煤岩的显微构造特征及其与瓦斯突出的关系——以南桐鱼田堡煤矿为例

煤瓦斯突出与煤岩显微结构构造密切相关。除部分显微结构构造与成煤阶段的环境等有关外,大部分都是构造变形的结果。因此,我们从构造变形类型和特点来划分煤岩显徽构造类型,既简便又利于应用。根据四川南桐鱼田堡煤矿4号及6号煤层的扫描电子显微镜研究,可将煤岩划分成5类:非构造煤、微裂隙煤、微劈理煤、碎裂构造煤和糜棱构造煤。文中详述了各类煤的特点,指出它们所代表的构造意义,并讨论了它们与瓦斯突出的关系。还特别提出糜棱构造煤的一系列塑性变形特征。得出结论:若其他条件均具备,有糜棱构造煤产出的地段,就可能是瓦斯突出最危险的部位。此外,根据观察煤瓦斯突出后的煤岩显微构造变化,提出有关瓦斯突出的过程,并探讨了煤瓦斯突出机理。在瓦斯突出过程中,已经历过塑性变形的煤岩又叠加了脆性变形,因而发生大量煤“粉尘”随突出而抛出。     

构造煤的成因属性分类

前人研究认为构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件,构造煤的分类对煤与瓦斯突出的预测和防治有重要意义。(1)根据构造煤参与煤与瓦斯突出过程的突出属性对构造煤重新进行了定义,认为构造煤是构造作用下强度降低、瓦斯异常的煤气双重介质,据此将构造煤划分为01类瓦斯构造煤和01类强度构造煤以及强度和瓦斯都变异的02类构造煤。(2)参考地质构造成因环境下岩石破坏的脆韧性划分方式,将突出属性分类与脆韧性的构造成因特性结合起来,划分出3类脆性构造煤和3类韧性构造煤,分别命名为01类脆性瓦斯构造煤、02类脆性构造煤等。(3)分析了构造煤在煤与瓦斯突出中的作用,低强度构造煤在其周围形成应力集中,瓦斯通过孔隙压力和吸附作用降低煤体强度,而高压瓦斯则是突出发展过程中煤体破坏和抛掷的重要动力源之一。(4)结合成因属性构造煤分类对各种地质因素对构造煤空间分布、构造煤瓦斯的生成和保存条件进行了分析。     

构造应力场与煤及瓦斯突出的关系

地质构造对煤与瓦斯突出具有明显的控制作用,以往多是定性的分析和统计研究。通过构造应力场理论及相似模拟实验,分析了构造应力场与煤及瓦斯突出的关系。对相似实验结果进行对比分析,结合煤及瓦斯突出与褶曲构造展布关系实例,研究了褶曲构造不同部位应力分布特征及其对瓦斯突出的控制作用。结果显示:背斜翼部挤压区和转折区是煤及瓦斯突出的最危险地带;背斜轴部区一般不会出现严重的煤及瓦斯突出。     

矿井瓦斯评价与预测的构造动力学方法

通过对矿井瓦斯赋存的构造控制、构造应力场演化及构造煤结构演化与瓦斯特性耦合机理的综合分析,认为当前在矿井瓦斯赋存、分布规律及突出危险区带的有效预测方面的研究还有待深入。在汲取前人研究成果的基础上,提出矿井瓦斯突出的构造动力学评价与预测的思路及方法,即以区域构造-矿井构造-煤层变形-构造煤结构-瓦斯特性及其相互作用机理分析为总体思路．将现代构造地质学理论和方法引入矿井构造研究,并与模糊综合评判、灰色系统、分形理论、数值模拟和计算机技术相结合,以揭示构造煤发育、分布规律及其构造动力学控制机理,系统进行不同类型构造煤瓦斯特性研究,探讨不同结构构造煤的含气性、透气性和气体赋存状态,以构造煤分布特征作为瓦斯突出危险性评价与预测的基础,建立矿井瓦斯突出预测预报的构造动力学评价方法体系。     

豫西告成煤矿滑动构造区瓦斯赋存特征

地质构造是煤与瓦斯突出的控制因素,豫西煤田中滑动构造普遍发育。运用区域构造演化、瓦斯赋存构造逐级控制理论,在系统分析煤田地质勘探和矿井揭露的瓦斯地质资料的基础上,研究了告成煤矿滑动构造的形成机制及其对煤系、煤层和瓦斯赋存的控制作用。告成煤矿位于芦店滑动构造的西部,受两期滑动构造的影响,煤层厚度变化剧烈,构造煤成层发育,煤层顶板结构形成了张性角砾岩、断层泥和张性角砾岩复合、原生顶板(深灰色细砂岩)、剪切角砾岩4种破坏类型,控制着瓦斯逸散、富集和煤与瓦斯区域突出危险性的分布。     

汪家寨煤矿煤与瓦斯突出规律及其主控因素分析

汪家寨煤矿是严重的煤与瓦斯突出矿井,依据矿区实际瓦斯地质资料,运用瓦斯地质理论和构造演化理论,研究了区域和井田构造控制特征。分析认为该矿主要以中小型突出、倾出为主,压出为辅;随煤层埋深的增加突出强度增大;C409煤突出最为严重;突出多发生在煤巷掘进面及断层影响带。分析了埋藏深度、顶底板岩性、煤厚及其变化、软分层、地质构造等因素对煤矿煤与瓦斯突出的影响,认为断层及其影响带、厚煤尤其是其增厚部位是煤与瓦斯突出的易发区域,因此断层构造和煤层厚度及其变化控制着该矿突出的发生和分布规律,为煤与瓦斯突出的主控因素。研究成果为矿井突出防治工作提供了理论指导。     

贵州省煤矿瓦斯赋存构造控制规律与分带划分

瓦斯赋存规律认识不清,是导致煤矿瓦斯突出灾害频发的根本原因。应用瓦斯赋存地质构造逐级控制理论,结合贵州省煤矿瓦斯地质图编制资料,探讨了贵州省煤矿瓦斯赋存构造控制规律,进行了瓦斯分带划分和瓦斯带特征分析。研究结果表明：贵州省位于滨太平洋构造域和西部特提斯构造域的接合部,其构造演化控制着成煤环境和瓦斯赋存。燕山运动形成的一系列褶皱、逆掩断层和推覆构造,使煤体强烈变形、构造煤特别发育,是导致贵州省瓦斯突出严重的根本原因。燕山期岩浆活动,使煤的变质程度增加,生烃能力增强。将贵州省煤矿瓦斯赋存分布划分为3个高突瓦斯带和1个瓦斯带,即六盘水高突瓦斯带、织纳六枝贵阳北高突瓦斯带、黔北高突瓦斯带和黔东瓦斯带。     

论地质构造及其演化对煤和瓦斯突出的控制：以南桐矿区为例

本文在对南桐矿区地质构造与煤和瓦斯突出关系详细研究的基础上，论述了地质构造及其演化对煤和瓦斯突出的控制。主要结论有 ：（１）构造应力场具有主控作用；（２）构造演化造成了煤变质程度，煤体破坏程度和煤层瓦斯含量差异；（３）构造演化还造成了现今构造应力和瓦斯压力分布的差异；（４）地质构造及其演化控制煤和瓦斯突出的区域性分布。     

地质因素对土城矿瓦斯赋存的控制作用

根据矿区大地构造位置、构造演化和区域构造应力场的特点,分析了土城矿构造特征及其对煤层瓦斯的控制作用,发现土城矿处于盘江矿区“三角形弧系”构造应力场作用下的强变形区内,发育的NE向、NW向断裂构造是矿井瓦斯赋存和构造煤发育的控制因素,大中型断层控制着矿井瓦斯赋存与分布,而小型构造是煤与瓦斯突出的控制因素。土城矿井田西部发育的大中型断裂形成了煤层瓦斯运移和逸散的通道,不利于煤层瓦斯的保存,导致该区域煤层瓦斯含量相对低;井田东部的断裂构造不发育,煤层整体上保存较为完整,煤层瓦斯含量整体较高。小型断层附近瓦斯富集、构造煤发育,尤其在断层上盘、断层尖灭端与断层交汇的地段,煤体破坏严重,是煤与瓦斯突出事故易发地段。土城矿瓦斯防治工作应分区域实施,井田西部应关注煤层瓦斯含量随埋深增大而增加的规律并及时防范深部区域可能出现的瓦斯灾害,而井田东部则应在强化对隐伏断层探测基础上优先实施开采保护层和抽采煤层瓦斯等综合治理措施。     

褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型

褶皱构造控制煤层瓦斯的赋存为多数研究者所承认。但从目前统计资料分析,背斜和向斜特别是它们的轴部及其附近,既有煤层瓦斯含量较高、或者发生瓦斯涌出或发生煤与瓦斯突出的现象,也有煤层瓦斯含量较低或不发生瓦斯涌出或煤与瓦斯突出(以下简称突出)的现象。     

唐山矿区构造应力场特征及其对冲击地压的影响

河北唐山矿冲击地压的发生除了受开采技术条件、煤层顶底板岩石学特征等因素影响外,主要受赋存环境的影响,其中地应力条件是一个重要的影响因素。以唐山矿构造应力分布规律为背景,对不同水平构造应力条件下回采工作面煤层及其顶底板围岩的三维场进行了数值分析,系统研究了构造应力对煤层及其顶底板围岩的冲击地压的影响。结果表明,在煤矿开采过程中,高水平构造应力对采区煤层及其顶底板围岩的应力场和能量场的分布规律具有重要影响。高构造应力条件下,煤层及其顶底板围岩中的高水平应力为冲击地压的发生提供了力源条件,而在高地应力环境下所积聚的大量弹性应变能为冲击地压的发生提供了能量条件。     

地应力驱动油气运移基本方程及有限元模拟

首先叙述了地应力作用下空隙弹性介质中流体运移的基本方程及由基本方程推导的有限元公式。然后,在地应力测量及构造分析的基础上,应用所给出的有限元公式及相应程序,对辽河油田运移势场进行了模拟,得出了该区运移势场的分布。结果表明,处于运移势低势区及过渡区的地区大部分是有希望的油田地区。结合构造分析进行地应力和运移势场研究可为油气勘探开发提供依据。      

构造应力场研究与实践

由李四光教授开创的构造应力场研究自20世纪20年代至今已经历70多年。回顾其研究过程,展望未来发展,可以分为两个研究时期:①开创研究时期(1926-1966).主要运用构造形迹力学性质及组合规律分析推断构造应力状态,重点研究构造体系及其典型构造型式的构造应力场。②实测研究时期(1966-).最初通过实测地应力、地形变、断层位移以及现今构造活动的各种相关资料,配合模拟实验研究现今构造应力场;尔后对地质时期古构造应力场进行研究,主要采用应力、应变矿物进行应力状态定量或半定量分析,并配合模拟实验进行研究。实测研究时期可分为3个研究阶段:实测平面构造应力场研究阶段。主要以进行平面构造应力场研究为主;实测三维构造应力场研究阶段。以三维构造应力场研究为主并对构造应力场学科进行研究总结;深部构造应力场研究阶段。未来将会开展对地壳整体及地壳深部进行全面的构造应力场研究。构造应力场研究对认识地壳运动问题具有深远意义,在地质找矿、地质环境与灾害、工程建设中均可发挥积极的作用。      

顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理分析

为了确定顺煤层剪切带的煤与瓦斯突出机理,在对顺煤层剪切带的受力状态进行分析的基础上,应用Mohr-Coulomb理论研究了顺煤层剪切带的形成机制,并探讨了顺煤层剪切带内的煤层变化特征、瓦斯含量和瓦斯压力特征及地应力对煤与瓦斯突出的影响。结果表明：当煤层倾角接近剪切滑动的临界角时,易产生薄煤区,而远离临界角时,煤层厚度增加,煤层厚度剧烈变化部位为应力集中区并具有较高的应力梯度;顺煤层剪切带内的压应力、煤层的面理化结构和煤层厚度的剧烈变化使其在宏观上形成了高瓦斯含量和高瓦斯压力特征,微观上糜棱煤细颈瓶型的孔隙形态为发生煤与瓦斯突出提供了必要的介质条件;在紧闭褶皱区,煤与瓦斯突出类型以突出为主,在宽缓褶皱区和伸展型顺煤层剪切带内,煤与瓦斯突出类型以压出和倾出为主。顺煤层剪切带内的高地应力、高瓦斯压力和发育的构造煤等3个因素是煤与瓦斯突出发生的主要原因。     

构造的挤压剪切作用对郑州矿区煤与瓦斯突出的控制

通过对郑州矿区煤与瓦斯突出矿井和历年突出事故分布特征统计分析,结果表明：NNE-NE向和NW-NNW向构造叠加及滑动构造的挤压剪切作用对郑州矿区煤与瓦斯突出的控制作用明显,该矿区以五指岭断层-樊寨断层一线为界,突出矿井和瓦斯矿井呈北西向分区分带性展布,大平、超化等突出矿井位于矿区南部构造复合地带,且突出点多分布在构造挤压剪切作用强烈区域。     

构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

深部煤炭开采地质条件恶化,原生煤在多期构造运动作用下形成松软低渗高瓦斯构造煤层,煤层钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实。针对目前构造煤层顶板爆破致裂增透关键技术没有得到根本突破问题,构建试验模型进行煤层顶板爆破相似模拟试验和数值分析,监测跨界面应力波传播和宏观三维裂隙演化形态,再现了爆破应力波传播和煤岩体内部损伤破坏过程。研究表明：(1) 构造煤层爆破损伤范围主要集中在爆破孔和煤层上下煤岩交界面附近煤体;构造煤顶板爆破产生跨界面致裂卸压裂纹,爆破损伤沿爆破孔向四周岩体扩展,最后蔓延到煤层底板,爆破孔位置和上部煤岩交界面以及煤层内部的损伤较为严重。(2) 爆破应力波从构造煤层顶板传播到煤岩交界面时发生波的透射和反射,透射的压缩应力波破坏煤体;反射的拉伸应力波反作用于煤岩交界面区域岩体。(3) 爆破累积损伤产生的跨界面交叉裂纹卸压,使顶板岩层裂隙和构造煤层裂隙贯通,有利于构造煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。现场应用表明,煤层顶板爆破瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升,瓦斯抽采纯量从爆破前的0.07 m³/min提高到1.73 m³/min,体积分数从10.46%上升到68.50%,并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部构造煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

     

构造应力对煤化作用的影响及其瓦斯灾害性

通过对豫西滑动构造区二1煤动力变质作用特征的研究,探讨了构造煤变质成烃作用与煤化进程的应力影响因素。研究结果表明,不同性质的构造应力具有不同的煤化效应;与拉张应力相比,具各向异性的挤压应力,对煤变质程度的增加、煤基本结构单元BSU侧链和官能团的脱落,以及煤层瓦斯的生成,都具有很大的促进作用。     

祁东井田地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

地应力是煤与瓦斯突出的重要动力,区域应力场是不同期次构造运动在该区域综合作用的具体体现。结合区域应力场和区域构造断块划分,研究了祁东井田应力场及其对煤与瓦斯突出的影响。结果表明：祁东井田最大、中间、最小主应力与煤层埋深呈正相关关系,且其最大主应力明显比位于华北地区的焦作中马村矿,平顶山一矿、六矿、八矿,以及华东地区的淮南潘一矿、谢一矿都大得多;祁东井田处在高应力区,地应力是9号煤层25次煤与瓦斯突出的主导因素;该井田东部地应力较集中,瓦斯含量大,煤与瓦斯突出危险性较大。     

构造煤渗透率对温度变化响应规律的试验研究

针对含瓦斯构造煤渗透率与温度变化关系,利用自主研发的含瓦斯煤岩热-流-固耦合三轴渗流试验装置,开展不同应力条件下含瓦斯构造煤原煤样的渗透率与温度变化的试验研究。试验结果表明：（1）在试验温度变化过程中,构造煤样渗透率随温度升高而降低,渗透率与温度变化呈现负指数函数分布规律;（2）在试验温度变化过程中,构造煤渗透率损失率与有效应力符合Boltzmann分布,渗透率损失率存在有效应力门槛值大约为4.515 MPa。渗透率变化主要分为渗透率加速变化与平稳变化两个阶段,构造煤样渗透率从加速阶段过渡到平稳变化温度大约为45 ℃;（3）在温度21～80 ℃范围内,渗透率敏感性系数数量级为10-2,温度变化对构造煤样渗透率影响不显著。同时,有效应力的增加使得温度敏感性系数降低。     

挤压和剪切构造环境下深埋隧道岩爆的对比研究

地质构造是影响岩爆的一个重要因素,本文以大瑞铁路高黎贡山深埋隧道为例,在野外地质调查、实测地应力分析、室内岩石力学测试分析的基础上,采用ANSYS软件模拟了在现今构造地应力场中,在褶皱和走滑断层等不同构造部位的岩体中进行隧道开挖所引起的应力重分布特征,对在复杂地质构造地区挤压和剪切构造环境下深埋隧道的岩爆特征进行了深入...