構造煤煤層的概念及分類探析

付江偉，傅雪海，李 鵬，張 楊

（1.中原工學院 能源與環境學院，河南 鄭州 451191；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

構造煤（指狹義構造煤，不包括碎裂煤），又稱破壞煤[1]、構造變形煤[2]、變形煤[3]、軟煤[4]等，是指在構造作用下，煤的原生結構遭到破壞，致使煤體出現不同程度的破碎甚至粉化的一類特殊煤的統稱。通常認為，構造煤在一期或多期構造應力作用下形成，其結構已發生不同程度的脆韌性變形和流變遷移，煤的物理結構、內部化學結構、物理力學、聲電響應等特征與原生結構煤相比存在顯著差異[5-9]。大量研究表明，構造煤發育區無論是與煤層氣（瓦斯）資源開發效果還是煤與瓦斯突出（以下簡稱“突出”）的發生都存在直接或間接的聯系[10-11]，為了取得理想的地面煤層氣開發效果，業內在選區、布井考慮上甚至將構造煤發育區列為煤層氣開發的“禁區”。此外，有研究認為亞洲、歐洲和北美、澳大利亞等地90%以上的突出都發生在構造煤發育的強烈變形區[12]。正是由于構造煤在煤層氣資源開發和煤炭資源安全開采中扮演著重要角色，國內外學者開展了大量與構造煤有關的研究：構造煤的形成機制[6，11，13-15]、構造煤的分類及特征[6，14-15]、構造煤的孔-裂隙結構[16-19]、構造煤的力學特征[20-22]、構造煤的吸附/解吸、擴散、滲流性能[23-26]等。

盡管圍繞構造煤的形成及其特征，國內外進行了廣泛而深入的研究，并試圖從構造煤的角度揭示突出的發生機理，從而更好地為煤層氣（瓦斯）抽采和突出災害防治服務。但是這些研究都是基于對單一煤層各煤分層的研究，對構造煤煤層并未給出清晰的定義和認識。無論是煤層氣的開發效果還是突出的發生與否都是建立在整個煤層基礎上的，如山西沁水盆地晉城礦區3 號煤層盡管底部有0.7 m 左右的構造煤，但是煤層氣開發效果在國內最好；在安徽淮南礦區，構造煤分層絕對厚度<0.5 m 的區域，一般不發生突出[27]。整個煤層均為構造煤的情況十分少見，有的煤層構造煤發育在煤層的頂部、有的發育在中部、有的發育在底部，有的多次交替出現；有的構造煤分層厚、有的薄。由此可以看出，構造煤在煤層中的發育規模（如構造煤分層的絕對厚度和相對厚度等）是開展煤層氣產能評價和突出防治不容忽視的一個重要因素。前人從構造煤分層類型做了大量富有成效的研究工作，但是對構造煤煤層定義和劃分的文獻還鮮有報道。因此，開展了構造煤煤層界定的相關研究，無論對煤層氣資源的開發還是突出災害的防治都具有重要的實踐指導意義。

1 構造煤煤層的概念

為更直觀地表述或傳達煤層的某些屬性，研究人員根據煤層所具有的不同特征將其進行了多種多樣的分類，例如：根據煤層含夾矸情況將煤層劃分為簡單結構煤層和復雜結構煤層；根據煤層厚度情況將煤層劃分為薄煤層、中厚煤層、厚煤層和巨厚煤層；根據煤層的穩定性劃分為穩定煤層、較穩定煤層、不穩定煤層和極不穩定煤層；按構造復雜程度將煤層劃分為簡單構造、中等構造、復雜構造和極復雜構造；按含瓦斯情況將煤層劃分為低瓦斯煤層、高瓦斯煤層和突出危險煤層等等，這些不同的分類方法不但表征了煤層某一屬性之間的差異性，更重要的是，通過這些不同的分類或界定，更加方便了人們對事物的認識，從而更直接或科學地為人們做出針對性的決策服務。鑒于構造煤在礦井安全生產和資源有效開發中的重要影響，對構造煤本身也進行了詳細的歸類和劃分[6，15-16]，從3 個方面對開展構造煤煤層認定的必要性進行分析。

1.1 構造煤地質成因與分布

構造煤是地質作用的結果，尤其是與地質構造的影響規模和類型密切相關。研究認為構造煤的成因與分布具有尺度控制效應，這種尺度又可分為區域的和局部的[6,11,28]。對于區域尺度，例如煤田規模甚至更大的范圍內，層理滑動是主要控制因素；對于局部尺度，例如采區或工作面，貫穿煤層的斷層則起主要作用。相對于圍巖而言，煤層屬于軟巖，地層受力擠壓滑動過程中，煤層更容易發生變形破壞，在區域范圍內，順層滑動作用下，煤層流變和韌性剪切帶會導致煤層變形程度不同，煤體結構更加疏松，煤骨架的力學性能降低。在局部尺度上，以斷層為例，斷層滑移面是構造煤的主要發育部位，其中又以斷層上盤面更為顯著，構造煤的發育特征與斷層不同時間和空間下的應力密切相關。

構造煤受控于地質構造作用，區域分布與含煤盆地經歷的構造運動密切相關。我國主要的成煤期為石炭紀、二疊紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀，成煤之后發生了多期構造運動，主要包括印支期（晚二疊紀至三疊紀），燕山期（侏羅紀至早白堊紀）和喜馬拉雅（新近紀早期至更新世）[29]。其中尤以晚古生代的石炭-二疊紀含煤盆地經歷的構造期次最多，煤層賦存的地質條件最為復雜，構造煤發育相應也較為突出。在中國版圖內，石炭-二疊紀煤主要聚集的中東部和西南地區構造煤最為典型，而西北和華北北部因為成煤期相對較晚，經歷的構造運動也較少，這些地區的構造煤不十分發育。值得注意的是，我國最晚的成煤期也有23.5～0.78 Ma，嚴格意義上說，在漫長的地質作用下，煤作為一種軟巖，幾乎所有煤田都有存在構造煤的可能。因此，對于指導煤層氣開發和突出災害的防治來說，僅僅摸清構造煤成因及其存在與否還不夠，更應該從如何定義構造煤煤層的角度來探討其對實踐的指導。

1.2 構造煤與瓦斯突出的關系

按照綜合假說觀點，煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯壓力和煤體結構3 個因素綜合作用的結果[29]。國內外大量突出點的實際調查統計也證明幾乎所有發生突出的地點或附近都發育有一定厚度的構造煤[30]，一定厚度的構造煤是發生突出的必要條件。構造煤之所以與突出之間存在密切聯系，一定程度上在于構造煤的存在其本身就是綜合假說三要素的體現：首先，從構造煤的成因來說，其是地質構造應力作用的結果，因此，構造煤發育區也是應力集中區；其次，構造煤微孔隙發育、吸附性強、滲透性差，瓦斯保存條件好，相應的瓦斯壓力也較高；再次，構造煤強度低、易破碎，抵抗能力弱，最易被破壞和拋出。

從能量轉移和守恒的角度來說，煤與瓦斯突出的發生本質上是失衡條件下能量積聚、轉移和釋放的過程，包括孕育、激發、發展和終止4 個階段[11]。在激發階段中，突出能否發生取決于煤體貯存的能量是否超過了對應的閾值，而這主要依賴于煤層中應力能的大小，在這個過程中，能量的蓄積和消耗可以用能量守恒方程式進行表達：

式中：W 為煤體的彈性潛能，J；λ 為煤體中瓦斯的膨脹能；A 為煤體破碎到突出煤粉時的能量，主要用于煤體的破碎、搬運等能量的消耗，J。

從能量上，構造煤之所以比原生結構煤更有利于突出的發生，一方面在于構造煤受力形成過程中本身蓄積的彈性潛能就高；另一方構造煤更大的吸附能力和對瓦斯良好的保存條件，煤體中瓦斯的膨脹能也更大。除此之外，當平衡狀態被打破后，構造煤的瓦斯解吸、釋放能力又顯著高于原生結構煤。據有關研究[11]，在相同采樣位置處的甲烷擴散性能，構造煤的甲烷擴散系數為原生結構煤的1.26～94.05倍，平均為12.2 倍，再加上構造煤顆粒相對較小，嚴重的甚至已經粉化，用于煤體破損和搬運所消耗能量也相對較少，因此，構造煤發育區往往也是突出發生的優勢地區。

含瓦斯構造煤一定程度上對突出起到了綜合的控制作用。基于此，國內不少礦區將構造煤厚度作為預測突出的1 個重要參考[16]，如陽泉3 號煤層發生突出的構造煤厚度為0.45 m。南桐礦區4 號煤層的構造煤厚度為1.6～2.0 m，發生突出的次數占全礦總次數的48.3%，平均突出強度110 t；5 號煤層構造煤厚度0.04～0.3 m，發生突出的次數占全礦總次數的23.6%，平均突出強度31.6 t；6 號煤層構造煤厚度0.1～0.4 m，發生突出的次數占全礦總次數的24.8%，平均突出強度37.1 t。一般認為如果構造煤較薄，在0.15 m 以下時，不管其它條件如何都不會發生突出。

由于煤與瓦斯突出的復雜性，各礦區突出的發生和構造煤厚度之間很難給出1 個確定的數值，但即使如此，一定厚度構造煤的存在是突出啟動和發生的物質基礎和能量來源是毋容置疑的，足夠量的瓦斯供應是突出持續發展的保障，為提高突出危險預測的準確性和災害防治開展的針對性，進行構造煤煤層認定和劃分仍然具有十分重要的指導意義。

1.3 煤體結構對煤層氣開發效果的影響

產氣量是評價煤層氣開發效果的最直觀方式，煤層氣井能否保持穩產、高產主要與煤層的解吸半徑和氣體解吸產出的難易程度有關，吸附氣越容易解吸產出且解吸半徑越大，煤層氣井就容易實現穩定高產。

煤層氣井理論產能表示如下：

式中：Q 為煤層氣井理論產能，m3；R 為解吸半徑，m；h 為煤層厚度，m；ρ 為煤層密度，t/m3；α 為解吸率，%；V 為煤層含氣量，m3/t。

從式（2）可以看出，在某一確定的區塊內，煤層厚度、含氣量、密度等參數基本是穩定的，煤層氣產能主要受控于解吸率和解吸半徑。研究表明，與原生結構煤相比，構造煤具有更大的比表面積和更強的氣體吸附能力[31]，對于結構破碎嚴重的碎粒煤、糜棱煤，孔隙連通性差且儲層改造難度大，在沒有有效釋放空間的情況下，氣體是極難進行解吸并持續傳輸的，因而不利于煤層氣開發。

根據研究者對山西古交礦區煤體結構和產能關系的研究[32]，氣井日產量與破碎煤層厚度占比存在顯著的負相關關系。在古交礦區的東部、東北部以及南部馬蘭向斜兩翼區，煤體以原生結構煤為主，碎裂煤次之，堅硬煤占比超過55%，最多可達80%，特高產井（>1 000 m3/d）、高產井（500～1 000 m3/d）以及中產井（300～500 m3/d）主要分布在這些地區；而在馬蘭向斜的軸部，以碎粒煤為主的碎軟煤，所占比例超過60%，最高可達83%，由于碎軟煤占比過大，多分布低產井（0～300 m3/d），甚至干井（0 m3/d），在碎軟煤占比過大的直井中，即使進行壓裂，產氣量依舊很低。因此，從提高煤層氣開發效果的角度出發，將構造煤煤層厚度或其在全煤層中所占比例作為一個限制性選區參數進行利用十分必要。

2 構造煤煤層界定的原則與依據

1）構造煤煤層與構造煤在概念認識上不同，構造煤本質上是一種特殊的煤，對其分類主要著眼于煤體本身的變化，強調的是破壞程度的不同以及相應的表現特征，因此，構造煤的認定和劃分以客觀屬性的表達為主。而本文所指的構造煤煤層雖然也是基于構造煤的客觀屬性，但并不單純地將構造煤分層叫構造煤煤層，也不簡單地將發育有構造煤分層的煤層就稱為構造煤煤層，而是結合構造煤的發育程度、規模以及與整個煤層的組合情況，對其進行綜合認定，目的是將這種稱呼或分類所傳達的信息更直觀、方便、有效地用于生產實踐的指導。

2）構造煤煤層的界定要有明確的目的性或指導性：①直觀上能夠表達出構造煤在絕對厚度或相對厚度（構造煤占該煤層的厚度比例）上的發育程度；②一定程度上能夠反映出該煤層是否會發生煤與瓦斯突出或突出危險發生的相對難易程度；③在煤層氣資源開發選區和煤層氣開發效果評價方面，可以作為1 個重要的參考，對區塊進行優選或否決。

3）構造煤煤層的分類范圍是全部煤層，即，通過構造煤煤層的界定，將整個煤層劃分為幾類，構造煤煤層是該屬性下的一類。當然，根據實際情況或需要，也可對構造煤煤層再進行亞類劃分。

4）無論是對煤與瓦斯突出的發生還是煤層氣的開發，構造煤要起到顯著的影響，都需要一定規模的構造煤分層厚度作為前提。因此，將構造煤的絕對厚度作為構造煤煤層認定和劃分的一個重要指標，相對厚度作為輔助指標加以利用。

5）構造煤破壞程度不同，其所具有的物理力學性質以及所體現突出傾向性也有所差別。因此，構造煤煤層劃分過程中應對這一特征應有所體現。構造煤的類別劃分有多種，鑒于河南理工大學提出的“四分法”[16]最有較強的代表性，在使用過程中將作為主要參考。

6）構造煤煤層的界定與劃分力求簡單實用，易于辨識，根據這一特點和要求，整個分類將煤層劃分為原生結構煤層、過渡結構煤層和構造煤煤層3 大類。

3 構造煤煤層的界定與劃分方案

為方便對比構造煤煤層與非構造煤煤層之間的區別與聯系，煤層類型的劃分范圍為全部煤層，按煤層破壞規模共分為3 個類型，即：Ⅰ原生結構煤層、Ⅱ過渡結構煤層、Ⅲ構造煤煤層，分別代表的煤層破壞程度為較輕、較重、嚴重，這3 類煤層在災害風險等級和煤層氣開發評價方面各自具有不同的表征意義。Ⅰ類煤層的突出危險等級較低，為低風險，是煤層氣開發的優選區；Ⅱ類煤層的突出危險等級中等，具有一定程度的風險，在煤層氣開發選區評價方面盡量規避；Ⅲ類煤層的突出危險等級最高，極易發生煤與瓦斯突出，對于煤層氣開發，現有技術條件下，一般要力求規避。基于煤體破壞規模的煤層結構分類見表1。

表1 基于煤體破壞規模的煤層結構分類Table 1 Classification table of coal seam structure based on coal failure scale

表1 中：dg為某煤層構造煤的累積厚度，也稱為構造煤的絕對厚度，構造煤是依據河南理工大學的“四分法”[16]認定的，統一將其中的Ⅲ、Ⅳ煤視為構造煤；A 為構造煤占該煤層厚度的百分比，也稱構造煤的相對厚度，即:

式中：d 為煤層厚度，m。

與其它關于構造煤的分類方案相比，以往研究都是基于對單一煤層各煤分層的認定，關注的重點主要是煤體結構本身是否發生變化，強調的是破壞程度的不同以及對應物性特征的表現。而劃分方案針對的是整個煤層的認定，除考慮是否發育構造煤外，更加注重構造煤的發育規模（如：絕對厚度、相對厚度），前后方案出發點存在本質不同。本劃分方案的優點在于：①基于構造煤的發育規模，實現了對整個煤層破環程度的認定和劃分，在煤層屬性傳達上，豐富和完善了煤層分類方案；②明確了每類煤層所屬類型的界定指標，實現了煤層類型認定的定量評價，可操作性更強；③指出了每類煤層在瓦斯災害等級和煤層氣資源開發評價方面所表征的意義，實踐指導價值更強。

4 結 語

1）構造煤發育區對煤礦安全生產和煤層氣資源開發的不利影響是業界人士的共識，理論上構造煤的發育存在普遍性，但具體對生產實踐的影響程度與其絕對厚度，包括相對厚度密切相關。從構造煤煤層界定與劃分的必要性對上述問題進行了探討，通過對構造煤煤層的認定，一方面，在煤層屬性傳達上，豐富和完善了煤層的分類；另一方面，通過對構造煤煤層的分類，將每類煤層所表征的瓦斯災害危險性和煤層氣開發難易程度直接、形象地表達出來，更有利于生產實踐的應用。

2）研究以構造煤絕對厚度0.5、1.3 m 和占比25%、50%將煤層劃分為原生結構煤層、過渡結構煤層和構造煤煤層。所提出的構造煤煤層劃分原則與依據、類型、界定指標等是初步的，隨著研究工作的深入開展，基于煤體破壞規模的煤層結構分類方案會更加細化，所采用的界定指標也會進一步優化，屆時劃分方案將更加科學和完善。