構(gòu)造區(qū)回采煤層瓦斯遷移規(guī)律分析

李 普,張小東

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450042；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)

0 引 言

煤與瓦斯突出是煤礦開采過程中的常見事故，其中地質(zhì)構(gòu)造區(qū)發(fā)生的突出事故更是占突出事故總數(shù)的80%以上[1-2]。構(gòu)造區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致煤巖結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)差異較大[3]，且明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象與高瓦斯體積分?jǐn)?shù)都是誘發(fā)煤與瓦斯突出災(zāi)害發(fā)生的重要因素[4-6]。雷東記等[7]通過實(shí)例研究了逆斷層周圍的應(yīng)力場分布與瓦斯異常分布情況，確定了斷層帶瓦斯異常區(qū)域范圍。李恒樂等[8]對重慶煤礦區(qū)的地質(zhì)特征與瓦斯賦存條件進(jìn)行研究后，認(rèn)為煤與瓦斯突出主要發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)比較劇烈的應(yīng)力集中區(qū)。石永生[9]通過現(xiàn)場實(shí)測陳四樓煤礦的瓦斯含量，基于板塊構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析了該礦區(qū)的構(gòu)造演化規(guī)律，研究了地質(zhì)構(gòu)造對煤層瓦斯賦存規(guī)律的控制作用。除了現(xiàn)場研究外，不少學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對構(gòu)造區(qū)煤與瓦斯突出問題進(jìn)行了研究，王恩營等[10]采用ANSYS軟件對滑動(dòng)構(gòu)造帶的順層面和切層面應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究；邵德全[11]采用FLAC3D數(shù)值模擬的手段，對工作面沿?cái)鄬油七M(jìn)時(shí)采動(dòng)應(yīng)力分布狀態(tài)及規(guī)律進(jìn)行了研究；高魁等[12]通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合構(gòu)造帶逆斷層的轉(zhuǎn)折部位是其附近空間應(yīng)力分布最為集中的部位。王浩等[13]采用3DEC數(shù)值模擬軟件研究了隱伏斷層活化誘發(fā)石門揭煤突出問題,揭示了開采擾動(dòng)、斷層活化、煤與瓦斯突出之間的因果關(guān)系。焦建康等[14]利用FLAC3D軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，給出了斷層區(qū)應(yīng)力分布與煤與瓦斯突出的關(guān)系。但目前主要是對構(gòu)造區(qū)回采過程中的應(yīng)力變化情況進(jìn)行了研究，關(guān)于瓦斯遷移的研究較少。

筆者主要基于COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件，對煤層回采過程中的瓦斯遷移規(guī)律進(jìn)行分析，深入研究構(gòu)造區(qū)煤與瓦斯突出的作用機(jī)理。

1 地質(zhì)概況

鄭煤集團(tuán)大平煤礦位于河南省登封市與新密市交界處，屬華北型石炭二疊紀(jì)含煤地層。地層除缺失奧陶系上統(tǒng)～石炭系下統(tǒng)外，其余震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系在本區(qū)均有出露，地層總厚約3 000 m。

根據(jù)地表出露及鉆孔揭露情況，本區(qū)地層由老至新分別為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)，以淺灰-灰色石灰?guī)r為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，上部具溶蝕現(xiàn)象及縫合線，下部含角礫狀灰?guī)r，為區(qū)內(nèi)較好的標(biāo)志層。石炭系上統(tǒng)本溪組(C2b)以淺灰色鋁土巖為主，具鮞狀和豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，含黃鐵礦結(jié)核及團(tuán)塊；太原組(C2t)由中-厚層狀石灰?guī)r、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和煤層組成。二疊系下統(tǒng)山西組(P1sh)由灰-深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖和煤層組成，為井田主要含煤地層，含煤2層(二0、二1)，其中二1煤全區(qū)可采；下石盒子組(P1x)由灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖和砂巖組成，巖性較好；上統(tǒng)上石盒子組(P2s)由灰綠色、灰色、紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖和中、粗粒砂巖組成，硅質(zhì)膠結(jié)，具大型交錯(cuò)層理，發(fā)育穩(wěn)定，易于識別。第4系(Q)以黃土層、礫石層為主，局部黃土夾礫石，松散，透水性強(qiáng)。

大平煤礦位總體構(gòu)造形態(tài)基本為一軸向近東西、向東傾伏的向斜構(gòu)造——大冶向斜，地層走向大致近東西。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，共查明落差大于5 m的斷層35條，以逆斷層為主；其中吳莊逆斷層產(chǎn)狀150°～190°，∠30°～65°，H=40～145 m，東大西小，影響區(qū)域較廣。

二1煤層是大平煤礦主采煤層，本煤層具有層位穩(wěn)定、易于對比、結(jié)構(gòu)簡單，分布較廣的特點(diǎn)，大部分不含夾矸，少量夾矸巖性為黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)含量較高，瓦斯含量高[15-16]，屬于全區(qū)普遍可采的中厚-特厚煤層。煤厚0.52～29.83 m，平均6.77 m，煤厚變化較大。煤厚異常點(diǎn)往往分布于斷層交匯處或斷層轉(zhuǎn)折端。如吳莊逆斷層上盤11291工作面，煤厚由12 m突變?yōu)?.5 m，煤厚及巖層揉搓現(xiàn)象明顯；吳莊逆斷層下盤附近的13煤柱面南部煤厚由29.83 m突變至1.1 m。圖1為大平煤礦巖層與煤層的賦存情況。

圖1 地層與煤層賦存情況剖面Fig. 1 Profile of strata and coal seam occurrence

地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存情況影響較大，大冶向斜為井田內(nèi)的主體構(gòu)造，控制了整個(gè)井田瓦斯含量的分布趨勢。井田中部向斜軸部東西一線為瓦斯含量高值區(qū)，井田南北淺部向斜兩翼瓦斯含量較低。吳莊逆斷層是井田內(nèi)最大的控制性斷層，以小角度斜切大冶向斜軸跡一線，在斷層兩盤形成了瓦斯高值區(qū)。該礦井二1煤層全層構(gòu)造煤，煤質(zhì)松軟、透氣性差，目前開采區(qū)域14091工作面鄰近吳莊逆斷層，受斷層影響地應(yīng)力條件復(fù)雜，瓦斯壓力大、抽采困難，煤層回采難度高，煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)較大，因此確定斷層的影響范圍及危險(xiǎn)回采區(qū)域是目前亟需解決的問題。

2 數(shù)值模型建立

2.1 研究模塊確定

為了更加合理地在吳莊逆斷層附近部署回采工作，在保證安全的情況下提高回采量，有必要對回采過程中距離斷層不同距離時(shí)工作面的應(yīng)力分布，瓦斯壓力分布及瓦斯遷移規(guī)律進(jìn)行研究。

煤可以看作一種可被瓦斯吸附的多孔介質(zhì)，當(dāng)多孔介質(zhì)受到外部載荷作用時(shí)，其孔隙的體積分?jǐn)?shù)會(huì)受到影響，瓦斯也會(huì)隨著壓力的變化發(fā)生吸附與解吸。在機(jī)械應(yīng)力作用下，含流體的孔隙會(huì)經(jīng)受壓力變化，從而引起流體運(yùn)動(dòng)[17-19]。隨著孔隙體積的改變，固體材料會(huì)相應(yīng)地發(fā)生位移和彈性變形。使用Comsol數(shù)值模擬軟件中的固體力學(xué)模塊、達(dá)西定律模塊與多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞模塊中的吸附功能耦合，通過含瓦斯煤巖的變形、滲流、解吸方程組(1)可以有效模擬流固耦合下的瓦斯遷移情況[20]。

(1)

式中：ε為煤巖的孔隙度；ε0為煤巖的初始孔隙度；εv為煤巖體積應(yīng)變；Ks煤巖的體積模量；p為瓦斯壓力；ρ為瓦斯密度；κ為煤巖的滲透率；κ0為煤巖的初始滲透率；a,b為煤巖吸附常數(shù)；μ為瓦斯的動(dòng)力黏度；h為煤的高度；Q為單位體積瓦斯含量；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度；M為摩爾質(zhì)量；t為時(shí)間。

2.2 建立數(shù)值模型

平面模型尺寸為800 m(長)×700 m(高)，為了便于建模將地層簡化，從上至下依次為表土、砂巖、泥巖、斷層、煤層、石灰?guī)r。采用自由三角形單位，為了提高計(jì)算精度在斷層與煤層處增加網(wǎng)格密度，共劃分單元數(shù)7 538個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)3 874個(gè)，平均單元質(zhì)量0.894 1。

圖2 網(wǎng)格劃分示意Fig. 2 Schematic diagram of grid division

2.3 參數(shù)取值

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對主應(yīng)力空間內(nèi)的六棱錐進(jìn)行了定義，這為直接對該準(zhǔn)則進(jìn)行分析提供了很大的便利。但是，由于尖角的存在，在數(shù)值模擬過程收斂性較差。

在Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上匹配Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可以有效避免與尖角有關(guān)的問題[21-22]。

其中Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的參數(shù)α、k由式(2)確定:

(2)

式中，φ為內(nèi)摩擦角。

根據(jù)工程測定，巖體與瓦斯的固體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體的固體力學(xué)參數(shù)Table 1 Solid mechanical parameters of rock mass

煤巖、瓦斯的流體力學(xué)參數(shù)如下：

2.4 邊界條件

邊界滿足方程(3)：

(3)

垂直方向上考慮自重應(yīng)力，水平方向上考慮構(gòu)造應(yīng)力，根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果，水平構(gòu)造應(yīng)力為6.03 MPa。

結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果設(shè)置煤層原始瓦斯壓力p0=1 MPa，煤層邊界壓力滿足方程(4)，其中y1∈(-74，-55)∪(-173，-154)，y2∈(-320，-308)，y3∈(110，120)。

(4)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 初始地應(yīng)力與瓦斯壓力分布

采用穩(wěn)態(tài)求解器求得初始地應(yīng)力分布情況如圖3所示，礦區(qū)開采前主要為自重荷載，與水平荷載，初始地應(yīng)力分布從上至下大致呈逐漸增大趨勢。由于斷層及煤層與其他巖層相比強(qiáng)度較低，因此斷層上盤與斷層下盤相比應(yīng)力較大，斷層對應(yīng)力傳遞起到了隔絕作用，煤層頂?shù)装鍛?yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。圖4所示顯示了煤層頂板的應(yīng)力與瓦斯壓力分布情況，受向斜構(gòu)造與斷層構(gòu)造的影響，頂板應(yīng)力沿x軸方向先減小后增大，在向斜底部應(yīng)力最小，在斷層前方約50 m處應(yīng)力最大，可達(dá)到15 MPa。開采前煤層瓦斯壓力約在1 MPa，在斷層前段受構(gòu)造影響壓力有小幅度的提高。

圖3 煤層初始地應(yīng)力分布Fig. 3 Distribution of initial geo stress of coal seam

圖4煤層頂板初始應(yīng)力與瓦斯壓力分布曲線Fig. 4 Distribution of initial stress and gas pressure of coal seam roof

3.2 回采后應(yīng)力變化分析

采用瞬態(tài)求解器求解了煤層回采100 m(距斷層450 m)與回采500 m(距斷層50 m)后2個(gè)月內(nèi)的應(yīng)力與瓦斯變化情況。

圖5繪制了煤層回采100 m與500 m時(shí)的應(yīng)力變化情況，用回采結(jié)束2個(gè)月后的最終地應(yīng)力與初始地應(yīng)力做差得回采后地應(yīng)力變化情況?；夭砷L度為100 m時(shí)，煤層工作面附近應(yīng)力重分布，可以明顯看出煤層工作面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力增大10 MPa左右，約為原巖應(yīng)力的2倍，頂板部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，底板應(yīng)力出現(xiàn)小幅增長；回采長度為500 m時(shí)，可以明顯工作面應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，工作面應(yīng)力約增加25 MPa，增大為原巖應(yīng)力的3倍以上，此時(shí)工作面附近的頂板應(yīng)力也大幅增大，相較于頂板，底板的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯。總的來說在開采擾動(dòng)的影響下，煤層頂板砂巖和底板石灰?guī)r應(yīng)力變化較大，頂板砂巖上覆的泥巖受擾動(dòng)影響較小，底板石灰?guī)r下覆的煤層一1受開挖影響應(yīng)力略有降低。距斷層450 m回采時(shí)，原巖應(yīng)力較小，且回采后應(yīng)力漲幅較小，但距離斷層50 m回采時(shí)，原巖應(yīng)力較大，且漲幅也更大。

圖5 不同回采距離應(yīng)力變化規(guī)律Fig. 5 Stress variation law of different mining distance

3.3 工作面瓦斯遷移規(guī)律分析

圖6顯示了回采長度為100 m時(shí)，煤層工作面前方一定范圍內(nèi)瓦斯?jié)B流速度在不同時(shí)間的分布情況。未開挖時(shí)，煤層內(nèi)瓦斯幾乎無流動(dòng)，開挖15 min后流速最大在工作面前30 m處，流速約為0.03 mm/s，并在1 h后增大到0.15 mm/s，隨后在幾天內(nèi)保持穩(wěn)定，開挖2個(gè)月后最大滲流速度降低至0.06 mm/s。由圖中可以看出瓦斯在開挖后瓦斯流向穩(wěn)定，大致都由煤層向工作面流動(dòng)，僅在工作面前20～30 m區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)瓦斯向煤層內(nèi)流動(dòng)現(xiàn)象。選取瓦斯流速最大的時(shí)刻t=1 d，繪制煤層瓦斯壓力云圖，如圖7所示。由圖7可以看出在低滲透性煤層開挖后，由于應(yīng)力突然集中，孔隙壓力增大，瓦斯來不及排放，在工作面前20 m處形成高瓦斯壓力區(qū)，此區(qū)域瓦斯壓力增大了20%。這也可以解釋在工作面前20～30 m范圍內(nèi)出現(xiàn)的瓦斯向煤層內(nèi)部流動(dòng)的現(xiàn)象。

圖7 回采100 m后瓦斯壓力分布圖(t=1 d)Fig. 7 Gas pressure distribution map after 100 m stoping(t=1 d)

圖8顯示了回采工作面距斷層50 m時(shí)，煤層工作面至斷層范圍內(nèi)瓦斯?jié)B流速度在不同時(shí)間的分布情況。未開挖時(shí)，工作面瓦斯無流動(dòng)，斷層處瓦斯流速為0.11 mm/s，為無擾動(dòng)的斷層面瓦斯?jié)B流速度，開挖后由于回采擾動(dòng)荷載的影響，瓦斯?jié)B流速度迅速增加，在1 h時(shí)最大滲流速度達(dá)到0.52 mm/s，流速是回采100 m距離同一時(shí)間流速的3.5倍，并基本保持長達(dá)數(shù)天時(shí)間，隨后開始降低在開挖后60 d時(shí)，最大滲流速度降低為0.19 mm/s，仍高于開采前滲流速度，可見斷層附近受構(gòu)造影響煤體更加破碎，增大了煤體的滲透性，且與回采長度為100 m的滲流對比，此時(shí)滲流流速更高，由于應(yīng)力梯度更大，導(dǎo)致流動(dòng)穩(wěn)定性更低。繪制t=1 d時(shí)刻的煤層瓦斯壓力云圖，如圖9所示。由圖9可以看出與距斷層450 m工作面瓦斯壓力分布情況類似，在工作面前20 m處為高瓦斯應(yīng)力區(qū)，但與距斷層450 m工作面瓦斯壓力相比，此時(shí)瓦斯壓力約增幅30%。

圖8 回采500 m后掘進(jìn)方向瓦斯?jié)B流速度Fig. 8 Gas seepage velocity diagram in heading direction after 500 m mining

圖9 回采500 m時(shí)瓦斯壓力分布(t=1 d)Fig.9 Gas pressure distribution map at 500 m stoping(t=1 d)

從距離斷層不同距離回采后工作面瓦斯流動(dòng)情況可以看出，工作面前20 m附近為高瓦斯壓力區(qū)，提取工作面前20 m處瓦斯壓力隨時(shí)間的變化曲線，如圖10所示?？梢钥闯龌夭珊?，瓦斯壓力迅速增大，并在1 d時(shí)間內(nèi)達(dá)到瓦斯壓力的最大值，然后瓦斯壓力開始逐漸降低。遠(yuǎn)離斷層開采時(shí)，瓦斯壓力變化曲線較平滑，最大瓦斯壓力可到1.21 MPa，在回采10 d后，瓦斯壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，略低于原始瓦斯壓力。靠近斷層回采時(shí)，瓦斯壓力在開采1 d后達(dá)到最大值1.3 MPa，并在隨后半天時(shí)間內(nèi)保持在峰值附近，在回采15 d后瓦斯壓力趨于穩(wěn)定?？梢钥闯隹拷鼣鄬踊夭蓵r(shí)，瓦斯壓力更大，且持續(xù)時(shí)間較長，回采風(fēng)險(xiǎn)更高。

圖10 工作面前20 m處瓦斯壓力變化Fig.10 Gas pressure change diagram at 20 m before working face

3.4 工作面應(yīng)力與瓦斯壓力分布規(guī)律

圖11顯示了距斷層不同距離的工作面應(yīng)力與瓦斯壓力分布情況，由圖11a可以看出工作面應(yīng)力不斷降低，但瓦斯壓力在工作面前20 m處達(dá)到最高，究其原因?yàn)楣ぷ髅嫣帒?yīng)力較高，瓦斯?jié)B流速度較快，瓦斯壓力降低，但由于煤巖滲透性較差，工作面后應(yīng)力雖有降低，但瓦斯無法流出，導(dǎo)致瓦斯壓力在20 m處達(dá)到最大。圖11b可以看出，工作面應(yīng)力變化趨勢與圖11a類似，但受斷層影響應(yīng)力整體提高約40%，瓦斯壓力在工作面前30 m均較處于較高值。

在距離斷層50 m內(nèi)區(qū)域回采時(shí)，應(yīng)力與瓦斯壓力均處于較大值，且瓦斯流向紊亂，因此為了保證回采的安全性，不僅要在回采前通過煤層注水、預(yù)掘疏壓硐室等方式降低煤層應(yīng)力狀態(tài)，且需要采用水力沖孔、瓦斯抽采或其他有效方式降低瓦斯壓力。

圖11 至斷層不同距離工作面瓦斯壓力與應(yīng)力分布Fig.11 Gas pressure and stress distribution on working face at different distances from the fault

4 結(jié) 論

1)在距斷層450 m回采時(shí)，工作面應(yīng)力約為原巖應(yīng)力的2倍，當(dāng)回采距斷層50 m時(shí)，工作面應(yīng)力增大為原來的3倍以上，應(yīng)力的突增將極大的增加煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。

2)通過瓦斯?jié)B流速度圖像可以看出，在距斷層450 m回采時(shí)，瓦斯為層流且流速較小，流動(dòng)狀態(tài)顯示為層流；距斷層50 m回采時(shí)，瓦斯流動(dòng)變?yōu)槲闪?，且最大流速變?yōu)檫h(yuǎn)離斷層開采時(shí)的3.5倍。

3)通過回采結(jié)束不同時(shí)間段的瓦斯流動(dòng)情況可以看出，在回采結(jié)束瓦斯?jié)B流速度迅速增大，在回采結(jié)束1 h后流速達(dá)到最大，并保持不變。此時(shí)為發(fā)生煤與瓦斯突出的高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間，隨后滲流速度將逐漸降低，突出風(fēng)險(xiǎn)也逐漸降低。