煤層瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特征研究

馬海峰

摘要：瓦斯壓力是誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故的主要因素之一。為獲得煤層瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特征，采用數(shù)值模擬和綜合分析的方法對(duì)瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：瓦斯壓力具有采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)效應(yīng)，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)力和瓦斯壓力均出現(xiàn)局部升高和降低的現(xiàn)象，均經(jīng)歷了先增大后減小并隨煤層的開(kāi)采不斷向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，瓦斯壓力受控于應(yīng)力的演化。構(gòu)建了動(dòng)力災(zāi)害多因素耦合定性分析判據(jù)，分析了動(dòng)力災(zāi)害的類(lèi)型，可分為應(yīng)力主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害和應(yīng)力一瓦斯共同作用主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：瓦斯壓力；采動(dòng)應(yīng)力；響應(yīng)；動(dòng)力災(zāi)害

地應(yīng)力、瓦斯在煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故中起著重要的作用，對(duì)煤巖體的受力狀態(tài)、力學(xué)特征、滲透特性等具有一定的影響作用。在煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害中地應(yīng)力、瓦斯作用機(jī)制復(fù)雜、多變，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害中地應(yīng)力、瓦斯的相互作用開(kāi)展了大量的研究，取得了一系列成果。文獻(xiàn)研究了工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的相互作用規(guī)律、深部高瓦斯工作面含瓦斯煤擴(kuò)容過(guò)程的力學(xué)特征。文獻(xiàn)研究了不同開(kāi)采深度條件下，突出煤層在地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下發(fā)生煤與瓦斯突出的全過(guò)程。文獻(xiàn)研究了三軟厚煤層綜采面采動(dòng)應(yīng)力分布。文獻(xiàn)研究了煤層采動(dòng)裂隙、采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯流動(dòng)的耦合作用。文獻(xiàn)對(duì)不同瓦斯壓力下原煤三軸壓縮全過(guò)程中滲透特性進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)研究了地應(yīng)力的演化特征及構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯壓力和突出災(zāi)害的控制作用。文獻(xiàn)研究了不同瓦斯壓力下原煤和型煤的力學(xué)和滲透特性。文獻(xiàn)研究了不同軸壓圍壓條件下瓦斯壓力對(duì)突出原煤的滲流特性。文獻(xiàn)研究了瓦斯壓力對(duì)突出煤及卸荷原煤的力學(xué)及滲透特性。文獻(xiàn)研究了不同瓦斯壓力下煤巖的聲發(fā)射特征。上述研究多是在瓦斯壓力對(duì)煤巖體滲透特性、力學(xué)特性、地應(yīng)力和瓦斯壓力在煤與瓦斯突出過(guò)程中的作用等方面取得的成果，對(duì)瓦斯壓力的采動(dòng)響應(yīng)及其變化規(guī)律的研究成果較少。為獲得煤層開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律及瓦斯壓力的變化規(guī)律，本文以朱集礦煤層開(kāi)采技術(shù)條件和瓦斯賦存條件為背景，采用多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL研究煤層開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力、瓦斯壓力的分布特征及演化規(guī)律、應(yīng)力演化規(guī)律對(duì)瓦斯壓力變化的影響；基于煤巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力、煤體的物理力學(xué)性質(zhì)等主要影響因素，分析動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性和動(dòng)力災(zāi)害的類(lèi)型。

1.工程地質(zhì)條件

1141（1）工作面位于東二11-2北盤(pán)區(qū)，西側(cè)為DF112、DF113（逆）斷層組，斷層組西臨東一北盤(pán)區(qū)1131（1）工作面（軌順頂板巷已施工700m，軌順未揭煤）；南側(cè)為東翼系統(tǒng)大巷；北側(cè)切眼臨近DF141和F29斷層，以北無(wú)采掘活動(dòng)；東側(cè)無(wú)采掘活動(dòng)。對(duì)應(yīng)上覆13-1煤層亦無(wú)采掘活動(dòng)。各工作面位置和綜合柱狀圖如圖1所示。

11-2煤層平均厚度1.24m，瓦斯含量3.87～5.29m3/t，最大瓦斯壓力O.32MPa。老頂主要成分為粉細(xì)砂巖，平均厚度為2.7m。直接頂主要成分為泥巖（部分為粉細(xì)砂巖），平均厚度為10.9m。直接底主要成分為泥巖（局部細(xì)砂巖），平均厚度為6.3m。

2.瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型的建立

數(shù)值模擬采用COMSOL的多孔彈性模塊，模型長(zhǎng)300m，高180m，為消除邊界效應(yīng)，模擬工作面從距模型左邊界100m處開(kāi)始開(kāi)采，步長(zhǎng)10m，模擬煤層開(kāi)采0～100m的過(guò)程中采動(dòng)應(yīng)力、瓦斯壓力的變化規(guī)律。計(jì)算采用的參數(shù)如表1～2所示，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。煤層頂?shù)装鍨椴煌笟鈳r層。

應(yīng)力場(chǎng)邊界條件：模型左右邊界限制水平方向位移，底部邊界限制垂直方向位移，模型上部為載荷邊界條件，根據(jù)埋深計(jì)算上部邊界載荷為10MPa。瓦斯?jié)B流邊界條件：瓦斯僅在煤層內(nèi)流動(dòng)，初始瓦斯壓力為0.3MPa，煤層開(kāi)采后暴露處的瓦斯壓力為0.1MPa，其他邊界的瓦斯流量為0。

2.2采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布及演化特征

圖3為煤層開(kāi)采前垂直應(yīng)力分布云圖，圖4為煤層逐步開(kāi)采過(guò)程中垂直應(yīng)力云圖及其變化規(guī)律。

由圖3可知，煤層開(kāi)采前，圍巖應(yīng)力處于靜態(tài)平衡狀態(tài)，應(yīng)力均勻分布，無(wú)應(yīng)力集中和卸壓區(qū)域。隨埋深的增加，應(yīng)力以一定的應(yīng)力梯度逐漸增加，圍巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)很好的均勻性。

由圖4可知，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，原巖應(yīng)力靜態(tài)平衡狀態(tài)被打破，圍巖受力狀態(tài)經(jīng)歷了由三向應(yīng)力狀態(tài)到兩向或單向受力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，開(kāi)采空間周?chē)鷩鷰r的應(yīng)力重新分布，應(yīng)力逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)移，在工作面前方煤體中產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)。隨著煤層的逐步開(kāi)采，開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)度和擾動(dòng)影響范圍逐漸增大，應(yīng)力集中程度隨開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而逐漸增大，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.68，1.95，2.13，2.14，2.19，2.2，2.19，2.3，2.33，2.08，最大應(yīng)力峰值系數(shù)為2.33。

在煤層的逐步開(kāi)采過(guò)程中，工作面前方的煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了由原巖應(yīng)力狀態(tài)到應(yīng)力集中再到應(yīng)力降低的轉(zhuǎn)變，可劃分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。在圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變和應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，形成了應(yīng)力分布的非均勻性。在開(kāi)采擾動(dòng)的作用下，應(yīng)力分布的非均勻性導(dǎo)致煤巖體中應(yīng)力分布局部集中和變形局部化，是引起裂隙萌生、擴(kuò)展、相互作用直至最后貫通破壞的根源。

由圖5可知，煤層開(kāi)采后，煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變，在工作面周?chē)鷰r體中呈現(xiàn)明顯且直觀的應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)和降低區(qū)隨著煤層的逐步開(kāi)采不斷前移，采空區(qū)上覆巖層的卸壓范圍逐步增大，采場(chǎng)周?chē)簬r體經(jīng)歷了應(yīng)力集中區(qū)和降低區(qū)不斷前移、采空區(qū)上覆巖層卸壓范圍逐步增大的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。在煤層逐步開(kāi)采的過(guò)程中，工作面前方煤體中產(chǎn)生了單駝峰狀的峰值區(qū)域，隨著煤層的持續(xù)開(kāi)采，工作面前方煤體內(nèi)始終存在單駝峰狀形態(tài)的應(yīng)力峰值區(qū)域，并不斷向前移動(dòng)。工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后降低并以單駝峰狀的應(yīng)力峰值區(qū)域逐漸向前移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

煤層逐步開(kāi)采的過(guò)程中，工作面前方煤巖體內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中使煤體發(fā)生剪切破壞，并伴隨有裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通，隨后應(yīng)力迅速降低，形成了較大的應(yīng)力梯度，工作面近場(chǎng)的煤體受到破壞，發(fā)展為層裂體，該區(qū)域煤體承載能力大大降低，在工作面處幾乎無(wú)承載能力。一般情況下，煤層開(kāi)采引起的應(yīng)力狀態(tài)的緩慢改變，煤體釋放的彈性潛能不足以誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故，只有在高應(yīng)力和瓦斯壓力的前提下，并且工作面近場(chǎng)煤體的應(yīng)力狀態(tài)突然發(fā)生變化時(shí)，煤體釋放的彈性潛能才可能誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故。因此，工作面近場(chǎng)煤體的破壞是應(yīng)力主導(dǎo)型的破壞，易于發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害，該區(qū)域是煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的重點(diǎn)防控區(qū)域。

2.3瓦斯壓力演化特征采動(dòng)響應(yīng)

圖6為煤層開(kāi)采前及開(kāi)采穩(wěn)定后瓦斯壓力曲線，圖7為煤層逐步開(kāi)采過(guò)程中瓦斯壓力變化曲線。

由圖6～7可知，煤層開(kāi)采前，瓦斯在煤層中處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，瓦斯壓力在煤層內(nèi)呈現(xiàn)均勻性分布。

在煤層開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯在煤層中的平衡狀態(tài)被打破，瓦斯發(fā)生非均衡性流動(dòng)，在工作面前方煤體中產(chǎn)生瓦斯壓力局部集中和降低，瓦斯壓力集中程度隨開(kāi)采擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而逐漸增大，在工作面近場(chǎng)區(qū)域，尤其是靠近工作面范圍內(nèi)煤層的瓦斯壓力迅速降低。在煤層的逐步開(kāi)采過(guò)程中，工作面前方煤層內(nèi)的瓦斯壓力發(fā)生了由初始動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)到瓦斯壓力逐漸升高再到瓦斯壓力迅速降低的轉(zhuǎn)變，大致可分為瓦斯壓力初始動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)階段、瓦斯壓力升高階段和瓦斯壓力迅速降低階段。工作面前方煤層內(nèi)的瓦斯壓力經(jīng)歷了先逐漸增大后迅速降低并隨煤層的開(kāi)采逐漸向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

煤層停止開(kāi)采后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯流動(dòng)場(chǎng)的范圍逐漸擴(kuò)大并最終趨于穩(wěn)定，瓦斯流動(dòng)速度逐漸降低，瓦斯壓力集中現(xiàn)象消失，瓦斯在煤層內(nèi)的賦存達(dá)到了一種新的穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

3應(yīng)力演化對(duì)瓦斯壓力的影響作用分析

煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生是一個(gè)能量釋放的過(guò)程，受應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力、煤體的物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造條件等主要因素的制約。為分析上述主要影響因素對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的貢獻(xiàn)程度，構(gòu)建動(dòng)力災(zāi)害多因素耦合定性分析判據(jù)式中：a為應(yīng)力狀態(tài)，MPa；p為瓦斯壓力，MPa；M為煤體的物理力學(xué)性質(zhì)；G為地質(zhì)構(gòu)造條件。

煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害主要的制約因素可分為主觀制約因素和客觀制約因素，對(duì)于某一具體的煤層而言，煤體的物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造條件是客觀存在的，屬于客觀制約因素，煤巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)和瓦斯壓力的變化是人為采掘擾動(dòng)引起的，屬于主觀制約因素。

在煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的過(guò)程中，應(yīng)力和瓦斯壓力是動(dòng)力災(zāi)害發(fā)動(dòng)、發(fā)展的動(dòng)力。煤層的開(kāi)采方式、開(kāi)采速度、頂?shù)装鍘r性等決定了開(kāi)采的強(qiáng)度，不同的開(kāi)采強(qiáng)度產(chǎn)生了不同的應(yīng)力分布特征，如圖8所示。

低應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體受到的采掘擾動(dòng)強(qiáng)度小，應(yīng)力變化緩慢，煤巖體受到破壞后釋放彈性潛能的速度較小，誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較小。

高應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體受到的采掘擾動(dòng)強(qiáng)度大，應(yīng)力變化較快，煤巖體受到破壞后釋放彈性潛能的速度較快，誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較大。在應(yīng)力的演化過(guò)程中，煤巖體的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了連續(xù)一似連續(xù)一非連續(xù)一散體的演化過(guò)程。

瓦斯壓力的分布特征對(duì)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生有較大的影響，不同開(kāi)采強(qiáng)度條件下瓦斯壓力的分布規(guī)律如圖9所示。

采掘空間形成后，隨著煤壁暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯流動(dòng)場(chǎng)范圍逐漸擴(kuò)大，煤體內(nèi)不容易形成較大的瓦斯壓力梯度。在瓦斯壓力均勻分布，無(wú)瓦斯富集的條件下，發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性小，當(dāng)煤體瞬間暴露形成較大的瓦斯壓力梯度時(shí)，容易發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害。

不同的開(kāi)采強(qiáng)度引起了瓦斯壓力分布和流動(dòng)特征的不同。低應(yīng)力集中程度條件下，瓦斯壓力變化平緩，煤巖體內(nèi)積聚的瓦斯內(nèi)能也相對(duì)較小，誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較??；高應(yīng)力集中程度條件下，瓦斯壓力變化明顯，煤巖體內(nèi)積聚的瓦斯內(nèi)能較大，煤巖體破壞后釋放的瓦斯內(nèi)能較大，誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較大。

根據(jù)上述分析，基于煤巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力、煤體的物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等主要影響因素，對(duì)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性進(jìn)行定性分析。

煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生受多種因素的制約。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、瓦斯壓力和瓦斯含量小、煤體強(qiáng)度較大的煤層，在低應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體內(nèi)積聚的彈性潛能和瓦斯內(nèi)能較小，釋放能量的時(shí)間較長(zhǎng)，誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性??；對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯壓力和瓦斯含量大、煤體強(qiáng)度較小的煤層，在高應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體內(nèi)積聚的彈性潛能和瓦斯內(nèi)能較大，若能量瞬間釋放，則誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性大。

在高應(yīng)力集中程度條件下，對(duì)于低瓦斯壓力、低瓦斯含量的煤層，尤其是當(dāng)采掘空間較大時(shí)，如回采工作面，主要是應(yīng)力起主導(dǎo)作用，其它因素在一定程度上促進(jìn)煤巖體發(fā)生剪切破壞，易誘發(fā)應(yīng)力主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害；對(duì)于高瓦斯壓力、高瓦斯含量的煤層，在高應(yīng)力集中程度條件下，在動(dòng)力災(zāi)害前期階段，應(yīng)力與瓦斯共同作用使煤體變形、屈服、破壞，并影響煤體內(nèi)部裂隙系統(tǒng)的閉合與開(kāi)放；在發(fā)展階段，瓦斯與應(yīng)力聯(lián)合對(duì)煤體進(jìn)行剝離、破碎；后期階段完全由瓦斯作用來(lái)完成，應(yīng)力基本不起作用，易于誘發(fā)應(yīng)力一瓦斯共同作用主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害。

4小結(jié)

1）在煤層的逐步開(kāi)采過(guò)程中，產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)和降低區(qū)，工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后降低并以單駝峰狀的應(yīng)力峰值區(qū)域逐漸向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

2）煤層開(kāi)采后，在工作面前方煤體中出現(xiàn)了瓦斯壓力局部集中和降低，瓦斯壓力經(jīng)歷了先逐漸增大后迅速降低并隨煤層的開(kāi)采逐漸向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

3）構(gòu)建了動(dòng)力災(zāi)害多因素耦合定性分析判據(jù)，根據(jù)各因素對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的貢獻(xiàn)程度，可分為應(yīng)力主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害和應(yīng)力一瓦斯共同作用主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害。