煤与瓦斯突出与断层控制作用的研究热点及脉络演进<br/>——基于CiteSpace的可视化分析

煤与瓦斯突出与断层控制作用的研究热点及脉络演进
——基于CiteSpace的可视化分析

2023-11-24胡嘉英陈学习陈星宇

华北科技学院学报 2023年5期

胡嘉英,陈学习,陈星宇

(华北科技学院矿山安全学院,北京东燕郊 065201)

0 引言

对于煤与瓦斯突出,国内外专家学者在突出发生机理方面进行了众多研究,这些研究基本上可以归纳四个方面:瓦斯主导作用假说、地应力主导假说、化学本质作用假说以及综合作用假说,其中综合作用假说得到国内外学者的普遍承认[1]。综合作用假说中具有代表性的研究主要有:动力效应说(英国-鲍来)、能量假说(苏联-霍多特)、分层分离说(苏联И.М.彼图霍夫等)等;而国内学者在此基础上对煤与瓦斯突出的发生机理进行了进一步的丰富和发展,其中经典研究主要有:中心扩张学说,二相流体假说、流变假说、球壳失稳假说以及流固耦合失稳理论等[2-5],这些理论都极大地推动了煤与瓦斯突出的研究,对突出在不同方面的表现进行了解释,指导人们对煤与瓦斯突出灾害的防治,更多学者[6-7]也同时在朝着如何将突出机理模型化、定量化来揭示突出机理的方向前进。

断层构造带是煤与瓦斯突出高发区,如2004年10月20日,大平煤矿轨道下山岩石掘进工作面发生特大型煤与瓦斯突出并引发爆炸事故,其原因为揭露一条落差10m左右的逆断层,区域煤体为严重破坏的构造煤且煤体内部形成了高能瓦斯带,事故调查发现在距突出位置78m的堆积物中发现泥岩岩块,其断层有明显摩擦镜面;此外,在河南安阳龙山矿,曾发生煤和瓦斯突出80余次,突出主要发生在向斜和背斜的轴部以及断层带附近。此外本文通过文献调研和现场资料收集统计了最近十年来发生在各省份的20余起煤与瓦斯事故,总结整理了事故发生的位置、时间和直接原因如图1所示,发现由于地质构造原因发生突出案例23起,占比69.69%,其中因工作面过断层发生突出14起,占比42.42%,为占比最多的突出发生原因。

因此很多学者对断层带突出发生机制进行重点探究,由于煤与瓦斯突出发生条件的多样性及断层构造的复杂性,学者主要综合考虑断层构造带瓦斯运移特征、应力分布特征以及断层构造物理特征来阐述断层构造对突出的作用规律及解释断层带发生突出的原因。郭德勇等[8-10]基于煤与瓦斯突出与地质构造的关联性,通过摩擦滑动试验发现了突出过程的粘滑失稳现象,基于此提出了煤与瓦斯突出的粘滑失稳猜想,并且基于此建立了突出粘滑失稳—突变理论预警模型。潘超[11]研究了开采扰动条件下断层活化诱导突出过程中的断层活化规律、断层及相关煤层的应力分布规律及变形破坏特征、瓦斯运移及突出动态特征,探究了地应力和煤层瓦斯赋存及运移对断层影响带内突出的作用,发现工作面向断层推进时,断层上盘更易于活化甚至滑移,进而揭示了开采扰动对断层活化诱发突出的作用机理。如韩军等[12-14]基于向斜构造的应力、煤体结构和瓦斯压力及含量等特征,建立了“多层岩体弯曲滑动应变系统”,得到煤与瓦斯突出的主要诱因就在于向斜构造同时具备的高地应力、高瓦斯压力(含量)和构造煤发育三个因素。张浪等[15]研究了断层应力状态对突出的影响,分析得到断层应力状态与走向特征的关系,并基于此得到了煤与瓦斯突出发生的失稳条件。Cao等[16]和Li等[17]学者针对断层突出发生的区域进行分析,探究了断层相关的特定危险区域的构造变形及瓦斯含量特征,基于此提出了突出的危险区。Li等[18]学者则将断层可划分为断层核、糜棱化带和碎裂带三个区域,采用地应力测试、数值模拟等手段得到了主应力旋转和断层带应力状态,进一步阐述了与应力状态相关的断层带渗透率演化特征及煤体破坏特征,来说明断层对煤与瓦斯突出产生的不利影响。郝富昌等学者[19]分析了重力滑动构造对煤层厚度、煤体结构、应力状态、煤的变质程度、瓦斯赋存等的影响,阐明了重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用。

1 数据来源及分析方法

上述介绍了关于煤与瓦斯突出发生机理的主要研究进展,并重点阐述了断层构造对瓦斯突出控制作用的一系列研究,其研究重点包括瓦斯地质、构造物理、岩石及地质力学以及构造煤物理结构等多个方面,可知煤与瓦斯突出领域研究具有学科交叉程度高、覆盖范围广、考虑因素复杂及研究方向多等特点。为从整体上更宏观地明确煤与瓦斯突出领域的研究热点及研究前沿,利用CiteSpace软件构建知识图谱,对相关研究热点内容进行可视化表达,分析瓦斯突出特别是考虑断层带突出发生机理的研究状况和发展方向,为煤与瓦斯突出领域的深入研究提供参考。目前已有学者认识到对研究文献进行知识图谱和计量分析的重要性,在煤矿瓦斯安全或瓦斯突出灾害领域,谢宏等[20-21]学者进行了瓦斯突出或瓦斯灾害防治方面的可视化分析,学者徐超[22]进行了煤与瓦斯共采领域的知识图谱分析,但是其数据来源都仅局限为CNKI中文文献,本研究中文献来源将包括CNKI和Web of Science中英文期刊,对煤与瓦斯突出相关研究进行更全面的分析。

结合本文研究对象,选择分别以“煤与瓦斯突出”,“煤与瓦斯突出+断层”和“coal +gas outbursts”,“coal +gas outbursts+ fault”为主题进行中英文来源期刊进行检索,经过对提取数据文献进行不相干内容、缺失内容等剔除,分别获取CNKI来源文献1943篇、417篇,Web of Science数据来源文献1133篇、74篇。

2 研究关键词及热点分析

论文关键词是文章整体内容的核心,对关键词进行提炼分析可以反映出本研究领域的热点,选取时间段为2000～2022年,得到如图21所示的“煤与瓦斯突出”和“coal +gas outbursts”研究相关的关键词共现网络图和聚类图;其中共现网络图为提取的所有关键词,其节点的大小可以直观地看出关键词出现的频次,进而发现本领域的研究热点;而聚类图则是将关键词进行关联分析及归纳总结,通过聚类分析将其归纳分类,可看出所研究主题的关联程度和覆盖范围。

图2 煤与瓦斯突出关键词共现网络图和聚类图

如图2(a)(c)分别为中英文期刊文献的关键词共线网络图,表1为中英文文献的高频关键词,煤与瓦斯突出领域研究可大致分为两个方面:(1)煤与瓦斯突出机理,CNKI文献核心关键词包括“瓦斯压力、数值模拟、构造煤、瓦斯地质、石门揭煤、地应力、临界值等”;Web of Science文献核心关键词包括“methane,model,mechanism,permeability,deformation,desorption,pressure”;(2)煤与瓦斯突出预测及防治,CNKI文献核心关键词包括“预测、瓦斯抽采、瓦斯地质、石门揭煤、临界值”等;而Web of Science文献主要集中于机理研究,对于偏向现场工程实践的突出预测及防治方面研究热度较低。由关键词聚类图2(b)可看出,“构造煤”研究关联度最高、覆盖范围最为广泛,与构造煤相关紧密的主题包括“预测、敏感指标、影响因素、预警方法、突出防治措施、煤矿安全”,其主要集中在突出预测及防治方面,这是由于突出多发生在构造带的缘故,因此针对构造煤的突出预测及突出防治的相关研究成为研究重点;其次为瓦斯压力,说明瓦斯压力对于突出发生影响也尤为关键。由关键词聚类图2(d)可看出,“gas drainage”研究关联度最高、覆盖范围最为广泛,与构造煤相关紧密的主题包括“gas outburst,long-term sorption,langmuir adsorption,rock failure”,其研究主题主要偏向吸附解吸、煤岩破坏及瓦斯流动机理研究,这是由于近些年来瓦斯抽放成为治理瓦斯灾害的主要手段,因此与煤渗透率相关的瓦斯渗流扩散机理成为研究热点,其对提高瓦斯抽采效率防治煤与瓦斯突出具有重要意义。

表1 煤与瓦斯突出热点关键词频率

如图3所示为主题“煤与瓦斯突出+断层”和“coal +gas outbursts+ fault”研究相关的关键词共现网络图和聚类图;表2为中英文文献的高频关键词。可以由图3(a)(b)看出CNKI文献对于断层-煤与瓦斯突出研究机理的研究热点关键词主要可以归类为四个方面:构造煤、瓦斯(瓦斯地质、瓦斯赋存、瓦斯含量等)、应力(地应力)与地质因素(地质构造),而对于突出防治预测则主要有“主控因素、实时预警、敏感指标”。而Web of Science文献中相关研究较少,图3(c)(d)可知其关键词包括“mine,methane,deformation,mechanism,evolution,basin”,其聚类图可知其关联性最高的关键词为“tectonic stress field,particle flow method,methane,coal mining”,可知其研究点也主要落脚于瓦斯(methane)和应力(tectonic stress field,mine,deformation)。因此目前对于断层构造—突出发生机理的相关研究,研究内容方面断层带瓦斯和应力特征以及构造煤和构造特征是主要研究方向,现场预测防治则依赖于主控因素、敏感指标及实时预警方面的探究。

表2 断层—突出热点关键词频率

图3 断层—瓦斯突出关键词共现网络图和聚类图

为更明确断层—煤与瓦斯突出相关文献的研究细节,并探究其研究发展趋势和热点规律,进一步分别展示CNKI和Web of Science来源文献的“煤与瓦斯突出+断层”和“coal +gas outbursts+ fault”关键词时区可视化。

如图4为CNKI文献中断层—煤与瓦斯突出相关研究的关键词时序图,可知其同样在突出机理方面可分为构造煤、瓦斯(瓦斯地质、瓦斯赋存、瓦斯含量、瓦斯参数、瓦斯涌出量、瓦斯迁移等)、应力(地应力、构造应力、应力集中区等)与地质因素(地质构造、构造演化、构造区、地质控制等)四个方面;在瓦斯预测及防治措施方面包括预测(区域预测、预警技术、瓦斯涌出量预测、危险源等)、指标或因素(钻屑瓦斯解吸指标、敏感地质指标、主控因素、影响因素等)、措施(保护层、防突措施、超前探测技术、井上下联合抽采防突)三方面。总体而言,近些年来对于断层带突出防治措施方面有较大的进步,出现了更加系统综合的突出防治措施及预测方法;而在突出机理方面研究在2000～2015年则主要基于构造煤及构造(应力瓦斯及地质)因素的定量分析,在近些年相关研究略少。

图4 断层—瓦斯突出相关研究的关键词时序图

如图5为Web of Science中“coal +gas outbursts+ fault”相关研究的关键词时序图,可图可知其研究数量较少且在部分年份出现内容缺失。同样在突出机理方面包括“tectonically deformed coal,methane,gas flow,energy,permeability,tensile strength,fault deformation”;在瓦斯预测及防治措施方面包括预测“gas drainage,acoustic emission,hydraulic fracturing,acoustic emission,3d seismic migration prediction”。因此可看出其同样在突出预测防治方面有明显发展,由2012年瓦斯抽采、钻孔再到近些年来水力压裂、声发射及微震探测技术的应用,突出防治技术手段更加先进且多样化;但在断层—突出发生机理方面的研究仍主要集中在2000～2018年,近些年相关研究内容较少。

图5 “coal +gas outbursts+ fault”研究的关键词时序图

因此,关于断层带突出发生机理的研究主要集中于构造煤、瓦斯、应力和构造特征方面,这四个方面也是煤系断层带与突出发生相关的显著要素;但是近些年在现场突出预测及防治措施方面取得了较大进步,却在断层突出发生机理方面的研究涉及较少。究其原因,笔者认为在以往对断层带突出发生机理的研究中,更侧重于强调断层带的单一或某些要素对突出的影响,这是由于断层构造赋存多样化且复杂化,特别是富含瓦斯煤系断层,瓦斯赋存分布及运移特征往往呈现非线性、弱规律特征,因此对断层带物理力学、瓦斯运移及构造特征的统一、定量表征成为难点,这也成为断层控制突出发生机理研究的关键问题。

综上所述,通过对突出发生机理以及断层对突出控制作用方面的研究现状介绍,并采用CiteSpace软件进行知识图谱可视化对相关研究热点和发展趋势进行梳理,可知对于中英文文献在煤与瓦斯突出发生机理的研究关键词都集中于瓦斯、应力与构造煤方面,且CNKI和Web of Science文献中关键词覆盖范围最广的分别是构造煤和瓦斯抽采(gas drainage),前者是基于突出高发区域因素的理论研究,后者是侧重于突出防治的技术手段。而对于断层与突出发生关联方面,中英文文献相关研究内容也都基于构造煤、应力、瓦斯和构造特征方面;且其研究发展趋势都类似,即主要在突出防治预测及技术手段方面,而在机理方面却大多定性分析并且在近些年研究逐渐减少。因此,虽然目前断层带作为突出高发区域,断层控制突出发生机理亟待阐明,但近年来相关研究内容数量有限且仍有待进一步深入,特别是需要进一步明确断层构造与突出发生的关联因素,建立简化的断层统一物理模型描述采掘扰动下断层构造—应力—瓦斯耦合机制,最后定量阐明采掘扰动下断层对突出发生的影响并解释断层控制突出发生机制,对煤矿现场突出防治、保证安全生产具有重要意义。