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瓦 斯 地 質(zhì) 講 座（河南理工大學 張子敏）一、 瓦斯地質(zhì)及其發(fā)展二、 瓦斯地質(zhì)與災害預測和防治 第一節(jié) 瓦斯地質(zhì)及其發(fā)展一、瓦斯地質(zhì)的內(nèi)涵瓦斯生于煤層，儲存于煤層，只要開采煤炭就會有瓦斯涌出來。無論從賦存、分布的地質(zhì)原因和規(guī)律研究，還是從瓦斯涌出、瓦斯突出的原因和規(guī)律研究，都牽扯到極其復雜的地質(zhì)條件、地質(zhì)理論、地質(zhì)測試手段和技術(shù)，當然還有開采等因素。（一）瓦斯是特殊的地質(zhì)體瓦斯是無色無味的氣體，具有可燃性和易爆炸性，人的肉眼看不見，也摸不著，在礦井空間幾乎無處不有，瓦斯事故發(fā)生的規(guī)律不同于水、火、頂板冒落等事故那樣直觀，它對于井下作業(yè)人員很抽象。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦事故每年傷亡萬人左右，瓦斯傷亡人數(shù)占總數(shù)的40%以上。瓦斯是地質(zhì)成因的，它是在數(shù)千萬年至數(shù)億年前由煤的變質(zhì)作用形成的，它是生于煤層儲存于煤層或圍巖中的氣體地質(zhì)體，它的生成條件、運移規(guī)律、賦存和分布規(guī)律都受著極其復雜的地質(zhì)作用控制，它在煤層中的賦存狀態(tài)與煤顆粒、煤分子之間的關(guān)系經(jīng)歷過極其復雜的地質(zhì)歷史演化過程，牽扯到復雜的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造學和煤田地質(zhì)學、煤化學知識；它的運移、流動規(guī)律牽扯到流體力學的知識；它在煤炭開采過程中的涌出和突出規(guī)律又牽扯到巖體力學、采礦學的知識。所以我們稱瓦斯是復雜特殊的地質(zhì)體。由瓦斯引發(fā)的瓦斯突出災害、瓦斯爆炸災害引起我國各級政府的高度重視，投入大量的人力、物力、財力，組織國家“六.五、七.五、八.五、九.五”科技攻關(guān)，以及“十.五”面臨的新的攻關(guān)任務。（二）、瓦斯地質(zhì)是科學的理論和技術(shù)大量的實踐證明了瓦斯地質(zhì)規(guī)律是研究瓦斯形成、分布、賦存和變化的基本規(guī)律，瓦斯地質(zhì)理論和技術(shù)是瓦斯災害預測理論和技術(shù)的基礎(chǔ)；是瓦斯災害防治理論和技術(shù)的基礎(chǔ)；也是解決瓦斯抽放理論和技術(shù)的基礎(chǔ)。1、瓦斯生成理論和技術(shù)表 1-1 每形成一噸煤的產(chǎn)氣量褐 煤肥 煤瘦 煤無煙煤68m3230 m3330 m3400 m3以上表 1-2 各煤化階段生氣量煤 化 階 段氣 體每個煤化階段最終殘留-噸煤的生氣量，m3泥炭向褐煤過渡褐煤向煙煤過渡煙煤向無煙煤過渡甲 烷二氧化碳68.3167.3161.6124.9192.923.4煤的變質(zhì)作用可分為深成變質(zhì)作用和巖漿熱變質(zhì)作用。瓦斯生成量隨著煤的埋藏深度的增加而增加。2、瓦斯運移和賦存規(guī)律煤化作用生成的瓦斯經(jīng)歷數(shù)千萬年至數(shù)億年的地殼構(gòu)造運動的作用，80%左右的氣體都逸散掉了，因此瓦斯的運移和賦存規(guī)律極其復雜。只有搞清煤田、礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化歷史，在歷次構(gòu)造運動中含煤地層隆起剝蝕和沉積坳陷的特征，才能搞清煤層瓦斯的主要保存特征，如同樣是石炭二疊紀系煤層，在山東省魯西煤田由于隆起作用上覆缺失三疊系的地層，煤層長期遭受風化剝蝕作用，大量瓦斯逸散，埋深600-700m深仍屬瓦斯風化帶，山東省98%的礦井都屬于低瓦斯礦井；而河南豫西煤田石炭二疊系煤層上覆沉積了數(shù)千米厚的下、中、上三疊統(tǒng)的地層，因此瓦斯保存條件較好，焦作、鶴壁、鄭州、平頂山礦區(qū)都是高瓦斯和煤與瓦斯突出礦區(qū)。只有搞清礦區(qū)、礦井地質(zhì)構(gòu)造及其構(gòu)造應力場在歷次構(gòu)造運動中擠壓、拉張和剪切構(gòu)造的發(fā)育特征，才能搞清礦井、采區(qū)、采面煤層瓦斯的保存和高低分布特征；只有如此，也才能搞清礦區(qū)、井田的構(gòu)造煤的發(fā)育和對瓦斯突出災害的控制特征。3、瓦斯突出機理和瓦斯突出規(guī)律的研究（1）瓦斯突出機理煤與瓦斯突出是礦井開采中危險性最大的災害，是世界各主要產(chǎn)煤國突出礦井共同面臨的技術(shù)難題。自從前蘇聯(lián)的霍多特為代表的煤與瓦斯突出機理綜合假說提出以來，近20年，在這一理論的指導下，瓦斯突出理論和技術(shù)的研究取得了明顯的進展。大量的實踐表明，瓦斯突出是氣、固介質(zhì)共同參與下的地質(zhì)問題和力學問題，加上不同采掘環(huán)境下的礦山開采應力激化，使研究復雜化。瓦斯地質(zhì)的研究早已發(fā)現(xiàn)瓦斯突出都是發(fā)生在破壞嚴重的構(gòu)造煤體。其實，突出煤層中早已存在著瓦斯賦存量大、韌塑性破壞嚴重的高分散相、低滲透性、低強度、并大于一定厚度的瓦斯突出煤體，它是發(fā)生煤與瓦斯突出的必要條件。不同礦井開采深度、采掘工作面臨近的斷裂褶皺構(gòu)造特征及位置、采掘工藝等邊界條件的不同，影響到瓦斯突出發(fā)生的臨界條件和突出強度大小等。鄭哲敏（1992）提出，煤與瓦斯突出現(xiàn)象的能量主要來自儲存于煤層中的瓦斯；卸載破裂是以拉斷間斷面形式從煤的表面向內(nèi)部傳播的?；诿号c瓦斯突出機理綜合假說，我們認為煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象是一定厚度的瓦斯突出煤體在臨近采掘工作面煤壁時（自由面），由于卸載引起煤體拉張向深部擴展破壞，煤層透氣性高倍增強，同時煤體大量瓦斯因降壓快速解吸，瞬時間在煤壁前形成高動能的氣、煤顆粒混合體，類似點爆的炸藥包，造成煤體雪崩般地破壞。直到煤、巖體平衡拱（突出過程也是平衡拱的形成過程）形成可以抵擋煤體因卸壓引起的拉斷間斷面不再向深部擴展和瓦斯壓力趨于平衡、瓦斯解吸不再向深部擴展時，煤與瓦斯突出動力才會停止。1：200萬中國煤層瓦斯地質(zhì)圖說明書（1992）研究了中國煤與瓦斯突出的區(qū)域分布，提出了深層構(gòu)造陡變帶、深層活動斷裂帶，推覆構(gòu)造帶和強變形帶是煤與瓦斯突出災害的敏感地帶。大量的事實說明了瓦斯突出煤體是強構(gòu)造擠壓并發(fā)生韌性剪切變形的產(chǎn)物。我國所有的瓦斯突出煤層，在地質(zhì)歷史演化過程中都經(jīng)歷過區(qū)域構(gòu)造控制下的強擠壓、剪切破壞作用。呂紹林（1999）提出，瓦斯突出煤體從發(fā)生到形成可以看成氣固結(jié)合的地質(zhì)體在地應力、瓦斯內(nèi)能等綜合作用下復雜的力學演化過程，在這一過程中激發(fā)了包括具有明顯的熱效應在內(nèi)的各類電磁幅射、地電場特性也隨之改變等，因此，有著與原生結(jié)構(gòu)煤體不同的地球物理特征。應用區(qū)域地質(zhì)演化理論，結(jié)合瓦斯突出煤體地球物理場識別理論和探測技術(shù)，可以定量化的預測瓦斯突出煤體的時空分布規(guī)律。基于煤與瓦斯突出機理綜合假說，深入研究采、掘工作面煤與瓦斯突出機理，在此基礎(chǔ)上，運用現(xiàn)代計算機技術(shù)動態(tài)模擬演繹采、掘工作面瓦斯突出危險動態(tài)演變過程。有的放矢地及時防治煤與瓦斯突出災害。（2）瓦斯突出規(guī)律的研究（） 構(gòu)造煤的發(fā)育是煤與瓦斯突出的必備條件大量的現(xiàn)場調(diào)查和觀測表明，在瓦斯突出地點的煤層中都存在著煤質(zhì)松軟、層理紊亂、原生結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞的大于一定厚度的軟煤分層，用手指可以搓成粉末狀和粉粒狀。這種煤是煤層在構(gòu)造運動的作用下受強擠壓、剪切作用形成的以碎粒狀、糜棱狀為主的構(gòu)造煤。焦作工學院把在高瓦斯突出煤層中發(fā)育的構(gòu)造煤直接稱為“瓦斯突出煤體”。 這種煤是煤層受強烈剪切破壞作用下形成的一種高分散相多孔介質(zhì)，煤的微孔隙微裂隙十分發(fā)育，大大增加了煤的比表面積，從而使煤對瓦斯的吸附能力大大增強；當應力解除時，微孔隙與微裂隙很快連通起來，又具有快速解吸瓦斯的能力。 構(gòu)造煤強度低，大大地減少了煤與瓦斯突出時破壞煤體時消耗的能量。瓦斯突出煤體的堅固性系數(shù)一般都在0.8以下，多數(shù)在0.5以下，0.10.3居多。 構(gòu)造煤很容易使裂隙閉合，在高地應力作用下壓成“煤磚”，大大降低了煤的透氣性。瓦斯突出煤體在臨近采、掘工作面前方時常常形成高應力梯度帶、高瓦斯解吸量梯度帶和快速破壞帶，巨大的彈性勢能和瓦斯內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為巨大的機械功，使煤體在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生雪崩式的破壞。（） 壓性、壓扭性構(gòu)造活動和部位是造成煤與瓦斯突出的根源可以說，所有的煤與瓦斯突出都是源于構(gòu)造活動擠壓和剪切作用的結(jié)果。構(gòu)造擠壓活動使得煤層具有高吸附瓦斯和封存瓦斯的能力；構(gòu)造擠壓、剪切作用形成的壓性、壓扭性構(gòu)造及其運動使得煤層發(fā)生強烈地韌塑性破壞和變形，形成了發(fā)育的“構(gòu)造煤”。壓性、壓扭性逆斷層常常是煤與瓦斯突出的危險地帶，湖南洪山殿煤礦蛇形山井田有56次突出都是發(fā)生在小型逆斷層附近；四川天府礦區(qū)三匯壩一井發(fā)生的12870t/次、2807t/次兩次特大型突出都是發(fā)生在華鎣山深斷裂的低級斷裂F14-4逆斷層的下盤和上盤。有些正斷層附近發(fā)生的瓦斯突出，實際上是這些斷層在地質(zhì)歷史演變過程中原來曾經(jīng)是壓扭性的逆斷層，如沿太行山的焦作、安陽等礦區(qū)中的北北東、北東向正斷層，有些就是燕山運動早、中期太行山隆起活動時的逆斷層，燕山末期至喜山早期擠壓活動被拉張活動所取代，華北斷陷盆地的形成，使得沿太行山隆起帶的一些北北東、北東向壓性、壓扭性正斷層演化成現(xiàn)今看到的正斷層，在這些正斷層附近常有煤與瓦斯突出發(fā)生。() 深層構(gòu)造陡變帶、深層活動斷裂帶、逆沖推覆構(gòu)造帶、強度變形帶是發(fā)生煤與瓦斯突出的敏感地帶 中國的深層構(gòu)造呈東西向和南北北北東向分布，以南北北北東向帶最為顯著。賀蘭山龍門山南北向陡變帶上分布著石嘴山、龍門山、雅榮、渡口等高瓦斯突出礦區(qū)，共有10余對高突礦井；太行山武陵山北北東向陡變帶上分布著南桐、松藻、焦作、鶴壁、安陽等高瓦斯突出礦區(qū)，共有30余對突出礦井。近東西向的陡變帶有兩條：天山赤峰陡變帶上分布有包頭、下花園、北票等高瓦斯突出礦區(qū)，共有10余對高突礦井；華南地區(qū)的萍鄉(xiāng)-郴州也是一個深層構(gòu)造帶，分布有萍鄉(xiāng)、樂平、英崗嶺、豐城、白沙、梅田、南嶺等高瓦斯突出礦區(qū)，共有70余對高突礦井，共發(fā)生突出2000余次。深層構(gòu)造陡變帶既是中、新生代以來構(gòu)造活動最劇烈的地帶，也是陸內(nèi)造山帶，有著特殊的地球物理場。 華北盆地北緣斷裂帶、鄂爾多斯盆地西緣斷裂帶、太行山斷裂帶分別與上述深層構(gòu)造陡變帶一致，在此不再論述。華北盆地南緣龍首山固始深斷裂帶，受其影響的有靖遠、宜洛、平頂山、淮南等高瓦斯突出礦區(qū)，有10余對突出礦井。在華南地區(qū)，沿華鎣山斷裂帶上有華鎣山、天府、中梁山高瓦斯突出礦區(qū)，共有13對高突礦井。沿南丹紫云斷裂帶上分布有水城、六枝、紅茂高瓦斯突出礦區(qū)，有10余對突出礦井。宜春柳州斷裂帶和萍鄉(xiāng)郴州陡變帶一致。在揚子陸塊北緣斷裂帶上分布有黃石高瓦斯突出礦區(qū)。在金沙江紅河斷裂帶上有一個低瓦斯突出礦井螞蝗慶礦。在東北地區(qū)，沿牡丹江鶴崗斷裂帶上分布有鶴崗低瓦斯突出礦區(qū)和延邊和龍二氧化碳突出礦區(qū)，有2對低瓦斯突出礦井和2對二氧化碳突出礦井。在敦化密山斷裂帶上有撫順、雞西高瓦斯突出礦區(qū)，有8對高瓦斯突出礦井。在伊蘭舒蘭斷裂帶上有營城二氧化碳突出礦區(qū)。幾乎所有的煤與瓦斯突出都與深斷裂活動有關(guān)。深斷裂大多是板塊結(jié)合帶或地體的拼接帶，且往往是一些“復性”，“長壽”斷裂；深斷裂帶多是重力梯度帶，殼、幔物質(zhì)陡變帶，地球物理場變化帶。燕山運動以來，中國大陸進入板塊活動期，東部受濱太平洋構(gòu)造域控制，西部受特提斯構(gòu)造域控制。東部殼幔物質(zhì)調(diào)整，陸殼活化，隆坳分異；西部印度板塊持續(xù)北推，藏滇板塊隆升，西伯利亞板塊對擠?，F(xiàn)代板塊活動，使得深斷裂成為構(gòu)造活動的劇烈?guī)?，深斷裂的擠壓、剪切活動，控制著周圍塊段發(fā)生同動力體系的擠壓，使那里的煤層發(fā)生構(gòu)造變形、破壞，應力集中，瓦斯聚積同時發(fā)生。 中國多期、多層次的推覆構(gòu)造十分發(fā)育，規(guī)模大者，推覆距離達數(shù)十千米。在四川盆地的西側(cè)發(fā)育的龍門山菁河推覆構(gòu)造帶，逆沖推覆指向盆地中心。沿推覆構(gòu)造帶上分布著龍門山、雅榮高瓦斯突出礦區(qū)，有7對突出礦井；在四川盆地的東側(cè)發(fā)育的武陵山、華鎣山推覆構(gòu)造帶，逆沖推覆指向盆地中心，分布著松藻、南桐、天府、華鎣山、中梁山高瓦斯突出礦區(qū)，有高突礦井26對。在江南古陸與華夏古陸之間形成的湘桂萍鄉(xiāng)樂平浙西“S”型和反“S”伸展向北西凸出的弧形褶皺帶，伴有向南東傾斜的逆沖推覆和多層次滑脫。這一地區(qū)的漣邵高瓦斯突出煤田到萍鄉(xiāng)樂平高瓦斯突出煤田，包括有萍鄉(xiāng)、豐城、英崗嶺、樂平等高突礦區(qū)，共有63對高突礦井，發(fā)生煤與瓦斯突出2500余次，是我國煤與瓦斯突出最嚴重的地區(qū)之一?；茨厦禾锸芩锤酵聘矘?gòu)造的控制，礦區(qū)內(nèi)逆斷層發(fā)育，該煤田有4對煤與瓦斯突出礦井。遼寧北票礦區(qū)處于大型推覆構(gòu)造部位，是華北煤田最嚴重的突出礦區(qū)之一，有6對礦井全是高突礦井，共發(fā)生突出1500余次，最大的突出1894t/次，也是華北地區(qū)突出強度最大的。 在華北陸塊南緣和華南板塊北緣受東秦嶺強變形帶和大別山強變形帶控制的華北平頂山、宜洛、滎鞏、偃龍等煤田和淮南煤田，華南黃石煤田，都是具有煤與瓦斯突出危險的煤田。（） 瓦斯突出煤體地質(zhì)規(guī)律研究瓦斯突出煤體具有明顯的動力變質(zhì)作用特征，順磁共振研究表明，瓦斯突出煤體比原生結(jié)構(gòu)煤體芳碳含量高，并隨變形程度的加劇芳香脂碳含量呈規(guī)律性變化；自由基濃度隨煤破壞程度增大而增加。典型的超微觀結(jié)構(gòu)為蜂窩狀或熔巖狀，能夠吸附和積存更多的瓦斯并使煤的強度極低。瓦斯突出煤體是動力地質(zhì)作用的結(jié)果、是韌性剪切變形的產(chǎn)物。研究證實，斷裂活動主要通過簡單剪切作用，使周圍煤體產(chǎn)生韌塑性變形形成構(gòu)造煤體（瓦斯突出煤體）。大量的資料表明，幾乎所有的煤與瓦斯突出都有與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，80%以上的突出事故都是發(fā)生在地質(zhì)異常帶。前述可知，我國幾乎所有的煤與瓦斯突出礦區(qū)、礦井都是位于區(qū)域構(gòu)造控制下的強構(gòu)造擠壓、剪切帶；所有的瓦斯突出煤層在地質(zhì)歷史演化過程中都經(jīng)歷過區(qū)域構(gòu)造控制下的強構(gòu)造擠壓、剪切破壞作用；幾乎所有的瓦斯突出煤體都是位于礦區(qū)構(gòu)造、井田構(gòu)造或者是不同級別的斷裂構(gòu)造控制下的強擠壓、剪切變形破壞帶。研究還證實，同級的小斷層分布中逆斷層附近的構(gòu)造煤體比正斷層附近厚度大、范圍廣。（）瓦斯突出煤體地球物理特征和探測技術(shù)研究關(guān)于瓦斯突出煤體（構(gòu)造煤）的研究，焦作工學院曾完成2項國家自然科學基金，3項煤炭科學基金，2項河南省自然科學基金。瓦斯突出煤體從發(fā)生到形成可以看成是氣固結(jié)合的地質(zhì)體在地應力、瓦斯內(nèi)能等綜合作用下的復雜的力學過程。在這一過程中激發(fā)了包括具有明顯的熱效應在內(nèi)的各類電磁輻射，地電場特性也隨之改變等，因此有著與原生結(jié)構(gòu)煤體不同的地球物理特征。瓦斯突出煤體與非突出煤體相比，導電性和介電性存在著明顯的差異；瓦斯突出煤體的超聲波速小于1000m/s,主要分布在600m/s左右；而非突出煤體的超聲波速主要集中在2200 m/s左右；當電磁波穿過瓦斯突出煤體時，能量明顯減弱而出現(xiàn)陰影。目前煤礦探測小構(gòu)造和地質(zhì)異常帶的地球物理方法有無線電波透視法、槽波地震法、地質(zhì)雷達法、層內(nèi)電測深法和脈沖超聲波法等。焦作工學院在承擔國家“九五”攻關(guān)子專題“礦井瓦斯突出危險帶預測的瓦斯地質(zhì)技術(shù)研究”中應用煤炭科學總院重慶分院生產(chǎn)的WKTF3型無線電波透視儀在平頂山八礦的己15 13190工作面和己15 14081工作面分別探測出構(gòu)造煤厚0.31.0m的3個和9個瓦斯突出危險帶。（） 瓦斯突出煤體空間形態(tài)分布規(guī)律可視化研究在前述研究工作的前提下，建立瓦斯突出煤體形成和分布規(guī)律的三維地質(zhì)模型，開發(fā)出實現(xiàn)瓦斯突出煤體厚度、形態(tài)空間變化規(guī)律的可視化軟件系統(tǒng)。二 瓦斯地質(zhì)發(fā)展1 煤礦要設置和培養(yǎng)專職瓦斯地質(zhì)人才煤礦瓦斯地質(zhì)和瓦斯防治技術(shù)是實踐性強、理論性強的技術(shù)，瓦斯隨著開采深度、地質(zhì)條件、開采技術(shù)隨時都在變化，防治瓦斯災害最重要的是隨時掌握瓦斯變化規(guī)律。煤礦必須建立瓦斯地質(zhì)資料的探測、采集、整理分析制度；隨時編繪瓦斯地質(zhì)圖、表，以此指導瓦斯分布規(guī)律的預測和瓦斯災害防治。2 建立健全礦井瓦斯地質(zhì)工作規(guī)范制度瓦斯地質(zhì)規(guī)律是煤礦瓦斯形成、分布和賦存的基本規(guī)律，瓦斯地質(zhì)理論是科學的理論，瓦斯地質(zhì)技術(shù)是煤礦安全生產(chǎn)和資源開發(fā)最重要、最基本的技術(shù)。只要辦煤礦，首先應搞清瓦斯地質(zhì)規(guī)律，只有如此，才能了解和掌握瓦斯涌出和突出危險的規(guī)律性；只有如此，才能搞清把瓦斯作為資源進行勘探開發(fā)利用的理論和技術(shù)。在搞清礦區(qū)、井田煤層區(qū)域地質(zhì)演化歷史的基礎(chǔ)上，做到一級級的控制，從而搞清瓦斯賦存和瓦斯突出危險的分區(qū)分帶特征。目前，運用計算機技術(shù)，建立瓦斯突出危險性預測預報的四維可視化技術(shù)，首先要建立準確地瓦斯地質(zhì)模型。這些都必須具有詳盡的第一手瓦斯地質(zhì)分析資料。3 把瓦斯技術(shù)和采礦技術(shù)密切結(jié)合起來現(xiàn)代化采煤技術(shù)的高速發(fā)展，生產(chǎn)越來越集中，采掘機械自動化程度越來越高，瓦斯集中涌出和礦山壓力的急劇變化，使得原來的低瓦斯礦井也變成了高瓦斯礦井，使得影響煤與瓦斯突出的因素越來越復雜。4 應用現(xiàn)代化的多學科技術(shù)發(fā)展瓦斯地質(zhì)技術(shù)和理論面對煤與瓦斯突出災害和爆炸災害這種國際性的技術(shù)難題，瓦斯地質(zhì)技術(shù)要和現(xiàn)代化的監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)合起來。充分利用地球物理場理論和技術(shù)發(fā)展瓦斯地質(zhì)技術(shù)的測試手段，如瓦斯突出煤體探測技術(shù)和設備；充分利用計算機技術(shù)開發(fā)瓦斯突出煤體三維可視化軟件，開發(fā)采掘工作面瓦斯突出危險動態(tài)模擬監(jiān)測監(jiān)控軟件以及非接觸式的瓦斯突出危險預測技術(shù)手段。5 研究方向瓦斯地質(zhì)研究和發(fā)展面臨兩大主題，一是瓦斯災害預測與防治；二是煤礦瓦斯資源開發(fā)利用。其中有兩大難題影響發(fā)展，一是煤與瓦斯突出機理的研究，需要進一步研究高應力狀態(tài)下的煤層瓦斯賦存狀態(tài)以及它的吸附、解吸規(guī)律；二是構(gòu)造破壞煤體的研究，對于瓦斯突出煤層而言可以稱為瓦斯突出煤體。構(gòu)造破壞煤體高分散相、高吸附能力、低強度、低透氣性，在我國高瓦斯突出煤層普遍發(fā)育，是我國實現(xiàn)煤層氣產(chǎn)業(yè)化的難點，也是我國煤與瓦斯突出災害防治的難點。第二節(jié) 瓦斯地質(zhì)與瓦斯災害預測和防治瓦斯災害預測主要為瓦斯涌出量預測和煤與瓦斯突出預測、煤巖與二氧化碳突出預測。瓦斯涌出量預測目前主要有礦山統(tǒng)計法和以瓦斯含量為基礎(chǔ)的分源計算法；瓦斯突出預測分為區(qū)域預測和工作面預測。瓦斯災害防治主要為煤與瓦斯突出防治和瓦斯爆炸災害的防治，方法就更多了，以上這些內(nèi)容都具體有人專題講。我這里主要講瓦斯地質(zhì)與瓦斯災害預測和防治的關(guān)系。一、瓦斯地質(zhì)與瓦斯涌出之間的關(guān)系煤層瓦斯涌出是指發(fā)生在煤層采掘過程中，由煤炭的破碎、運輸和煤壁釋放到回采空間。正常瓦斯涌出的過程緩慢持久，涌出量十分可觀，是造成礦井開采過程中瓦斯積聚超限和發(fā)生瓦斯爆炸事故的根源。有些礦區(qū)瓦斯涌出還包括開采層上下頂?shù)装宸秶鷥?nèi)受采動影響的不可采鄰近煤層或巖層的瓦斯。如陽泉礦務局以礦井瓦斯涌出量大聞名全國，年瓦斯涌出總量高達3.5億，平均每分鐘涌出瓦斯700，折合每生產(chǎn)1t煤瓦斯涌出量為31。瓦斯涌出也是不均衡的，在空間分布上具有明顯的分區(qū)、分帶特征。瓦斯涌出的非均衡性不僅存在于煤田、礦井之間，而且還存在于同一煤層同一礦井的不同工作面之間。據(jù)全國334個煤田和礦區(qū)統(tǒng)計，高瓦斯礦區(qū)和煤田有149個，低瓦斯礦區(qū)和煤田為185個?？梢詫⑷珖鞔蟮貐^(qū)的煤層瓦斯在空間分布上劃分為8個高瓦斯區(qū)和12個低瓦斯區(qū)；36個高瓦斯帶和53個低瓦斯帶。圖1為山西太原南峪礦區(qū)瓦斯涌出分布圖。該區(qū)域內(nèi)礦井瓦斯涌出總的呈現(xiàn)南高北低、兩邊高中間低的趨勢。瓦斯涌出條帶的延展方向在區(qū)域北部呈弧形；區(qū)域中部近東西，區(qū)域南部呈封閉形。其走向為北西到南東向，這與區(qū)域內(nèi)主要構(gòu)造軸線一致。圖1 山西太原南峪礦區(qū)瓦斯涌出量分布圖（m/t）在煤炭生產(chǎn)的各個不同階段都會遇到瓦斯涌出問題。但由于礦井瓦斯地質(zhì)條件、生產(chǎn)技術(shù)條件和開采技術(shù)條件的差異，礦井瓦斯涌出規(guī)律和涌出量因地而異，因礦井而異。影響瓦斯涌出的因素多而復雜，根治技術(shù)難度大，一直是我國煤炭戰(zhàn)線長期存在的重大技術(shù)難題。特別是近幾年，隨著礦井開采范圍的加大和高產(chǎn)高效礦井或高產(chǎn)高效工作面的出現(xiàn)，打破了低瓦斯礦井和高瓦斯礦井的劃分界限，許多過去的低瓦斯礦井變成了高瓦斯礦井，一些低瓦斯礦井中出現(xiàn)了高瓦斯采區(qū)或高瓦斯工作面，給礦井通風管理帶來了極大的困難。為了研究礦井瓦斯涌出量與地質(zhì)因素之間的關(guān)系，作者以工作面瓦斯涌出量作為因變量，選取埋藏深度、煤層傾角、斷層密度、煤層厚度、構(gòu)造煤厚度等作為自變量，建立了陽泉礦區(qū)3號煤層瓦斯涌出與地質(zhì)因素之間關(guān)系的數(shù)理統(tǒng)計模型，即： .(2-3)式中：D煤層傾角，度；F斷層密度，條/萬；M煤層厚度，m。從該數(shù)學模型分析得，礦井開采過程中工作面瓦斯涌出量與煤層傾角呈正相關(guān)關(guān)系；與斷層密度呈負相關(guān)關(guān)系；與煤層厚度有極明顯的正相關(guān)關(guān)系。說明煤層的透氣性具有各向異性，即順煤層方向的透氣性比垂直層面方向的透氣性大，煤層傾角大有利于采后冒落、垮落高度大，卸壓影響范圍大，使鄰近煤層瓦斯大量涌向采空區(qū)而流向工作面，因而工作面瓦斯涌出量與煤層傾角正相關(guān)；煤層厚度大，生成瓦斯的原始質(zhì)料多，況且空間大有利于瓦斯賦存，對瓦斯涌出量的增加是不容忽視的；斷層密度加大而減少瓦斯涌出量是不言而喻的。二、瓦斯地質(zhì)與煤與瓦斯突出之間的關(guān)系煤與瓦斯突出（含巖石與突出，以下簡稱瓦斯突出或突出）是煤礦地下開采過程中煤體在一個相當短的時間內(nèi)突然拋向采掘空間的一種重要的自然災害，嚴重影響著礦井安全生產(chǎn)和職工人身安全。自1834年3月22日法國魯爾煤田伊薩克礦井在急傾斜厚煤層平巷掘進工作面發(fā)生了世界上第一次有記載的瓦斯突出至今的一個半多世紀中，世界各主要產(chǎn)煤國如俄羅斯、波蘭、澳大利亞、德國、英國、日本等都發(fā)生過程度不同的瓦斯突出。瓦斯突出一直是世界各國突出礦井安全和減災防災工作的主體。我國是世界上發(fā)生瓦斯突出最為嚴重的國家之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國有瓦斯突出礦井270余對，已發(fā)生煤與瓦斯突出萬余次。近年來，隨著煤炭工業(yè)的迅猛發(fā)展，瓦斯突出對煤礦安全生產(chǎn)的威脅與日俱增，如平頂山礦區(qū)的東三礦近幾年相繼發(fā)生了瓦斯突出，成為了這些礦井影響安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益提高的重要因素。（1）瓦斯突出的基本情況 中國煤礦瓦斯突出97%以上都發(fā)生在高瓦斯礦井，僅開灤的趙各莊、張家口的前山礦、鶴崗的南山礦和新一礦、撫順的南昌井、盤江的火鋪井和云南的螞蝗慶礦為低瓦斯礦井。瓦斯突出礦井的分布以華南地區(qū)最多為181對，占全國瓦斯突出礦井總數(shù)的66.3%；其次為華北地區(qū)和東北地區(qū)各為67對和21對，分別占全國瓦斯突出礦井總數(shù)的24.1%和7.6%；西北地區(qū)為5對，占全國瓦斯突出礦井總數(shù)的2%。從含煤地層時代來看，開采石炭、二疊紀煤層的突出礦井最多為230對，占全國瓦斯突出礦井總數(shù)的83.7%；其次是開采早、中侏羅世和晚三疊世煤層的礦井為23對，占8.5%；開采晚侏羅世早白堊世煤層的礦井為17對，占6.3%；開采第三紀煤層的礦井為4對，僅占1.2%。中國煤與瓦斯突出的始突深度在不同礦區(qū)、不同礦井相差甚大。始突深度最小的不到40m，如湖南紅衛(wèi)里王廟礦為35m；最大的達到600m以上，如撫順老虎臺礦為640m。華南地區(qū)東部的湘、贛、粵始突深度最小，一般為數(shù)十米到200m；華南地區(qū)西部的川、黔、滇始突深度一般為100m400m；華北地區(qū)的始突深度約為200m500m；東北地區(qū)的始突深度在100m400m之間，最大為600m。 中國瓦斯突出礦井中，突出強度以中、小型為主。特大型瓦斯突出礦井有30對左右，主要分布在陰山燕遼、黑吉遼中東部、四川盆地龍門山大巴山、川南黔北黔西、贛湘粵桂東5個煤層瓦斯含量高和礦井瓦斯涌出量大的高瓦斯區(qū)內(nèi)。華南地區(qū)特大型瓦斯突出礦井最多，有25對，占全國特大型瓦斯突出礦井總數(shù)的80%以上。突出強度最大的是天府的三匯壩一礦，最大突出煤量為12780t；其次是南桐的魚田堡礦和白沙的紅衛(wèi)煤礦坦家沖井，最大突出強度分別為8327.5t和4500t。（2） 瓦斯突出的地質(zhì)因素 從地質(zhì)角度研究瓦斯突出動力現(xiàn)象，主要考慮發(fā)生瓦斯突出的氣體介質(zhì)和構(gòu)造破壞介質(zhì)兩方面因素，即煤層瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造和由地質(zhì)構(gòu)造破壞造成的煤體結(jié)構(gòu)。第一，煤層瓦斯含量高是瓦斯突出發(fā)生的基礎(chǔ)。瓦斯突出集中分布在煤層瓦斯含量相對富集的地帶，全國30對特大型瓦斯突出礦井中煤層瓦斯含量一般都在20左右，從而不少礦區(qū)把煤層瓦斯含量作為評價瓦斯突出的標準。如湖南的漣邵和郴耒礦區(qū)煤層瓦斯含量大于15為嚴重突出煤層；瓦斯含量915為一般突出煤層；煤層瓦斯含量小于9不發(fā)生瓦斯突出。四川南桐礦區(qū)、天府礦區(qū)和焦作礦區(qū)發(fā)生瓦斯突出煤層的瓦斯含量臨界值分別為6、8和10。煤層瓦斯含量不僅決定著發(fā)生瓦斯突出的難易程度，而且還影響瓦斯突出的強度，如江西樂平礦區(qū)的涌山煤礦煤層瓦斯含量為17.01，最大突出強度為2200t；而該礦區(qū)的仙槎礦煤層瓦斯含量相對較小，瓦斯突出的最大強度100t左右。第二，煤體結(jié)構(gòu)的破壞是一種地質(zhì)構(gòu)造破壞標志和發(fā)生瓦斯突出的必要條件，國內(nèi)外不少研究者都把煤體結(jié)構(gòu)的破壞程度作為預測瓦斯突出危險性的指標。煤體結(jié)構(gòu)破壞是煤層受到構(gòu)造強烈擠壓和剪切破壞作用的產(chǎn)物。由于受力大小、作用范圍和受力狀態(tài)的非均衡性，煤層中范圍和厚度大小不同的自然分層發(fā)生變形，喪失了原來的均質(zhì)、層理清晰的條帶狀結(jié)構(gòu)，而形成破碎的顆?；蚍蹱畹臉?gòu)造破壞煤。焦作工學院稱其為構(gòu)造煤，并根據(jù)煤體宏觀和微觀結(jié)構(gòu)特征，把構(gòu)造煤劃分成碎裂煤、碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤4種類型。構(gòu)造破壞煤常常發(fā)育在壓性、壓扭性或剪切構(gòu)造發(fā)育區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應力比較集中的地帶，由于煤層物質(zhì)組成和受力狀態(tài)的不同，構(gòu)造破壞煤呈夾層狀或透鏡狀分布于煤層中的不同部位。在突出煤層構(gòu)造破壞煤特別是碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤的存在性決定了煤層是否具備發(fā)生瓦斯突出的物質(zhì)條件。國內(nèi)外大量觀測研究表明，在瓦斯突出地點的煤層中都存在有煤質(zhì)松軟、層理紊亂、原生結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞、呈層狀或透鏡狀分布的軟分層，所有的瓦斯突出都發(fā)生在構(gòu)造破壞煤發(fā)育的地帶之中。作者通過多年從瓦斯地質(zhì)角度研究瓦斯突出煤體結(jié)構(gòu)和通過探測煤體破壞結(jié)構(gòu)進行瓦斯突出預測，把構(gòu)造嚴重破壞并具有發(fā)生瓦斯突出的瓦斯能（即含有大量瓦斯）介質(zhì)條件的煤體稱作瓦斯突出煤體，把原生結(jié)構(gòu)煤稱作非突出煤體。瓦斯突出煤體從理論上是瓦斯突出各項參數(shù)的綜合反映，反過來瓦斯突出參數(shù)也從本質(zhì)上確定了瓦斯突出煤體的易突性。瓦斯突出參數(shù)（值）是通過煤礦井下采取煤樣在實驗室測定獲得的相對指標，是目前國內(nèi)外廣泛采用的預測瓦斯突出的物理量，其值大小不僅能夠客觀地反映煤體強度和破壞程度，而且還能很好地體現(xiàn)發(fā)生瓦斯突出的氣體介質(zhì)條件。大量的試驗考察結(jié)果表明，值參數(shù)決定于煤體結(jié)構(gòu)的宏觀類型，二者之間的關(guān)系極為密切。盡管其絕對值隨礦區(qū)不同而有所變化，但對于同一礦區(qū)、同一煤層來說，其數(shù)值特征主要取決于煤體的破壞程度。隨著煤體破壞程度的升高，值減小，值增加。國內(nèi)不少研究單位對煤的值與煤體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行了大量的研究，在生產(chǎn)實際中進行了廣泛應用并取得了十分明顯的安全效益和社會效益。煤科總院撫順分院提出突出煤的值小于0.52；湖南煤研所認為在0.30.8以下。由于煤質(zhì)條件的差異，不同礦區(qū)瓦斯突出煤的值具有不同的臨界值。南桐礦區(qū)根據(jù)煤的值把煤層分為非突出煤層（值0.45）、一般突出煤層（0.45值0.35）和嚴重突出煤層（值0.75時為難突出煤層；0.75值0.45時為可能突出煤層；值0.45時為易突出煤層。北票礦區(qū)當值0.8時就極易發(fā)生瓦斯突出。中國部分特大型瓦斯突出礦井中，突出煤的值很小，幾乎都在0.2以下。值作為評價瓦斯突出危險程度的重要的瓦斯突出參數(shù)受到了各主要瓦斯突出國家的普遍重視，同樣也在科學研究和生產(chǎn)實際中得到了廣泛的應用。南桐魚田堡的測定破壞煤的瓦斯放散初速度比原生結(jié)構(gòu)煤增大4倍左右。煤的比表面積是表征瓦斯突出煤體氣固介質(zhì)物理和化學吸附能力的指標。在一定的瓦斯壓力條件下，煤的比表面積越大，煤對瓦斯氣體的吸附能力越強，但當煤中的瓦斯壓力部分解除后，煤的比表面積的大小又直接影響到煤的解吸瓦斯的能力。實驗證明煤的比表面積與瓦斯解吸的速度和解吸量都存在著明顯的線性關(guān)系。因而煤的比表面積的增大不僅增強了煤吸附瓦斯和放散瓦斯的能力，而且也增加了瓦斯突出的危險性。焦作工學院對魚田堡煤礦煤的比表面積與煤體結(jié)構(gòu)類型以及與瓦斯突出之間的關(guān)系進行了系統(tǒng)的研究。原生結(jié)構(gòu)煤的比表面積小于或等于30；原生結(jié)構(gòu)受到輕微破壞煤的比表面積為3040；原生結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞的碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤煤的比表面積大于40。魚田堡煤礦的瓦斯突出絕大部分都發(fā)生在煤的比表面積大于40的地帶，因此該礦將煤的比表面積40作為瓦斯突出的臨界值。除此之外，煤的比表面積對瓦斯突出強度也有一定的影響，如魚田堡礦的6號煤層，煤的比表面積最大為22.0044.23，為局部突出煤層，突出強度最大為450t，平均突出強度為41.3t；4號煤層煤的比表面積最大為44.00103，比6號煤層大23倍，最大突出強度為8327.5t，平均突出強度為208.2t。全國許多瓦斯突出礦井都有瓦斯突出危險性隨著煤的比表面積的增大而增加的明顯規(guī)律。煤體結(jié)構(gòu)的微觀特征研究能夠從更深層面刻畫瓦斯突出煤層的煤體結(jié)構(gòu)特征。碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤在掃描電子顯微鏡圖象主要表現(xiàn)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和蜂窩狀或溶巖狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)普遍存在于碎粒煤、粉粒煤和糜棱煤中，從圖象上觀察似經(jīng)絡狀的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)是由許許多多的白色或灰白色的長短不等、寬窄不同、彎彎曲曲并彼此交織在一起的網(wǎng)紋所構(gòu)成，可作為從微觀的角度評價瓦斯突出煤體結(jié)構(gòu)的破壞程度的典型特征。碎裂結(jié)構(gòu)又可分為顯微角礫狀結(jié)構(gòu)、團粒狀或魚籽狀結(jié)構(gòu)和定向排列結(jié)構(gòu)。顯微角礫狀結(jié)構(gòu)的特點是由許多大小不等的、棱角明顯或稍有磨圓的碎粒和夾雜在其間的更加小的粉末組成，它們是煤體脆性形變過程中顆粒之間相互搓揉的結(jié)果。團粒狀或魚籽狀結(jié)構(gòu)是煤體由大小不同的無數(shù)細小的似圓球形或團粒構(gòu)成，其與顯微角礫狀結(jié)構(gòu)十分相似，只是比角礫狀顆粒更加圓化。定向排列結(jié)構(gòu)的特點是煤中破碎細小顆粒沿一定方向呈現(xiàn)似層狀構(gòu)造的平行排列，其中是構(gòu)造破壞程度相對較小的煤體結(jié)構(gòu)。蜂窩狀或溶巖狀結(jié)構(gòu)是嚴重破壞煤體在高倍電子顯微鏡下所呈現(xiàn)的圖象特征。煤體由大小不等、形態(tài)不規(guī)則、連通或孤立存在的許多蜂窩狀空洞組成。構(gòu)造破壞程度較高的煤體結(jié)構(gòu)（粉粒煤和糜棱煤）在電子顯微鏡下所表現(xiàn)出來的微觀結(jié)構(gòu)反映了構(gòu)造破壞煤體的內(nèi)部孔隙和內(nèi)表面特征、儲存和運移瓦斯條件、煤體強度性質(zhì)以及發(fā)生煤與瓦斯突出的物理介質(zhì)條件。構(gòu)造破壞煤的厚度也是影響瓦斯突出的重要地質(zhì)因素。如果厚度較薄，在0.1m或0.15m以下時，一般情況下不管其它條件如何變化都不會發(fā)生瓦斯突出。因此，不少礦區(qū)都提出了以構(gòu)造破壞煤的厚度作為預測瓦斯突出危險性的指標。如陽泉3號煤層發(fā)生瓦斯突出的構(gòu)造煤厚度為0.45m，安陽龍山礦為0.1m。南桐礦區(qū)4號煤層的構(gòu)造煤厚度1.6m2.0m發(fā)生瓦斯突出次數(shù)占全礦區(qū)瓦斯突出總數(shù)的48.3%，平均突出強度為110t；5號煤層的構(gòu)造煤厚度0.04m0.3m發(fā)生瓦斯突出次數(shù)占全礦區(qū)瓦斯突出總數(shù)的23.6%，平均突出強度為31.6t；6號煤層的構(gòu)造煤厚度0.1m0.40m發(fā)生瓦斯突出次數(shù)占全礦區(qū)瓦斯突出總數(shù)的24.8%，平均突出強度為37.1t；在中國華南地區(qū)所發(fā)生的瓦斯突出大部分都與構(gòu)造煤急劇變厚有關(guān)。第三，構(gòu)造應力相對集中的地帶是瓦斯突出發(fā)生的主要位置。瓦斯地質(zhì)研究表明，瓦斯突出分布是不均衡的，在平面和空間上具有分區(qū)分帶的特征，地質(zhì)條件對瓦斯突出的分區(qū)分帶具有明顯的控制作用。特別是壓性、壓扭性構(gòu)造與瓦斯突出息息相連。究其原因，一方面是這些構(gòu)造有利于造成構(gòu)造煤形成和發(fā)育；另一方面是在這些構(gòu)造發(fā)育的地帶構(gòu)造應力比較集中，使煤層處于強壓狀態(tài)，從而有利于在煤層中賦存高壓瓦斯。中國華南地區(qū)在地質(zhì)歷史演變過程中壓性和壓扭性構(gòu)造作用時間較長，這無疑是瓦斯突出的頻率和強度都比其它地區(qū)嚴重的重要原因。況且從現(xiàn)今的構(gòu)造應力場來看，華南地區(qū)的地應力作用仍然比華北地區(qū)高。國家地震局地殼應力所測定的中國東部大陸地表100m以上的構(gòu)造應力狀態(tài)表明，華北地區(qū)平均水平主應力為3.3MPa，平均水平應力差為1.8MPa；而華南地區(qū)平均水平主應力為8MPa，平均水平應力差為4.8MPa。在斷裂構(gòu)造中瓦斯突出主要與壓性、壓扭性斷裂有關(guān)，有時斷距只有幾m甚至幾dm的小型逆斷層或平移斷層就會導致強烈的瓦斯突出。這在我國華南