瓦斯地质第五章.pdf

1 1 瓦瓦瓦瓦 斯斯斯斯 地地地地 质质质质 学学学学 主讲主讲1 1魏国营魏国营教授教授 主讲主讲2 2贾天让贾天让讲师讲师 2 第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用 第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用 第五章煤体结构与构造煤第五章煤体结构与构造煤 2 3 第一节煤体结构特征和分类第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用 第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用 第五章煤体结构与构造煤第五章煤体结构与构造煤 4 基本概念 1.煤体结构指煤层在地质历史演化过程中经受各种 地质作用后表现的结构特征。 煤 原生结构煤 构造煤 是指保留了原生沉积结构和原生构 造特征的煤层。 是煤层在构造应力作用下，发生成分、 结构和构造的变化，引起煤层破坏、 粉化、增厚、减薄等变形作用和煤的 降解、缩聚等变质作用的产物。 2. 3 5 基本概念 构造煤 碎裂结构 粉粒结构 3. 碎粒结构 糜棱结构 碎裂煤 粉粒煤 碎粒煤 糜棱煤 宏观结构 6 一、原生结构煤及其煤岩学特征一、原生结构煤及其煤岩学特征一、原生结构煤及其煤岩学特征一、原生结构煤及其煤岩学特征 原生结构煤（即原生煤，亦称为非构造煤） 是指煤层未受构造变动，保留原生沉积结构、构 造特征，煤层原生层理完整、清晰，仅发育少量 内生裂隙和外生裂隙。显微镜下显微组分分层排 列，界限清晰。原生结构煤的煤岩成分、结构、 构造、内生裂隙清晰可辨。煤岩学中，煤的成分、 结构、构造一般是对原生结构煤而言的，且有宏 观和显微之分。 第一节第一节第一节第一节煤体结构特征与分类煤体结构特征与分类煤体结构特征与分类煤体结构特征与分类 4 7 ab c d ef 原 生 结 构 煤 原 生 结 构 煤 8 表5-2 烟煤、无烟煤的宏观煤岩组分据E. Stach等，1982 类似烛煤，但外表微带褐色，条痕为褐色藻煤 暗淡或微油脂光泽，黑色，均匀的，非层状，很硬， 贝壳状断口，黑色条痕 烛煤 腐泥煤 丝绢光泽，黑色，纤维状，软，很脆丝煤 暗淡，黑色或灰黑色，坚硬，表面粗糙暗煤 光亮，黑色，很细的层状亮煤 光亮，黑色，易碎，常具有裂缝镜煤 腐殖煤 宏观鉴别特征煤岩成分煤的类型 5 9 表表表表5 5 5 5- - - -9 9 9 9煤体结构类型的四类划分煤体结构类型的四类划分煤体结构类型的四类划分煤体结构类型的四类划分 易 突 出 ＞20＜0.3 极易捻搓 成粉末或 粉尘 构造、揉皱 镜面发育 煤被揉搓捻碎的 更细小，主要粒 级在1mm以下 光泽暗淡，原 生结构 遭到破坏 透镜状、团块状 、与上下分层呈 构造不整合接触 易 突 出 ＞20＜0.3 极易捻搓 成粉末或 粉尘 构造、揉皱 镜面发育 煤被揉搓捻碎的 更细小，主要粒 级在1mm以下 光泽暗淡，原 生结构 遭到破坏 透镜状、团块状 、与上下分层呈 构造不整合接触 糜 棱 煤 糜 棱 煤 Ⅳ 易 突 出 ＞15＜0.3 易捻搓成 mm级碎粒 或煤粉 构造镜面 发育 煤被揉搓捻碎、 主要粒级在1mm 以上 光泽暗淡，原 生结构 遭到破坏 透镜状、团块状 、与上下分层呈 构造不整合接触 Ⅳ 易 突 出 ＞15＜0.3 易捻搓成 mm级碎粒 或煤粉 构造镜面 发育 煤被揉搓捻碎、 主要粒级在1mm 以上 光泽暗淡，原 生结构 遭到破坏 透镜状、团块状 、与上下分层呈 构造不整合接触 碎 粒 煤 碎 粒 煤 Ⅲ 过渡10～15 0.8～ 0.3 可捻搓成 cm、mm级 碎粒 煤体被多组互 相交切的裂隙 切割，未见揉 皱镜面 呈现棱角状块体 ，但块体间已有 相对位移 煤岩类型界限 清晰，原生条 带状结构断续 可见 层状、似层状、 透镜状，与上下 分层整合接触 Ⅲ 过渡10～15 0.8～ 0.3 可捻搓成 cm、mm级 碎粒 煤体被多组互 相交切的裂隙 切割，未见揉 皱镜面 呈现棱角状块体 ，但块体间已有 相对位移 煤岩类型界限 清晰，原生条 带状结构断续 可见 层状、似层状、 透镜状，与上下 分层整合接触 碎 裂 煤 碎 裂 煤 Ⅱ 非 突 出 ＜10＞0.8 捏不动或 成cm级碎 块 内、外生裂隙 均可辩认，未 见揉皱镜面 呈现较大的保持 棱角的块体，块 体间无相对位移 煤岩类型界限 清晰、原生条 带状结构明显 层状、似层状、 与上下分层整合 接触 Ⅱ 非 突 出 ＜10＞0.8 捏不动或 成cm级碎 块 内、外生裂隙 均可辩认，未 见揉皱镜面 呈现较大的保持 棱角的块体，块 体间无相对位移 煤岩类型界限 清晰、原生条 带状结构明显 层状、似层状、 与上下分层整合 接触 原 生 结 构 煤 原 生 结 构 煤 Ⅰ 突出 危险 程度 瓦斯放散 指数ΔP 坚固 性系 数f 手试强度 裂隙、揉皱发 育程度 煤体 破碎程度 光泽和层理 赋存状态和分层 特点 类 型 类 型 号 Ⅰ 突出 危险 程度 瓦斯放散 指数ΔP 坚固 性系 数f 手试强度 裂隙、揉皱发 育程度 煤体 破碎程度 光泽和层理 赋存状态和分层 特点 类 型 类 型 号 二、构造煤及其煤岩学特征二、构造煤及其煤岩学特征二、构造煤及其煤岩学特征二、构造煤及其煤岩学特征 10碎裂煤碎裂煤 11碎裂结构碎裂结构 煤被密集的次 生裂隙相互交 切成碎块，但 碎块之间基本 没有位移，煤 层原生层理基 本可见，时断 时续。碎裂结 构常常位于原 生结构与碎粒 结构的过渡部 位。 煤被密集的次 生裂隙相互交 切成碎块，但 碎块之间基本 没有位移，煤 层原生层理基 本可见，时断 时续。碎裂结 构常常位于原 生结构与碎粒 结构的过渡部 位。 6 11 22碎粒结构碎粒结构煤被破碎成粒主要粒级大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失 去棱角，煤层原生层理被破坏，层理不清，裂隙较发育，煤层煤体主要呈粒状。碎 粒结构往往紧靠碎裂结构分布，常常距离煤层顶板或底板一定距离，也常常位于断 裂带的中心部位。 煤被破碎成粒主要粒级大于1mm。大部分煤粒由于相互位移摩擦失 去棱角，煤层原生层理被破坏，层理不清，裂隙较发育，煤层煤体主要呈粒状。碎 粒结构往往紧靠碎裂结构分布，常常距离煤层顶板或底板一定距离，也常常位于断 裂带的中心部位。 12 3糜棱结构糜棱结构煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm。有 时被重新压紧，煤层原生层理完全被破坏，已看不到煤层 原生层理和节理，滑移面、摩擦面很多，煤体呈透镜体状 、粉状、鳞片状，极易捻成粉末。糜棱结构煤是强挤压、 剪切破坏的束缚，常出现在压应力很大的断裂褶皱带中。 煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于1mm。有 时被重新压紧，煤层原生层理完全被破坏，已看不到煤层 原生层理和节理，滑移面、摩擦面很多，煤体呈透镜体状 、粉状、鳞片状，极易捻成粉末。糜棱结构煤是强挤压、 剪切破坏的束缚，常出现在压应力很大的断裂褶皱带中。 7 13 表5-10 煤的破坏类型分类表表5-10 煤的破坏类型分类表 土状1、土状构造，似土质煤 如断层泥状 暗淡Ⅴ类煤 （全粉煤） 可捻成粉 末，疏松 粒状节理失去意 义，成粘块 状 1、粒状或小颗粒胶结而 成，形似天然煤团 暗淡Ⅳ类 （粉碎煤） 用有手捻 成粉末， 硬度低 参差及粒 状 有大量擦痕节理不清， 系统不发 达，次生节 理密度大 1、弯曲成透镜状构造 2、小片状构造 3、细小碎块，层理较紊 无次序 半亮 与半 暗 Ⅲ类煤 （强烈破坏煤） 用手极易 剥成小 块，中等 硬度 参差多角节理面有擦纹、 滑皮，节理平 整，易掰开 次生节理面 多，且不规 则，与原生 节理呈网状 节理 1、尚未失去层状 2、条带明显，有时扭曲 ，有错动 3、不规则块状，多棱角 有挤压特征 亮与 半亮 Ⅱ类 （破坏煤） 坚硬，用 手难以掰 开 参差阶 状，贝 状，波浪 状 有充填物（方解 石），次生面 少，节理、劈理 面平整 一组或二到 三组节理， 节理系统发 育，有次序 层状构造，块状构造，条 带清晰明显 亮与 半亮 Ⅰ类 （非破坏煤） 土状1、土状构造，似土质煤 如断层泥状 暗淡Ⅴ类煤 （全粉煤） 可捻成粉 末，疏松 粒状节理失去意 义，成粘块 状 1、粒状或小颗粒胶结而 成，形似天然煤团 暗淡Ⅳ类 （粉碎煤） 用有手捻 成粉末， 硬度低 参差及粒 状 有大量擦痕节理不清， 系统不发 达，次生节 理密度大 1、弯曲成透镜状构造 2、小片状构造 3、细小碎块，层理较紊 无次序 半亮 与半 暗 Ⅲ类煤 （强烈破坏煤） 用手极易 剥成小 块，中等 硬度 参差多角节理面有擦纹、 滑皮，节理平 整，易掰开 次生节理面 多，且不规 则，与原生 节理呈网状 节理 1、尚未失去层状 2、条带明显，有时扭曲 ，有错动 3、不规则块状，多棱角 有挤压特征 亮与 半亮 Ⅱ类 （破坏煤） 坚硬，用 手难以掰 开 参差阶 状，贝 状，波浪 状 有充填物（方解 石），次生面 少，节理、劈理 面平整 一组或二到 三组节理， 节理系统发 育，有次序 层状构造，块状构造，条 带清晰明显 亮与 半亮 Ⅰ类 （非破坏煤） 强度断口性质节理面性质节理性质构造及构造特征光泽破坏类型强度断口性质节理面性质节理性质构造及构造特征光泽破坏类型 14 第一节煤体结构特征和分类第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用 第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用 第五章煤体结构与构造煤第五章煤体结构与构造煤 8 15 一、煤体变形机制一、煤体变形机制 自学 第二节第二节第二节第二节 煤体变形与构造煤分布煤体变形与构造煤分布煤体变形与构造煤分布煤体变形与构造煤分布 16 二、构造煤分布 （一）顺煤层剪切带对构造煤分布的控制 顺煤层剪切带是指沿煤层发育的剪切面与煤层以小角 度相交或者近于平行的剪切带。顺层剪切带也叫逆掩断层、 顺层断层、缓倾角断层、层滑构造等。 15 45 H 0.95 230 30 H 0.9 10 0123m 图图3－－59 平顶山矿区东部戊平顶山矿区东部戊9-10煤层顺层剪切带煤层顺层剪切带 9 图图514 焦作二焦作二1煤层顺煤层剪切带（构造煤为标志）煤层顺煤层剪切带（构造煤为标志） ............ ............ ............ 泥 岩 构造煤 粉砂岩 大花炭 粉砂岩 小花炭 煤 玉 小花炭 粉砂岩 构造煤 泥 岩 0.5-10 0.01-0.05 1.5-2.5 1.0-2.0 0.05-0.8 0.05-0.3 0.3-0.9 0.01-0.05 0.05-1.3 0.05-0.8 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 分层名称 柱 状厚 度序 号 18 2．波状起伏的顺煤层剪切带 一些影响带较窄但范围较大的顺煤层剪切带 在剖面上波状起伏，剪切面产状变化较大。 85 12 3 1－正断层； 2－逆断层； 3－粉砂岩； 图5-15 波状起伏的顺煤层剪切带（四川省白皎矿K3煤层） 10 19 3．顺煤层剪切带选层性 顺煤层剪切带的发生具有选层性。这一特性决 定于煤层的岩石力学强度差异及其煤层所在构造剖 面中的位置。根据其选层的级别可以分为三种煤 层、煤系和构造层。 在同一煤层中，剪切优先选择以镜质组为主的 光亮型煤分层中。在一个煤组或煤系中，当煤层层 间距及岩石组合类型大致相同时，顺煤层剪切带优 先发生在厚度较大的煤层中在一个构造层内，顺煤 层剪切带一般多发生在两组岩层强度差异性较大的 界面附近，煤层是弱面，滑动构造常选择在煤层顶 板或底板。 图图5-16 芦店滑动构造剖面图芦店滑动构造剖面图 400 0 -400 -800 煤 芦 F12 煤 马鸣寺 月台断层 5000m T P T 1 T 1 O 2 O 2 P P 1 - P P P t 32 2 2 12 12 11 Z C NW10 0 寨脖断层 二1 二1 C C C P F1 F 告F23 2 P2 3 P2 3 P2 1 2 T1 T1 T1 T1 3 4 T1 T1 2 T1 3 T1 1 P1 2 P2 1-1 P2 12011 0 500 12012 12009120071201012006 CK5 N31 W Ｓ32.5Ｅ 一1煤 二1煤 12008 芦 告F10 F27 告 告 F30 芦 F 1-2 告F2 告F3 告 F 27 图图5-17 告成矿井１２线剖面图告成矿井１２线剖面图 11 21 （二）切层断层对构造煤分布的控制（二）切层断层对构造煤分布的控制 断层使构造煤呈现带状分布，构造煤厚度的增加 和分布的范围，与断层性质、断层落差有关。 断层使构造煤呈现带状分布，构造煤厚度的增加 和分布的范围，与断层性质、断层落差有关。 图图5－－18 平顶山八矿丁平顶山八矿丁5-612290 迎头断面 图 迎头断面 图5－－19 平顶八矿丁平顶八矿丁5-612230 采面断层点剖面采面断层点剖面 22 图5－20 平顶山八矿丁图5－20 平顶山八矿丁5-6 5-612230断层素描 12230断层素描 图5－21 平顶山八矿丁图5－21 平顶山八矿丁5-6 5-6机巷断层素描 机巷断层素描 12 图图5－－22 顺煤断层与切层断层的关系 （平顶山矿区八矿戊 顺煤断层与切层断层的关系 （平顶山矿区八矿戊9-1012121采面） 图 采面） 图5－－23 平顶山八矿己平顶山八矿己1513160顺煤断层与切层断层关系图顺煤断层与切层断层关系图 1234m H0.65 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200∠ 30 012m 175 60 H0.8 355 24 图图5－－24 断层与构造煤的关系断层与构造煤的关系 平顶山十二矿平顶山十二矿16041风巷联络巷南风巷联络巷南52米处米处 SE 50 H0.20m NS 13 25 第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布 第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用第四节构造煤结构演化和力化学作用 第五章煤体结构与构造煤第五章煤体结构与构造煤 26 一、煤的深成变质作用 二、煤的岩浆变质作用 三、煤的动力变质作用 一、煤的深成变质作用 二、煤的岩浆变质作用 三、煤的动力变质作用 第三节第三节第三节第三节煤的变质作用煤的变质作用煤的变质作用煤的变质作用 14 27 温度、压力及其作用持续的时间是引起煤发生变质 作用的三个主要因素，而其中起主导作用的是温度。因 此，根据热量的来源和作用方式的不同，可将煤的变质 作用划分为不同的类型。最常见的即深成变质作用和岩 浆变质作用。 第三节第三节第三节第三节煤的变质作用煤的变质作用煤的变质作用煤的变质作用 28 一、煤的深成变质作用一、煤的深成变质作用 煤的深成变质作用是指沉降到地下深处的煤 层，受到地热及上覆岩系产生的静压力的作用， 发生了变质程度随深度增加而增加的变质作用。 煤的深成变质作用在大区域内使煤普遍发生变质 作用，它的影响范围最为广泛，因此又称为区域 变质作用。煤的深成变质作用主要是由地热引起 的，所以也称热变质作用。 1．煤变质程度的垂直分带性希尔特规律 随着地层深度的增加而煤的挥发分（Vdaf）有 规律地减少，煤的变质程度则有规律地增高，此 规律称为希尔特规律。 15 29 2．煤质的水平分带 煤质水平分带是倾斜煤层的煤质垂直分带在 平面上的反映（图526）。 图526 煤质分带示意图（据杨起、韩德馨，1979） 30 图5-27 华北某煤田煤变质程度的水平分带性（据孙平，1996） 1地层界线；2煤田边界；3煤变质程度 16 31 3．煤的深成变质作用与上覆岩层的关系3．煤的深成变质作用与上覆岩层的关系 在深成变质作用中，煤的变质程度随煤系及 上覆岩系厚度的增大而增高。如在其它条件大致 相同的情况下煤系的沉降幅度（厚度）愈大，煤 的变质程度就愈高。如煤系厚度大致相同的情况 下，上覆岩系厚度愈大。煤的变质程度也愈高。 32 在使用煤系上覆岩系厚度影响煤变质程度的规律时，应 根据不同情况作具体分析，并注意以下两种情况 （1）上覆岩系与煤系为连续沉积或仅有短暂的沉积间断，并 与煤系共同褶皱，同属于一个构造形态时，可以认为上覆 岩系的厚度对煤变质程度有直接影响，并可与煤系厚度等 同看待，直接使用。 （2）上覆岩系是在煤系形成之后，或是煤系褶皱之后沉积 的，即不属于同一构造形态时，上覆岩系厚度对煤变质程 度影响的大小，取决于上覆岩系厚度和形成的早晚，一般 来说上覆岩系厚度大，形成早的，对煤变质程度的影响就 大，反之就小。 17 33 4．煤的变质程度随赋存深度加大而增高4．煤的变质程度随赋存深度加大而增高 煤的变质程度与现在的埋藏深度也有关系，即当地 层厚度相等时，同一煤层的变质程度随着在现代构造中 赋存深度的加大而增高。这就是说，在煤系发生构造变 动时，煤在已有变质程度基础上，又在变动后的新的赋 存条件、温度条件和时间因素的影响下，变质程度仍然 可以继续加深。 深度（m） 1000 800 600 400 200 HW吕家坨 气煤 焦煤 V -23.10％ daf daf V -40.18％ SE毕各庄范各庄 肥煤 图528 河北开平向斜东翼5号煤层煤种分带示意图（据孙平，1996） 34 二、煤的岩浆变质作用 1．煤的区域岩浆热变质作用 二、煤的岩浆变质作用 1．煤的区域岩浆热变质作用 杨起等（1996）认为煤的区域岩浆热变质作 用是指聚煤坳陷内有岩浆活动。岩浆及其所携带 气液体的热量可使地温场增高，形成地热异常 带，从而引起煤的变质作用。煤的区域岩浆热变 质作用是促成中国出现大量中、高变质烟煤和无 烟煤的主要原因。根据岩浆性质、侵入方式、侵 入深度、侵入层位、岩体规模以及沉积盖层破碎 程度等特点，可将煤的区域岩浆热变质作用划分 为浅成、中深成和深成三种亚型。 18 35 煤的区域岩浆热变质作用的识别标志有煤 级分布常为环带状，越靠近岩体，煤的变质程度 越高；煤变质梯度高，垂向上在较小的距离内， 就可引起变质程度的明显差异；由于受岩浆热的 影响，煤中常发育气孔、小球体以及镶嵌结构 等；高变质煤带发生围岩蚀变，并往往与热液矿 床伴生；在岩浆活动区具有重磁异常等。 3 N 4 3 2 1 Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ 2 4 3 5 4 3 2 km10 5 0 鲁塘 袁家 香花岭 临武 梅田 金江 杨梅山 宜章 岭 田 永春 骑 黄沙坪 桂阳 华塘 王仙岭 郴州 图5-29 湖南骑田岭龙 潭组煤变质环带图（据 杨起等，1996） Ⅰ石墨半石墨带； Ⅱ高变质无烟煤带； Ⅲ中变质无烟煤带； Ⅳ低变质无烟煤带； Ⅴ贫煤带； 1入侵岩体； 2岩体隐伏部分界限； 3Ro,max等值线； 4煤级分带界线 19 37 2．煤的接触变质作用2．煤的接触变质作用 煤的接触变质作用是指岩浆直接接触或侵入 煤层，由其所带来的高温、气体、液体和压力， 促使煤发生变质的作用。根据岩浆侵入体的规 模，可将煤的接触变质作用分为三个亚型脉岩 岩浆接触变质作用、小型浅成岩浆接触变质作用 和大型深成岩浆接触变质作用（据杨起等， 1996）。煤的接触变质作用只是中国煤变质的次 要原因。 38 三、煤的动力变质作用三、煤的动力变质作用 1．煤的动力变质作用类型 煤的动力变质作用类型按煤体变形机制可分 为煤的脆性变形变质作用、煤的韧性变形变质作 用和介于两者之间的脆韧性变形变质作用。 煤的脆性变形变质作用煤的脆性变形是在 低温，快速应变条件下，煤体碎裂流变，主要表 现为煤的物理煤化作用，没有化学煤化作用的表 现。即煤体脆性变形，煤的物理结构发生改变， 不会引起化学成分的改变。 20 39 煤的韧性变形变质作用在地质构造 作用下，不仅发生煤的物理煤化作用，还 发生了化学煤化作用。煤的韧性变形是在 古地温较高的地质环境中，煤中有机组分 活动性加大，在构造应力尤其是剪切应力 作用下发生的。 40 2．煤的动力变质作用指标 煤的动力变质作用指标主要是反映煤结构变 化为主的指标，包括煤的双反射率、晶体参数指 标，自由基参数等。而反映煤成份变化的指标不 敏感。 21 41 第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用 第一节煤体结构特征和分类 第二节煤体变形和构造煤分布 第三节煤的变质作用 第四节构造煤结构演化和力化学作用第四节构造煤结构演化和力化学作用 第五章煤体结构与构造煤第五章煤体结构与构造煤 42 一、构造煤的孔隙与渗透性了解 二、构造煤分子结构演化自学 三、构造煤的力化学作用自学 一、构造煤的孔隙与渗透性了解 二、构造煤分子结构演化自学 三、构造煤的力化学作用自学 第四节第四节第四节第四节 构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用 22 43 一、构造煤的孔隙与渗透性一、构造煤的孔隙与渗透性 （一）构造煤的孔隙结构与比表面积（一）构造煤的孔隙结构与比表面积 煤是自然界最为复杂的多孔物质之一，煤是自然界最为复杂的多孔物质之一，孔隙容积、孔隙容积、 孔径分布及比表面积孔径分布及比表面积是其重要的物理参数。与原生是其重要的物理参数。与原生 结构煤相比，构造煤在构造应力作用下历经变形变结构煤相比，构造煤在构造应力作用下历经变形变 质过程，其原生的孔隙结构遭受构造破坏、变形、质过程，其原生的孔隙结构遭受构造破坏、变形、 改造，孔隙结构的各向异性增强。改造，孔隙结构的各向异性增强。 第四节第四节第四节第四节构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用 44 1. 1. 构造煤的孔隙结构构造煤的孔隙结构 1 1）孔径结构分类）孔径结构分类 煤是一种孔隙系统的固态物质具有发达。煤煤是一种孔隙系统的固态物质具有发达。煤 的孔径结构特征与其孔隙的赋存状态有关，其孔径的孔径结构特征与其孔隙的赋存状态有关，其孔径 结构可极地大影响煤孔隙与气、液分子之间的相互结构可极地大影响煤孔隙与气、液分子之间的相互 作用。因此，正确认识煤的孔径结构是研究煤孔隙作用。因此，正确认识煤的孔径结构是研究煤孔隙 性及煤空间结构特征的基础。性及煤空间结构特征的基础。 第四节第四节第四节第四节构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用构造煤结构演化与力化学作用 23 45 表5-14 孔结构类型划分的孔径方案比较单位（直径）nm ＜15＜15＜10＜10＜8＜1.2＜2＜2＜10微孔 15-10015～5010～10010～508～1001.2～302～502～2010～ 100 过渡孔 100- 5000 50～450100～ 1000 50～750––––100～ 1000 中孔 5000～ 20000 ＞4501000～ 15000 ＞750＞100＞30＞50＞20＞1000大孔 ＞20000––––––––超大孔 琚宜文 2005 秦勇 （1994） 吴俊 （1991） 杨思敬 等 1991 抚顺煤 研所** （1985 ） H. Gan 等 1972 IUPAC* 1966 Dubinin 1966 B.B. XouoT 1961 *IUPAC为“国际纯化学与应用化学联合会”代号转引自M.A. Elliott,1981。 **据抚顺煤炭科学研究所进行的煤层烃类气体组合与煤岩煤化关系的研究。 46 2）孔隙形态与连通性 构造煤中总孔隙空间由有效孔隙空间和孤立 孔隙空间构成，前者为气、液体能进入的孔隙， 后者则为全封闭性的“死孔”。使用压汞法仅能测 出有效孔隙的孔容，构造煤中有效孔隙包括开放 孔和半封闭孔等。根据“孔隙滞后环”的特征，可 对孔隙的连通性及其基本形态进行初步评价。开 放孔具有压汞滞后环，封闭孔则由于退汞压力与 进汞压力相等而不具“滞后环”。 24 47 2．构造煤的比表面积2．构造煤的比表面积 煤的比表面积（specific surface area）与孔隙特 征具有密切的联系，其大小直接关系着煤与气体介质间的接 触面积、煤吸附气体的能力。 表5-16 不同破坏程度煤的比表面积（据罗志明，1989，有改动） ＞140＞100～140＞100 贫、瘦煤比表面积 m2/g ＞190～287，平 均236 170～190，平均 175 54～170，平均 128 无烟煤比表面积 m2/g Ⅳ,Ⅴ类煤（易 突出煤） Ⅲ类煤（可能突 出煤） Ⅰ、Ⅱ类煤（难 突出煤） 破坏类型 48 实测结果（见表5-16）表明，高级烟煤和无 烟煤的比面积随煤体破坏程度增高而增大；煤的 比表面积S（根据其数量级，应是CO2比表面积）与 瓦斯放散指标ΔP呈线性相关，即 （5-1） 比表面积随坚固性系数f值降低急剧升高。这 一结论有力地证明了随煤体破坏程度增高比表面 积升高的一般规律。 22. 13 .10ΔPS 25 49 （二）构造煤瓦斯吸附与解吸理论（二）构造煤瓦斯吸附与解吸理论 1．构造煤的吸附理论 煤体表面分子与气体分子之间的吸引力大于气 体分子之间的吸引力，当煤体与瓦斯接触, 或煤体 孔隙、裂隙中含有瓦斯气体时，作随机热运动的瓦 斯气体分子当其撞击到煤体孔隙表面时, 要作短时 的停留。因此, 煤体孔隙表面处的气体分子浓度要 高于气体本体相中的分子浓度, 这就是瓦斯气体在 煤体中的吸附。 50 2．构造煤的甲烷吸附量 霍多特（1966）对顿巴斯20个煤样的实验证 明，突出危险和非突出危险层在瓦斯吸附性质方 面没有明显区别。前苏联的研究表明，对于正常 煤和破坏煤，其吸附能力的变化范围不超过10， 对英国威尔士无烟煤的研究也得出了同样结果 （巴克里德和拉德琴科，1990）。他们所说的突 出危险性煤、破坏煤就是我们所说的构造煤。 王佑安和杨思敬（1980）认为，煤的瓦斯吸 附量不随煤的破坏程度增高而增加，这表明，决 定煤比表积的微孔体积不受煤破坏程度的影响。 这一结果受到来自两个方面的支持一是实验表 明，构造煤没有增大其吸附容量；二是构造破坏 不影响到微孔体积的增加，进而也不影响到比表 面积的增加，从而也不提高瓦斯吸附容量。 26 51 图5-38是焦作无烟煤原生结构煤与构造煤等温吸附实 验对比结果，构造煤与原生结构煤的吸附体积常数存在差 异，构造煤的吸附常数大于原生结构煤的，但两者的差异 不大。 0 5 10 15 20 25 30 35 02468101214 压力 /MPa 实测吸附量 /cm3.g-1.daf M K 图5-38 原生结构煤与构造煤的等温吸附曲线 M-曲线为构造煤，K-曲线为原生结构煤 52 3．构造煤瓦斯放散特征3．构造煤瓦斯放散特征 1）构造煤瓦斯放散过程 煤是一种多孔介质，当煤体内瓦斯放散存在 解吸、扩散、渗流等过程。目前国内外提出了一 些有关瓦斯扩散、渗流的微观数学模型和宏观经 验公式，主要微观模型有①纯扩散模型，认为 瓦斯在煤层中的流动服从菲克扩散定律；②纯渗 透模型，瓦斯在煤层中的流动服从线性达西渗透 定律。 27 53 h1 h2ΔΔh kAi l h kAq Δ 达西渗透实验与达西定律（达西渗透实验与达西定律（1856年年）） ki A q v 达西（达西（Dracy）渗透定律）渗透定律 54 图一质量传输、扩散是浓度差存在的结果 28 图二x方向的浓度梯度（常数） 稳态扩散（菲克 第一定律） 德国生理学 家菲克（Fick） 于1855年提出 系统中的物质扩 散达到稳定状态 时，扩散通量与 浓度梯度成正比。 dx dp DJ− 当dx-0时 当D不随时间变化时 非稳态扩散（菲克第 二定律） 29 57 3）瓦斯放散初速度 煤的瓦斯放散初速度（ΔP）表示充有瓦斯的 煤样放散瓦斯快慢的程度，它是预测煤与瓦斯突 出的一个指标。ΔP值的大小，与煤的微孔隙结构、 孔隙表面性质和大小有关。在瓦斯含量相同的条 件下，煤的放散初速度越大，煤的破坏类型越严 重，越易于形成具有携带破碎能力的瓦斯流，越 有利于煤与瓦斯突出的发生。 58 图5-39 煤的瓦斯放散特征图（据何继善，1999） 30 59 4）构造煤瓦斯解吸指标 煤科总院抚顺分院王佑安博士测定了粒度1～ 3 mm，瓦斯压力0.2 MPa，不同煤体结构类型煤样 瓦斯解吸特征，如图5-40所示。 60 （三）构造煤的渗透性 渗透性是指煤储层的孔裂隙系统在一定的压差 下，流体介质可以发生渗流通过的性质。渗透率是 表征煤储层渗透性大小的参数，单位一般用平方微 米表示。 煤的渗透率与煤的结构、气体成份、孔隙度、 煤的变质程度、孔隙压力及围压有关。林柏泉和周 世宁（1987）研究表明，对于平行层理方向的试 样，当围压小较时，在同样孔隙压力下，吸附瓦斯 气楔作用，煤的微裂隙扩展，煤体膨胀，瓦斯渗透 率变大。 31 61 围压增加时，煤体孔隙、裂隙闭合，渗透性 降低。煤体载荷与渗透率间的关系可用指数方程 表示 5-14 卸载时，可用幂函数方程表示 5-15 σb aek − c kk − σ 0 王佑安曾指出，具有强烈突出倾向的Ⅴ类构 造煤的渗透率随压力增加迅速降低而成为不渗透 煤体，而原生结构煤的渗透率随压力升高而降 低，在降低到一定程度后趋于某一稳定状态，变 为低渗煤体。 构造煤和原生结构煤渗透率与压力间的关系