯地质参数测试结果可以看到,煤的坚固性系数f 值随着煤体破 坏程度的增高而降低;煤的瓦斯放散指数ΔP 与煤体破坏程度成正比变化,即随着煤体 破坏程度成正比变化, 即随着煤体破坏程度的增高, 瓦斯放散指数增大; 煤体弹性波传播速 度随煤体破坏程度的增高而减慢图 3-123-14 ;煤层瓦斯含量亦有增高而增大的趋势。 关于瓦斯含量,还应结合其它地质条件综合考虑。 f 图 3-12 萍乡青山煤矿各类煤的坚固性 系数直方图 原生结构煤 碎裂煤 碎粒煤 糜棱煤 图 3-11 河南若干矿井的构造煤裂隙直方图 84 471 445 裂 隙 数 /c m 2 上述构造煤的各种瓦斯地质参数的变化规律说明, 同原生结构煤相比, 构造煤具有坚固 性系数小、 瓦斯放散指数大、 弹性波传播速度慢和瓦斯含量大等特点。 这对认识构造煤之所 以易于发生突出的原因提供了依据。 表 3-8 。 表 3-8 萍乡青山煤矿煤体结构测定数值综合表 二煤结构破坏程度分类 国内外不少研究者采用煤结构的破坏程度来预报煤和瓦斯突出的危险性。 需要指出的是, 煤结构和煤层结构是两个不贩概念。 煤结构是指煤岩组分的形态、 大小 所表现的特征。 煤层结构则是根据煤层中有无其它岩石夹层的存在, 划分为不含夹石层的简 单结构和含夹石层的复杂结构。 一般认为, 煤层结构越复杂, 煤层的物理力学性质异向性亦越强, 也越有利于发生突出。 原生结构煤 碎裂煤 碎粒煤 糜棱煤 图 3-14 煤体结构类型与弹性波速关系直方图 波 速 k m /m ΔP 5 糜棱煤 碎粒煤 碎裂煤 原生结构煤 图 3-13 萍乡青山煤矿各类煤的瓦斯放散指数直方图 15.99 13.41 10.84 5 实践证明, 这并非完全成正比关系。 煤层结构复杂时,软硬煤分层相间,煤层与夹石层常呈 薄层出现。 出于煤层含矸率高, 煤率灰分增加,生成的瓦斯量相对减少,煤层的吸附容量减 小,这反而以突出不利。 例如湖南省晚三叠 早侏罗世煤系中的煤层, 结构一般很复杂,夹 石层多达十余层, 这些煤层的煤质虽然也有变质成贫煤及无烟煤者, 但尚未发生过突出。 原 因之一是与这些煤的煤层结构极为复杂、 含矸率高有关。 煤层分叉, 广义讲也是属于煤层结 构复杂的一种类型。 在煤层分叉处, 煤的受力状态与正常煤不同, 应力在煤层分叉处受构造 挤压会改变方向,导致应力集中,容易引起突出。白沙矿区红卫煤矿的 14次特大型突出, 有 6次发生在分叉煤中,突出点离主煤层公 25m 。 煤的结构与突出的关系主要表现在原生结构被破坏的构造结构上。 关于煤结构破坏程度 的研究,苏联科学院地质所在 1958年基于对煤的原生与次生节理的变化、微裂隙间距、断 口、光泽等特征,把煤分成 5种破坏类型表 3-9 ,并认为煤层中含有Ⅳ、Ⅴ类破坏类 型的分层是发生煤与瓦斯突出的必要条件。 因为煤的破坏类型容易鉴别, 所以这种分类法延 续较长。 1988年煤炭部颁发的防治煤与瓦斯突出细则 ,以 5类划分方法为基础,又提出 了煤的破坏类型划分新标准见书末附表 。 研究表明, 随着煤体破坏程度增高, 煤的孔隙率增大,在煤已卸压的情况下,Ⅴ类煤中 孔隙容积较Ⅰ类煤大 10倍。 由于破坏程度高的煤中的列隙宽度小, 所以煤的破坏程度越高, 其透气性也越小。 实测表明, Ⅴ类煤的透气性系数仅为Ⅰ类煤的 1/20。 破坏程度高的煤孔隙 率大,能保存更多的游离瓦斯在巷道附近的卸压带 。这样,破坏程度高的煤透气率小, 能保持更高的瓦斯压力, 加上强度低、 易粉碎并易释放瓦斯, 所有这些都给煤与瓦斯突出提 供了条件。 中国矿业大学瓦斯组在此分类的基础上, 为了简单明了、 便于掌握, 从突出的难易考虑, 把煤结构的破坏程度分为甲、乙、丙 3类。与苏联的上述分类相比,甲类相当于Ⅰ、Ⅱ类, 是难突出煤;乙类相当于Ⅲ类,是可能突出煤;丙类相当于Ⅳ、Ⅴ类,是易突出煤。在目前 矿井平均开采深度700m 以内的情况下,煤与瓦斯突出的统计表明甲类难突出煤属于 无突出危险煤,乙类可能突出煤属于突出危险煤,丙类易突出煤属于严重突出危险煤。 上述两种分类方案, 划分的类别往往带有一定的人为性, 而且不同类型煤的地质含义也 不够明确。 参考上述两种结构类型划分法, 我们根据煤体宏观结构特征, 以构造煤的类型为 基础, 以突出的难易程度为依据, 本着实用和易于鉴别的原则, 把煤体结构划分为 4种类型 表 3-10 。 这种 4类划分法与前述的两种分类方法比较, 有以下两个不同点一是将煤结构破坏类 型的分类与构造煤的分类结合了起来, 易于从地质角度文辨认和分析; 二是把对局部标本特 征的鉴定与井下煤体赋存形态和构造表象联系了起来,为现场实际工作提供了方便。 三构造煤的超微观结构特征 构造煤的超微观特征, 指的是用扫描电子显微镜 以下简称扫描电镜 或电子探针所观 察到的突出煤层的形貌特征。 利用扫描电镜或电子探针, 能看到一般光学显微镜观察不到的 现象,对探寻瓦斯突出机理有重要启示。 我们正常人的眼睛只能看到 0.10.2mm 左右的细节。借助于光学显微镜,在最好条件 下,也只能观察到 200nm 的细节。而扫描电镜由于采用电子射线代替可见光照明,所以其 成像分辨率大大提高, 放大倍数可达到数万倍到数十万倍。 用扫描电镜观测突出煤层; 能相 对保持样品的原始状态,对分析认识问题十分有益。 1.原生结构煤的超微观形貌特征 原生结构煤在宏观上多保留条带状结构, 用扫描电镜观察, 不同组分虽有不同表现, 但以原 始沉积特征保持完好为共特点。 在显微煤岩组分中, 无结构凝胶化组分所占比例最大, 其电 镜观察特征为结构均一、质地纯净、均匀致密,有些可见显微贝壳状断口、眼球状断口或 放射状细纹。有时可见裂隙,或有气孔存在。 随着放大倍数的增加和观测视域的集中, 越加 显示出较为致密、均一的特征照片 9、 10 。 表 3-9 煤的破坏类型 2.构造煤的超微观形貌特征 1煤体的网络状结构借助电子显微镜观察,构造煤中的碎粒煤和糜棱煤其中糜棱 煤占多数在较低放大倍数数十至数百倍下表现出的一个共有特征是具有网络状结构。 所谓网络状结构,是指由许多白色或灰白色的长短不等、 宽窄不同、弯弯曲曲、彼此交织在 一起的网纹所构成的似经络状的图案。 据观察, 一般糜棱煤样品的网络状结构均有不同程度 的表现。 因此, 突出煤在电子显微镜下表现的网络状结构可作为鉴定突出危险程度的一种标 志照片 11、 12 。 表 3-10 煤体结构类型表 多数构成网络关的网纹在高放大倍数时可以逐渐观察清楚。 它们实质上属于多组互相交 切的微裂隙或是无数细小煤粒间的缝隙。 这是煤体遭受构造应力破坏后在微观上的一种表现 形式。 2煤体的碎裂结构煤体受应力作用发生碎裂,碎裂情况随着构造应力的性质、大小、 快慢而不同。应力的性质基本上有张、压、扭 3种,但 3种应力不是孤立的,而是互相联系 的,只是有主、次、大、小,分布范围的差异。条件不一样,对煤体的破坏影响就有差别。 应力作用的快和慢, 产生的现象也不相同。应力作用快, 致使煤体发生脆性破裂, 粘塑性的 物质可以变为脆性物质。反之,脆性物质也可以产生塑性变形。 煤层受构造应力作用, 在脆性碎裂的情况下常形成角砾状构造; 在塑性条件下, 常出现流状 构造和片状构造。 在扫描电镜下, 构造煤的显微角砾状构造和团粒状结构是脆性变形的表现 特点。而定向排列、鳞片状、揉皱镜面等多属塑性变形的特征照片 1316 。现在我们看 到的煤层是各种应力综合作用的结果,所反映的应力性质、大小、快慢等也多属综合体现。 3 蜂窝状或溶岩状结构蜂窝状结构表现为煤体被许多大小不等的蜂窝状孔洞所占据, 似被溶蚀。这种结构与石灰华类似,所以也可称溶岩状结构照片 17、 18 。 构造煤的超微观结构特征进一步反映了构造应力对煤层的破坏。 煤体在超微观结构上再现出 的碎裂结构蜂窝状结构, 不仅使煤体增加了孔隙空间和煤体的强度, 减小了突出所需要的能 量。 3.扫描电镜照片的图像分析 为了解构造煤的孔隙面积和总表面积的相对量值, 寻找一些定量依据, 我们对扫描电镜 照片进行了图像分析。我们借助英国 MAGISCAN 以软件为基础的自动电视图像分析系统, 对一部分扫描电镜照片进行了图像分析。 据对几个糜棱煤样品的测试结果, 煤样最大孔隙面 积约占总面积人的 40表 3-11 表 3-11 突出煤层孔隙百分比测定表 煤体碎裂后产生许多新表面,度量新生成面的大小不仅能反映碎裂程度和应力的大小, 还可以了解碎裂后有利于是瓦斯吸附的所增加的表面积的量值。 例如, 对显微角砾岩化煤样 萍张青山煤矿煤样,照片 13的总表面积进行近似度量的结果,煤体碎裂后煤粒周长之 和比未破碎时增大了 8.92倍。需要说明的是,这仅是从一个面上所做时近似度量,如果考 虑三度空间,那么总面积增加的量值将是相当可观的。 扫描电镜观察和图像分析, 使我们扩大了思路, 开阔了眼界, 提出了相对量值将是相当 可观的。 扫描电镜观察和图像分析,使我们扩大了思路,开阔了眼界,提出了相对量值的概念, 对寻找构造煤易于发生突出的内在原因提供了基础资料。 四构造煤的研究意义 煤体结构的破坏是构造应力作用的结果,构造煤的破坏程度反映了构造应力的相对大 小。因此, 构造煤的分布也受到构造应力场的制约,与地质构造复杂程度有密切关系。 地质 构造复杂地带的煤体结构破坏, 与相对简单地带严重, 突出危险性也相应增大。 大量调查资 料表明地质构造展布, 在一定程度上控制着构造煤的分布, 构造煤的分布也不同程度地影 响着瓦斯突出的分布。 综上所述, 井田地质构造、煤层厚度及其变化、煤体结构,是控制瓦斯突出发生及其分 布的主要地质因素, 这 3项地质因素是互相联系的, 它们是地质构造应力作用的不同表现形 式,是瓦斯突出的 3个必要条件。