“构造煤发育区煤与瓦斯突出防控技术”学术专题

编者按

我国是世界上煤与瓦斯突出最为严重的国家，长期的生产实践表明，地质构造区特别是构造煤发育区是瓦斯突出频发区，瓦斯（煤层气）预抽是防治煤与瓦斯突出的治本之策。我国煤田地质构造异常复杂，构造煤发育，构造应力、挤压剪切、拉张裂陷、断裂、褶曲及复杂水文地质条件等造成构造煤区“三低一高”特征，控制着煤层瓦斯（煤层气）的生成、赋存、运移和煤与瓦斯突出危险区的分布，严重制约着瓦斯预抽和煤层气勘探开发技术的实施与推广效果。

随着我国煤炭开发重心向深部矿区、西部复杂地质条件矿区和集约化大型矿井的转移，如何突破构造煤发育区的瓦斯（煤层气）高效抽采的技术瓶颈，已成为我国煤矿特别是深部、复杂地质条件矿区瓦斯灾害防控亟待解决的关键共性技术难题。为此，《煤炭科学技术》于2019年第7期策划组织了“构造煤发育区煤与瓦斯突出防控技术”专题，刊登了构造煤发育区瓦斯高效抽采、煤与瓦斯突出防控技术等领域的最新研究成果论文，促进这方面的学术交流，以飨读者。非常感谢各位作者为专题撰稿，特别感谢王兆丰教授、孟召平教授、陈向军副教授、孙海涛研究员等给予的大力支持和帮助！

“构造煤发育区煤与瓦斯突出防控技术”学术专题

复合煤层物性差异性试验研究

■王兆丰，岳基伟，俞宏庆，李学臣

摘要：煤层的物性特征与煤与瓦斯突出、煤层瓦斯含量密切相关，为降低复合煤层的煤与瓦斯突出的危险性、煤层瓦斯含量，分别采用低温液氮吸附试验、压汞试验、甲烷等温吸附/扩散试验对焦作矿区复合煤层中的软硬煤物性差异性进行研究。结果表明:软煤的BJH孔容及BET比表面积均大于硬煤;构造作用可使一部分可见孔或裂隙转化为中大孔，硬煤的孔隙联通性比软煤的孔隙联通性好。软煤中一端开放的细颈瓶型孔占的比例较大，造成软煤的退汞效率低，这是软煤易发生煤与瓦斯突出的重要原因之一;软煤的吸附常数a值稍大于硬煤，而比表面积却有显著差异，孔隙中吸附瓦斯不仅与比表面积有关，还与孔径大小、吸附层数及兰纳一琼斯势能有关;软煤的扩散系数大于硬煤，其衰减得比硬煤快，扩散系数与时间呈现出时变特性;在软硬分层进行现场取心实测煤层瓦斯含量时，应以软分层漏失量最小为基准采取抑制瓦斯漏失的措施，以实现煤层瓦斯含量的准确测定;在软分层进行瓦斯抽采时应适当加长抽采时间、减小钻孔间距，达到软分层消突效果。软硬分层的瓦斯含量与软硬煤的水分、孔隙率相关，孔隙率越大游离瓦斯含量越大，平衡水分抑制煤体瓦斯吸附，平衡水分越大其吸附量越小。如果软分层的瓦斯含量大于硬分层的瓦斯含量，在进行瓦斯抽采效果检验时，软分层是首选检验对象;如果软分层的瓦斯含量不大于硬分层的瓦斯含量，在进行瓦斯抽采效果检验时，软分层和硬分层应同时作为检验对象。

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采动影响下突出煤层地质异常区域的微震特征规律研究

■朱权洁，李青松，张尔辉，张建，衡献伟

摘要：煤与瓦斯突出灾害是当前威胁矿井安全生产最为严重的动力灾害之一，断层等地质异常区域极易诱发该类事故的发生。通过分析采动影响下突出煤层的断层活化力学机制，以贵州某突出矿井掘进巷道为例，利用高精度微震监测系统对掘进过程中的微震时空分布与演化规律进行了研究，分析并获得了采动范围内地质异常区域的微震响应规律。结果表明，工作面掘进期间微震事件群普遍分布于巷道周围，最远可达前方112.8 m、后方 91.0 m;采动引起断层上下盘错动导致岩体内部能量的释放，是断层活化型微震活动的主要原因。通过对采动过程中影响范围内断层的实时监测发现，在与断层区域相距巧m时，该区域微震事件增加，初期以大能量震动信号为主;随着与断层距离的缩小(5m），微震事件数逐步增加到峰值，并主要聚集于断裂面周围;随着断层形成新的稳定结构，微震活动减弱并逐渐恢复平稳，这时微震事件逐渐减少直至平静。由此可以看出，采动影响下的地质异常区域存在明显的微震响应特征，这为深入分析断层控制型瓦斯突出事故发生机理，实现煤与瓦斯突出的准确预警提供了一种新的思路。

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断层分形与多重分形特征及其对突出分布的控制作用

■陈 鹏，彭是阳，王鹏飞，陈学习，杨 涛，刘永杰

摘要：为了定量化研究断层构造分布及演化特征，揭示断层构造分形特征对煤与瓦斯突出的控制作用，以焦作矿区断层体系为研究对象，利用单分形理论分析了焦作矿区断层体系的分形特征，利用多重分形理论分别对不同区域进行了多重分形研究，将单分形与多重分形特征进行了对比分析，绘制了多重分形谱，提取了多重分形特征参数，根据焦作矿区实际发生的突出事故的统计规律，将特征参数与突出分布规律进行对比研究，结果表明:焦作矿区断层体系具有明显的分形特征，分维值较好地反映了断层的复杂程度，分维值呈现分区特征，由凤凰山断层和峪河口分为3个区域，各区分形维数与断层的实际展布形态相吻合;单分形分析仅能反映断层复杂程度，未能反映煤与瓦斯突出分布的不均衡性，焦作矿区断层分布具有多重分形特征，且不同区域的多重分形谱形状具有明显差异性;多重分形谱对称性0f及谱宽△a等特征参数综合反映了构造背景、断层组合和运动方式的差异，对称性of代表了大概率子集和小概率子集的数目，表征了大、小断层的发育程度，谱宽△a代表了分形结构概率分布不均匀的程度，表征了断层分布的均匀程度;不同区域断层的多重分形显现存在着必然的瓦斯地质原因，谱宽△a与各区域瓦斯突出严重程度呈现了很好的对应关系;断层多重分形特点与构造演化过程密切相关，通过对比分析不同区域断层多重分形特征，可挖掘断层构造的演化信息，深入认识断层对突出的控制作用.从而对矿区煤与瓦斯突出危险性进行区域性划分。

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煤层瓦斯赋存特征及其关键地质因素影响研究

■孔胜利，杨 洋，贾 音，宋雨晴，孙田力，康润平

摘要：地质构造对瓦斯涌出有着明显的控制作用，以西山煤田屯兰煤矿为研究对象，通过分析煤层埋藏深度、围岩条件、水文地质、煤的变质程度、地质构造等地质因素的影响，发现断层是控制瓦斯赋存的关键因素。根据断层分布特征，将屯兰煤矿分为4个相对独立的地质单元，基于实测数据，分析了各地质单元内断层分布及其组合方式、局部小断层等对瓦斯赋存规律的影响作用，并以屯兰煤矿工作面瓦斯涌出量实测数据进行了验证。结果表明:屯兰煤矿煤层瓦斯赋存主要受埋深与NE方向断层的控制;区域构造对瓦斯赋存影响明显，断层及断层的组合方式使得矿井局部瓦斯含量出现异常;工作面瓦斯涌出量与地质构造存在密切的联系，在靠近大断层和局部小断层时瓦斯涌出量显著增加;地质单元的划分对地质构造复杂的煤与瓦斯突出矿井具有重要意义。

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煤层冲刷带对瓦斯赋存影响效应及其涌出控制机理

■蔺亚兵，刘 军，赵雪娇，蒋同昌，余智秘，杨国栋

摘要：摘要:针对近年来煤层冲刷带瓦斯异常涌出，但瓦斯赋存及涌出规律不清的问题，从煤层冲刷带的形成模式和空间形态出发，结合陕西胡家河煤矿和山西新景煤矿采掘过程中遇到的不同类型煤层冲刷带瓦斯赋存和涌出实践，总结分析了煤层冲刷带对煤矿瓦斯赋存和涌出的影响机理。研究表明，当冲刷带顶部和底部存在封闭条件时可形成一定规模游离砂岩气，继承性冲刷带和后生冲刷带规模要大于原生冲刷带。同生冲刷带和后生冲刷带会对煤层开采瓦斯涌出产生影响，其中以后生冲刷带尤为严重。同生冲刷带由于煤层具有统一顶板有利于带状冲刷带砂岩中游离瓦斯赋存，煤矿回采过程中瓦斯涌出量高于两侧正常煤层，但受冲刷规模控制影响有限。后生冲刷带对我国煤矿采掘条件影响较大，煤层冲刷带过渡区是煤与瓦斯突出高发地带。煤层冲刷带过渡区由于岩性组合差异，致使煤层冲刷带过渡区存在剪切力煤层结构破坏，导致煤层冲刷带透气性变差，瓦斯赋存能力增强。采掘至此，工作面中部前方来压，煤层应力增大，加之冲刷带砂体中较高压力的游离瓦斯涌出，从而易在后生冲刷带过渡区发生瓦斯异常涌出。区域构造控制下的地应力场分布和地质历史时期构造运动对煤体结构的破坏为冲刷带瓦斯异常涌出提供了地质基拙。鉴于煤层冲刷带对煤矿瓦斯涌出的危害，煤矿采掘前应利用三维地震等方法做好超前探工作并圈定煤层冲刷带，为煤矿瓦斯防治提供地质依据。

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基于热－流－固耦合效应的地质构造控气特征研究

■叶桢妮，侯恩科，段中会，高 阳

摘要：地质构造控气特征是煤层气开发潜力评价的基础科学问题。为了揭示不同构造类型模式下煤层气分布特征，以郭家河井田一盘区地质构造精细勘查为研究背景，采用三维地震勘查及多属性融合技术方法，获得郭家河井田一盘区地质构造展布特征，并以一盘区1302回采工作面构造形态为案例，建立考虑热一流一固藕合效应的地质构造控气数值计算模型，分析背抖、断层和向抖的轴部/翼部位置附近煤层气密度、压力、温度和渗透率的变化规律，揭示不同构造部位附近煤层气分布特征。研究结果表明:通过建立考虑煤层热一流一固藕合效应的地质构造控气数值模型，得出厚煤层向抖构造轴部位置是煤层气富集区和抽采有利区，构造轴部位置附近煤层气密度、压力、温度和渗透率参量均较高且出现明显的抬升增长趋势;原始地应力对煤层构造挤压应力集中(无逸散通道)位置附近具有煤层气保压优势、无逸散条件下煤层气压力大于106 Pa，原始地应力对断层带张拉作用不利于煤层气保压，而断层带为主要的煤层气逸散通道，断层上下盘位置附近煤层气压力变化有明显波动特征;郭家河井田三维地震勘查厚煤层向抖构造共10条，综合考虑井田煤层气含量和构造控气分布特征，得出一盘区1310工作面东部X、向抖轴部和1309工作面中部Bfi背抖翼部为煤层气抽采有利区。

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地质构造及水动力条件对瓦斯赋存的控制作用

■赵俊山，陈 亮，李瑞敬，郭建行，刘桂凤

摘要：为了掌握唐家河井田地质构造与水动力条件对瓦斯赋存的影响，基于大量瓦斯参数测试及瓦斯地质资料，深入总结了8号煤层瓦斯赋存区域分布特征，系统分析了地质构造演化、构造应力场及地质构造形态对瓦斯赋存逐级控制作用，采用数据统计和非线性拟合方法定量分析了水动力条件对瓦斯的生气一富集一存储全过程的影响。结果表明:唐家河井田8号煤层东翼瓦斯含量为西翼的1.7倍，且其挥发分小于西翼、镜质组反射率略大于西翼。煤层埋深东翼大于西翼，且与瓦斯涌出量线性相关性较好，其煤层顶板岩性变化较大，西翼则以泥岩为主，相应煤层倾角为西翼的1.5倍，相应煤层

厚度及其完整性均强于西翼。研究发现受控于地质构造演化，成煤时期煤层东翼围岩透气性条件较好，并发育有0.2~0.4m厚的构造煤，煤层埋深整体东深西浅;煤层东翼位于大两会背抖翼部，埋深较深，倾角相对平缓，其构造应力场主要呈现为挤压作用，利于瓦斯保存。成煤时期西翼煤层的水动力活动性较强，导致煤储层古地温略低于东翼，相应煤变质程度稍低，且其煤层完整性相对较差;后期东、西翼瓦斯运移与水流方向相反，分别呈现为水力封堵和水力运移作用，故西翼水动力条件不利于瓦斯的产生及保存。研究发现该井田工作面含水层涌水量与瓦斯涌出量满足对数函数关系，有助于

揭示涌水量与瓦斯赋存之间的定量关系。

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构造煤发育区 Ｋ₁值低指标煤与瓦斯突出原因分析

■张慧杰，霍中刚，舒龙勇，闫志铭 ，王晓东，朱南南

摘要：工作面突出危险性预测及效果检验是煤与瓦斯突出防治的最后一道“关卡”，预测及效检结果的准确性是突出防治成功与否的关键。针对构造煤发育区“低指标突出”现象频发问题，现场跟踪测试掘进工作面钻屑瓦斯解吸指标K，并采集构造煤及原生煤煤样进行K，指标实验室测试，分析发现相同吸附平衡压力条件下构造煤的K,值明显高于原生煤，K,值与构造煤发育程度关系密切，构造煤越发育，K,值越大。为研究“低指标突出”问题的内在原因，采用恒温瓦斯放散试验对构造煤的瓦斯放散初期特征进行研究，基于试验结果对K,测定结果偏离真实值的技术原因进行分析，结果表明:采用巴雷尔公式计算K，的理论存在局限性;不同钻孔深度及不同结构类型煤体的钻屑混合是K,值测试结果偏离真实值的原因之一;煤样暴露时间越长，K,值测试结果与实际偏离越大。研究成果揭示了构造煤发育区“低指标突出”现象的技术原因，可为煤与瓦斯突出预测技术的改进提供技术支撑。

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韩城矿区 Ｈ３ 井组煤体结构测井反演及三维地质建模

■陈 博，汤达祯，张玉攀，李 松，冯 鹏，李宸宇，刘 丁

摘要：为定量判识煤体结构，研究韩城H3井组煤体结构分布特征，在分析钻井取心资料的基拙上，结合不同煤体结构煤层测井响应特征的差异，建立了煤体结构指数N和深侧向电阻率与微球聚焦电阻率比值R (LLD/MSFL)双参数判识煤体结构的方法。依据该反演模型完成29口井的煤体结构测井解释，厘清煤体结构纵向分布特征。进一步借助Petre12015地质建模软件，采用随机建模方法实现了煤体结构空间分布特征的三维可视化。结果表明:在5号煤层中，N

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中高煤阶煤层煤体结构识别测井法适用性评价研究

■梅 放，康永尚，李 喆，邓 泽，王伟洪，顾骄杨

摘要：摘要:煤体结构对煤储层渗透率有重要影响，渗透率是煤层气勘探开发中的一个核心参数，而测井方法在大量煤层气区块煤体结构识别中得到应用，但尚处于探索阶段。分析研究了前人在不同煤层气区块煤体结构识别中使用的测井参数组合和针对不同煤体结构的测井参数数值，将这些区块按煤岩的镜质组最大反射率平均 Ｒ_{ｏ,ｍａｘ}划分为中煤阶区块(０.６５％ｏ,ｍａｘ ｏ,ｍａｘ>１.９０％)，基于对前人成果中各测井方法使用情况的统计和对成果中测井参数与煤体结构相关性的分析，探讨不同测井方法在中煤阶煤层和高煤阶煤层的适用性。结果表明:井径测井在中煤阶煤层和高煤阶煤层均适用，自然伽马测井在此2类煤层中均具有参考作用，电阻率测井、声波时差测井和密度测井在此2类煤层中的应用效果差别较大，补偿中子测井在2类煤阶煤层均不适用;因中煤阶煤岩与高煤阶煤岩力学强度差异造成其对外力的变形差异和不同测井参数的敏感性差异，导致不同测井方法对不同煤阶煤层的适用性存在差异。在中煤阶煤层煤体结构识别中，建议以井径测井和电阻率测井作为主要识别方法，以声波时差测井和自然伽马测井作为次要识别方法;在高煤阶煤层煤体结构识别中，建议以井径测井、自然伽马测井和密度测井作为主要识别方法。

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责任编辑： 王晓珍

编辑整理：朱恩光 审核：杨正凯

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