瓦斯学术：深部高突煤层典型特征、诱突机制及防治对策

看点导读

我国煤炭开采已逐渐进入深部，随着采深的不断增加，煤层的突出风险显著升高，突出发生的频率和强度均明显增大，煤矿开采越深地温越高、三向地应力越大，煤体渗透性越差、瓦斯含量越高，井下环境温度、巷道可支护性、突出可防性、冲击地压可防性等都会对煤矿开采的极限深度产生影响，给深部煤炭资源的安全高效开发带来巨大挑战。林柏泉教授团队针对深部高突矿井剖析了不同深度下煤层开采面临的复杂应力环境，系统研究了深部高突煤层的典型特性，阐明了深部开采诱突机制，提出了深部开采突出灾害防治的对策建议。本期瓦斯学术分享由林柏泉、杨威、刘统共同发表在《煤炭学报》杂志上的学术论文“深部高突煤层典型特征、诱突机制及防治对策”。

引用格式：林柏泉，杨威，刘统．深部高突煤层典型特征、诱突机制及防治对策[J/OL]．煤炭学报. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0228

相关文献拓展阅读：

[1] 张建民, 李全生, 张勇, 等. 煤炭深部开采界定及采动响应分析[J]. 煤炭学报, 2019, 44(5): 1314-1325.

[2] 高亚斌, 林柏泉, 杨威, 等. 高突煤层穿层钻孔“钻-冲-割”耦合卸压技术及应用[J]. 采矿与安全工程学报, 2017, 34(1): 177-184.

[3] 卢义玉, 李瑞, 鲜学福, 等. 地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨[J]. 煤炭学报, 2021, 46(3): 876-884.

[4] 张东亮. 井巷揭煤地面预抽辅助消突技术[J]. 煤田地质与勘探, 2019, 47(3): 49-55.

[5] 孙四清, 李文博, 张俭, 等. 煤矿井下长钻孔分段水力压裂技术研究进展及发展趋势[J]. 煤田地质与勘探, 2022, 50(8): 1-15.): 1-15.

突出灾害的发生与应力、瓦斯和煤体结构性质等密切相关，煤层开采进入深部后，煤层应力、瓦斯压力、瓦斯含量、孔裂隙发育模式、煤层渗透率、煤层采动力学特性、构造应力水平、构造煤结构以及构造带应力集中特性等一系列与突出发生密切相关因素和特性均发生了显著变化。

关于深部开采中“深部”的界定，国内外学者进行了广泛的研究讨论。谢和平院士提出了“深部”的力学定义，并以应力增大导致深部岩体破坏方式的转变为依据，划分了三个临界深度，即亚临界深度、临界深度和超临界深度。其中，超临界深度要同时满足两个条件，一是岩体处于三轴等压的静水应力状态；二是岩体在静水压力下进入全塑性屈服状态。然而对煤层开采而言，采深很难达到超高应力、三向等压特征的超临界深度。因此，在煤层可采深度范围（<1500m）内进行不同开采深度阶段的划分，可能对深部突出煤层的安全高效开采更有针对性指导意义。深部煤层采动破坏方式由应力水平（原岩应力σ_o、采动应力σ_d）与煤的弹性极限强度σ_e、屈服强度σ_s的相对关系共同决定。随着采深的加大，煤层所受围压显著增大，使得煤岩的破坏方式逐渐从脆性劈裂破坏向塑性流动过渡。

图1 高突煤层开采面临更加复杂的应力条件

如图1所示，当采动应力大于煤体屈服强度（采动应力峰值σ_dp>σ_s），煤体将由开始脆性破坏向脆塑性破坏变化转变，说明煤层开采进入亚临界深度H_sc。此深度下突出发生风险仍相对较低，但在局部采掘扰动形成的高应力集中区域或强构造带内仍存在突出风险。随着采深的不断增加，煤层所承受的自重应力开始大于煤体的弹性极限（σ_v>σ_e），说明煤层开采进入临界深度H_cr1。此深度下采动煤岩呈现显著的非线性响应特征，煤体易发生塑性大变形和强动力破坏，采掘工作面前方变形能高度积聚，尤其是当遇到高瓦斯构造带后，强开采扰动极易诱发煤与瓦斯突出等动力灾害事故。当采深进一步增加后，煤层所承受的自重应力开始大于煤体的屈服强度（σ_v>σ_s），说明煤层开采进入超临界深度H_cr2。此深度下煤层在采前就已经进入塑性屈服状态，采动煤体呈现强烈的塑性流变破坏，尤其是三向应力均大于屈服强度后，强开采扰动下煤体极易发生塑性失稳破坏，采掘过程中非线性力学现象更加显著，煤与瓦斯突出风险进一步升高。

对突出煤层开采来说，深部没有一个固定深度值，而是应力、瓦斯压力和煤体强度等因素综合影响下煤层所表现出的非线性力学状态，体现为突出危险性的显著增大。判断煤层开采是否进入深部，可根据煤层原位屈服极限和应力估算值或实测值的对比判断，由于不同矿区不同煤层的性质差异很大，导致其临界深度也将出现明显不同。

深部高突煤层多以中、高变质程度煤为主，孔隙度和浅部突出煤层差别不大，孔隙度较低且孔隙连通性较差。

图2 深部高突煤层复杂的孔隙结构

图2（a）为河南平煤八矿和四川白皎矿典型深部高突煤层煤样与非突出煤层煤样的孔隙分布特征的核磁测试结果，可以看出非突煤层多尺度孔隙均较为发育，整体孔隙分布较为均匀且连通性强，孔隙度普遍较高，本研究非突试样的核磁孔隙度高达15%以上（图2（b））。而深部高突煤样多尺度孔隙结构均发育较差，中大孔极其不发育且连通性差，孔隙度普遍偏低，本研究深部高突试样的核磁孔隙度均小于 5%，特别是平顶山矿区深部高突煤层核磁孔隙度仅为1%左右。图2（c）为“压汞-N₂吸附-CO₂吸附”联测所获的部分典型深部高突煤与非突煤近全尺度孔隙结构分布特征，可以看出较非突煤，深部高突煤层在几纳米至几百纳米范围的孔隙极其不发育；其微孔、介孔和宏孔孔容占比分别为86.82%、1.20%和11.98%，而非突煤层对应分别为71.09%、7.14%和21.76%（图2（d）），整体上深部高突煤层孔隙分布较非突煤层更加不均匀，这一特征在图2（c）中也可明显看出。因此，纳米尺度的扩散孔、渗流孔隙发育差和孔隙孔径分布不均是深部高突煤层的典型特征。需要说明的是，煤体孔隙的孔容分布占比与煤的变质程度有较强的关系，部分中-高阶非突出煤层也可能出现孔隙分布不均的情况，但整体上中-高阶非突出煤中几纳米至百纳米范围孔隙仍较高突煤层更为发育。

深部高突煤层瓦斯呈高压高饱和赋存的特征。含气饱和度S是评估煤层瓦斯赋存水平的关键指标，指的是原位储层条件下实际煤层瓦斯含量和该条件下煤层总容气能力的比值。由于煤层总容气能力在煤矿现场很难进行精确测试，因此本文采用理论含气饱和度S_理进行煤层瓦斯赋存水平的参考性评估。需要说明的是，S_理是实测瓦斯含量和瓦斯极限吸附量V_L的比值，可以在一定程度上反应煤层的含气水平，但并不能代表真实的含气饱和度。图3（a）为非突煤层与深部典型高突煤层S_理的对比情况，可以看出深部高突煤层S_理远大于非突煤层，部分如平顶山矿区十矿、十二矿深部高突煤层埋深超过了1000 m，瓦斯赋存呈现出高饱和甚至有可能是过饱和状态，这意味着相当部分的高压瓦斯可能以游离态赋存于煤层，高压游离瓦斯增大了初始瓦斯膨胀能，将使得煤层突出风险显著升高。康永尚等发现鄂尔多斯盆地保德区块在600～1000m深度段煤层也出现了明显的高饱和乃至过饱和特征。深部高突煤层多呈现低压强吸附的特征。由于瓦斯主要以吸附状态存在于煤层中，图3（b）为非突和高突煤层煤样吸附量随压力的变化曲线。由图可知，高突煤层煤样的瓦斯吸附量在吸附压力较低时就发生了迅速增长，如山西阳泉保安煤矿和河南焦作九里山煤矿高突煤层煤样在1MPa的瓦斯压力下的瓦斯吸附量分别可达14.99和22.16 cm³/g，远高于内蒙古鄂尔多斯布尔台煤矿和陕西咸阳大佛寺煤矿的非突煤层煤样，意味着高突煤层压力降低后仍具备吸附大量瓦斯的能力，易造成卸压抽采不充分和残余瓦斯异常涌出，给瓦斯抽采和突出防治带来挑战。

图3 深部高突煤层瓦斯赋存及吸附特性

深部高突煤层孔隙以微孔发育为主，纳米级的扩散渗流孔道极其不发育，高压瓦斯以吸附态赋存于煤基质内纳米孔群，孔群间由狭窄喉道连接、彼此的通达性极差，较远处微纳米孔群内的瓦斯需要逐级突破狭窄的喉道才能扩散运移到渗流孔裂隙内，瓦斯解吸扩散“阻力较大”；同时，深部高应力下煤体内部渗流孔裂隙发生闭合，导致煤的基质尺度较浅部显著增大，基质瓦斯运移至裂隙的“路径变长”，导致瓦斯跨尺度解吸运移效率大大降低，在瓦斯抽采工程中造成抽采浓度衰减迅速、煤层瓦斯抽采困难，深部高突煤层多属于难抽采煤层。

图4 深部高突煤层瓦斯储运模式

研究表明，在煤层开采的深度范围内构造应力随深度的增加而增大，深部高突煤层在强构造应力作用下呈现出以下几个特征：一是构造煤的破碎程度显著增强。对于在浅部经历了脆性断裂而改变形态和位态的煤层，在深部高温高压的复杂动力地质环境下极易发生韧性变形，流变迁移的程度显著增加，特别在挤压或剪切应力场作用下且温度较高时，煤体破碎剧烈，易形成糜棱煤等高变形程度的构造煤，煤体强度显著降低。二是最大水平主应力增加。最大水平主应力与突出强度密切相关，深部构造应力增大导致最大水平主应力增加，易诱发高强度的突出灾害，比如平顶山东部矿区在逆冲推覆运动和局部向斜强构造应力的显著影响下，十矿、十二矿在600~1130 m 深 度 最大水平主应力范围为33.30~65.00 MPa，突出频数和强度显著增大；三是形成高压瓦斯异常富集区。随最大水平主应力的增大煤体渗透率呈现负指数降低，强构造应力作用下深部构造带区域渗透率较浅部显著降低，构造应力集中带内裂隙闭合、将更容易形成对瓦斯流动的天然封堵，形成高压瓦斯包，显著增大了突出风险。

如图5所示，图中虚线表示煤体性质、瓦斯压力、地应力都均衡的稳态条件下采掘工作面前方的应力和瓦斯压力分布特征。此时虽然在掘进头前方也呈现了应力集中区域，但是在浅部开采时应力集中峰值不够大，卸压带却足够长，卸压带内的煤层裂隙发育，瓦斯得到了充分释放，卸压带能够抵挡住深部的高压瓦斯，突出事故不会发生。但是当深部煤体力学性质发生变化时，如图中煤层由硬变软时的采掘工作面超前应力、煤层瓦斯、裂隙等都会发生相应的改变。通常软煤承载能力要显著低于硬煤，则工作面超前应力集中更多会被硬煤承担，只有当硬煤发生屈服变形时，才会有更多的应力集中转移到软煤上。但是在硬煤屈服之前，随着工作面的逐步推进，剩余硬煤上的应力集中会越来越显著，卸压带随之会越来越短，强大的应力集中会使得煤层内的裂隙闭合，导致深处软煤内的瓦斯不易流出，形成了应力封锁屏障，这种现象在深部则更为严重。当采掘工作面继续向前推进到某一个临界极限时，残留的硬煤会发生屈服失稳，应力迅速重新分布，大量的应力转移到软煤上，由于之前应力集中封闭了软煤内的瓦斯，此时软煤内大量的残余瓦斯就可能会破碎并抛出煤体，发生突出事故。深部的高应力状态更容易破碎采掘工作面前方的煤体，会使得突出之前煤层的瓦斯封闭的更好，这会导致采面前方虽然卸压带较浅部更长而发生突出，突出风险和浅部有显著的差异性。

图5 深部开采煤体力学性质变化诱突机理

为了验证上述分析的正确性，作者采用FLAC3D 数值模拟的方法，研究了巷道从软煤进入硬煤、再由硬煤进入软煤的全过程中巷道超前应力的演化特征。如图6（a）所示，建立了44m×40m×44m的三维地质模型，模型顶部为应力边界，其余为滚支边界，设置三向应力σ₁=σ₂=σ₃=10 MPa。假设煤岩为弹塑性体，并服从摩尔-库伦破坏准则，煤层和岩层的力学参数如表1所示。在煤层中部布置 4m×4m 方形巷道。如图 6（b）展示了煤巷的AA’剖面和整体模拟方案，即将巷道掘进分为三个阶段：（1）从软煤进入硬煤阶段，此时巷道掘进头在小于21m范围之内；（2）从硬煤进入软煤阶段，此时巷道掘进头在 21m~27m 范围内；（3）在软煤层内掘进，此时巷道掘进头在大于27m范围之内。在巷道掘进过程中监测掘进头应力、位移分布演化规律，分析突出风险的变化。

图6 数值模型构建和巷道掘进过程

很显然，在深部煤层采掘过程中，煤层内的地应力更大、瓦斯含量更高、亦煤体渗透性更低，这都会使得煤层突出风险进一步增大，即便是在极其微小的地质构造也可能会激发煤与瓦斯突出事故的发生。

图7 巷道掘进到不同位置处时巷道前方煤体地应力和位移量分布特征

 针对上述分析，作者提出深部开采突出防治主要包括合理布置、超前探测、深度卸压和强力增透四个方面：

深部地应力通常比浅部更大，这使得深部开采风险本来就较大；此外，矿井地应力随采掘过程而动态转移，浅部开采之后形成了采空区，应力降低，而扰动应力也会向深部逐步转移，导致深部开采风险更大。如图8所示，某矿首先在浅部开采，随着浅部资源的枯竭，逐渐向深部转移开采，此时除了受到深部原本高应力影响之外，浅部开采后的扰动应力也向深部传递，导致深部开采的地应力集中程度显著增加，风险相对于浅部也更大，该矿所有的突出事故均发生在深部。因此，深部高突煤层开采前更应该关注采掘的合理布置，在深部高应力矿井工作面和巷道布置时，应当重点关注矿井原始应力场及其扰动转移规律、扰动应力场动态分布特征等。然而，地应力测试难度大、测试周期长，很难获得全矿井地应力场分布特征，这也是地应力作为致突三大因素之一缺无法直接将地应力参数用于突出预测的原因。为此，作者课题组开发了矿山应力场数字孪生高精度同化反演技术，通过矿山等比例数字孪生模型构建及参数同化系列方法，实现了全矿井全时空应力场数字孪生动态反演，图8即为反演所获的某矿原岩应力场和实际采掘扰动应力场分布图。

图8 某矿不同采深原岩应力场和扰动应力场的数字孪生反演结果

采掘工作面是突出发生的主要地点，研究表面我国约有80%以上的突出发生在采掘工作面附近。通常断层、褶皱、煤层厚度变化等都会导致煤层空间赋存几何形态、力学参数等发生突变，这会导致采掘工作面扰动应力场、瓦斯流动场非一致性变化，这种非连续性变化会导致煤层局部应力集中，是诱发突出的最主要因素，统计表明超过90%的突出事故发生在地质异常区。特别对于深部高突煤层，构造应力水平较浅部增大，强构造应力下构造煤破碎剧烈，形成超低强度的碎粒煤或糜棱煤，且构造应力集中带封闭大量高压瓦斯，并最终在煤层内形成多个潜在的高危险区域。工作面前方煤层赋存的地质条件不透明、突出风险不明确给深部高突煤层突出防治带来巨大挑战，特别是小构造隐蔽性强，动态精准探测难度极大，是目前煤矿安全开采的最大危险源。因此，超前探测是深部高突煤层突出防治的关键，通过超前探测准确获取深部煤层异常构造分布、煤岩力学参数、瓦斯压力及瓦斯含量分布等关键信息，实现突出风险超前识别和精准防控成为深部高突煤层突出防治必然的发展方向。

图9 定向钻进随钻瓦斯参数动态反演结果

关于瓦斯参数探测，相关学者提出了通过实时监测定向钻孔瓦斯涌出量动态反演工作面瓦斯压力和瓦斯含量的方法，并初步进行了现场应用，测试结果如图9所示。现有方法将煤层渗透率视为常数，没有考虑渗透率非均匀分布特征。而在强开采扰动、浅部开采应力叠加和强构造应力共同作用下，深部高突煤层应力和渗透率均呈现明显的非均匀分布特征，因此在深部复杂煤层开采瓦斯参数的科学精准探测方面仍需开展进一步研究。

合理化采掘布置可以在一定程度上降低采掘应力集中和规避突出风险，但远达不到消突的要求。深部高突煤层开采扰动强、应力集中显著，采掘工作面前方应力变化梯度大，极易诱导突出发生；同时，高应力造成煤层内部裂隙闭合，渗透率衰减迅速，高压瓦斯被封闭在基质孔隙内，瓦斯流动方式从渗流变为扩散为主，运移极其困难；此外，高突煤层还具有低压段吸附能力强的特点，从图10可以看出，平煤十二矿深部高突煤的吸附等温线呈现出低压陡峭和高压平缓的特点，煤样的朗缪尔压力PL为2.33 MPa，即煤层内近一半吸附瓦斯在2.33 MPa 以下的低压段赋存。吸附等温线的斜率随压力的降低逐渐增大，即单位压降下可解吸的瓦斯量不断增加，如同样是获得2.18 mL/g的解吸，在储层压力为15 MPa时，需要降低8 MPa的压力，而在储层压力为4 MPa时仅需降低1.5 MPa的压力就可以实现。因此，由于低压段瓦斯储量占比高，在深部高储层压力下常规卸压手段常常不能满足瓦斯高效解吸的需要，这进一步增大了瓦斯抽采的难度，易造成大量低压吸附瓦斯的残留煤层，给突出防治带来挑战。

图10 深度卸压诱导煤层低压吸附瓦斯解吸的示意图

因此，对于深部高突煤层突灾害防治，作者提出需要对煤层进行深度卸压，强化卸除煤层应力至较低水平（图11），一方面诱导低压段内的吸附瓦斯大量脱附，促进瓦斯高效解吸抽采；另一方面，应力释放后煤层内部闭合裂隙重新张开，渗透率将呈现高至成百上千倍的增长，大大增强瓦斯流动能力，提高瓦斯抽采效率，充分减少煤层瓦斯含量；此外，深度卸压将显著降低煤层应力集中程度，减小采掘工作面前方的应力梯度，从而最终达到消除深部高突煤层突出风险的目的。

图11 深部高突煤层深度卸压消突原理

基于此，作者团队提出了深部高突煤层深度卸压消突技术如图12所示。

图12 深部高突煤层深度卸压消突技术

深部高突煤层微纳米孔隙孤群式发育，其间喉道狭窄，连通性极差，扩散路径极为曲折，加之高应力作用下煤体内部裂隙发生闭合，使得煤的基质尺度大大增加，扩散成为瓦斯运移的主要方式。瓦斯仅依靠浓度梯度从低透基质深处的微孔群扩散到邻近渗流孔裂隙的过程十分缓慢，瓦斯抽采极为困难，钻孔抽采浓度衰减迅速，抽采效率低下，将导致瓦斯抽采消突钻孔的工程量激增，抽采周期拉长，不但会大大增加消突成本，还容易造成采掘接替紧张。此外，深部高应力作用下水力压裂等技术造缝增透的难度增大，造成常规增透措施应用后裂缝扩展程度受限、适用性降低。因此，本文提出“强力增透”增抽消突的技术理念（图 13）

图13 深部高突煤层强力增透消突原理

对于“强力增透”，作者课题组提出了“可控爆压”均匀致裂强力增透技术。如图14 所示，通过在煤巷条带两帮一定范围施工穿层水力冲孔控制孔群，并在孔群中心施工爆压孔，通过卸压控制爆破引导水力压裂裂隙均匀扩展，形成网络化裂隙通道，同时显著降低了煤层起裂压力，实现了深部高突煤层高效均匀增透。

图14 “可控爆压”均匀致裂强力增透技术