近斷層掘進的煤層瓦斯賦存及突出危險性

薛 斌

(陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤與瓦斯突出點為不均勻分布，一般較集中分布在某些地質構造區(qū)、斷層帶附近和應力集中帶，呈區(qū)域性、帶狀分布，這些地質構造是影響瓦斯保存的重要條件之一[1-4]。它一方面能改變煤層的賦存形態(tài)以及煤層本身的煤體結構；另一方面可以使煤層圍巖的透氣性能變化。燕山運動早、中期太行山隆起活動產(chǎn)生的逆斷層[5-7]，在燕山末期至喜山早期受擠壓活動的影響被拉張活動所取代，因而向壓性和壓扭性正斷層演化，就形成了現(xiàn)今看到的正斷層[8-10]。由于構造擠壓活動影響，使得煤層具有高吸附瓦斯以及封存瓦斯的能力；而受構造擠壓剪切作用所形成的壓性、壓扭性構造以及形成過程中的運動使煤層發(fā)生了強烈韌塑性破壞和變形，由此就形成了發(fā)育的“構造煤”[11]。這些壓性、壓扭性構造活動正是造成斷層之間的部位發(fā)生煤與瓦斯突出的根源[12]。文中從斷層下方(上、下盤)和煤層同一水平(上、下盤)進行掘進的2種情況展開模擬實驗，研究煤與瓦斯突出的過程。掘進過程可以分為應力集中階段、應力誘發(fā)斷層破裂階段、瓦斯應力促使煤層破壞階段和突出階段4個階段。

1 斷層下部開挖的數(shù)值模擬

1.1 計算模型的建立

計算模型采用一個二維模型，將計算模型簡化為水平方向和垂直方向，如圖1所示。圖中a為從下盤開挖，b為從上盤開挖，x方向為水平方向，y方向為垂直方向。

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

1.2 模型尺寸及單元劃分

數(shù)值模型設計以類似大平煤礦模型的特點，建立落差為10 m的逆斷層，斷層上下盤煤厚4.8 m，斷層面傾角為49°。先建立整個模型的底層，底層的力學性質為泥巖。然后建立好煤層和斷層以后，在距離斷層的下盤1.5 m的左側開挖，掘進巷道高度2 m。有限元數(shù)值模型如圖1所示，模型尺寸為30 m×30 m的幾何邊界，巖層和煤層均定義了不同的厚度和幾何特征，其參數(shù)見表1。整個模型劃分為300×300共90 000個計算單元。

表1 巖層體物理力學參數(shù)取值Table 1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

模型的加載方式都是通過載荷加載的，水平壓力為4 MPa，保持不變。垂直壓力為12 MPa，也保持不變。頂?shù)装宸忾]，只在煤層中加載瓦斯壓力，煤層兩端邊界處瓦斯壓力恒定不變。

1.3 突出過程破壞瓦斯流場分析

巷道開挖初始階段，斷層和煤層受應力較小而未破壞，斷層的封閉性較好封閉了煤層中的瓦斯，瓦斯沒有發(fā)生解析，較好地賦存在煤層中。隨著巷道的開挖，煤層受到應力擾動，但是擾動不足以使煤層中瓦斯發(fā)生大量運移，只有部分瓦斯開始解析，并使煤層發(fā)生較小破壞產(chǎn)生微小裂隙。伴隨著巷道開挖而應力不斷增加，煤層受到的擾動增大使瓦斯運移增多，煤層在瓦斯壓力作用下產(chǎn)生更多裂隙，并且瓦斯大量解析，瓦斯壓力不斷增大，并形成一定的瓦斯壓力梯度。由于掘進巷道距離煤層有足夠的安全距離，瓦斯壓力不足以破壞巖體而發(fā)生突出。隨著巷道向前開挖，斷層受到應力增大而透氣性增大，煤層中瓦斯大量解析，在瓦斯壓力作用下，大量微裂紋連接貫通，煤層中形成有規(guī)律的裂隙通道，瓦斯壓力充滿整個裂紋空間。由于破裂面處的壓力為零，當煤體中瓦斯壓力足夠大，就將煤體壓入掘進巷道而發(fā)生突出。沿斷層上盤掘進時，瓦斯壓力梯度大，煤層破壞大，更容易發(fā)生突出；而沿斷層下盤掘進的時候，瓦斯壓力梯度小，破壞也較少，如圖2、3所示。

圖2 沿斷層上盤掘進過程中瓦斯流動滲流Fig.2 Gas flow and seepage during tunneling along the hanging wall of fault

圖3 沿斷層下盤掘進過程中瓦斯流動滲流Fig.3 Gas flow and seepage during tunneling along the footwall of fault

巷道開挖初期，斷層下部在應力作用下產(chǎn)生破壞，透氣性較好。隨著開挖的進行，斷層上部透氣性也在增強。由圖4的斷層流量變化圖，沿斷層上盤掘進過程中，斷層下部產(chǎn)生破壞，瓦斯流量主要來自下盤煤層；隨著應力增加，上盤煤層產(chǎn)生破壞以后，斷層上部的瓦斯主要來自上盤煤層，流量增大。斷層下部瓦斯流量比上部大。

圖4 沿斷層上盤掘進過程中斷層流量變化Fig.4 Variation of fault flow during tunneling along the fault hanging wall

隨著開挖的進行，煤層在應力作用下產(chǎn)生破壞，煤層的透氣性增加，隨著煤層破壞的增多，煤層破壞區(qū)域透氣性增加。由于煤層破壞作用，煤層中瓦斯解析，破壞區(qū)域的瓦斯流量變大；隨著煤層破壞加重使瓦斯流量進一步增大。

巷道開挖初期，斷層下部在應力作用下產(chǎn)生破壞，透氣性較好。隨著開挖進行，斷層上部未產(chǎn)生破壞，上部透氣性差。沿斷層下盤掘進過程中，斷層下部產(chǎn)生破壞，瓦斯流量主要來自下盤煤層；隨著應力增加，斷層破壞增大，斷層下部瓦斯流量不斷增大。

隨著巷道的開挖，煤層的透氣性增加，靠近斷層的煤層透氣性大，并且其他部分煤層的透氣性也在逐漸增加。沿斷層下盤掘進過程中，上盤煤層中瓦斯在煤層破壞區(qū)域流動，煤層未破壞區(qū)域瓦斯流量少，隨著破壞區(qū)域增加，煤層破壞區(qū)域瓦斯大量解析，瓦斯流量增大。

2 煤層同水平開挖的數(shù)值模擬

2.1 計算模型的建立

計算模型同圖1，數(shù)值模型設計以類似大平煤礦模型的特點，建立落差為10 m的逆斷層，斷層上下盤煤厚為4.8 m，斷層面傾角為49°。先建立整個模型的底層，底層的力學性質為泥巖。然后建立好煤層和斷層，在煤層同一水平開挖，沿平巷向前掘進，掘進巷道高度2 m。模型的加載方式均為載荷加載，水平壓力為5 MPa，保持不變；垂直壓力為12 MPa，也保持不變。頂?shù)装宸忾]，只在煤層中加載瓦斯壓力，煤層兩端邊界處瓦斯壓力恒定不變。

2.2 突出過程破壞損傷分析

在巷道剛開挖時，斷層受力較小，附近沒有明顯的破壞與損傷。沿著斷層上盤掘進過程中，斷層附近的應力不斷增加，主要產(chǎn)生壓破壞。隨著巷道向前掘進，斷層產(chǎn)生更多的壓剪破裂，這時煤層受到應力影響，主要表現(xiàn)為拉破壞，造成瓦斯運移，使煤層主要受到壓應力作用產(chǎn)生壓剪破裂，同時拉應力繼續(xù)對煤層作用產(chǎn)生拉伸破裂，隨著壓應力增大，拉應力減小，煤層產(chǎn)生更多壓破壞。過斷層后，斷層上部煤層受到拉破壞作用。隨著應力增大，拉伸破壞更加嚴重，有可能引發(fā)斷層上盤發(fā)生突出，如圖5所示。而沿著斷層下盤掘進時，斷層和煤層主要受到壓應力作用而產(chǎn)生壓破壞。隨著應力的增加，煤層受到拉應力作用而產(chǎn)生拉破壞，如圖6所示。

圖5 沿上盤掘進過程中的破壞與損傷Fig.5 Destruction and damage in the process of tunneling along the upper wall

圖6 沿下盤掘進過程中的破壞與損傷Fig.6 Destruction and damage in the process of tunneling along the footwall

從圖7可以看出，沿斷層上盤掘進，豎直方向位移增大，主要是壓破壞作用，而隨著開挖的進行，斷層逐漸受到拉破壞作用。隨著繼續(xù)開挖的進行，斷層兩盤的位移都比較大。

圖7 沿斷層上盤掘進過程中的位移Fig.7 Displacement during tunneling along the fault hanging wall

2.3 突出過程破壞瓦斯流場分析

巷道開挖初始階段，斷層未受到破壞，較好地封閉了煤層中的瓦斯，煤層中瓦斯沒有發(fā)生解析，較好地賦存在煤層中。隨著巷道的開挖，煤層受到應力擾動，只有部分瓦斯開始解析，并使煤層發(fā)生較小破壞而產(chǎn)生微小裂隙。沿斷層下盤掘進時，伴隨著巷道開挖而應力不斷增加，煤層受到的擾動增大使瓦斯運移增多，煤層在瓦斯壓力作用下產(chǎn)生更多裂隙，并且瓦斯大量解析，瓦斯壓力不斷增大，并形成一定的瓦斯壓力梯度，由于掘進巷道距離煤層有足夠的安全距離，瓦斯壓力不足以破壞巖體而發(fā)生突出。隨著巷道向前開挖，斷層受到應力增大而透氣性增大，煤層中瓦斯大量解析，在瓦斯壓力作用下，大量微裂紋連接貫通，煤層中形成有規(guī)律的裂隙通道，瓦斯壓力充滿整個裂紋空間。由于破裂面處的壓力為零，當煤體中瓦斯壓力足夠大，就將煤體壓入掘進巷道而發(fā)生突出，如圖8所示。

圖8 沿斷層下盤過程中瓦斯流動滲流Fig.8 Gas flow and seepage along the fault footwall

而沿上盤掘進時，開挖至斷層附近，斷層產(chǎn)生的破壞少，煤層并未發(fā)生突出，當巷道開挖過斷層以后，巷道上部煤層瓦斯大量解析，上盤煤層容易發(fā)生傾出；瓦斯壓力梯度大，并引起斷層上盤煤層的破壞，容易引起上盤煤層發(fā)生突出，如圖9所示。

圖9 沿斷層上盤過程中瓦斯流動滲流Fig.9 Gas flow and seepage during tunneling along the fault footwall

巷道開挖初期，受開挖影響，斷層下部的透氣性好，隨著開挖的進行，下部透氣性增強。初期斷層流量沒有變化，隨著開挖的進行，斷層的瓦斯主要來自下盤煤層，斷層下端瓦斯流量變大，如圖10所示。

圖10 沿斷層上盤掘進過程中斷層流量變化Fig.10 Variation of fault flow during tunneling along the fault hanging wall

通過斷層上盤掘進過程中煤層流量變化(圖11)可以看出，隨著開挖的進行，靠近斷層的煤層的透氣性增加。煤層瓦斯初期流動較小，隨著巷道向前掘進，煤層破壞區(qū)域瓦斯流動增大。

圖11 沿斷層上盤掘進過程中煤層流量變化Fig.11 Variation of coal seam flow during tunneling along the fault hanging wall

沿斷層下盤掘進過程中，斷層的透氣性也是下端部向上逐漸增強。斷層流量初期主要在豎直方向，后期水平方向流量大，斷層瓦斯主要來自上盤煤層。隨著巷道的開挖，靠近斷層的煤層透氣性大，并且其他部分煤層的透氣性也在逐漸增加。初期瓦斯主要在水平方向流動，隨著開挖的進行，瓦斯由水平方向運移變成主要在豎直方向流動，煤層破壞區(qū)域瓦斯流動加大。

3 結論

(1)從斷層下方(上、下盤)和煤層同一水平(上、下盤)掘進過程可以分為應力集中階段、應力誘發(fā)斷層破裂階段、瓦斯應力促使煤層破壞階段和突出階段4個階段。

(2)從斷層下方(上、下盤)掘進數(shù)值模擬表明：沿斷層上盤掘進，煤體發(fā)生的破壞更嚴重，并且會引起斷層上盤的破壞，進而發(fā)生更加嚴重的突出。沿斷層下盤掘進，煤體的破壞較少，有可能發(fā)生煤與瓦斯突出。

(3)煤層同一水平(上、下盤)掘進數(shù)值模擬表明：沿上盤掘進，過斷層后，巷道上方煤層發(fā)生破壞，斷層主要受到瓦斯壓力作用，靠近上盤煤層的斷層發(fā)生較大破壞，從而引起上盤煤層受到應力的影響而產(chǎn)生破壞，隨著巷道在煤層的掘進，上部煤層受力增大，可能發(fā)生更大的突出危險；沿下盤掘進，當巷道掘進至斷層附近時，瓦斯壓力使破碎煤塊沿著斷層破裂面壓入掘進巷道進而發(fā)生煤與瓦斯突出。

(4)文中僅對斷層上、下盤進行模擬，未對斷層的斷距、傾角、煤層強度對突出的影響進行分析；由于文中采用的是二維模擬，模擬結果與實際情況有一定的偏差，今后可采用RFPA3D數(shù)值軟件對模型進一步改進和研究。