基于地質(zhì)構(gòu)造角度的煤與瓦斯突出機理研究進展

趙軍利，王文元，楊 威，3

（1.韓城礦業(yè)有限公司，陜西渭南 715400；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇徐州 221116；3.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇徐州 221116）

煤與瓦斯突出是一種極為復雜的動力災(zāi)害[1]，在短時間里煤層突然向外噴射大量的煤與瓦斯，并伴有嚴重的動力效應(yīng)，給煤炭資源的安全開采和礦工的生命安全造成極大威脅，因此受到世界各國的廣泛關(guān)注。澳大利亞自1895 年記錄的第1 次突出事故起，至今已發(fā)生近千次突出事故，其中Tahmoor 地區(qū)突出治理效果明顯，1992 年以來僅2018 年記錄到1 次突出事故[2]；日本和波蘭等煤與瓦斯突出嚴重的國家，通過加強煤與瓦斯突出的研究與治理，突出事故數(shù)量已經(jīng)明顯降低[3-4]。我國也是突出災(zāi)害嚴重的國家之一，隨著煤礦采掘規(guī)模擴大和開采深度增加，煤炭儲存的地質(zhì)環(huán)境越來越惡劣，突出災(zāi)害潛在危險性逐漸增強，礦井安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻，煤礦開采面臨著開采條件更加復雜、高瓦斯、高地應(yīng)力等諸多挑戰(zhàn)[5]。因此，研究煤與瓦斯突出的機理與防治一直是我國煤礦安全生產(chǎn)的重要課題。目前，我國對煤與瓦斯突出的研究已取得一定進展，其中有關(guān)煤與瓦斯突出理論的研究越來越深刻，“流變假說”[6]、“球殼失穩(wěn)假說”[7]、“流固耦合失穩(wěn)理論”[8]等被一定程度地認可。依據(jù)現(xiàn)有的研究成果，突出機理包括單因素控制理論、多因素控制理論等，但至今為止仍然沒有一種公認的煤與瓦斯突出理論。由于突出過程復雜、爆發(fā)性強且持續(xù)時間短，學者們無法從現(xiàn)場觀測研究整個突出過程，僅能采用理論分析、相似實驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場統(tǒng)計等手段開展研究工作，給煤與瓦斯突出機理的研究工作帶來了很大困難。

英國學者Taylor 研究發(fā)現(xiàn)英格蘭北部地區(qū)的突出常常發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造破壞的煤層[9]；前蘇聯(lián)學者Ettinger 等[10]認為地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出具有重要影響；韓軍等[11]、邵強等[12]、張子敏等[13]證實了構(gòu)造演化對煤與瓦斯突出的控制作用。另外，國內(nèi)外大量的突出案例表明[2,14]：大部分突出事故發(fā)生在構(gòu)造帶（如斷層、褶皺、煤厚變化等構(gòu)造）。然而，不同地質(zhì)條件下的突出機理難以用統(tǒng)一理論解釋，現(xiàn)有研究成果鮮有總結(jié)構(gòu)造帶等突出易發(fā)區(qū)域的突出機理。為此，基于現(xiàn)有的煤與瓦斯突出機理的研究成果，指出構(gòu)造帶突出機理研究工作的重要意義；從地質(zhì)構(gòu)造角度分析了煤與瓦斯突出3 大關(guān)鍵因素，總結(jié)了構(gòu)造帶煤與瓦斯突出過程；探討了地質(zhì)因素下煤與瓦斯突出研究工作的發(fā)展方向。

1 煤與瓦斯突出機理研究進展

20 世紀以來，許多學者致力于研究煤與瓦斯突出機理，并提出了一系列突出機理假說，如“二相流體假說”[15]、“流變假說”[6]、“球殼失穩(wěn)假說”[7]、“統(tǒng)一失穩(wěn)理論”[16]、“流固耦合失穩(wěn)理論”[8]等。進入21 世紀后，學者們在前人的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究，不斷完善煤與瓦斯突出機理。蔡峰[17]采用數(shù)值模擬方法，再現(xiàn)了突出過程，驗證了“球殼失穩(wěn)”機理；高雷阜[18]提出了“動態(tài)反演假說”；郭德勇等[19-20]提出黏滑失穩(wěn)機理；趙志強和馬念杰等[21-22]提出了掘進巷道蝶型煤與瓦斯突出猜想。近年來，隨著技術(shù)和實驗方法的進步，新的理論和認識不斷被提出。

1.1 單因素控制理論

單因素控制理論主要包含瓦斯主導理論、應(yīng)力主導理論和煤巖體物理力學性質(zhì)主導理論。

瓦斯主導理論認為瓦斯是突出災(zāi)害發(fā)生的主要因素?；⒕S岳等[23]通過理論分析認為煤與瓦斯突出產(chǎn)生的前提是較強的瓦斯運動，且低透構(gòu)造煤瓦斯壓力梯度較大，容易發(fā)生突出；袁曦[24]利用自制的煤與瓦斯突出試驗系統(tǒng)，分析得到瓦斯驅(qū)動是構(gòu)造帶煤與瓦斯突出發(fā)生的主要因素；馬延崑[25]研究了采動活動下煤與瓦斯突出的微觀過程，認為“微氣爆”是突出孕育和發(fā)生的重要條件；提出的突出的孕育發(fā)生模型如圖1。

圖1 煤與瓦斯突出災(zāi)害的孕育發(fā)生過程[25]Fig.1 Preparation and occurrence process of coal and gas outburst disaster[25]

應(yīng)力主導理論認為應(yīng)力是突出災(zāi)害的主要來源，包括地殼運動的構(gòu)造應(yīng)力、煤層上覆巖層的荷載和開采活動誘發(fā)的工作面前應(yīng)力集中等。王啟飛[26]研究了掘進巷道煤與瓦斯突出機理的應(yīng)力演化過程，認為應(yīng)力作用下的煤層失穩(wěn)是誘導煤與瓦斯突出發(fā)生的重要原因；高魁等[27]采用相似模型和試驗系統(tǒng)，研究了石門揭構(gòu)造軟煤過程中地應(yīng)力變化規(guī)律，然后結(jié)合數(shù)值模擬分析確定了地應(yīng)力對石門揭構(gòu)造軟煤誘發(fā)突出的主導作用；胡千庭等[28]以“突出是1 個力學破壞過程”為前提，將突出過程分為準備、發(fā)動、發(fā)展和終止4 個過程，并提出了煤與瓦斯突出的力學作用機理，煤與瓦斯突出的力學作用過程如圖2。

圖2 煤與瓦斯突出的力學作用過程[28]Fig.3 Mechanical action process of coal and gas outburst[28]

煤巖體物理力學性質(zhì)主導理論則認為煤與瓦斯突出災(zāi)害主要受煤巖體物理力學性質(zhì)（孔隙結(jié)構(gòu)、滲透特性、吸附/解析特性、力學性質(zhì)等）影響。WOLD M B 等[29]采用現(xiàn)場試驗和實驗室實驗及數(shù)值模擬3種方法，研究了滲透率和強度變化對突出危險性的影響；李遠紅[30]通過實驗室測定煤巖體物理力學性質(zhì)，分析得到突出發(fā)生前后巖體變形的破壞規(guī)律，認為煤巖體物理力學性質(zhì)是突出災(zāi)害發(fā)生的主要因素。

1.2 多因素控制理論

多因素控制理論包括球殼失穩(wěn)模型[7]、穩(wěn)定推進模型[31]、黏滑機制[19-20]等。顏愛華等[32]再現(xiàn)了煤與瓦斯突出的全過程，驗證了煤與瓦斯突出是瓦斯壓力、地應(yīng)力及煤巖體的物理力學性質(zhì)綜合作用的結(jié)果；M B Wold 和S K Choi 提出了CSIRO 突出模型，認為突出是瓦斯、地應(yīng)力及煤巖體的物理力學性質(zhì)三者動態(tài)分布的綜合作用，并對瓦斯抽采率、解吸率、瓦斯壓力梯度及開采效率產(chǎn)生影響，CSIRO 突出模型[33]如圖3；朱興珊等[34]支持綜合作用假說，研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)造應(yīng)力場是連接3 大突出影響因素的紐帶。

圖3 CSIRO 突出模型[33]Fig.3 CSIRO outburst model[33]

1.3 煤與瓦斯突出機理的新認識

單因素控制理論與多因素控制理論無法解釋所有的煤與瓦斯突出現(xiàn)象[35]，因此便有學者提出了多場耦合作用理論。將地應(yīng)力、煤巖、瓦斯等煤與瓦斯突出的必要條件視為1 個有機系統(tǒng)，各階段各要素的耦合作用共同導致煤與瓦斯突出。李祥春等[36]研究分析了多場耦合作用下煤與瓦斯突出機理，認為振動場、電磁場、應(yīng)力場、滲流場的綜合作用最終導致了煤與瓦斯突出的發(fā)生；Zhao J X 等[37]進行了大量數(shù)值模擬實驗，建立了瓦斯壓力場、地應(yīng)力場、損傷場、滲流場的多場耦合模型，認為巨厚火成巖下動力災(zāi)害的觸發(fā)因素是應(yīng)力場與斷裂場的耦合過程，火成巖破碎后，裂隙場、流場和瓦斯?jié)舛葓鲴詈?，形成動態(tài)瓦斯災(zāi)害，能量場、沖擊場和應(yīng)力場耦合，導致巖爆。

隨著煤與瓦斯突出機理研究工作的不斷深入，逐漸接近煤與瓦斯突出的實質(zhì)。現(xiàn)有的突出理論都是想通過1 個理論模型來解決所用突出問題[38]，然而，構(gòu)造帶等突出易發(fā)區(qū)域的突出機理難以用統(tǒng)一理論模型解釋。復雜地質(zhì)環(huán)境下的突出機理尚不清晰，但普遍認為瓦斯、地應(yīng)力和煤巖體的物理力學性質(zhì)對突出起重要作用。

2 基于地質(zhì)構(gòu)造角度的煤與瓦斯突出分析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造對煤層瓦斯賦存與分布的影響

煤層瓦斯作為突出災(zāi)害的1 種能量來源，具有至關(guān)重要的作用。瓦斯影響突出主要表現(xiàn)為：①瓦斯壓力可以改變煤的力學性質(zhì)，參與煤層的力學破壞[39]；②瓦斯內(nèi)能為突出提供動力，是突出持續(xù)發(fā)生的必要條件[40]。對于地質(zhì)構(gòu)造對煤層瓦斯賦存與分布的影響，學者們進行了大量研究。其中，薛斌[41]以大平煤礦為原型，采用RFPA2D軟件對近斷層掘進過程進行了模擬，認為沿斷層上盤或下盤掘進瓦斯壓力都會促使煤層破壞，但沿下盤掘進煤體破壞較少；曹國華等[42]、張帥等[43]分別研究了山西2 個不同煤礦的瓦斯賦存規(guī)律，均認為地質(zhì)構(gòu)造是控制瓦斯含量的主控因素之一，并且發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造附近的煤層瓦斯含量明顯較高。隨著對瓦斯賦存與分布、突出過程和地質(zhì)構(gòu)造的深入研究，逐漸發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造對煤層瓦斯具有控制作用。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造對地應(yīng)力分布的影響

重力作用和構(gòu)造運動是引起煤層地應(yīng)力變化的主要原因。隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采已經(jīng)進入深部開采階段，煤層儲存環(huán)境更加復雜，地質(zhì)構(gòu)造對地應(yīng)力分布的影響越來越大。王炯等[44]、周亞博等[45]分別研究了深部礦區(qū)的地應(yīng)力分布特征，均發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場具有控制作用；李長洪等[46]采用改進型CSIRO 空心包體變形計對大同礦區(qū)地應(yīng)力進行實測，分析了實測地應(yīng)力與礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，認為該礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力較大且占主導地位，受燕山構(gòu)造運動時期SE-NW 水平擠壓應(yīng)力的繼承和發(fā)展，最大水平應(yīng)力方向有轉(zhuǎn)動趨勢。搞清楚地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力分布對井巷設(shè)計和安全開采意義重大，突出集中在構(gòu)造帶的主要原因之一為：地應(yīng)力分布受地質(zhì)構(gòu)造的控制，構(gòu)造帶附近存在應(yīng)力集中區(qū)，分布不均的地應(yīng)力容易引發(fā)突出事故。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造對煤巖體的物理力學性質(zhì)的影響

在漫長的形成過程，受地質(zhì)構(gòu)造作用，煤層不同程度的發(fā)生塑性變形、韌性變形、流態(tài)遷移等，對其物理力學性質(zhì)造成影響。煤作為多孔介質(zhì)，具有交聯(lián)的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，含有豐富的微孔、中孔、大孔和裂縫，為氣體的吸附和滲流提供了通道。受構(gòu)造運動的影響，煤的微觀結(jié)構(gòu)（如基質(zhì)、孔隙和裂縫）發(fā)生變化，容易形成構(gòu)造煤[47]。構(gòu)造煤在地應(yīng)力的作用下，孔裂隙閉合程度較高，因此煤的滲透能力較差[48]。低滲透煤體會限制瓦斯流動，導致瓦斯分布不均勻，局部煤層瓦斯富集。而構(gòu)造煤的抗擾動性極弱，受外界因素的影響，構(gòu)造煤極容易被壓碎成大量分散的小顆粒，并伴隨著瓦斯一起噴出[14]。程遠平等[49]定量分析了構(gòu)造煤的儲層特性，從突出能量的角度提出了構(gòu)造煤是煤與瓦斯突出的必要條件；高魁等[50]對不同構(gòu)造程度的煤體研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造程度越高，煤體的瓦斯吸附能力和滲透能力越強，而煤體強度則越低。所以，地質(zhì)構(gòu)造改變了煤的物理力學性質(zhì)，造成了瓦斯積聚，增加了突出危險性。

2.4 構(gòu)造帶煤與瓦斯突出過程

構(gòu)造帶地質(zhì)情況復雜，存在斷層、褶曲、煤厚變化等1 種或多種構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造對煤層地應(yīng)力分布和瓦斯賦存分布具有控制作用；并且構(gòu)造運動改變了煤的微觀結(jié)構(gòu)，從而改變煤的物理力學性質(zhì)，即構(gòu)造運動改變了煤與瓦斯突出的3 大關(guān)鍵因素，因此構(gòu)造帶容易發(fā)生突出事故。突出過程一般分為準備、發(fā)動、發(fā)展和終止4 階段[28]，結(jié)合前文對突出機理和地質(zhì)構(gòu)造的分析，構(gòu)造帶煤與瓦斯突出過程如圖4。

圖4 構(gòu)造帶煤與瓦斯突出過程Fig.4 Coal and gas outburst process in tectonic belt

1）準備階段。準備階段包括構(gòu)造運動和采掘作業(yè)2 部分。在漫長的地質(zhì)過程中，構(gòu)造運動對原生煤層進行改造，改變了地應(yīng)力分布和瓦斯賦存分布狀態(tài)，地質(zhì)構(gòu)造附近存在應(yīng)力集中和瓦斯積聚；構(gòu)造運動破壞了煤體微觀結(jié)構(gòu)，改變煤體的物理力學性質(zhì)，并伴有構(gòu)造煤產(chǎn)生。以上由地質(zhì)構(gòu)造引起的原生煤層變化，為突出發(fā)生提供了地質(zhì)條件；人類的開采活動是突出發(fā)生的前提條件，開采擾動會破壞煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成瓦斯流動、能量積聚、應(yīng)力遷移和煤體結(jié)構(gòu)演化，當達到發(fā)生突出的臨界條件時，準備階段完成。

2）發(fā)動階段。在煤體超過臨界狀態(tài)時，煤層瞬時失穩(wěn)破壞，形成最初的突出孔和暴露面，并發(fā)生煤與瓦斯突出；此時，準備階段累積的能量不斷釋放，更多的高應(yīng)力、高瓦斯壓力煤暴露出來，突出持續(xù)發(fā)生。

3）發(fā)展階段。在空間上，突出孔被分為孔內(nèi)和孔外。在突出孔內(nèi)，煤體在集中應(yīng)力主導下，發(fā)生斷裂并擴展形成暴露面；煤體內(nèi)瓦斯解析，在暴露面附近形成較高的瓦斯壓力梯度，造成煤的拉張破壞，暴露煤體剝落，裂隙持續(xù)擴展；在瓦斯壓力的持續(xù)影響下，剝落煤體進一步斷裂破碎，被分離到突出外孔；暴露面向深部遷移，進入下1 個破壞循環(huán)；在突出孔外，突出煤體在瓦斯驅(qū)動和摩擦阻力下噴出，速度先增后減直至停止。在此過程中，由于摩擦、沖擊、膨脹等作用，突出煤被進一步破碎。

4）終止階段。突出能量逐漸消耗，大量的突出物堵塞突出孔和開采空間，突出阻力逐漸增加。當突出能量不足以維持突出時，突出停止，煤層恢復靜態(tài)平衡；當突出能量再次聚集到足以克服突出阻力時，可能發(fā)生二次突出。

3 煤與瓦斯突出的研究方向

1）深入研究構(gòu)造帶煤與瓦斯突出機理。構(gòu)造帶是煤與瓦斯突出的易發(fā)區(qū)，現(xiàn)有的煤與瓦斯突出理論難以解釋所有的突出現(xiàn)象。隨著煤炭資源的開采深度不斷增加，“三高一低”的深部煤層地質(zhì)條件更為復雜，突出危險性增加，構(gòu)造帶煤與瓦斯突出機理研究尤為重要。上文分析了地質(zhì)構(gòu)造對突出的3大關(guān)鍵因素的影響，基于多因素控制理論總結(jié)了構(gòu)造帶煤與瓦斯突出過程。多場耦合作用理論是突出機理的新認識，基于瓦斯壓力場、地應(yīng)力場、損傷場、滲流場、振動場、電磁場等多場耦合作用理論的構(gòu)造帶煤與瓦斯突出機理有待進一步研究。

2）提高突出相似模擬實驗的技術(shù)水平。相似模擬實驗是研究煤與瓦斯突出的重要手段，現(xiàn)有的相似模擬實驗對井下突出環(huán)境的仿真程度有限，研究結(jié)果無法獲得業(yè)內(nèi)一致認可，這也是突出機理至今未理清的原因之一?？梢詮亩鄨鲴詈献饔梅较蜓邪l(fā)突出4 階段相似模擬實驗裝置，詳細研究突出4 階段發(fā)生機制，完善煤與瓦斯突出機理。另外，對現(xiàn)有的相似模擬實驗材料進行改進，使其符合煤體的物理力學特性。綜合考慮地應(yīng)力、瓦斯應(yīng)力、物理力學性質(zhì)等煤與瓦斯突出的關(guān)鍵因素，設(shè)計科學合理的尺寸，避免邊界效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，真正恢復煤層的地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯運移規(guī)律、應(yīng)力環(huán)境和開挖條件等。

3）加深構(gòu)造煤的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學性質(zhì)等的研究。構(gòu)造運動過程中原生煤發(fā)生物理化學變化形成構(gòu)造煤，深入研究構(gòu)造煤的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學性質(zhì)是掌握構(gòu)造煤基本特征的前提，構(gòu)造運動與構(gòu)造煤類型之間的關(guān)系、多場耦合作用下構(gòu)造煤的失穩(wěn)模式等都有待深入研究。

4 結(jié) 語

1）煤與瓦斯突出機理包括單因素控制理論、多因素控制理論和多場耦合作用理論等，但至今為止仍然沒有1 種公認的煤與瓦斯突出理論。構(gòu)造帶等突出易發(fā)區(qū)域的突出機理難以用統(tǒng)一理論模型解釋，復雜地質(zhì)環(huán)境下的突出機理尚不清晰，研究構(gòu)造帶煤與瓦斯突出機理對煤礦井巷設(shè)計和安全開采具有重要意義。

2）地質(zhì)構(gòu)造對煤層地應(yīng)力分布和瓦斯賦存分布具有控制作用，構(gòu)造帶附近容易形成應(yīng)力集中和瓦斯積聚；并且構(gòu)造運動可以改變煤的微觀結(jié)構(gòu)，從而改變煤的物理力學性質(zhì)，因此構(gòu)造帶容易發(fā)生突出事故。構(gòu)造帶煤與瓦斯突出過程分為準備、發(fā)動、發(fā)展和終止4 階段，其中準備階段包括構(gòu)造運動和采掘作業(yè)2 部分。

3）構(gòu)造帶是煤與瓦斯突出的易發(fā)區(qū)，基于多場耦合作用理論的構(gòu)造帶煤與瓦斯突出機理有待進一步研究。相似模擬實驗是研究煤與瓦斯突出的重要手段，相似模擬實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)能力、實驗?zāi)Ｐ瓦x材和設(shè)計能力仍需提升。構(gòu)造煤的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學性質(zhì)等應(yīng)深入研究，特別是構(gòu)造運動與構(gòu)造煤類型之間的關(guān)系、多場耦合作用下構(gòu)造煤的失穩(wěn)模式等。