地应力在煤与瓦斯突出中的作用

地应力在煤与瓦斯突出中的作用

中国频繁发生的一起严重灾害是确保安全的原因。据不完全统计,突出矿井由1990年的274对增加到2011年的1044对,平均每年新增突出矿井37对,平均每年发生突出280余次。朱兴珊、徐凤银、张子敏、韩军等从构造应力场演化的角度宏观地分析了其对煤与瓦斯突出的控制作用。彭立世、曹运兴、韩军等分析了不同构造类型对瓦斯突出的控制作用。袁崇孚、张玉贵、张子敏等分析了构造煤对瓦斯突出的控制作用,认为构造煤是发生瓦斯突出的基础。由于瓦斯突出现象的复杂性,瓦斯突出机理仍停留在假说阶段,目前普遍承认煤与瓦斯突出是地应力、包含在煤体中的瓦斯及煤体自身物理力学性质三者综合作用的结果。随着开采深度的不断延伸,地应力在煤与瓦斯突出中的作用越来越显著,研究现代构造应力场作用下不同走向断层附近构造应力分布情况,结合典型煤与瓦斯突出实例,探讨断层走向对瓦斯突出的影响,对指导瓦斯防治具有重要作用。1应力状态与瓦斯赋存的关系瓦斯赋存地质构造逐级控制理论认为,挤压剪切构造形成应力集中,易破坏煤体形成构造煤,煤层渗透性呈指数衰减,瓦斯的运移和逸散受到阻隔,有利于瓦斯保存,形成瓦斯富集区;拉张裂陷构造应力释放,煤层透气性好,有利于瓦斯释放。断层应力状态与瓦斯赋存的关系见图1。煤体渗透率与应力的关系可表示为式中:K,K0为一定应力和无应力条件下的绝对渗透率,μm2;Cφ为煤的孔隙压缩系数,MPa-1;Δσ为应力变化率,MPa。以鸡西矿区近EW构造为例,近EW向平麻逆断层的断层面大体倾向南,上盘向北逆冲,靠近下盘处出现直立甚至倒转现象,构造煤成层发育,下盘煤的坚固性系数明显低于上盘(图2),沿此断裂下盘开采出穆棱组的煤层均属碎块~粉末状、严重的呈鳞片状,煤层透气性极低为0.01~0.936m2/(MPa·2d),上盘煤层透气性0.1~2.045m2/(MPa·2d),鸡西矿区历史上一共5对煤与瓦斯突出矿井(滴道、新发、东海、大通沟、城子河,后2个矿井现在已经关闭),全都分布在平麻逆断裂的下盘。2不同方向扰动附近的应力分布2.1主应力方向角度利用RFPA模拟软件,在考虑材料不均质性的基础上,分别建立了断层方向与主应力方向夹角为0°(水平),22.5°,45°和90°(竖直)4种模型(见图3,表1),断层走向长度200m,煤岩层参数见表2,应力方向为竖直方向,其他方向为位移约束。地应力大小为10MPa。2.2模拟结果对4种数值模型分别施加10MPa应力,应力平衡后,沿断层走向做剖面提取断层50m范围剪应力和最大、最小主应力,如图4所示。3断层走向与主应力方向夹角对瓦斯保存的影响从图4可看出,小于走向200m断层的断层走向影响范围在50m以内。在断层走向与主应力方向夹角为0°(即断层走向与最大主应力平行)时,围岩靠近断层处发生明显应力集中,在断层内部有明显的应力降低,普遍小于1.0MPa;最大主应力(压应力)也部分降低,普遍小于10MPa,最小主应力(拉应力)在断层处明显增大,因此,此类断层有利于应力释放,煤层透气性较好,突出危险性小,但断层歼灭端特别是断层下歼灭端出现应力集中,局部达28.4MPa,瓦斯保存条件相对较好,需预防瓦斯事故。断层走向与主应力方向夹角为22.5°时,断层内部开始出现明显应力集中带,在断层中部和断层下歼灭端剪应力、最大主应力均出现1处极大值,分别为17.18MPa和44.26MPa,最小主应力也出现极值,具有突出危险性。断层走向与主应力方向夹角为45°时,应力集中带进一步增加,并且,集中带应力值普遍增大,在断层中部和断层歼灭端剪应力、最大主应力出现4处极值,断层下歼灭端出现极大值分别为16.93MPa和42.93MPa,挤压剪切形成局部应力集中,破坏煤体,煤层渗透性低,瓦斯的运移和逸散受到阻隔,有利于瓦斯保存,形成局部瓦斯富集区,突出危险性局部较大。断层走向与主应力方向夹角为90°(即断层走向与最大主应力垂直)时,在断层中部和断层歼灭端剪应力、最大主应力也出现4处极值,但极值明显小于夹角45°时,挤压剪切应力集中趋于平均分布,最大主应力在20MPa左右,煤层渗透性低,有利于瓦斯保存,形成大的瓦斯富集区,突出危险性整体大。从上述分析可以看出,断层走向与最大主应力平行时,有利于应力释放,煤层透气性较好,突出危险性小,但断层歼灭端特别是断层下歼灭端出现应力集中,瓦斯保存条件相对较好,需预防瓦斯事故;随着断层走向与主应力方向夹角的增大,挤压剪切应力集中范围随之增大,突出危险范围也随之增大;断层走向与最大主应力垂直时,挤压剪切应力大范围集中,煤层渗透性低,有利于形成大的瓦斯富集区,突出危险性最大。4构造应力场区域煤与瓦斯突出事故鹤岗矿区现有9对国有矿井,其中5对突出矿井,1对高瓦斯矿井和3对低瓦斯矿井。鹤岗矿区区域地质构造属于西伯利亚板块与华北板块的次缝合带吉黑褶皱系,在接受早白垩世煤层沉积的同时,既受西伯利亚板块与华北板块碰撞南北向挤压,又受太平洋板块由东向西的推挤,矿区形成了大量的NE,NNE,NW,NNW向构造。韩军等利用空芯包体地应力测量方法在鹤岗矿区兴安矿三水平北33层大巷进行了地应力测试,测点深度550m,最大主应力25.11MPa,方位角259.4°,倾角8.1°,中间主应力14.82MPa,方位角7.9°,倾角65.9°,最小主应力12.58MPa,方位角166.0°,倾角22.5°。即现代构造应力场主压应力方向为259.4°(N79.4°E)。统计了鹤岗矿区有资料记载的19次煤与瓦斯突出事故,见表3。从表3可知,在现代构造应力场作用下正断层附近也可能发生煤与瓦斯突出甚至特大型突出;断层走向与最大主应力夹角小于70°时,在3条断层构造复合部位发生1次中型突出,其余5次为小型突出;断层走向与最大主应力夹角为70°~80°时,发生大型突出1次、中型突出5次、小型突出3次;断层走向与最大主应力夹角大于80°(近于垂直)时,发生特大型突出1次、中型突出3次;即随着断层走向与最大主应力夹角的增大,突出次数明显增多,突出强度也明显增大。5断层走向与主应力方向的罪犯特征1)挤压剪切构造形成应力集中,易破坏煤体形成构造煤,煤层渗透性降低,瓦斯的运移和逸散受到阻隔,利于瓦斯保存,形成瓦斯富集区和突出危险区;拉张裂陷构造应力释放,煤层透气性好,有利于瓦斯释放。2)无论是正断层还是逆断层都可能存在煤与瓦斯突出危险,主要取决于构造演化过程和断层走向与现代构造应力作用方向的关系。3)断层走向与最大主应力平行时,利于应力释放,煤层透气性较好,突出危