正斷層上盤煤與瓦斯突出特征與地應(yīng)力場控制機(jī)理

曹運(yùn)興，張海洋，張 震，劉高峰

(1.河南理工大學(xué) 煤層氣/瓦斯地質(zhì)工程研究中心,河南 焦作 454000；2.河南省非常規(guī)能源與開發(fā)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000)

我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出(簡稱“突出”)嚴(yán)重。歷史資料表明，全世界有記錄的30 000 多次突出中，一半發(fā)生在我國煤礦；現(xiàn)階段的突出礦井和突出現(xiàn)象還主要發(fā)生在中國。隨開采深度增加，煤層瓦斯壓力和地應(yīng)力增加，突出危險性日益升高。所以，研究煤與瓦斯突出機(jī)理和規(guī)律一直是煤炭工業(yè)的重大科學(xué)問題，具有重要的理論意義和生產(chǎn)實(shí)踐意義[1-3]。

煤與瓦斯突出在井田中的分布是不均勻的，突出危險區(qū)一般小于井田面積的1/3，主要發(fā)生在強(qiáng)烈變形的地質(zhì)構(gòu)造帶，即褶皺帶和斷層帶，是突出事故發(fā)生的主要地質(zhì)單元，也是煤與瓦斯突出理論研究和預(yù)測研究的主要對象[4-5]。

在早期的研究成果中，一般將斷層作為一個地質(zhì)單元，主要研究煤與瓦斯突出沿斷層帶的規(guī)律性分布特征以及斷層類型，包括正斷層、逆斷層、正斷層組合的地塹構(gòu)造、逆斷層組合的對沖構(gòu)造帶等[6-7]。隨著社會進(jìn)步，煤礦安全生產(chǎn)對煤與瓦斯突出預(yù)測的可靠性提出了更高的要求，其研究程度也相應(yīng)更加深入。劉咸衛(wèi)等[8]通過對我國平頂山、安陽、北票礦區(qū)等突出發(fā)生的斷層規(guī)律研究，首次發(fā)現(xiàn)斷層兩盤的突出危險性具有重大差異，突出主要發(fā)生在正斷層的上盤；這一認(rèn)識在淮南礦區(qū)的瓦斯地質(zhì)研究中得到進(jìn)一步證實(shí)[9-10]。在解釋正斷層上盤高頻突出的發(fā)生機(jī)理時，根據(jù)正斷層形成的力學(xué)機(jī)制和井下觀察的構(gòu)造煤分布規(guī)律，提出了正斷層上盤是斷層形成的主動盤，斷層形成期地應(yīng)力更為集中，并在上盤形成了較下盤更為發(fā)育的構(gòu)造裂隙和構(gòu)造煤，即斷層上盤較發(fā)育的構(gòu)造煤是煤與瓦斯突出發(fā)生在上盤的控制性地質(zhì)因素之一[8-18]。

煤與瓦斯突出是瓦斯、地應(yīng)力和構(gòu)造煤綜合作用的結(jié)果。影響正斷層兩盤突出危險程度差異的控制性地質(zhì)因素除了構(gòu)造煤以外，與地應(yīng)力場的差異性分布關(guān)系密切[16]，但目前的認(rèn)識不足以深刻揭示正斷層兩盤煤與瓦斯突出差異性分布的地應(yīng)力作用機(jī)理[19-23]。關(guān)于斷層端部地應(yīng)力高度集中現(xiàn)象，被巖石斷裂試驗(yàn)和理論研究所揭示，并被數(shù)值模擬所證明[21-25]，但關(guān)于正斷層兩盤采動前的原始地應(yīng)力狀態(tài)的差異性，以及采動過程中兩盤地應(yīng)力場狀態(tài)的變化規(guī)律的研究尚為薄弱。這是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論問題，也是地下工程領(lǐng)域地質(zhì)災(zāi)害評價、預(yù)測和防治的基礎(chǔ)課題，例如地下工程應(yīng)優(yōu)先建設(shè)在更為穩(wěn)定、地應(yīng)力相對不易集中的地質(zhì)單元，最大可能地避開地應(yīng)力集中和非穩(wěn)定地質(zhì)單元。在煤礦生產(chǎn)中，井場和巷道布置，特別是對于揭示煤與瓦斯突出的斷層控制機(jī)理及其防止煤與瓦斯突出的措施制定，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用前景。

本文作者采用構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析正斷層帶的原始地應(yīng)力狀態(tài)以及在掘進(jìn)擾動下斷層兩盤的地應(yīng)力演化過程，以期探索導(dǎo)致正斷層兩盤突出差異性規(guī)律的地應(yīng)力控制機(jī)理。

1 地應(yīng)力場數(shù)值模擬方法與條件

1.1 “突出”案例與地質(zhì)模型

河南焦作礦區(qū)中馬村煤礦開采二1 煤層，井田面積16.949 km2，為煤與瓦斯突出礦井，生產(chǎn)過程中多次發(fā)生突出，最大為1989 年4 月23 日-57 m 高程發(fā)生的特大型突出，突出煤量511 t，瓦斯128 057 m3。該礦突出主要發(fā)生在煤巷掘進(jìn)過程中，多位于斷層附近、小褶曲軸部及煤層厚度變化帶。井田內(nèi)斷層較發(fā)育，地層走向40°～100°，傾向130°～190°，傾角8°～14°。井田內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主，均為高角度正斷層，且以近東西和北東向斷層為主，局部發(fā)育北西向正斷層。

參照中馬村礦DF4正斷層的地質(zhì)條件，設(shè)計的地質(zhì)模型：煤層厚度為6 m (圖1)，正斷層的垂向落差為5 m，斷層傾角為65°，斷層消失于煤層底板中，煤層和圍巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

圖1 正斷層模型地層剖面Fig.1 Stratigraphic profile of the normal fault model

1.2 地應(yīng)力場數(shù)值模擬軟件和方法

地應(yīng)力場數(shù)值模擬軟件采用的FLAC3D，是美國ITASCA 公司開發(fā)的普適性軟件，廣泛應(yīng)用于巖土、巖石和其他材料的工程力學(xué)、應(yīng)力場分析和相關(guān)設(shè)計，如地下工程挖掘以及巖土工程中斷層、褶皺、節(jié)理等構(gòu)造影響的模擬[26-29]。

三維地質(zhì)模型建立基本假設(shè)如下：①模型內(nèi)煤巖體為均勻的各向同性材料；② 斷層為完全彈性材料；③邊界應(yīng)力為區(qū)域應(yīng)力，作用方向垂直于邊界，模型底部邊界固定，上部邊界為自由面；④ 所建模型僅考慮豎直方向上的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，不考慮其他殘余應(yīng)力。建立三維計算模型分為3 個步驟：①建立有限差分網(wǎng)格，網(wǎng)格的建立應(yīng)適中，不能過密，也不能過??；② 設(shè)置本構(gòu)特性以及各單元材料的彈性屬性；③設(shè)置邊界條件與初始條件。

用FLAC3D構(gòu)建的三維地質(zhì)模型如圖2 所示。把斷層做成一個弱面，用力學(xué)性質(zhì)相對于周圍巖體較低、可塑性較強(qiáng)的巖石代替。簡化圍巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，主要表征煤層在斷層影響區(qū)和掘進(jìn)擾動影響下的應(yīng)力場變化規(guī)律。設(shè)計巖體模型沿煤層掘進(jìn)方向長度100 m，寬度為30 m，高度60 m。

圖2 正斷層三維地質(zhì)模型Fig.2 Three-dimensional geological model of the normal fault

1.3 正斷層兩盤地應(yīng)力場數(shù)值模擬應(yīng)力初始條件

地下巖體中的原巖應(yīng)力為三向不等壓的空間應(yīng)力場(垂直主應(yīng)力σv、最大水平主應(yīng)力σH和最小水平主應(yīng)力σh)，3 個主應(yīng)力的大小(最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2和最小主應(yīng)力σ3)和方向隨空間和時間變化。

不同性質(zhì)的斷層是在不同地應(yīng)力場狀態(tài)下形成的。根據(jù)Anderson 原理，正斷層在最大主應(yīng)力為垂向主應(yīng)力(σ1=σv)時形成。垂向主應(yīng)力、最大、最小水平主應(yīng)力總體上均隨埋深的增大而增大，但其應(yīng)力莫爾圓由淺向深由橢球體逐漸變化為各向同性的圓球體，即三向應(yīng)力差在逐漸縮小而趨于相等。我國華北煤盆地地應(yīng)力場的基本轉(zhuǎn)換規(guī)律是：在淺層，水平應(yīng)力占主導(dǎo)地位(σ1=σH)；當(dāng)煤層埋藏深度在650～1 000 m 時，煤儲層地應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為σv＞σH＞σh；當(dāng)煤層埋藏深度大于1 000 m 后，水平主應(yīng)力將與垂向主應(yīng)力近似相等(σv=σH=σh)[30-34]。

同時，煤礦井下開采實(shí)踐表明，采掘工作面過斷層時，由于開采擾動的影響，會引起斷層帶地應(yīng)力重新分布以及斷層的活化，導(dǎo)致應(yīng)力集中和殘余構(gòu)造應(yīng)力的釋放，更容易誘發(fā)突出[35-37]。

根據(jù)上述分析，設(shè)計3 種不同埋深(660、800、1 000 m)條件下的地應(yīng)力狀態(tài)，分別模擬：斷層上下兩盤的初始地應(yīng)力狀態(tài)，垂直于斷層走向的上盤巷道以及下盤巷道在掘進(jìn)工作面逐漸接近斷層面過程的地應(yīng)力變化規(guī)律，分析上下兩盤地應(yīng)力分布的差異性。應(yīng)力初始條件參數(shù)見表2。

表2 模型的應(yīng)力初始條件參數(shù)Table 2 In-situ stress initial condition parameters of the model

2 正斷層上下兩盤地應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果

按照上述模擬方法和條件，模擬獲得了3 種埋深條件下，未受掘進(jìn)擾動影響的正斷層上下盤的初始地應(yīng)力場云圖，如圖3 所示。

圖3 不同埋深條件下正斷層原始地應(yīng)力場云圖Fig.3 Nephogram of the original in-situ stress field of normal faults under different buried depths

設(shè)計巷道斷面高4 m，寬4 m。煤層巷道垂直斷層走向，向斷層面方向掘進(jìn)，巷道初始距斷層面40 m，分別模擬掘進(jìn)工作面距離斷層面30、20、15、10 m 時斷層帶附近的地應(yīng)力場演化。

3 種埋深-地應(yīng)力條件下，煤層掘進(jìn)巷道位于正斷層上盤，逐漸接近斷層面過程的地應(yīng)力狀態(tài)云圖，如圖4 所示。掘進(jìn)巷道位于斷層下盤，逐漸接近斷層面過程的地應(yīng)力狀態(tài)云圖，如圖5 所示。

圖4 不同埋深條件上盤煤巷掘進(jìn)過程中地應(yīng)力場云圖Fig.4 Nephogram of the stress field for tunneling in the hanging wall under different buried depths

圖5 不同埋深條件下盤煤巷掘進(jìn)過程中地應(yīng)力場云圖Fig.5 Nephogram of the stress field for tunneling in the foot wall under different buried depths

根據(jù)地應(yīng)力場模擬結(jié)果，提取統(tǒng)計了3 種埋深-地條件下正斷層上盤和下盤初始狀態(tài)以及掘進(jìn)工作面距離斷層面30、20、15、10 m 的最大地應(yīng)力值，結(jié)果見表3。根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，繪制了3 種應(yīng)力條件下斷層上盤和下盤的初始以及掘進(jìn)過程中最大地應(yīng)力值變化曲線，如圖6 所示。

3 正斷層兩盤的地應(yīng)力場狀態(tài)分析

3.1 初始地應(yīng)力狀態(tài)

表3、圖3 和圖6a 顯示，在未受掘進(jìn)擾動影響的原始條件下，正斷層上下兩盤的地應(yīng)力狀態(tài)不同，其分布有以下特征：

圖6 初始狀態(tài)和掘進(jìn)過程的最大應(yīng)力值變化曲線Fig.6 Maximum values of the in-situ stress at different tunneling locations in hanging and foot walls

表3 斷層上下盤的不同掘進(jìn)位置最大地應(yīng)力值Table 3 Maximum stress values at different tunneling locations in the hanging wall and the foot wall

(1) 斷層面附近分布2 個特殊地應(yīng)力局部區(qū)域，最大地應(yīng)力(深藍(lán)區(qū))總是位于斷層上盤(斷層在底板的尖滅端)，最小地應(yīng)力(紅色區(qū))總是位于下盤；

(2) 在斷層上盤，地應(yīng)力隨遠(yuǎn)離斷層面而逐漸降低，直至接近有原始正常地應(yīng)力狀態(tài)；在斷層下盤，地應(yīng)力隨遠(yuǎn)離斷層面而逐漸升高，直至接近有原始正常地應(yīng)力狀態(tài)。

(3) 以斷層面為界，上盤和下盤分屬2 個不同的地應(yīng)力分區(qū)，在3 種埋深條件下，上盤地應(yīng)力值始終高于下盤。上盤的最大應(yīng)力值分別為22、27、33 MPa，遠(yuǎn)高于下盤相應(yīng)的最大應(yīng)力值14、20、24 MPa。

3.2 上盤煤巷掘進(jìn)時地應(yīng)力場演化規(guī)律

圖4 和圖6 顯示，在正斷層上盤實(shí)施垂直于斷層走向的巷道掘進(jìn)時，隨掘進(jìn)工作面由遠(yuǎn)而接近斷層面的過程中，斷層面附近應(yīng)力場重新分布，基本規(guī)律如下：

(1) 掘進(jìn)面距斷層面由30 m 推進(jìn)至10 m 的過程中，在斷層上盤的斷層面和掘進(jìn)工作面之間存一個地應(yīng)力集中區(qū)(藍(lán)色區(qū))，斷層面附近和工作面前方各分布一個地應(yīng)力集中點(diǎn)。

(2) 越接近斷層面，地應(yīng)力集中區(qū)域面積變小，應(yīng)力集中現(xiàn)象增強(qiáng)，地應(yīng)力數(shù)值提高，巷道掘進(jìn)至距離斷層面10 m 時，2 個地應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生疊加轉(zhuǎn)化為一個集中點(diǎn)，地應(yīng)力在上盤達(dá)到最大值。

(3) 表3 顯示，3 種埋深地應(yīng)力條件下，疊加后斷層面附近上盤的應(yīng)力值分別達(dá)到30、36、52 MPa，而下盤相應(yīng)位置的最大地應(yīng)力值為25、30、40 MPa。尤其是埋深1 000 m 條件下，在掘進(jìn)面距離斷層10 m 時，斷層應(yīng)力與掘進(jìn)擾動應(yīng)力疊加后，在斷層面上盤附近達(dá)到最大，地應(yīng)力值增加了19 MPa，是距斷層面上盤40 m 處原始地應(yīng)力的1.6 倍。

(4) 表3 和圖6 進(jìn)一步表明，3 種埋深應(yīng)力條件下，巷道在斷層上盤掘進(jìn)時，斷層上盤的地應(yīng)力值始終高于下盤的值。

3.3 下盤煤巷掘進(jìn)時地應(yīng)力場演化規(guī)律

圖5 顯示，垂直于正斷層的煤巷在下盤掘進(jìn)時，受掘進(jìn)擾動影響，斷層附近應(yīng)力場重新分布。隨掘進(jìn)工作面逐漸接近斷層面，斷層兩盤地應(yīng)力場的變化規(guī)律如下：

(1) 掘進(jìn)位置距斷層面由30 m 推進(jìn)至10 m 的過程中，存在2 個應(yīng)力集中區(qū)，分別位于掘進(jìn)面前方和斷層面上盤附近(藍(lán)色區(qū))，并且斷層面上盤附近的應(yīng)力集中區(qū)域大于下盤掘進(jìn)面前方的掘進(jìn)擾動應(yīng)力影響區(qū)域。

(2) 巷道掘進(jìn)至距斷面10 m 范圍時，2 個應(yīng)力集中區(qū)疊加集中，應(yīng)力值達(dá)到最大。

(3) 表3 顯示，3 種埋深應(yīng)力條件下，疊加后上盤的最大應(yīng)力值分別達(dá)到25、31.6、40 MPa，而下盤相應(yīng)位置的最大地應(yīng)力值分別為20、30、32 MPa。即上盤地應(yīng)力值遠(yuǎn)高于下盤。

(4) 表3 和圖5 表明，3 種埋深應(yīng)力條件下，煤巷在斷層下盤掘進(jìn)時，斷層上盤的地應(yīng)力值始終高于下盤。

3.4 地應(yīng)力場對突出的控制作用

煤與瓦斯突出機(jī)理綜合假說認(rèn)為，突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果[38]。大量研究表明，地應(yīng)力是誘導(dǎo)煤與瓦斯突出發(fā)生的直接控制性地質(zhì)因素，并對煤體結(jié)構(gòu)的破壞、煤層瓦斯的滲流運(yùn)移能力和賦存狀態(tài)有著重要的影響[39-42]。在高地應(yīng)力區(qū)，即使瓦斯含量較低，突出仍然發(fā)生，即所謂的低瓦斯條件下的突出現(xiàn)象，地應(yīng)力成為突出發(fā)生的控制性誘因；在深層開采條件下，突出危險性急劇升高的主要原因也是由地應(yīng)力的大幅度升高造成的[43-45]?？傊?，隨地應(yīng)力集中程度升高，煤與瓦斯突出發(fā)生的頻度和強(qiáng)度增加。

根據(jù)3.2 節(jié)和3.3 節(jié)的分析結(jié)果，煤層巷道掘進(jìn)過程中，在掘進(jìn)擾動影響下，在斷層附近存在應(yīng)力集中區(qū)域；煤層巷道無論位于上盤掘進(jìn)，還是位于下盤掘進(jìn)，斷層上盤的應(yīng)力值總是高于下盤；特別是，在工作面掘進(jìn)至斷層面10 m 附近時，掘進(jìn)擾動應(yīng)力與斷層附近地應(yīng)力發(fā)生疊加積聚，應(yīng)力值大幅度升高，煤巷位于上盤掘進(jìn)時的地應(yīng)力值，遠(yuǎn)大于位于下盤掘進(jìn)時的地應(yīng)力值，因此，煤層巷道位于上盤掘進(jìn)，比位于下盤掘進(jìn)更容易發(fā)生突出。

4 結(jié) 論

a.3 種埋深-應(yīng)力條件下(660 m，σ1=σH；800 m，σ1=σv；1 000 m，σv=σH=σh)，正斷層附近應(yīng)力場模擬結(jié)果顯示，未受巷道掘進(jìn)擾動影響條件下的原始地應(yīng)力場，斷層上盤和下盤分屬兩個不同的地應(yīng)力分區(qū)，上盤地應(yīng)力值始終高于下盤。

b.煤層巷道位于上盤時，掘進(jìn)工作面距斷層面由30 m 推進(jìn)至10 m 的過程中，斷層上盤、下盤和掘進(jìn)工作面之間，均存在1 個集中區(qū)2 個集中點(diǎn)，距離斷層面10 m 時，2 個地應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生疊加，應(yīng)力值達(dá)到最大。

c.煤層巷道位于下盤時，掘進(jìn)過程中，存在2 個應(yīng)力集中區(qū)(掘進(jìn)面前方和斷層面上盤附近)和1 個應(yīng)力下降區(qū)(2 個應(yīng)力集中區(qū)中間)，巷道掘進(jìn)至距斷面10 m 范圍時，應(yīng)力下降區(qū)消失，2 個應(yīng)力集中區(qū)疊加集中，應(yīng)力值達(dá)到最大。

d.煤層巷道掘進(jìn)過程中，在掘進(jìn)擾動影響下，在斷層附近存在應(yīng)力集中區(qū)域；煤層巷道無論是位于上盤，或是下盤，斷層上盤的應(yīng)力集中總是高于下盤。特別是，在斷層面附近地應(yīng)力發(fā)生積聚疊加現(xiàn)象，在上盤掘進(jìn)時的地應(yīng)力值，遠(yuǎn)大于在下盤掘進(jìn)時的地應(yīng)力值，因此，煤層巷道位于上盤掘進(jìn)，比位于下盤掘進(jìn)更容易發(fā)生突出。

e.本項(xiàng)研究進(jìn)一步揭示了正斷層上盤的地應(yīng)力分布規(guī)律及其對突出的控制性機(jī)理，掘進(jìn)過程中正斷層兩盤的地應(yīng)力變化規(guī)律，為地下工程布置優(yōu)化和安全性評價提供了理論依據(jù)，對煤礦安全生產(chǎn)和地下工程建設(shè)具有重要的實(shí)踐意義。