地應(yīng)力在煤與瓦斯突出中的作用

地應(yīng)力在煤與瓦斯突出中的作用

中國(guó)頻繁發(fā)生的一起嚴(yán)重災(zāi)害是確保安全的原因。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),突出礦井由1990年的274對(duì)增加到2011年的1044對(duì),平均每年新增突出礦井37對(duì),平均每年發(fā)生突出280余次。朱興珊、徐鳳銀、張子敏、韓軍等從構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化的角度宏觀地分析了其對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用。彭立世、曹運(yùn)興、韓軍等分析了不同構(gòu)造類型對(duì)瓦斯突出的控制作用。袁崇孚、張玉貴、張子敏等分析了構(gòu)造煤對(duì)瓦斯突出的控制作用,認(rèn)為構(gòu)造煤是發(fā)生瓦斯突出的基礎(chǔ)。由于瓦斯突出現(xiàn)象的復(fù)雜性,瓦斯突出機(jī)理仍停留在假說階段,目前普遍承認(rèn)煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、包含在煤體中的瓦斯及煤體自身物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果。隨著開采深度的不斷延伸,地應(yīng)力在煤與瓦斯突出中的作用越來越顯著,研究現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下不同走向斷層附近構(gòu)造應(yīng)力分布情況,結(jié)合典型煤與瓦斯突出實(shí)例,探討斷層走向?qū)ν咚雇怀龅挠绊?對(duì)指導(dǎo)瓦斯防治具有重要作用。1應(yīng)力狀態(tài)與瓦斯賦存的關(guān)系瓦斯賦存地質(zhì)構(gòu)造逐級(jí)控制理論認(rèn)為,擠壓剪切構(gòu)造形成應(yīng)力集中,易破壞煤體形成構(gòu)造煤,煤層滲透性呈指數(shù)衰減,瓦斯的運(yùn)移和逸散受到阻隔,有利于瓦斯保存,形成瓦斯富集區(qū);拉張裂陷構(gòu)造應(yīng)力釋放,煤層透氣性好,有利于瓦斯釋放。斷層應(yīng)力狀態(tài)與瓦斯賦存的關(guān)系見圖1。煤體滲透率與應(yīng)力的關(guān)系可表示為式中:K,K0為一定應(yīng)力和無應(yīng)力條件下的絕對(duì)滲透率,μm2;Cφ為煤的孔隙壓縮系數(shù),MPa-1;Δσ為應(yīng)力變化率,MPa。以雞西礦區(qū)近EW構(gòu)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(xiàn)直立甚至倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象,構(gòu)造煤成層發(fā)育,下盤煤的堅(jiān)固性系數(shù)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(yán)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(qū)歷史上一共5對(duì)煤與瓦斯突出礦井(滴道、新發(fā)、東海、大通溝、城子河,后2個(gè)礦井現(xiàn)在已經(jīng)關(guān)閉),全都分布在平麻逆斷裂的下盤。2不同方向擾動(dòng)附近的應(yīng)力分布2.1主應(yīng)力方向角度利用RFPA模擬軟件,在考慮材料不均質(zhì)性的基礎(chǔ)上,分別建立了斷層方向與主應(yīng)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(zhǎng)度200m,煤巖層參數(shù)見表2,應(yīng)力方向?yàn)樨Q直方向,其他方向?yàn)槲灰萍s束。地應(yīng)力大小為10MPa。2.2模擬結(jié)果對(duì)4種數(shù)值模型分別施加10MPa應(yīng)力,應(yīng)力平衡后,沿?cái)鄬幼呦蜃銎拭嫣崛鄬?0m范圍剪應(yīng)力和最大、最小主應(yīng)力,如圖4所示。3斷層走向與主應(yīng)力方向夾角對(duì)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(nèi)。在斷層走向與主應(yīng)力方向夾角為0°(即斷層走向與最大主應(yīng)力平行)時(shí),圍巖靠近斷層處發(fā)生明顯應(yīng)力集中,在斷層內(nèi)部有明顯的應(yīng)力降低,普遍小于1.0MPa;最大主應(yīng)力(壓應(yīng)力)也部分降低,普遍小于10MPa,最小主應(yīng)力(拉應(yīng)力)在斷層處明顯增大,因此,此類斷層有利于應(yīng)力釋放,煤層透氣性較好,突出危險(xiǎn)性小,但斷層殲滅端特別是斷層下殲滅端出現(xiàn)應(yīng)力集中,局部達(dá)28.4MPa,瓦斯保存條件相對(duì)較好,需預(yù)防瓦斯事故。斷層走向與主應(yīng)力方向夾角為22.5°時(shí),斷層內(nèi)部開始出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中帶,在斷層中部和斷層下殲滅端剪應(yīng)力、最大主應(yīng)力均出現(xiàn)1處極大值,分別為17.18MPa和44.26MPa,最小主應(yīng)力也出現(xiàn)極值,具有突出危險(xiǎn)性。斷層走向與主應(yīng)力方向夾角為45°時(shí),應(yīng)力集中帶進(jìn)一步增加,并且,集中帶應(yīng)力值普遍增大,在斷層中部和斷層殲滅端剪應(yīng)力、最大主應(yīng)力出現(xiàn)4處極值,斷層下殲滅端出現(xiàn)極大值分別為16.93MPa和42.93MPa,擠壓剪切形成局部應(yīng)力集中,破壞煤體,煤層滲透性低,瓦斯的運(yùn)移和逸散受到阻隔,有利于瓦斯保存,形成局部瓦斯富集區(qū),突出危險(xiǎn)性局部較大。斷層走向與主應(yīng)力方向夾角為90°(即斷層走向與最大主應(yīng)力垂直)時(shí),在斷層中部和斷層殲滅端剪應(yīng)力、最大主應(yīng)力也出現(xiàn)4處極值,但極值明顯小于夾角45°時(shí),擠壓剪切應(yīng)力集中趨于平均分布,最大主應(yīng)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(qū),突出危險(xiǎn)性整體大。從上述分析可以看出,斷層走向與最大主應(yīng)力平行時(shí),有利于應(yīng)力釋放,煤層透氣性較好,突出危險(xiǎn)性小,但斷層殲滅端特別是斷層下殲滅端出現(xiàn)應(yīng)力集中,瓦斯保存條件相對(duì)較好,需預(yù)防瓦斯事故;隨著斷層走向與主應(yīng)力方向夾角的增大,擠壓剪切應(yīng)力集中范圍隨之增大,突出危險(xiǎn)范圍也隨之增大;斷層走向與最大主應(yīng)力垂直時(shí),擠壓剪切應(yīng)力大范圍集中,煤層滲透性低,有利于形成大的瓦斯富集區(qū),突出危險(xiǎn)性最大。4構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域煤與瓦斯突出事故鶴崗礦區(qū)現(xiàn)有9對(duì)國(guó)有礦井,其中5對(duì)突出礦井,1對(duì)高瓦斯礦井和3對(duì)低瓦斯礦井。鶴崗礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)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(shí),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(qū)形成了大量的NE,NNE,NW,NNW向構(gòu)造。韓軍等利用空芯包體地應(yīng)力測(cè)量方法在鶴崗礦區(qū)興安礦三水平北33層大巷進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試,測(cè)點(diǎn)深度550m,最大主應(yīng)力25.11MPa,方位角259.4°,傾角8.1°,中間主應(yīng)力14.82MPa,方位角7.9°,傾角65.9°,最小主應(yīng)力12.58MPa,方位角166.0°,傾角22.5°。即現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向?yàn)?59.4°(N79.4°E)。統(tǒng)計(jì)了鶴崗礦區(qū)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(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下正斷層附近也可能發(fā)生煤與瓦斯突出甚至特大型突出;斷層走向與最大主應(yīng)力夾角小于70°時(shí),在3條斷層構(gòu)造復(fù)合部位發(fā)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(yīng)力夾角為70°~80°時(shí),發(fā)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(yīng)力夾角大于80°(近于垂直)時(shí),發(fā)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(yīng)力夾角的增大,突出次數(shù)明顯增多,突出強(qiáng)度也明顯增大。5斷層走向與主應(yīng)力方向的罪犯特征1)擠壓剪切構(gòu)造形成應(yīng)力集中,易破壞煤體形成構(gòu)造煤,煤層滲透性降低,瓦斯的運(yùn)移和逸散受到阻隔,利于瓦斯保存,形成瓦斯富集區(qū)和突出危險(xiǎn)區(qū);拉張裂陷構(gòu)造應(yīng)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(xiǎn),主要取決于構(gòu)造演化過程和斷層走向與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力作用方向的關(guān)系。3)斷層走向與最大主應(yīng)力平行時(shí),利于應(yīng)力釋放,煤層透氣性較好,突出危