構(gòu)造應(yīng)力對(duì)中硬低透煤層瓦斯?jié)B流的影響

王海濤，　沈　斌，　李　雷

(1. 黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022；2. 黑龍江工業(yè)學(xué)院 資源工程系， 黑龍江 雞西 158100；3. 黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 4. 雞西市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢測(cè)中心， 黑龍江 雞西 158100)

?

構(gòu)造應(yīng)力對(duì)中硬低透煤層瓦斯?jié)B流的影響

王海濤1，2，沈斌1，3，李雷4

(1. 黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高校采礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022；2. 黑龍江工業(yè)學(xué)院 資源工程系， 黑龍江 雞西 158100；3. 黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 4. 雞西市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢測(cè)中心， 黑龍江 雞西 158100)

為了解構(gòu)造應(yīng)力作用下中硬低透煤層瓦斯?jié)B流規(guī)律，根據(jù)云蓋山煤礦煤層地質(zhì)構(gòu)造、圍巖及煤層數(shù)據(jù)，利用三軸滲透儀模擬煤樣在穩(wěn)定圍壓下滲流速度與軸壓的關(guān)系曲線，建立分段模擬方程。結(jié)果表明：云蓋山煤礦構(gòu)造煤賦存條件不利于瓦斯釋放，但煤層頂部構(gòu)造應(yīng)力使煤體由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫儯岣吡送咚節(jié)B流速度，有利于瓦斯散逸?；瑒?dòng)構(gòu)造應(yīng)力形成的煤層厚度變化，導(dǎo)致瓦斯?jié)B流速度降低，煤層致密，不利于瓦斯釋放。礦井主采煤層地質(zhì)探測(cè)孔的煤層厚度、瓦斯量和壓力數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。該研究為礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

低透煤層； 構(gòu)造應(yīng)力； 瓦斯?jié)B流

0　引　言

我國煤田是由眾多小陸塊演化拼合而成，表現(xiàn)為整體穩(wěn)定性差、活動(dòng)性強(qiáng)，煤田地質(zhì)條件復(fù)雜[1-2]。隨著開采深度和強(qiáng)度的增加，煤層透氣性逐漸降低，易出現(xiàn)煤與瓦斯突出事故，造成礦井開采困難，瓦斯抽采效果不佳，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。根據(jù)煤與瓦斯突出綜合假說，煤與瓦斯突出是構(gòu)造控制、瓦斯壓力和煤的自身力學(xué)性質(zhì)等多因素綜合作用的結(jié)果[3]。目前，越來越多的學(xué)者開始從構(gòu)造應(yīng)力的角度研究煤與瓦斯突出相關(guān)影響因素，隨著研究的深入，學(xué)者們認(rèn)識(shí)到地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力是煤與瓦斯突出發(fā)生的重要甚至必要條件之一[4]。關(guān)于構(gòu)造控制，以往的研究主要集中在斷層、褶皺以及層滑構(gòu)造引起的局部變化方面，而針對(duì)區(qū)域滑動(dòng)構(gòu)造引起的全層構(gòu)造煤發(fā)育以及煤層厚度的強(qiáng)烈變化方面的尚少[5]，尤其針對(duì)全層構(gòu)造煤發(fā)育厚煤層的構(gòu)造應(yīng)力及其變化在煤與瓦斯突出中作用[6-9]的報(bào)道更少。筆者根據(jù)云蓋山煤礦以往地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，繪制瓦斯?jié)B流與應(yīng)力曲線，并建立數(shù)學(xué)模型，分析其井田的瓦斯?jié)B流特征，以期為礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1　煤層頂?shù)装逄匦?/h2>

云蓋山煤礦井田范圍內(nèi)斷層走向與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力相互作用，使煤層發(fā)生層間滑動(dòng)，層間剪切及夾矸造成的局部應(yīng)力集中，破碎煤體，形成主采煤全層構(gòu)造煤發(fā)育，構(gòu)造煤厚度局部變化巨大。在現(xiàn)代應(yīng)力場(chǎng)作用下，由于煤層和圍巖力學(xué)性質(zhì)相差較大，層間變形不同步，使得背斜兩翼一定范圍內(nèi)剪應(yīng)力集中，煤體的彈性能增加，煤層厚度發(fā)生改變，從而導(dǎo)致應(yīng)力變化，這也是瓦斯賦存異常的主要原因。

根據(jù)礦井已有的水文地質(zhì)資料和主采煤層底板抽放巷勘探情況，礦井主采煤層井田范圍內(nèi)呈單傾斜狀，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層直接頂除部分區(qū)域?yàn)樘抠|(zhì)泥巖組成的偽頂外，大多為細(xì)粒砂巖，穩(wěn)定性好。煤層直接底除局部地段為炭質(zhì)泥巖和粉砂巖外，大多為泥巖，穩(wěn)定性一般，老底為細(xì)粒砂巖。煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

表1　煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2　實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1試樣與實(shí)驗(yàn)裝置

煤樣取自云蓋山礦井主采煤層，在實(shí)驗(yàn)室將其制成型煤標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為直徑50 mm、高100 mm，型煤成型壓力為200 kN。實(shí)驗(yàn)設(shè)備由RMT-301型電液伺服三軸壓力機(jī)改裝而成。自壓式滲透裝置原理如圖1所示。

圖1　自壓式滲透裝置原理

2.2方法與步驟

文中利用圖1所示實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬研究穩(wěn)定圍壓條件下不同軸應(yīng)力作用下的瓦斯?jié)B透特性[10]。滲流實(shí)驗(yàn)采用純CH4氣體。依據(jù)礦井生產(chǎn)過程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的瓦斯平均壓力(0.25 MPa)，設(shè)定圍巖壓力恒定為0.25 MPa。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將煤樣加工成50 mm×100 mm規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)試樣，將其放入三軸壓力滲透儀內(nèi)。

(2)穩(wěn)定試樣的圍壓和軸壓，檢查裝置氣密性，通入純CH4氣體，充分吸附24 h。

(3)改變軸壓，在試樣吸附瓦斯0.5 h后，釋放瓦斯5 min，測(cè)量滲流速度。

(4)進(jìn)行重復(fù)取三個(gè)試樣實(shí)驗(yàn)。

(5)取三次實(shí)驗(yàn)后測(cè)定的數(shù)據(jù)的平均值，繪制滲流速度與軸向應(yīng)力曲線。

2.3結(jié)果分析

滲流速度與軸向應(yīng)力曲線如圖2所示。

圖2　滲流速度與軸向應(yīng)力曲線

從圖2可以看出，在固定圍壓下，瓦斯?jié)B流速度-軸向應(yīng)力變化曲線具有分段性，a～b段瓦斯?jié)B流速度下降比較緩慢，b點(diǎn)為瓦斯?jié)B流速度最低點(diǎn)即煤樣彈性形變的分界點(diǎn)。其原因?yàn)?，煤樣在軸壓力的作用下原生裂隙被壓密實(shí)，新裂隙還未生成，阻礙了瓦斯?jié)B流釋放。b～c段瓦斯?jié)B流速度上升極快，一直到達(dá)到最大值峰值c。出現(xiàn)這種情況的原因是，煤樣受到軸壓由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?，后到屈服極限階段，煤樣隨著軸壓的增大，迅速生成新的裂隙并增多，加之裂隙之間有一定的聯(lián)通性，導(dǎo)致滲流速度迅速加快，直到軸壓值在4 MPa左右，滲流速度達(dá)到峰值。c～d段瓦斯?jié)B流速度達(dá)到峰值后，滲流速度隨軸壓增大逐漸降低，但降低幅度較小，降低到一定程度后基本趨于穩(wěn)定。其原因?yàn)?，此段軸壓繼續(xù)增大，增加了裂隙之間的瓦斯吸附能力，導(dǎo)致游離態(tài)瓦斯減少，瓦斯?jié)B流速度降低，但是降低幅度比較緩慢，后趨于穩(wěn)定，即煤樣在屈服極限后殘余強(qiáng)度下的滲流速度。

根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)[11-12]模擬數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示：

(1)

式中：v——滲流速度，mL/s；

vd——初始滲流速度，mL/s；

σ1——軸壓力，MPa；

σb——試樣裂隙性滲流的初始應(yīng)力；

R2——判定系數(shù)，即公式擬合準(zhǔn)確度。

3　地質(zhì)勘探結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室測(cè)得瓦斯?jié)B流速度與軸向應(yīng)力數(shù)據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型式(1)的準(zhǔn)確性，礦井生產(chǎn)過程中利用煤層底板抽放巷道對(duì)采區(qū)進(jìn)行地質(zhì)超前勘探，探明煤層厚度和地質(zhì)構(gòu)造情況的同時(shí)，對(duì)煤層取樣。然后，在實(shí)驗(yàn)室利用DGC法測(cè)定煤層瓦斯含量，并在地質(zhì)構(gòu)造帶和煤層斷層區(qū)域附近，選擇性地測(cè)定煤層瓦斯壓力。最后，對(duì)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際評(píng)價(jià)和校正[13]，最終獲得合格有效數(shù)據(jù)，如圖3所示。

a　煤層底板巷道剖面

b　相關(guān)數(shù)據(jù)

由圖3可知，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制著構(gòu)造的性質(zhì)、范圍和強(qiáng)度，通過研究各期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)構(gòu)造形成與性質(zhì)、煤體物理力學(xué)性質(zhì)、圍巖等的影響，分離出構(gòu)造擠壓剪切區(qū)和拉張裂陷區(qū)；擠壓剪切作用破壞煤體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，作用時(shí)間越長煤體構(gòu)造破壞程度越高，形成的構(gòu)造煤越厚。隨著煤變質(zhì)程度的增加，瓦斯生成氣量增加，吸附能力增強(qiáng)，瓦斯賦存量也增大。擠壓剪切作用，容易形成封閉性構(gòu)造，降低煤體滲透率，應(yīng)力集中，煤巖透氣性差，瓦斯容易保存。這與圖2中a～b階段，式(1)中的a～c段相吻合。

在斷層(底板掘進(jìn)巷道185～232 m，240～263 m)和一個(gè)破碎帶(底板掘進(jìn)巷道370 m)附近，由于主采煤層煤質(zhì)硬度低，地應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力共同作用形成向外拉伸張力的正斷層，造成了煤層裂隙增多，煤層破壞嚴(yán)重，煤層透氣性較好，形成了瓦斯釋放的通道，有助于瓦斯的釋放。斷層走向與最大主應(yīng)力平行時(shí)，也有利于吸附態(tài)的瓦斯解析轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)釋放出去，這就導(dǎo)致斷層附件瓦斯含量不高。這與圖2中b～c階段，式(1)中的b～c段、a～c段吻合。

底板抽放巷20～50 m，受到地應(yīng)力影響，煤層厚度急劇變化，由6.34 m降到0.41 m，導(dǎo)致煤層瓦斯體積質(zhì)量也由4.35 m3/t猛增到9.39 m3/t后又迅速降到4.95 m3/t。這與圖2中a～c階段、式(1)中的a～c段相吻合。

底板抽放巷76～185 m，煤層厚度1.32～3.47 m，瓦斯含量3.24～5.89 m3/t；底板抽放巷336～350 m，煤層厚度12.04～16.98 m，瓦斯6.04～8.95 m3/t；底板抽放巷350～450 m，煤層厚度12.04～16.98 m，瓦斯體積質(zhì)量6.04～8.95 m3/t。這與圖2中c～d階段，式(1)中的c～d段相吻合。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果一致性，這表明文中建立的低透煤體滲流與軸向應(yīng)力模型能夠很好地反映低透煤層瓦斯?jié)B流特性，擬合的參數(shù)合理、可靠，可用于礦井主采煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

4　結(jié)　論

(1)云蓋山煤礦構(gòu)造煤賦存條件不利于瓦斯釋放，但煤層頂部區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力使煤體由彈性形變轉(zhuǎn)變到塑性形變，提高了瓦斯?jié)B流速度，有利于瓦斯散逸。

(2)滑動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力形成的煤層厚度變化，導(dǎo)致瓦斯?jié)B流速度降低，煤層致密，不利于瓦斯釋放，造成瓦斯局部富集。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，該模型可應(yīng)用于礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。

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(編輯荀海鑫)

Tectonic stress effect on gas seepage of medium-hard and low-permeability coal seams

WANGHaitao1，2,SHENBin1，3,LILei4

(1. Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College, Heilongjiang University of Science & Technology Harbin 150022, China; 2. Resource Engineering Department, Heilongjiang University of Technology, Jixi 158100, China;3. School of Safety Engineering Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;4. Jixi City Quality & Technical Inspection & Testing Center, Jixi 158100,China)

This paper is an effort to probe deeper into the law behind how the gas seepage occurs in medium-hard and low-permeability coal seams subjected to tectonic stress. The research drawing on coal seam geological structures, surrounding rocks, and varying coal seam thickness in Yungaishan colliery is focused on applying relevant mechanics theory and triaxial permeability instrument with which to simulate the relation curve between seepage velocity and axial pressure of coal sample under stable confining pressure and thereby developing subsection simulation equation. The results demonstrate that the occurrence conditions for tectonic coals in Yungaishan colliery, which are recognized as unfavourable to the gas release, is outweighed by the way the tectonic stress behaves at the top area of the coal seams, resulting in a change of the coal body from elastic deformation to plastic one, which leads to a higher gas flow speed, and thereby gas escape; and the varying coal seam thickness resulting from sliding tectonic stress leads to a lower gas flow speed and thus more compact coal seams, a condition unfavorable to gas release, with a consequent local gas enrichment. The coal seam thickness, gas content, and pressure data derived from geological exploration hole drilled in main coal seams in the mine validate the accuracy of the mathematical model. The study may serve as a basis for prediction of mine gas emission.

low permeability; tectonic stress; gas seepage

2015-12-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504088)；黑龍江省普通高校采礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2014KF05)；雞西市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2014R184)

王海濤(1982-)，男，遼寧省寬甸人，講師，碩士，研究方向：礦山救護(hù)，E-mail：wht820718@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.006

TD32

2095-7262(2016)01-0021-04

A