煤与有机岩石学在煤矿安全中的应用研究

2021-10-25马长玲陈弦

工业安全与环保 2021年10期

马长玲陈弦

(1.陕西能源职业技术学院陕西咸阳 712000； 2.陕西煤业化工建设(集团)有限公司西安 710000)

0 引言

煤岩学是以岩石学观点和方法来研究煤的物质成分、性质和工艺用途，并确定其成因和合理应用的科学[1]。煤岩学一般分基础煤岩学和应用煤岩学。其中，应用煤岩学主要是利用煤岩组分、物化性质差异指导煤炭行业发展，具体包括石油地质、煤田地质、煤核及聚煤古植物研究、煤自燃、突出煤、煤分类、选煤工业、配煤炼焦和煤液化等领域[2-4]。

在调研国内外大量文献的基础上，本文分析了煤岩学在煤矿安全方面的研究进展，并将煤岩学在煤矿安全中的应用概括为下面4个方面：煤自燃、煤与瓦斯突出、岩石力学和职业健康安全。在此基础上，本文具体阐述了其今后的发展方向。

1 在煤自燃中的应用

1.1 煤自燃及其危害

煤自燃火灾常发生在煤矿井下的采空区、遗留的煤柱、破裂的煤壁及浮煤堆积等地点。文献统计显示，煤自燃火灾约占矿井火灾的70%，部分严重的矿区其占比在80%～90%[5]。据报道，早在1961年，我国内蒙古乌达煤田浅部煤层就开始自燃。到上世纪七八十年代，乌达煤田涌现出数百个小煤窑，大规模的无序开采严重破坏了煤田地质结构，造成了煤田浅部多煤层燃烧。2002年的资料显示，当时乌达煤田着火面积307.6万m2，约占整个煤田8.8%。2006年至2008年进行的“灭火工程”，非但未能灭火反而加大了火灾治理难度，并酿成了生态环境灾难。煤自燃的危害可以总结为以下3个方面[5]：

(1)经济损失。煤自燃不仅会烧掉很大一部分煤炭资源，还会造成火区之间的煤炭资源无法开采。另外，火区灭火也会给矿区和地方政府造成一定的经济负担。

(2)安全危害。对于露天矿来讲，煤层地下自燃会造成矿区下部岩石结构稳定性变差，从而有可能引发地陷、突水等地质灾害。对于井工矿来讲，煤自燃会导致矿井火灾与爆炸，并引发一系列次生灾害。

(3)生态环境危害。煤自燃会释放大量有毒有害气体，加剧地区的空气污染和酸雨问题，加剧温室效应；致使地下水污染及流失；在地表造成岩石烧变、崩塌，在地面形成裂缝、塌陷，土壤沙化，对植物造成严重危害。

1.2 煤自燃的煤岩学研究

1.2.1 煤自燃因素

长期以来，国内外众多学者从煤岩学的角度对煤自燃问题展开了研究，取得了一系列研究成果。NOTZOLD E[6]研究认为在空气循环不充分的地方，温度的升高是由煤的导热性差异造成的。且镜质组总是最易于自燃的显微组分，但这种危险性与外部因素(体积、密度等)组成。SCHRODER H[7]研究了煤的粒度组成、煤层厚度、煤级与自燃趋势间的相关性，她将在没有外源附加热供给的条件下由于氧化作用产生放热反应而发生自燃的温度称为起始温度。CHAKRAVORTY R N等[8]以及MORRIS R等[9]综述了影响煤自燃潜力的因素(表1)，包括三大类：煤的内在不可控因素、地质的内在不可控因素和采矿过程中的可控因素。

表1 煤自燃的关键因素

对于煤自燃的内因，国内外众多学者从煤岩学的角度进行深入的研究[5,10-11]，研究成果可以总结为表2所示。

表2 煤自燃的内因研究

1.2.2 氧化煤

氧化煤的煤岩学研究最初是为了查明引起矿井火灾或煤自燃的原因。FERRARI B[12]在研究德国鲁尔煤田爆燃火灾时指出，镜煤在爆燃火灾中起了决定性作用，而其他组分却很不容易吸收氧。有研究认为，最稳定和最少吸收氧的是暗淡煤和半暗煤；最容易氧化和吸收氧的是构造糜棱岩化的镜煤和镜丝煤型煤。氧化初期，光亮煤比暗淡煤氧化得更迅速，但在后一阶段，光亮煤的氧化作用就减缓了。

(1)显微构造和反射率。按氧化作用的性质，氧化煤的显微构造有很大的差别。为了探索自然氧化或风化煤不同显微构造的形成条件，在有控制的、条件极不相同的实验室中对各种煤进行氧化。研究发现，在各种因素中，氧化温度对氧化作用的性质有相当大的影响。

(2)氧化作用。当煤在低温下(150 ℃以下)受风化时，由于通常局限于镜质组中微孔像、微碎裂、微裂隙的形成而往往共有特征的物理结构。当氧化温度较高时(150℃以上)，一般会产生各种类型的纤维裂隙构造。镜质组的反射率可能增加，也可能在裂隙边缘或颗粒周围形成氧化环，而位于颗粒内部的镜质组的反射率可能会增加，偶尔可能找到围绕有较暗的边或环的镜质组。

1.2.3 煤自燃监测

燃烧是O2吸收量的一个函数，在形成过氧化物复合物时产生热量。复合物不稳定，会释放CO和CO2。监测气体成分是一种预防潜在煤自燃的方法，尽管在实际中CO2来源有很多，但是CO却较少，因此一般通过监测CO来预防煤自燃[13]。

FENG K K[14]研究了几种用于预测自热潜力的分析方法。静态等温试验被认为是最好的预测指标，其原理是测量产生的CO和吸附的O2比值，即CO/△O2。高CO/△O2表示对燃烧的敏感性高。交叉点温度是一种广泛使用的测试方法，它决定了自热超过输入热量的点[14]。GOUWS M J等[15-16]提出了一种更详细的微分热分析仪(Differential Thermal Analyzer，DTA)衍生参数组合法。然而，FENG K K[14]发现交叉点温度能很好替代静态等温方法，最终的O2与CO/△O2之间具有很好的相关性。最终O2是由差异决定的，因此，不应将其作为唯一的指标。另外，类脂组的含量也与燃烧敏感性有关。类脂组和最终O2可以用于检测交叉点温度或静态等温法。

2 在煤与瓦斯突出中的应用

煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中面临的一种重大灾害。传统上，研究人员对突出煤仅从采矿安全角度进行研究，近20年来已发展到从煤岩学、地球化学、气体动力学等方面来研究其物质组成、结构特征及气体能量等[4]。

2.1 突出煤的宏观煤岩特性

突出危险煤层往往是具有碎屑状、片状、粒状结构的“构造煤”，原生结构的煤一般不发生突出。“构造煤”是在构造应力作用下，原生煤层发生碎裂、挤压、揉搓，形成粒-粉状。构造煤已失去原来的条带状结构，它在宏观上主要有3个特点：①煤的原生结构受到破坏；②具有明显的构造结构特征；③手试强度低[4, 17]。

构造煤的原生宏观煤岩组成常难以分辨，据研究常有两种类型：一类是以亮煤和镜煤为主、呈粒状、鳞片状，它所反映出的暗淡光泽是光干涉造成的；另一类是以暗煤和亮煤为主的暗淡煤，表现为破碎状和块状，其煤岩组成中常含有较多的壳质组。对北票矿区主要突出煤层的显微组成统计结果(其中，镜质组最高达97%，最低达33%，一般为51%～84%；惰质组1%～36%；壳质组一般为0%～9%)也表明，镜质组仍然是突出煤的主要有机显微组分。

2.2 突出煤的显微煤岩特性

煤与瓦斯突出与构造煤直接相关，构造煤的影响因素除了构造应力、沉积条件、煤化程度等一系列因素之外，煤的性质作为内因也是一个重要的影响因素。

(1)镜质组。镜质组是突出煤中最主要的有机成分，其中的基质镜质组不但占有较高比例，而且在突出与非突出的煤中表现出明显差异。在突出煤中，主要是不均一基质镜质体和块状镜质体，结构镜质体较少，且细胞腔常充填树脂体、沥青质体等类脂物质；在非突出煤中主要是均质镜质体。

(2)惰质组。突出煤中的惰质组主要是结构保存较差的丝质体、半丝质体、粗粒体和各种形态的微粒体。

(3)壳质组。在突出煤，有较多的壳质组成分，如木栓质体、树脂体、孢子体、角质体等，且在中低煤化程度的突出煤在相对荧光强度较强。

(4)黏土矿物在突出煤中分布广泛，大部分呈分散状和条带状，且多余镜质体伴生，有的还充填在丝质体胞腔和组分分界面之间。

(5)在煤化过程产生的次生组分。煤化过程中，煤中有机质，特别是富氢组分会发生强烈的成烃作用，而易突出煤层常是富氢组分富集、成烃作用较强的煤层。伴随着成烃作用的发生，易突出煤中常形成一些具有代表性和特殊意义的组分，主要包括：渗出沥青体、各种类型的各向异性体、微粒体等。

2.3 突出煤的超微结构

(1)非突出煤的超微结构特征：在扫描电镜下，非突出煤表现出结构均一，质地纯净，表面平整，均质致密，有时可见纤维贝壳状端口或球状断口和放射状细纹。

(2)突出煤的超微结构特征：①超微断口和微裂隙。突出煤中断口脊线密度大，呈片状，放大后可见次级构造及三级构造。微裂隙在突出煤中表现丰富，大小不一，形状不同，从而使煤变成不规则块体。②突出煤的破坏结构特征。在扫描电镜下，突出煤常有角砾状、片状、粒状等破坏结构。它们是在一定的构造应力作用下，煤层发生脆性破裂或塑性流动形成的。③突出煤的孔隙特征。煤孔隙是煤含瓦斯性、渗透性的重要参数，也是一项突出的重要因素。突出煤中微孔隙错综复杂，除了植物残留组织孔、晶间孔等非突出煤中的孔隙外，还含有较多的变质气孔。变质气孔对煤中的瓦斯流动带来了阻力，有利于瓦斯内能聚集。

3 在岩石力学中的应用

3.1 煤强度

机械化采煤过程中，煤的硬度过大会影响煤的可采性，它影响的因素包括以下3个方面[2]：

(1)地层压力高，或者开采的相互作用。

(2)相对于煤的内生裂隙的方向，工作面的方向选择不正确。

(3)有厚的丝炭分层存在，或者煤的矿物含量高。

工作面方向的错误可以通过测量煤的内生裂隙系统的方向来辨别；所得到的结果以“煤的内生裂隙玫瑰图”形式表示。厚的或者矿化的丝炭分层一般用肉眼可以辨认出来。如果对暗淡分层的性质有怀疑时，可以采一个或几个样品在显微镜下作鉴定试验。当一个煤层中夹的一些分层或凸透镜体具有不利的或者矿化的内生裂隙系统的特征时，这样做不但对确定其显微组分或显微煤岩类型的组成及其矿物质含量可能有用，而且对确定其抗压强度、抗张强度或它们的“可钻性”可能有用。

煤的强度和硬度、抗压强度、断裂韧性或可磨性有不同的估算方法，但所有方法都将显示出与煤的等级、类型和等级相关的趋势。在给定的等级下，由于显微组分、条带结构和劈理密度的差异较大，单个岩石类型的抗压强度差异较大[18]，如图1、图2所示。图中，BB：光亮带状煤，镜煤> 60%～90%;IB:夹层煤，镜煤40%～60%；DB:暗带状煤，镜煤10%～40%；DM:暗煤，镜煤1%～10%;D:暗煤，镜煤<1%。

图1 Rv max= 0.8%单层煤岩类型在0.2 MPa围压作用下的峰值抗压强度

图2 不同围压条件下不同煤的抗压强度分布

3.2 瓦斯抽放

瓦斯抽放特性是实测瓦斯含量、解吸速率和煤渗透率的函数。渗透率随有效应力的增大而减小，而有效应力通常随覆盖深度的增大而增大。另外，结构不连续会降低煤的强度，增加了用于采矿前和瓦斯抽采的煤的渗透性，进而降低煤与瓦斯突出的可能性。图3显示了澳大利亚二叠纪布利土煤层的亮带状煤与暗煤渗透率的大小差异。图中根据有效应力估算深度。亮煤定义为亮带状>60%镜煤；钝煤<10%镜煤。

图3 澳大利亚悉尼盆地二叠纪亮带状暗煤渗透率与有效应力

对于给定的压力或深度，如果水平应力垂直于工作面夹层方向，则充填作用可降低夹层渗透性。在地下矿山中，应力大小和方向相对于固有宏观结构不断发生变化，使得预测低渗透或突出区域成为一个多维问题。在断层带发生构造变形或角砾化的煤附近，当气体积聚而无法逃逸时，这种情况比较普遍。

3.3 黏土等膨胀矿物

煤中最重要的矿物组是粘土矿物类，其平均含量约占与煤共生的矿物质总量的60%～80%，但对其成因的了解还较少。煤的所有显微煤岩类型中都可能或多或少地含有粘土矿物。因此，可以区分出微镜煤质、微亮煤质和微暗煤质的微碳泥质岩。微丝煤质的微碳泥质岩很少见，微镜煤质和微亮煤质的微碳泥质岩类型最常出现。

粘土矿物、微碳泥质岩和泥质页岩在有水的情况下能够膨胀。膨胀性能以蒙脱石组矿物最为强烈，伊利石也有膨胀。膨胀常伴有强度的显著降低，并可能导致矿物完全崩解。这就是煤矿中底板隆起和某些富含黏土的顶板支护困难的原因之一[2]。

4 在职业健康安全中的应用

尽管煤炭开采技术很成熟，但有关其健康后果的研究成果仍在不断涌现。人们早就认识到，在采矿过程中吸入粉尘与煤会导致矿工尘肺(Coal Workers′ Pneumoconiosis，CWP)，其特征是在肺气体交换区发生粉尘引起的病变。研究表明，可吸入煤矿粉尘的质量与CWP的发生和严重程度有直接关系。该疾病是空气中的粉尘量和矿工吸入可呼吸粉尘的累计时间的函数。CWP也受到煤阶的影响，对于类似的粉尘暴露，CWP在无烟煤矿工中的流行程度是低级煤矿工的5倍。美国、英国、法国和德国的研究表明，尽管可吸入粉尘的暴露程度相当，但不同煤矿的CWP患病率和严重程度存在显著差异。

根据美国煤炭工人尘肺病的研究和美国地质调查局的煤炭质量数据库表明，CWP在美国7个矿区流行度与煤中具有生物可利用性铁(Bio-available Iron，BAI)具有较强的相关性，相关系数r= 0.94,p<0.001 5)[19]。CWP患病率也与黄铁矿(r= 0.91,p<0.004 8)或总铁(r= 0.85,p<0.016)含量有关，但与煤阶(r= 0.59,p<0.16)或二氧化硅(r= 0.28,p<0.54)含量无关。有学者利用CWP患病率的线性拟合和计算得到的7个煤矿地区的BAI，进而得出并绘制了7 000个煤样的尘肺潜在可能性(见图4)。研究表明，即使在大规模开采之前，煤中BAI的含量也可以用来预测煤的潜在毒性。