煤热-动力耦合变质的瓦斯效应研究：以淮北煤田为例：：

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 研究现状及存在的问题

1.3 研究内容及技术路线

第2章 研究区地质与煤耦合变质

2.1 地层与含煤地层

2.2 构造特征及其演化

2.3 岩浆活动

2.4 煤热-动力耦合变质环境

第3章 样品的采集及实验方案

3.1 样品采集

3.2 构造煤类型及应力-应变环境

3.3 实验方案

第4章 超微和分子结构

4.1 超微结构演化

4.2 X射线衍射结构演化

4.3 电子顺磁共振结构演化

4.4 核磁共振结构演化

4.5 傅里叶变换红外光谱结构演化

第5章 瓦斯特性

5.1 孔隙特征

5.2 吸附/解吸特征

第6章 耦合变质的瓦斯效应

6.1 耦合变质机理

6.2 耦合变质的孔隙效应

6.3 耦合变质的瓦斯吸附效应

6.4 耦合变质的瓦斯突出效应

第7章 结论

参考文献

图版

第1章绪论

1.1选题背景及意义

我国大地构造背景特殊，是由诸多大小不一的陆块拼合而成的，华北和扬子即是其中最古老且面积最大的两个克拉通，晚古生代因稳定的构造环境与适宜的气候条件而广泛成煤，成为当下煤炭勘探与开发的主要对象。成煤后经历了印支期的深埋、燕山期的构造活动及岩浆作用，煤因不同类型热-动力耦合变质作用组合而形成不同变质程度的构造煤。不同类型、程度的变质和变形作用通过改变煤体物理及分子结构而影响煤孔隙以及吸附/解吸特性，使得不同热-动力耦合变质煤样品瓦斯特性差异显著。尤其是强变形构造煤，是导致煤与瓦斯突出的关键所在。

据统计数据，自20世纪50年代以来，煤矿开采深度不断增加，导致地应力及瓦斯压力增大、瓦斯含量升高、煤质更为松软、煤层透气性降低，使得煤层瓦斯不易在采前抽采，却在采掘过程中大量、快速放散，再加上开采煤层地质条件复杂化，煤与瓦斯突出灾害日趋严重。为减少煤与瓦斯突出灾害的危害，全世界的科学家都在进行煤与瓦斯突出预测的研究，不过准确的预测方法应建立在对突出机理充分认识的基础上。然而，目前对煤与瓦斯突出机理的认识尚处于假说阶段，尽管前人创立了一些假说，指导了目前的防突技术研究和应用，并取得了一定的成效，但在实践中仍有些煤与瓦斯突出的形式从机理上得不到合理的解释，且不同的假说对突出过程及其间出现的一些现象的解释存在分歧，归根结底是对影响煤与瓦斯突出的地应力、瓦斯及煤结构等三大因素间的配置关系了解不够深入，而不同热一动力耦合变质作用形成的具有不同结构和瓦斯特性的构造煤，是透彻理解这一机理的物质基础。

淮北煤田位于华北克拉通东南缘，晚古生代煤炭储量丰富，成煤后经历了复杂的热-动力耦合变质作用，各种类型构造煤广泛发育，矿井瓦斯涌出量和瓦斯动力现象频发，煤与瓦斯突出风险大，是开展煤耦合变质及对瓦斯特性控制机理研究的有利区。

本书以国家自然科学基金项目“瓦斯赋存的构造动力学机制及突出预测方法”为依托，以构造煤为切入点，深入研究不同热-动力耦合变质作用下煤结构流化机理及其对瓦斯特性的控制作用。

1.2研究现状及存在的问题

围绕煤热-动力耦合变质及其对煤瓦斯特性的影响效应，以下系统梳理前人的研究工作与成果认识。

1.2.1煤热-动力耦合变质

高等植物死亡后聚集，经泥炭化和成岩作用而成褐煤，进而在深成热、岩浆热、构造动力作用下开始了变质作用历程。其中，深成热变质作用是随着埋藏而发生的，是煤变质的基础而不可或缺，岩浆热和构造动力变质的发生则依赖于研究区是否经历岩浆侵入和较强的构造运动，是叠加于深成热变质之上的，不可独存。

1.2.1.1煤热变质

煤热变质是成煤演化的重要过程，由此形成的不同变质程度煤种决定了煤的用途。为了煤炭资源的合理高效利用，煤热变质作用过程机理一直备受关注，并达成了一定的共识。随着煤变质程度的提高，煤中脂肪族结构减少，芳香族结构增多，煤的结构逐渐趋向于石墨化(罗陨飞等，2004)；煤的聚集态结构则经历了超分子结构→纳米级结构及其增长→微米级结构的形成→石墨晶体这样一个过程(曾凡桂等，2005)，也认识到不同类型热变质环境对煤变质的影响需要得到重视（相建华等，2016）。

Quaderer 等(2016）以美国伊利诺斯盆地史朋费尔煤系为例，探讨了基性岩墙导致的煤层不同部位接触热变质作用差异的原因，认为该岩墙引起的变质作用不是单纯的热变质，煤层顶底相对冷的流体降温作用差异是导致煤层顶底接触变质作用不同的原因。相建华等(2016）通过对比岩浆侵入作用形成长烟煤和区域变质作用形成焦煤的大分子结构，提出高温低压变质环境可以使煤芳香结构单元发生超前演化。上述研究为细化煤热变质环境及其影响下的煤结构演化机理做出了有益探索，但这个方向的研究相较于我国煤炭热变质作用环境之复杂性而言，尚显不足。

本书以淮北煤田为主要研究区，在分析区内煤耦合变质类型的基础上，系统采集了不同热-动力耦合变质作用形成的构造煤样，重点开展两方面的研究：其一，运用扫描电镜、X射线衍射、电子顺磁共振、核磁共振和傅里叶红外光谱等结构分析手段，研究煤热-动力耦合变质的演化机理；其二，利用压汞、低温液氮吸附、二氧化碳吸附和等温吸附/解吸等瓦斯特性实验测试技术，开展煤与瓦斯特性对不同类型热-动力耦合变质作用的响应研究。研究成果为深入理解煤与瓦斯突出机理提供了理论支撑，为煤与瓦斯突出的防治提供了借鉴。