1、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用摘要：應(yīng)用流體勢(shì)的理論解釋了瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力機(jī)制，通過(guò)對(duì)青龍礦22 煤層瓦斯突出的數(shù)值模擬和流體勢(shì)的計(jì)算， 揭示了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)瓦斯運(yùn)移和聚集的控制作用，指出構(gòu)造應(yīng)力決定了瓦斯流本勢(shì)的大小，并決定了瓦斯運(yùn)移和聚集的 方向、軌跡：瓦斯運(yùn)移的方向從高應(yīng)力差區(qū)到低應(yīng)力差區(qū)，瓦斯位移 場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力的應(yīng)力差梯度場(chǎng)相一致。關(guān)鍵詞：瓦斯；煤與瓦斯突出；流體勢(shì)；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；運(yùn)移中 途 分 類(lèi) 號(hào) ： TDl63 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 ： A 文 章 編 號(hào) ：02532336(2008)040047041 概述瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，煤與瓦突出是煤礦生產(chǎn)中的主 要地質(zhì)災(zāi)害

2、之一，隨著煤炭開(kāi)采深度的延伸，煤與瓦斯突出的危害日 趨嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤與瓦斯突出的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，一般 認(rèn)為，煤與瓦斯突出是瓦斯、地應(yīng)力、煤的力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用 的結(jié)果，其中煤層高壓瓦斯是突出的必要條件，地應(yīng)力是保持高壓瓦 斯的前提條件，煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞是突出的有利條件1.地質(zhì)構(gòu)造是影響和控制煤與瓦斯突出的重要因素構(gòu)造作用形成的構(gòu) 造煤煤化程度高，其形成過(guò)程中有大量瓦斯生成，造成煤層瓦斯含量高 2 構(gòu)造作用還可使煤層增 厚、結(jié)構(gòu)破碎，有利于瓦斯聚集并易于突出 3-4區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造往往控 制了井田內(nèi)瓦斯的分布 5-6而中小型構(gòu)造的不同組合則對(duì)于瓦斯的 聚集或逸散具有不同的控制作用 4

3、,7-8此外，諸多研究表明， 構(gòu)造形成 的應(yīng)力集中是煤與瓦斯突出的決定性因素 4,9-11，因而可以通過(guò)對(duì)構(gòu) 造應(yīng)力場(chǎng)的分析預(yù)測(cè)煤與瓦斯的 突出12-14。 地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)對(duì)瓦斯賦存的控制是表象的和顯而易見(jiàn)的，而構(gòu) 造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)瓦斯運(yùn)移、聚集 的控制作用則是內(nèi)在的和本質(zhì)的。隨著對(duì)煤與瓦斯突出研究的深入， 應(yīng)當(dāng)在瓦斯聚集和運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)機(jī)制方面作進(jìn)一步的探討。2 瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力機(jī)制 瓦斯作為一種流體， 其形成后必然隨著地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行二次運(yùn)移， 正因?yàn)槿绱瞬艑?dǎo)致瓦斯聚集，并在一定條件下突出。描述瓦斯流動(dòng)的 基本規(guī)律一般采用Fick定律和Darcy定律，前者描述瓦斯的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 后者描述瓦斯的滲

4、流運(yùn)動(dòng) 15。 瓦斯的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在其形成期間就已進(jìn)行，在煤化作用完成一定時(shí)期后 應(yīng)基本結(jié)束，當(dāng)然隨著溫度 場(chǎng)、煤體破碎程度等條件的變化，瓦斯仍然會(huì)存在一定的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)Darcy定律可以計(jì)算瓦斯的滲流速度，進(jìn)而可近似計(jì)算瓦斯的比流 量。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，人們更關(guān)心的是可能存在煤與瓦斯突出的位 置，或者說(shuō)如何能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)瓦斯二次運(yùn)移的軌跡。Hubbert1954年提出流體勢(shì)的概念，流體勢(shì)理論較多應(yīng)用在研究油氣藏 分布、油氣二次運(yùn)移等方面， 對(duì)瓦斯運(yùn)移的研究具有很好的借鑒意義。 根據(jù)流體勢(shì)的理論，處于地下某一空間位置的流體，其流體勢(shì)的大小 取決于地層流體壓力、高程、流體密度以及所在地區(qū)的重力加

5、速度等 因素，流體總是從高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)流動(dòng)。結(jié)合理想氣體的狀態(tài)方程和計(jì)算流體勢(shì)的基本表達(dá)式可得流體勢(shì)力為二gz+pO/pOInp/pO式中Po壓力值為pO下的氣體密度（等溫條件下）;pop基準(zhǔn)點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)的壓力值；g重力加速度；z高程?？臻g中的z可以測(cè)量，地區(qū)的重力加速度為定值，當(dāng)確定了壓力 P。下 的氣體密度P。，并已知空間的應(yīng)力場(chǎng)分布時(shí)，即可計(jì)算空間的流體勢(shì) 的分布，從而確定瓦斯流體的運(yùn)移方向和軌跡。 由于瓦斯的密度很小， 因而其重力勢(shì)能也相應(yīng)很小，影響瓦斯流體勢(shì)的主要因素是地應(yīng)力的 大小。3 青龍礦瓦斯突出的異常現(xiàn)象 青龍井田位于貴州省黔西縣東南部，地形條件總體上受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu) 造和巖性控

6、制， 屬高原低山丘陵地貌。 井田內(nèi)出露的地層自老至新有： 二疊系下統(tǒng)茅口組（P2: m）,上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（P3B）龍?zhí)督M（P3,1）,長(zhǎng)興組（P3, c）,三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1, y）、茅草鋪組（T, m）, 二疊 系上統(tǒng)缺失大隆組地層。井田整體位于格老寨背斜的北西翼,北西翼 地層基本呈單斜產(chǎn)出，井田北西及南西有F1, F2:, F3, F2支F1支五條區(qū)域性斷裂構(gòu)造分布，構(gòu)成井田北西及南西自然邊界，井田內(nèi)斷層 數(shù)量較多。井田內(nèi)含煤巖系為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（B1）,可采煤層主要為 16、 17、 18三層較穩(wěn)定的煤層，平均厚度分別為 274，120，318m。 根據(jù)青龍井田 142 等鉆孔

7、瓦斯含量的測(cè)試資料， 基本上反映出了煤 層瓦斯含量隨深度遞增的規(guī)律性。 16煤、 17煤、 18煤的瓦斯含量平均 值分別為11. 00, 12. 21, 13. 68m3/1，也反映出了瓦斯含量隨深 度遞增的規(guī)律性,統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明,青龍并田煤層瓦斯含量均大于 10m3/1，根據(jù)煤炭科學(xué)磅究總院重慶研究院的鑒定，16煤的瓦斯壓力小于臨界值, 18煤為瓦斯突出煤層 （17煤未做鑒定一故屬于煤與瓦斯 突出礦井。22煤厚度為 02. 62m，平均為0. 94m。2005年7月-2006年4月22 煤的礦井副井、管子 道、內(nèi)水倉(cāng)等處共發(fā)生 5次煤與瓦斯突出:第1 次瓦斯突出量為 5060m。； 第2次瓦

8、斯突出量為6167m。，突出煤量60t ;第3次瓦斯突出量為 11165m。，突出煤量80t ;第4次瓦斯突出量為30144m。，突出煤量600t; 第5次瓦斯突出量64671m。，突出煤量900t換行。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造分析，青龍井田所在的區(qū)域在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史中、以及 在現(xiàn)今的地質(zhì)環(huán)境中，仍然是以NWsE向水平擠壓為主要的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，與宏觀(guān)的大地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相一致。井田現(xiàn)今仍處于高構(gòu)造應(yīng)力帶內(nèi)，地應(yīng)力以水平壓應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，萁應(yīng)力強(qiáng)度為中等水平，應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)以 NWsE為主壓應(yīng)力方向， 地應(yīng)力數(shù)值為1020MPa。為了分析青龍井田在垂向上的應(yīng)力分布，建立以平行于現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主方向（NW向）的垂盔剖面，選擇

9、含 5 次瓦斯突出點(diǎn)的地質(zhì)剖面為模型模擬研究區(qū)在現(xiàn)代 構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力聯(lián)合作用下的應(yīng)力場(chǎng)分布特征，研究的對(duì)象為主 采煤層、頂?shù)装鍘r層和斷層。數(shù)值模擬中的邊界條件設(shè)為：頂邊為自由邊界，底邊和左、右邊界設(shè)為滾軸約束，重力加速度為 10m/s。根據(jù)巖石力學(xué)資料，煤層的頂?shù)装辶W(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于煤層，煤層是一種軟弱巖體，強(qiáng)度很低，但又不 同于斷層破碎帶。根據(jù)巖石強(qiáng)度與其彈性模量等參數(shù)的相關(guān)性，參照 各材料對(duì)象的強(qiáng)度大小，分別將以上參數(shù)賦值如下。頂?shù)装澹喝葜?5kN/m3,彈性模量50GPa泊松比為0. 2。煤層：容重14kN/m。，彈性模量6GPa泊松比為0. 3。斷層：容重20kN/m3,彈性模量0.

10、5GPa泊松比為0. 4。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到了青龍井田垂向剖面的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) （圖 1）。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，原 22 煤發(fā)生 5 次瓦斯突出的區(qū)域，存在主應(yīng)力差降低區(qū)根據(jù)氣體流體勢(shì)的計(jì)算公式，在 22煤層中選擇了 AL點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn) 位置的流體勢(shì)，計(jì)算中壓力P0為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，以計(jì)算區(qū)左下角為 相對(duì)的高程 0點(diǎn)，已知瓦斯在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為 0716kg/m3。：計(jì)算過(guò)程顯示瓦斯流體勢(shì)中重力勢(shì)能所占分量（g?z）很小，流體勢(shì)的大小主要取決于地應(yīng)力（包括現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力 ）作用的強(qiáng)度（表 1）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了 22煤層瓦斯突出區(qū)附近的瓦斯流體勢(shì)以及瓦斯的 流向 （圖 2）。從

11、圖2可以看出，22煤在F17逆斷層附近的流體勢(shì)相對(duì)較低，周?chē)?瓦斯從流體勢(shì)高處向低處流動(dòng)，而 F17為逆斷層，在水平擠壓應(yīng)力作 用下，對(duì)瓦斯具有封閉作用，導(dǎo)致了瓦斯在F17斷層附近的流體勢(shì)最低區(qū)域聚集，當(dāng)采動(dòng)破壞了斷層和圍巖的封閉性時(shí)，就導(dǎo)致了煤和瓦斯的突出。此外尚應(yīng)指出， 煤和瓦斯突出出現(xiàn)在 22 煤層說(shuō)明該區(qū)域的瓦斯壓力突 破了煤體的強(qiáng)度，否則，即使有瓦斯的聚集也不能發(fā)生突出 （18 煤層等 可能屬于這種情況 ）。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用 在煤與瓦斯突出的影響因素中，地質(zhì)構(gòu)造的控制作用是顯著的：在煤 化變質(zhì)作用過(guò)程中，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)瓦斯的生成；構(gòu)造作用破壞了 煤體的結(jié)構(gòu)，有利

12、于煤與瓦斯突出的發(fā)生；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以形成有利于 瓦斯聚集的封閉構(gòu)造。除此以外，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制了瓦斯的運(yùn)移，是 發(fā)生瓦斯突出的重要環(huán)節(jié)。瓦斯總是從流體勢(shì)高處向低處流動(dòng)，而瓦斯流體勢(shì)的大小主要取決于 地應(yīng)力大小，所以控制瓦斯運(yùn)移的決定性因素是包含構(gòu)造應(yīng)力在內(nèi)的地應(yīng)力場(chǎng)。由于構(gòu)造活動(dòng)較 強(qiáng)的地區(qū)普遍為構(gòu)造應(yīng)力大于巖層自重應(yīng)力，因此，實(shí)際上就是構(gòu)造 應(yīng)力決定了瓦斯流體勢(shì)的大小，也就決定了瓦斯的運(yùn)移方向和軌跡： 瓦斯運(yùn)移的方向應(yīng)當(dāng)是從高應(yīng)力差區(qū)到低應(yīng)力差區(qū)；瓦斯位移場(chǎng)應(yīng)當(dāng) 與構(gòu)造應(yīng)力的應(yīng)力差梯度場(chǎng)相一致 （同時(shí)受封閉煤層頂?shù)装宓南拗?）。 在頂板封閉性的煤層褶皺構(gòu)造中，褶皺的軸部瓦斯含量高，一般認(rèn)為 是褶

13、皺軸部受擠壓而煤體結(jié)構(gòu)被破壞，節(jié)理大量發(fā)育，導(dǎo)致瓦斯聚集，但這種解釋是基于瓦斯的 運(yùn)移為自然逸散的觀(guān)點(diǎn)。如果席用流體勢(shì)的觀(guān)點(diǎn)考察這種現(xiàn)象，也可以給予較合理的解釋?zhuān)厚薨欇S部張、剪節(jié)理發(fā)育，應(yīng)力降低，導(dǎo)致瓦斯流體勢(shì)也降低，而周?chē)簩拥耐咚沽黧w勢(shì)相對(duì)較高，因此，瓦斯自 然地從流體勢(shì)高處向流體勢(shì)低處流動(dòng) （圖 3），所以，無(wú)論是背斜還是向 斜，軸部瓦斯聚集均是地應(yīng)力的動(dòng)力作用所導(dǎo)致。實(shí)際上，很多井田中的構(gòu)造是很復(fù)雜的，隨著斷層和褶皺的規(guī)模、形態(tài)、組合的不同，其構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征也相應(yīng)不同，前文的青龍井田 構(gòu)造只是屬于其中的一例。為了準(zhǔn)確地查明瓦斯的分布，并預(yù)測(cè)評(píng)價(jià) 煤與瓦斯的突出，在調(diào)查瓦斯的形成與含量

14、、分析礦井構(gòu)造形態(tài)的特 征等工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)重視 換行 井田構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分析與研究，查 明瓦斯流體勢(shì)的分布特征，從而預(yù)測(cè)瓦斯的運(yùn)移、聚集，進(jìn)而采取相 應(yīng)的預(yù)防和治理措施。4 結(jié)語(yǔ)1）瓦斯的運(yùn)移和聚集規(guī)律符合流體勢(shì)的理論， 瓦斯總是從高流體勢(shì)區(qū)向 低流體勢(shì)區(qū)流動(dòng)。2）瓦斯的流體勢(shì)中， 重力勢(shì)能所占的分量很小， 瓦斯流體勢(shì)大小主要取 決于地應(yīng)力 （包括現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力 ）作用的強(qiáng)度。3）青龍礦 22 煤層相對(duì)于 16，17，18 等主采煤層厚度較小， 但卻頻繁發(fā) 生煤與瓦斯突出，其原因在于：22煤層在F17逆斷層附近的流體勢(shì)相對(duì)較低，周?chē)耐咚箯牧黧w勢(shì)高處向低處流動(dòng)，而F17為逆斷層，在水

15、平擠壓應(yīng)力作用下，對(duì)瓦斯具有封閉作用，導(dǎo)致了 瓦斯在 F17 斷層附近的流體勢(shì)最低區(qū)域聚集，當(dāng)采動(dòng)破壞了斷層和圍 巖的封閉性時(shí)，就導(dǎo)致了煤和瓦斯的突出。4) 實(shí)際上是構(gòu)造應(yīng)力決定了瓦斯流體勢(shì)的大小，并決定了瓦斯的運(yùn)移方向和軌跡：瓦斯運(yùn)移的 方向從高應(yīng)力差區(qū)到低應(yīng)力差區(qū)；瓦斯位移場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力的應(yīng)力差梯 度場(chǎng)相一致 (同時(shí)受封閉煤層頂?shù)装宓南拗?)。5) 在礦井瓦斯防治工作中， 應(yīng)當(dāng)重視井田營(yíng)造應(yīng)力場(chǎng)的分析與研究， 查 明瓦斯流體勢(shì)的分布絮 征，從而預(yù)測(cè)瓦斯的運(yùn)移、聚集，進(jìn)而采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施。 參考文獻(xiàn)： 1 龍榮生礦井地質(zhì)學(xué) M 北京：煤炭工業(yè)出版社，19902 張玉貴，張子敏，曹運(yùn)興.

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