本文為深化對煤與瓦斯突出機制與過程的認識，綜述了煤與瓦斯突出與地質構造的關聯。從應力、瓦斯和煤的屬性3個方面分析地質構造對突出控制因素的影響，將地質構造作用過程考慮到突出的孕育階段，並提出下一步突出機制及防治方法的研究方向。結果表明，地質構造不僅會改變煤層的應力和瓦斯環境，同時還會造成煤層的幾何形態和煤的物理結構改變，地質構造區內煤的物理結構變化對突出的影響應該被重視。
煤炭作為中國的主要能源，在中國一次性能源消耗結構中所佔的比例達到70%以上。例如，2000—2020年，中國煤炭年產量由11.06億t增加至39億t。常年的高強度煤炭資源開採，使得中國淺層煤炭資源逐漸枯竭，許多礦區相繼進入深層開採階段。開採深度的增加意味著煤炭開採環境的持續惡化，煤炭開採將面對更複雜的地質構造、高瓦斯壓力、高瓦斯含量、高地應力、低強度和低滲煤體等一系列的難題，而這些均是誘發煤與瓦斯突出災害的有利因素之一。
煤與瓦斯突出（簡稱突出）是煤層中儲存的瓦斯能和應力能的失穩釋放，表現為短時間內向生產空間拋出大量煤（岩）與瓦斯。根據統計，世界各國累計發生突出事故已超過37,000次，光是中國就發生了20,000次以上的突出事故。其中，2020年全國共發生煤與瓦斯突出事故2起，2021年全國共發生煤與瓦斯突出事故5起。目前，中國是世界上突出災害最嚴重的國家之一。
中國突顯災害嚴重主要由煤炭資源的賦存環境所決定。中國各聚煤盆地在形成過程中受到一期或多期構造運動疊加改造作用，經歷了複雜的沉積、抬升剝施及構造變形過程。中國大部分地區的煤層埋深較大，地質條件較為複雜，90%的煤炭資源僅適合井工開採，造成絕大多數煤炭開採需要克服複雜的井下環境。研究表明，80%左右的突出事故都發生在地質構造活動區域，且突出的分佈和危險性與地質構造的關聯性表現出極強的規律性。
然而，由於突出機制及過程的複雜性，很難用統一的理論來解釋不同地質條件下的突出機制。大量的研究將突顯發生機制歸納為應力、瓦斯和煤的特性綜合作用的結果。此外，目前許多研究主要關注了突出與地質構造運動之間存在關聯性，而較少的解釋地質構造因素對煤與瓦斯突出的影響。
結合文獻回顧與個案分析，研究煤與瓦斯突出與地質構造的關聯。從應力、瓦斯和煤的屬性3個方面分析地質構造對突出控制因素的影響，將地質構造作用過程考慮到突出的孕育階段，揭示地質構造對突出的控製作用。提出下一步突出機制及防治方法的研究方向，以期對深化突出機制與過程認識、研究突出防治技術提供理論基礎。
煤與瓦斯突出與地質構造的關聯
煤與瓦斯突出與地質構造的關聯性文獻回顧
煤與瓦斯突出是一種微型的地質災害，多年來，國內外學者在煤與瓦斯突出與地質構造之間的關聯性也展開了大量的研究工作。
Shepherd等對多個產煤國家的突出事故原因調查發現，絕大多數的突出發生在背斜軸部、褶皺樞紐區、斷層強烈變形區等位置，突出與地質構造密切相關，不同構造變形控制區內的應力狀態、構造煤分佈和煤層瓦斯含量等都會對突出產生明顯影響。 Gray統計了全球主要產煤國家105件突出案例，其中明確突出點附近存在地質構造區的有87起，比例高達83%。 Wold等研究認為澳洲煤礦突出災害與煤層或圍岩中存在地質構造有關，這些構造的空間尺寸範圍可從幾毫米到幾公尺。此外，Frodsham等也明確證明了這一觀點，並針對背斜、向斜、推覆斷層、正斷層、層滑斷層等具體的構造變形形態，研究了其構造變形特徵及其對煤與瓦斯突出的影響。
在國內，雷東記等研究認為，豫西礦區在早中印支和燕山期經歷了較強的構造擠壓和剪切，而後期滑移構造的剪切作用使得煤層結構進一步破壞，使得21煤層中Ⅳ類和Ⅴ類煤變厚，區域內煤礦發生的突出事故受構造控製作用明顯。張明傑等依據鶴壁礦區突出特點，研究認為相對於礦區北部的5對礦井，南部3對礦井在斷層附近及向、背斜軸部，構造煤普遍發育，造成礦區內南部3對礦井突出災害嚴重。朱國維等綜合淮南礦區9對生產礦井的130餘次突出事故的調查研究結果發現，礦區內突出點多在地質構造帶，並指出潘三礦的14次突出均發生於3個地質構造帶。胡宗旗等研究發現，黃隴礦區君安煤礦井田內斷層密集區、背斜轉折端、煤體結構的破壞對突出的影響較大，煤層圍岩的封閉性在一定程度上也為煤與瓦斯突出提供了良好條件。馬國龍等研究確定了晉城礦區寺河煤礦突出的主要控制因素為煤層瓦斯和地質構造，井田內發生的3次瓦斯動力現象均處於地質構造帶，其中1次位於斷層構造附近，1次發生在向斜軸部，另外1次位於煤層傾角變化處。王百戰等以鑫隆礦區4對突出礦井的歷史動力現象統計數據為基礎，透過分析發現，礦區內龍山煤礦有準確巷道類型記錄的80次突出事故中，發生在斷層區的次數佔53.6%，其次是煤傾角變化及褶曲區。宋佔全等研究表明，永夏礦區薛湖井田經過多期構造運動改造後，小斷層基本呈現壓扭性，小斷層附近區域煤體瓦斯富集，構造煤發育，煤體瓦斯放散能力強，具有很強的突出危險性，井田內已發生的3起小型突出均在小斷層附近。
透過對國外學者的研究文獻回顧，結合國內豫西、鶴壁、淮南、黃陝、晉城、鑫隆、永夏等礦區發生的突出事故絕大多數發生在地質構造區域，證實突出事故的發生與地質構造之間存在著密切的關聯性。其中，大型的斷層、褶皺、逆推、滾動等地質構造會對煤層的賦存環境及物理結構產生劇烈改變，造成這些大型構造區域內極易發生突出災害，尤其是大型突出災害。此外，煤層傾角變化、厚度變化、小斷層等小型地質構造區域同樣是突出易發生區域。
典型突出案例分析
2009年11月21日，黑龍江省新興煤礦發生一起特大突出事故，且事故誘發了瓦斯爆炸。事故發生在三水平南二石門15煤層探煤巷，突出煤層為15煤。新興煤礦地質構造十分複雜，大中小構造縱橫交錯，將原生的煤層切割成大小不等、形狀不同的塊段，煤層產狀變化較大。對三水平南二石門15煤層探煤巷區域起控製作用的大斷層包括F47正斷層、N04正斷層、N01正斷層，這3條大斷層的落差分別為80~200m、50~100m、80~ 150m。
突出點位於大斷層控制的地質破碎帶，煤體較為破碎，如圖1所示。靠近突出點的15煤層底板7~18m範圍內為火成岩侵入區，探煤巷工作面已揭露火成岩20m。在探煤巷工作面突出點後20m和前方23m區域存在兩條近似平行的正斷層Fa和Fb。 Fa斷層走向方位角104°、傾角55°、落差約38m。 Fb斷層走向方位角100°、傾角57°、落差約16m。受Fa和Fb斷層影響，煤層產狀發生較大變化，煤層傾角由原預想的23°變為7°，致使15煤層在探煤巷工作面頂板10~15m範圍內。
圖1 三水平南二石門15煤層探煤巷地質構造
綜合分析，本次突出明顯受到地質構造控制，其中大斷層控制的地質破碎帶、岩漿岩侵入區及煤層產狀變化均是突顯事故發生的關鍵因素。 F47正斷層、N04正斷層、N01正斷層等大斷層控制15煤層探煤巷區域的地質構造。 Fa和Fb在探煤巷工作面突出點後20m和前方23m區域內，使得突出點附近的地質構造條件更為複雜。複雜的地質構造條件造成突出點附近煤層及頂底板岩層高度破碎，且極易出現地應力異常區域。同時，靠近突出點的15煤層底板7~18m範圍內的火成岩侵入區對區域內的瓦斯富集又有關鍵作用。在地應力異常、煤層和頂底板破碎、瓦斯富集等條件下，當15煤層與探煤巷的層間距發生變化，區域內發生的特大型煤與瓦斯突出事故，造成突出煤岩量達到3845t ，搬運距離超過278m。
地質構造對煤與瓦斯突出的影響
煤與瓦斯突出的控制因素
隨著突顯災害逐漸引起世界性礦山安全學術界的廣泛關注，各國學者先後投入了大量的研究精力展開煤與瓦斯突出機制的研究工作，並針對不同開採環境和地質條件，從不同的研究角度提出眾多的突出假說。然而，由於突出的複雜性和多變性，至今各種突出假說並沒有形成統一的認識。這些突出假說不能全面地、細緻地、完整地解釋突出的發生和發展機制。目前，「綜合作用假說」較為被國內外學者認可，這種假說認為突出是應力、瓦斯、煤的自身屬性等因素綜合作用的結果，如圖2所示。
圖2 應力、瓦斯和煤與突出的關係示意
1.應力因素對突出的作用
應力是突出過程中煤/岩破壞的動力和能量來源，主要造成煤岩的破壞和搬運。文獻表明，對突出產生控製作用的應力主要包括原岩應力、構造應力和採動應力。其中，原岩應力是由地熱、重力、地球自轉等因素綜合產生的應力，構造應力是由一期或多期地質構造運動產生的應力，採動應力則是在採掘過程中由於採掘擾動而產生的附加應力。
根據突出的孕育、激發、發展、終止4個階段，原岩應力參與了突出的孕育、激發、發展3個階段。受上覆岩層厚度的影響，隨著埋深的增大，煤層的原岩應力的增長是顯著的，並對突出的產生顯著的影響，造成深部煤層的突出危險性增大。構造應力同樣參與了突出的孕育、激發、發展3個階段，構造應力在突出孕育階段是煤層賦存狀態和結構改造的關鍵因素，構造應力是目前開採深度下絕大多數突出災害發生的關鍵因素。採動應力是作為突出的附加應力參與突出過程，其重要的作用是打破了原岩應力和構造應力的平衡狀態，而採動應力主要參與突出的激發階段。因此，對於一些應力異常區域或進入深部開採階段的高應力環境下，突顯災害發生的可能性將大幅提高。
2、瓦斯因素對突出的作用
瓦斯對突出的作用體現在2個方面，一是對煤的力學性質的改變，參與煤體的力學破壞，二是為突出煤/岩的搬運提供動力，後者是突出連續發展的必要條件之一。通常地，參與突出的瓦斯分為遊離瓦斯和吸附瓦斯。由於遊離瓦斯和吸附瓦斯在煤中的賦存狀態的差異，這2種狀態瓦斯參與突出的方式和過程複雜程度具有較大的差異，導致很難確定兩者參與突出的比例。
遊離瓦斯對煤的力學性質改變主要是因為遊離瓦斯降低了煤體的有效應力。隨著遊離瓦斯壓力的增加，煤體的有效應力逐漸減小，造成煤體所承受的圍壓減小，導致煤體的力學強度變弱。遊離瓦斯是以膨脹做功的形式參與突出做功。文獻表明，一旦外部瓦斯壓力的降低，儲存在裂隙和大孔隙空間的遊離瓦斯立即發生膨脹做功。
相對於遊離瓦斯，吸附瓦斯參與突出的方式和過程更為複雜。一些觀點認為吸附瓦斯對煤的力學性質改變是吸附瓦斯降低煤體表面能造成的。吸附瓦斯參與突出做功的首要條件是在突出時間內快速轉化為遊離瓦斯。而吸附瓦斯參與突出的過程涉及吸附瓦斯由孔隙表面脫附、瓦斯在孔隙內擴散、瓦斯在裂隙系統的滲流，這3個階段分別受不同的影響因素控制，且各因素間的相互關係十分複雜。因此，實際參與突出的吸附瓦斯量是很難確定的。然而，根據相關學者的研究結論，吸附瓦斯對突出的貢獻是巨大的，其是重要的突出能量來源。
至於瓦斯參與突出煤體的破壞，瓦斯主導了突出過程中煤體的拉伸破壞。胡千庭等提出煤體突然暴露後，由於瓦斯在煤孔和裂隙通道中流動使得暴露面附近具有很高的瓦斯壓力梯度，這種瓦斯壓力梯度會對煤體產生拖曳力，造成一些和煤基質膠結不夠緊密的煤粉被沿著瓦斯流動路徑帶到煤體外。
3.煤的屬性因素對突出的作用
煤作為煤與瓦斯突出的主要載體，它是所有突出能量的作用對象。因此，煤的自身屬性同樣是控制突出的主導因素之一。煤的自身屬性眾多，文獻和認為對突出有直接控製作用的主要包括煤的力學特性、煤的孔隙結構特徵和煤的瓦斯賦存/流動特性等。
煤的力學特性是決定煤的突出危險性的重要特性，而煤的力學強度和破壞方式是影響突出的主要參數。煤的力學強度決定了煤體破壞的應力和能量需求，因此低強度的煤體在突出過程中極易發生破壞，這類煤的存在可以降低突出發生和發展的應力條件。破壞後，煤體的宏觀形態差異同樣影響煤的突出危險性，宏觀形態主要存在剪切破壞和損傷擴容破壞2種類型。其中，發生剪切破壞煤的力強度普遍較高，具有較強的脆性，它們的破壞主要是沿著一定的剪切角的剪切破壞或沿著原生弱面的斷裂，破壞後的煤體塊度較大。然而，發生損傷擴容的煤在高圍壓下表現出較強的塑性，破壞後呈現損傷擴容的特性。
煤對瓦斯的賦存能力及瓦斯在煤中的流動特性同樣是影響煤的突出危險性的關鍵因素。其中，煤對瓦斯的賦存能力決定了其蘊含突出瓦斯潛能的能力。然而，突出瓦斯潛能在突出時間內轉化為有效的突出能量，則需要煤具有極快的瓦斯釋放能力。因此，煤的瓦斯初始解吸能力是突出過程瓦斯補給的重要保障。
煤的孔隙結構特性對其吸附/解吸、擴散、滲流等規律起到決定性因素。由於擴散主要發生在基質孔隙內，煤的孔隙結構差異導致了瓦斯在基質中的擴散特性差異，但是依據目前的研究成果，煤的孔隙結構與瓦斯擴散特性之間依然尚未建立定量化關係。根據不同學者的測試結果，煤的甲烷擴散係數的離散性很大，煤的甲烷擴散係數跨度高達5個數量級。受構造作用的影響，煤的甲烷擴散係數普遍增大，這也從一方面決定了經歷構造作用的煤通常具有較快的初始瓦斯解吸能力。
地質構造對突顯3個控制因素的影響
結合突顯與地質構造的關聯，結合突出的3個控制因素，透過地質構造對應力、瓦斯和煤的屬性等突出因素的影響，研究地質構造對突出的控製作用。
地質構造作用所產生的構造應力是控制突出的應力重要組成部分，特別是對於絕大部分的煤炭資源開採深度，構造應力對地應力場的影響是顯著的。地質構造對地應力場改變，使得區域內的地應力異常，出現高地應力的條件。地質構造所形成的一些特殊構造結構體會控制煤層瓦斯的賦存與運移。由於地質構造區域的高地應力造成煤層表現出低滲的特徵，限制瓦斯沿著煤層運移，導致地質構造區域煤層瓦斯賦存的異常，出現瓦斯富集的現象。
地質構造在漫長的地質過程中，由於構造應力的作用下將對煤的原始結構進行改造，形成構造煤。構造煤的物理結構決定這類煤在較低的應力作用下即可發生破壞，並被粉碎。此外，構造煤在高地應力狀態下表現出低滲的特性，限制了瓦斯在高地應力狀態構造煤中的流動。而經歷應力擾動後的構造煤基質-裂隙結構發生改變，瓦斯在裂隙中滲流速度加快，造成瓦斯極快釋放並成為突出能量源之一。
因此，地質構造從應力、瓦斯、煤的屬性3個方面均對突出產生關鍵影響，進一步驗證了突出事故絕大多數發生在地質構造區域，證實突出事故的發生與地質構造之間存在密切的關聯性。
討論
地質構造在突顯孕育階段的作用
類似於世界萬物，煤與瓦斯突出同樣經歷了「孕育、激發、發展、終止」的過程，通常按照上述4個階段對突出的動態過程進行劃分，如圖3所示。然而，先前的研究較少關注到地質構造在突出孕育階段的作用。
圖3 煤與瓦斯突出動態階段
結合文章的研究成果，將突出的孕育階段分為構造作用過程與採掘活動過程。其中，構造作用過程是原始煤層在經歷一期或多期的地質構造運動後，原始煤層應力和瓦斯賦存條件發生變化，造成局部出現應力集中和瓦斯富集等異常區域，這些異常區域煤層具有極高的突出危險性。同時，地質構造運動產生構造應力在漫長的地質過程中會持續對原煤層的物理結構產生影響，使得煤的物理結構改造，形成大量的構造煤，而構造煤的力學、孔裂特性與瓦斯吸附/解吸特徵決定了這類煤對突出的發生有關鍵作用。
因此，構造作用過程納入突出孕育階段，並作為突出孕育的重要組成部分，整個突出孕育階段的時間跨度涵蓋漫長的地質構造作用時間。透過在目前煤層的賦存環境中尋找地質構造作用的痕跡，有助於判斷煤層的突出危險性，提早對突出做出預測。
未來研究煤與瓦斯突出的方向
基於1.1節地質構造與突出的關聯，以及地質構造對突顯3個控制因素的影響，凝練未來研究煤與瓦斯突出理論研究與防治技術的方向。
1）進一步研究地質構造及構造型態對原始煤層應力場及瓦斯場的改變，以及其對突出的影響。深入研究構造應力對原煤層的物理結構改造，研究構造煤的物理結構與其力學特性、孔裂隙特性、瓦斯流動特性等的影響。
2）深入研究煤與瓦斯突出的動態過程，特別是將構造作用過程考慮到突出的孕育階段，釐清突出4個階段的典型特徵及動力來源，揭示地質構造作用下的突出機制。
3）研發高精準度的地質探勘技術，儘早發現煤層中地質構造作用的痕跡，提早對突出做出預測。此外，建立構造煤發生突出的預測指標，進行構造煤突出危險性的評價，有針對性地採用多級多層次措施以消除構造煤體突出危險性，也是值得進一步研究的。
透過上述研究，期望進一步揭示地質構造控製作用下的突出形成機制與過程，對研究突顯機制與防治具有重要的科學意義。
結論
1）結合國內豫西、鶴壁、淮南、黃隴、晉城、鑫隆、永夏等礦區發生的突出事故絕大多數發生在地質構造區域，證實突出事故的發生與地質構造之間存在密切的關聯性。其中，大型的斷層、褶皺、逆推、滾動等地質構造會對煤層的賦存環境及物理結構產生劇烈改變，造成這些大型構造區域內極易發生突出災害，尤其是大型突出災害。此外，煤層傾角變化、厚度變化、小斷層等小型地質構造區域同樣是突出易發生區域。
2）地質構造從應力、瓦斯、煤的屬性3個面向均對突出產生關鍵影響。地質構造作用所產生的構造應力是控制突出的應力重要組成部分，構造應力對地應力場的影響是顯著的。地質構造區域的高地應力造成煤層表現出低滲的特徵，限制瓦斯沿著煤層運移，導致地質構造區域煤層瓦斯賦存的異常，出現瓦斯富集的現象。地質構造在漫長的地質過程中由於構造應力的作用下將對煤的原始結構進行改造，形成構造煤。
3）將地質構造作用過程考慮突出的孕育階段，突出的動態過程依序劃分為孕育、激發、發展和終止階段。構造作用過程是原始煤層在經歷第一期或多期的地質構造運動後，原始煤層應力和瓦斯賦存條件發生變化，造成局部出現應力集中和瓦斯富集等異常區域，這些異常區域煤層具有極高的突出危險性。地質構造運動對原始煤層的物理結構改造，形成大量的構造煤，而構造煤的力學、孔裂特徵和瓦斯吸附/解吸特徵決定了這類煤對突出的發生具有關鍵作用。
4）凝練出煤與瓦斯突出機制及防治方法未來的研究方向：為研究地質因素對突出控製作用，需要整理煤與瓦斯突出案例的地質構造訊息，深入研究地質構造對原始煤層應力與瓦斯賦存狀態改變以及對煤的物理結構改造；為揭示地質構造作用下的突出機制，需要深入研究煤與瓦斯突出的動態過程，釐清突出4個階段的典型特徵及動力來源；為實現突出災害的高效治理，需要研發高精度的地質探勘技術，建立構造煤發生突出的預測指標。
本文作者：苗彥平、鄭旭鶴、王宏梁、折剛
作者簡介：苗彥平，陝煤集團神木紅柳林礦業公司，資深工程師，研究方向為礦山安全、礦山災害治理。
原文發表於《科技導報》2024年第2期，歡迎訂閱查看。
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