地應力在煤與瓦斯突出中的作用

中國頻繁發生的一起嚴重災害是確保安全的原因。據不完全統計,突出礦井由1990年的274對增加到2011年的1044對,平均每年新增突出礦井37對,平均每年發生突出280余次。朱興珊、徐鳳銀、張子敏、韓軍等從構造應力場演化的角度宏觀地分析了其對煤與瓦斯突出的控制作用。彭立世、曹運興、韓軍等分析了不同構造類型對瓦斯突出的控制作用。袁崇孚、張玉貴、張子敏等分析了構造煤對瓦斯突出的控制作用,認為構造煤是發生瓦斯突出的基礎。由于瓦斯突出現象的復雜性,瓦斯突出機理仍停留在假說階段,目前普遍承認煤與瓦斯突出是地應力、包含在煤體中的瓦斯及煤體自身物理力學性質三者綜合作用的結果。隨著開采深度的不斷延伸,地應力在煤與瓦斯突出中的作用越來越顯著,研究現代構造應力場作用下不同走向斷層附近構造應力分布情況,結合典型煤與瓦斯突出實例,探討斷層走向對瓦斯突出的影響,對指導瓦斯防治具有重要作用。1應力狀態與瓦斯賦存的關系瓦斯賦存地質構造逐級控制理論認為,擠壓剪切構造形成應力集中,易破壞煤體形成構造煤,煤層滲透性呈指數衰減,瓦斯的運移和逸散受到阻隔,有利于瓦斯保存,形成瓦斯富集區;拉張裂陷構造應力釋放,煤層透氣性好,有利于瓦斯釋放。斷層應力狀態與瓦斯賦存的關系見圖1。煤體滲透率與應力的關系可表示為式中:K,K0為一定應力和無應力條件下的絕對滲透率,μm2;Cφ為煤的孔隙壓縮系數,MPa-1;Δσ為應力變化率,MPa。以雞西礦區近EW構造為例,近EW向平麻逆斷層的斷層面大體傾向南,上盤向北逆沖,靠近下盤處出現直立甚至倒轉現象,構造煤成層發育,下盤煤的堅固性系數明顯低于上盤(圖2),沿此斷裂下盤開采出穆棱組的煤層均屬碎塊~粉末狀、嚴重的呈鱗片狀,煤層透氣性極低為0.01~0.936m2/(MPa·2d),上盤煤層透氣性0.1~2.045m2/(MPa·2d),雞西礦區歷史上一共5對煤與瓦斯突出礦井(滴道、新發、東海、大通溝、城子河,后2個礦井現在已經關閉),全都分布在平麻逆斷裂的下盤。2不同方向擾動附近的應力分布2.1主應力方向角度利用RFPA模擬軟件,在考慮材料不均質性的基礎上,分別建立了斷層方向與主應力方向夾角為0°(水平),22.5°,45°和90°(豎直)4種模型(見圖3,表1),斷層走向長度200m,煤巖層參數見表2,應力方向為豎直方向,其他方向為位移約束。地應力大小為10MPa。2.2模擬結果對4種數值模型分別施加10MPa應力,應力平衡后,沿斷層走向做剖面提取斷層50m范圍剪應力和最大、最小主應力,如圖4所示。3斷層走向與主應力方向夾角對瓦斯保存的影響從圖4可看出,小于走向200m斷層的斷層走向影響范圍在50m以內。在斷層走向與主應力方向夾角為0°(即斷層走向與最大主應力平行)時,圍巖靠近斷層處發生明顯應力集中,在斷層內部有明顯的應力降低,普遍小于1.0MPa;最大主應力(壓應力)也部分降低,普遍小于10MPa,最小主應力(拉應力)在斷層處明顯增大,因此,此類斷層有利于應力釋放,煤層透氣性較好,突出危險性小,但斷層殲滅端特別是斷層下殲滅端出現應力集中,局部達28.4MPa,瓦斯保存條件相對較好,需預防瓦斯事故。斷層走向與主應力方向夾角為22.5°時,斷層內部開始出現明顯應力集中帶,在斷層中部和斷層下殲滅端剪應力、最大主應力均出現1處極大值,分別為17.18MPa和44.26MPa,最小主應力也出現極值,具有突出危險性。斷層走向與主應力方向夾角為45°時,應力集中帶進一步增加,并且,集中帶應力值普遍增大,在斷層中部和斷層殲滅端剪應力、最大主應力出現4處極值,斷層下殲滅端出現極大值分別為16.93MPa和42.93MPa,擠壓剪切形成局部應力集中,破壞煤體,煤層滲透性低,瓦斯的運移和逸散受到阻隔,有利于瓦斯保存,形成局部瓦斯富集區,突出危險性局部較大。斷層走向與主應力方向夾角為90°(即斷層走向與最大主應力垂直)時,在斷層中部和斷層殲滅端剪應力、最大主應力也出現4處極值,但極值明顯小于夾角45°時,擠壓剪切應力集中趨于平均分布,最大主應力在20MPa左右,煤層滲透性低,有利于瓦斯保存,形成大的瓦斯富集區,突出危險性整體大。從上述分析可以看出,斷層走向與最大主應力平行時,有利于應力釋放,煤層透氣性較好,突出危險性小,但斷層殲滅端特別是斷層下殲滅端出現應力集中,瓦斯保存條件相對較好,需預防瓦斯事故;隨著斷層走向與主應力方向夾角的增大,擠壓剪切應力集中范圍隨之增大,突出危險范圍也隨之增大;斷層走向與最大主應力垂直時,擠壓剪切應力大范圍集中,煤層滲透性低,有利于形成大的瓦斯富集區,突出危險性最大。4構造應力場區域煤與瓦斯突出事故鶴崗礦區現有9對國有礦井,其中5對突出礦井,1對高瓦斯礦井和3對低瓦斯礦井。鶴崗礦區區域地質構造屬于西伯利亞板塊與華北板塊的次縫合帶吉黑褶皺系,在接受早白堊世煤層沉積的同時,既受西伯利亞板塊與華北板塊碰撞南北向擠壓,又受太平洋板塊由東向西的推擠,礦區形成了大量的NE,NNE,NW,NNW向構造。韓軍等利用空芯包體地應力測量方法在鶴崗礦區興安礦三水平北33層大巷進行了地應力測試,測點深度550m,最大主應力25.11MPa,方位角259.4°,傾角8.1°,中間主應力14.82MPa,方位角7.9°,傾角65.9°,最小主應力12.58MPa,方位角166.0°,傾角22.5°。即現代構造應力場主壓應力方向為259.4°(N79.4°E)。統計了鶴崗礦區有資料記載的19次煤與瓦斯突出事故,見表3。從表3可知,在現代構造應力場作用下正斷層附近也可能發生煤與瓦斯突出甚至特大型突出;斷層走向與最大主應力夾角小于70°時,在3條斷層構造復合部位發生1次中型突出,其余5次為小型突出;斷層走向與最大主應力夾角為70°~80°時,發生大型突出1次、中型突出5次、小型突出3次;斷層走向與最大主應力夾角大于80°(近于垂直)時,發生特大型突出1次、中型突出3次;即隨著斷層走向與最大主應力夾角的增大,突出次數明顯增多,突出強度也明顯增大。5斷層走向與主應力方向的罪犯特征1)擠壓剪切構造形成應力集中,易破壞煤體形成構造煤,煤層滲透性降低,瓦斯的運移和逸散受到阻隔,利于瓦斯保存,形成瓦斯富集區和突出危險區;拉張裂陷構造應力釋放,煤層透氣性好,有利于瓦斯釋放。2)無論是正斷層還是逆斷層都可能存在煤與瓦斯突出危險,主要取決于構造演化過程和斷層走向與現代構造應力作用方向的關系。3)斷層走向與最大主應力平行時,利于應力釋放,煤層透氣性較好,突出危