地應(yīng)力分布對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的影響規(guī)律分析

趙軍利，潘榮榮，張文曉

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 715400；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

煤與瓦斯突出是煤巖體區(qū)域動(dòng)力系統(tǒng)受到采掘工程動(dòng)力擾動(dòng)而引發(fā)的一種礦井動(dòng)力現(xiàn)象，是由于煤巖體在未進(jìn)行采掘工程前原巖應(yīng)力和采掘工程的擾動(dòng)應(yīng)力相互疊加造成，故而突出現(xiàn)象在時(shí)間和空間上的不均勻分布及其顯現(xiàn)強(qiáng)度的差異取決于地殼內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)[1-6]。因此完善對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的研究有助于對(duì)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)過(guò)程深入剖析，另外應(yīng)力的具體方向和數(shù)量級(jí)的確定，對(duì)于研究所有關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的問(wèn)題至關(guān)重要[7]，尤其是地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響規(guī)律方面的研究，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)指導(dǎo)具有極其重要的意義。

地應(yīng)力作為礦井突出的重要因素[8]，國(guó)內(nèi)外專家已經(jīng)做了大量研究。徐平[9]采用空心包體應(yīng)力解除法對(duì)河南中馬村煤礦進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，得出煤層的最大主應(yīng)力云圖及煤與瓦斯突出點(diǎn)和瓦斯含量等值線，發(fā)現(xiàn)了最大主應(yīng)力是影響突出最主要的因素；程遠(yuǎn)平等[10]通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例驗(yàn)證相結(jié)合的方法，分析了淮北礦區(qū)瓦斯壓力梯度變化規(guī)律，研究結(jié)果表明構(gòu)造應(yīng)力的演化對(duì)煤層瓦斯賦存及運(yùn)移起主導(dǎo)控制作用。王漢鵬[11]進(jìn)行了不同軸向應(yīng)力作用下煤中瓦斯釋放和不同瓦斯暴露誘發(fā)突出的試驗(yàn)研究，證明了地應(yīng)力變化過(guò)程中瓦斯釋放強(qiáng)度的變化是地應(yīng)力誘發(fā)突出的重要因素。汪西海[12]采用聲發(fā)射粗估法證明，煤與瓦斯突出與地應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。郭懷廣[13]等基于動(dòng)力災(zāi)害相似模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力的快速釋放可以導(dǎo)致突出所需的瓦斯壓力臨界值降低。龐軍林[14]認(rèn)為呂梁礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，并且水平應(yīng)力的影響具有明顯的方向性，是引起動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)的原因。施曉亮[15]等認(rèn)為地應(yīng)力場(chǎng)的變化會(huì)影響煤體的瓦斯?jié)B透率，進(jìn)而影響瓦斯壓力的分布；在卸壓區(qū)，煤體較為破碎，孔隙裂隙增多，瓦斯?jié)B透率增加，瓦斯壓力減小；在應(yīng)力集中區(qū)，煤體裂隙、孔隙被壓實(shí)、壓密，瓦斯壓力升高。王曉彬[16]等采取水力致裂手段獲取地應(yīng)力分布變化，結(jié)果表明滲透率與主應(yīng)力差、最大水平有效主應(yīng)力相關(guān)性較好，說(shuō)明主應(yīng)力差越大、滲透率越高；最大水平有效主應(yīng)力越小，滲透率值越高。

以往的研究表明了地應(yīng)力對(duì)突出的影響有關(guān)系，但并未明確指出地應(yīng)力的方向?qū)ν怀龅淖饔眯Ч?。采用?shù)值模擬方法，得出了最大主應(yīng)力方向與突出的關(guān)系，并將其結(jié)果同桑樹(shù)坪煤礦南一采區(qū)歷年發(fā)生的突出和其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力對(duì)比分析，得出最大應(yīng)力方向垂直于巷道掘進(jìn)或采面回采方向時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯、卸壓破壞區(qū)范圍更大、煤體孔隙率更低，工作面發(fā)生突出危險(xiǎn)機(jī)率增加。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

1.1 工程概況

桑樹(shù)坪煤礦位于渭北煤田韓城礦區(qū)最北端，行政區(qū)劃隸屬陜西省韓城市桑樹(shù)坪鎮(zhèn)管轄。該礦井歷史上曾經(jīng)多次發(fā)生過(guò)煤與瓦斯突出突出事故，且是典型的雙突礦井。經(jīng)學(xué)者專家研究[17]，該礦井的煤與瓦斯突出誘因多為較大的地應(yīng)力，為準(zhǔn)確地了解該礦井的地應(yīng)力分布特征，本次研究在桑樹(shù)坪煤礦進(jìn)行了實(shí)地的地應(yīng)力測(cè)試，得出該礦井的地應(yīng)力分布規(guī)律為：以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力沿水平或近水平方向。

南一采區(qū)所測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知測(cè)點(diǎn)處最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，方位角為110°左右，應(yīng)力值約為25MPa，最小主應(yīng)力約8MPa，可知最大最小水平主應(yīng)力比值約為3。在其開(kāi)采歷史中，該采區(qū)的采面設(shè)計(jì)有兩種推進(jìn)方向，其方位角分別沿著110°與20°。南一采區(qū)3311、3313等工作面發(fā)生多次突出，且所述采面均沿方位角20°附近布置，所測(cè)得最大應(yīng)力方向?yàn)?11.98°，因此最大主應(yīng)力方位角與該類布置的采面方位角近似為垂直；而3308、3319等工作面的方位角與最大主應(yīng)力近似平行，在此類采面處未發(fā)生過(guò)突出事故。由此可認(rèn)為，煤與瓦斯突出事故發(fā)生危險(xiǎn)性與最大主應(yīng)力方向同工作面推進(jìn)方向之間的夾角具有相關(guān)性，當(dāng)工作面推進(jìn)方向與最大主應(yīng)力方向垂直或近似垂直時(shí)突出危險(xiǎn)性較大，而當(dāng)最大主應(yīng)力方向與工作面推進(jìn)方向平行時(shí)，突出危險(xiǎn)性較小。

表1 桑樹(shù)坪煤礦地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證最大主應(yīng)力方向與煤與瓦斯突出事故之間的關(guān)系，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，模擬了不同應(yīng)力條件下采煤工作面附近應(yīng)力空間分布規(guī)律，分析了地應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律以及最大主應(yīng)力方向?qū)γ簬r體開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生的影響，根據(jù)分析得到的結(jié)論討論不同地應(yīng)力條件下煤層開(kāi)采的危險(xiǎn)性，并結(jié)合桑樹(shù)坪煤礦南一采區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力與突出歷史進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

以FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)賦值不同的圍壓條件以模擬不同的礦井原巖應(yīng)力場(chǎng)，然后分別對(duì)各條件下的煤層進(jìn)行開(kāi)挖，分析工作面前方超前支承壓力變化規(guī)律。建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，由于桑樹(shù)坪煤礦地層構(gòu)造等較復(fù)雜，因此所建立模型為簡(jiǎn)化模型，模型共設(shè)立五層，分別設(shè)立煤層、頂?shù)装逡约绊敳康撞康膰鷰r，模型尺寸為200m×100m×100m，該礦井南一采區(qū)3#煤層分布較為規(guī)律，因此煤厚取現(xiàn)場(chǎng)平均值5m，頂?shù)装甯?m，在煤層之中設(shè)立采面，尺寸為100m×50m。模型采用摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，根據(jù)桑樹(shù)坪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，模型中具體的力學(xué)參數(shù)賦值見(jiàn)表2。

圖1 數(shù)值模擬模型

表2 煤巖體的力學(xué)參數(shù)

為研究地應(yīng)力方向與煤與瓦斯突出之間的關(guān)系，以桑樹(shù)坪煤礦為工程背景設(shè)置三種原巖應(yīng)力的條件，應(yīng)力施加方案見(jiàn)表3，其中設(shè)置三向等值應(yīng)力為對(duì)照組，其余兩組分別將最大應(yīng)力設(shè)置為與推進(jìn)方向垂直即Y方向應(yīng)力最大以及與其平行即X方向應(yīng)力最大，考慮到應(yīng)力差值過(guò)大可能導(dǎo)致網(wǎng)格報(bào)錯(cuò)等問(wèn)題，因此將最大最小應(yīng)力比設(shè)置為2。通過(guò)分析三種應(yīng)力條件下工作面回采時(shí)附近的應(yīng)力分布規(guī)律，判斷不同的原巖應(yīng)力分布特征對(duì)突出危險(xiǎn)性的影響程度。

表3 應(yīng)力施加方案

2 數(shù)值模擬結(jié)果及應(yīng)力分布規(guī)律分析

煤層在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖受到破壞，打破了原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，并產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)，為直觀展現(xiàn)各原巖應(yīng)力條件下的采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律，云圖所選色階為同一標(biāo)準(zhǔn)。不同應(yīng)力條件下的垂直應(yīng)力分布如圖2所示，由圖2可知，地應(yīng)力在工作面煤壁前方先卸壓降低，后逐漸升高至峰值再逐漸降低至原巖應(yīng)力，其應(yīng)力的峰值約位于煤壁前方15m附近。在三向等值應(yīng)力條件下，應(yīng)力峰值大小約為23.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.57，卸壓帶寬度約為5m。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的卸壓帶寬度約為5～7m，應(yīng)力集中出現(xiàn)在煤壁前方13～15m附近，由此可以認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果的分布規(guī)律符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律，結(jié)果可靠。

圖2 不同應(yīng)力條件下的垂直應(yīng)力分布(Pa)

通過(guò)對(duì)比圖2各情況應(yīng)力分布可知，當(dāng)最大主應(yīng)力方向與工作面開(kāi)采推進(jìn)方向平行時(shí)，回采工作造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象最弱，其應(yīng)力值約為20MPa；而最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力或垂直于工作面時(shí)，其應(yīng)力集中現(xiàn)象較為顯著，明顯高于最大主應(yīng)力平行于開(kāi)挖方向條件。

不同應(yīng)力條件下超前支承壓力分布如圖3所示，由圖3可知，在煤體開(kāi)挖之后，可根據(jù)應(yīng)力分布將工作面前方的煤體分為：應(yīng)力卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，其中應(yīng)力集中區(qū)可分為塑性變形區(qū)以及彈塑性變形區(qū)，在應(yīng)力逐漸升高至峰值區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)，峰后至原巖應(yīng)力區(qū)之前為彈塑性變形區(qū)與彈性變形區(qū)耦合區(qū)域。

圖3 不同應(yīng)力條件下超前支承壓力

根據(jù)圖3中的工作面超前壓力分布規(guī)律可得，當(dāng)煤層賦存條件相同時(shí)，不同的應(yīng)力場(chǎng)條件會(huì)對(duì)開(kāi)挖工作面超前支撐壓力產(chǎn)生顯著影響，但在達(dá)到應(yīng)力集中區(qū)之前，在卸壓區(qū)內(nèi)超前支承應(yīng)力均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，且受應(yīng)力分布規(guī)律影響較小，而在應(yīng)力集中區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)則呈現(xiàn)出不同的現(xiàn)象，在具體表現(xiàn)在：

1)當(dāng)工作面開(kāi)挖方向與最大主應(yīng)力方向垂直，即最大主應(yīng)力方向沿Y時(shí)，工作面前方的應(yīng)力集中最明顯，其峰值應(yīng)力為24.09MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.61，為三向等值應(yīng)力條件下的1.04倍。在同樣的開(kāi)采條件下，地應(yīng)力垂直于開(kāi)采方向時(shí)，工作面發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害導(dǎo)致煤體失穩(wěn)的可能性大于三向等值應(yīng)力的理想條件。

2)當(dāng)工作面開(kāi)挖方向與最大主應(yīng)力方向平行時(shí)，工作面前方的應(yīng)力集中現(xiàn)象較上述兩種情況顯著降低，該條件下的峰值應(yīng)力僅為20MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.33，為三向等值條件下的85%。在同樣的卸壓帶寬度及應(yīng)力卸壓梯度條件下，應(yīng)力集中系數(shù)越小，則造成煤體失穩(wěn)的可能性越小，因此最大主應(yīng)力平行于開(kāi)采方向條件下進(jìn)行回采開(kāi)挖活動(dòng)安全性要大于上述兩種情況。

3 應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)煤巖體彈塑性狀態(tài)的影響

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際現(xiàn)象與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知：在原巖應(yīng)力場(chǎng)中進(jìn)行采煤活動(dòng)時(shí)，煤體的開(kāi)挖方向與最大主應(yīng)力的位置關(guān)系將決定巷道圍巖應(yīng)力的集中位置和分布特征。與最大主應(yīng)力方向平行時(shí)，破壞程度最小，此時(shí)危險(xiǎn)性較?。慌c最大主應(yīng)力方向垂直時(shí)，破壞程度最大，煤巖體的動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象最明顯，此時(shí)的危險(xiǎn)性較大，容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故發(fā)生。為探究煤巖體在失穩(wěn)時(shí)發(fā)生的破壞形式，結(jié)合地應(yīng)力分布特征，分析工作面前方的破壞區(qū)域在不同應(yīng)力狀態(tài)下的巖石破壞特征。不同應(yīng)力狀態(tài)下的工作面前方塑性破壞區(qū)分布情況如圖4所示，由圖4可知，工作面前方的應(yīng)力破壞類型在不同應(yīng)力狀態(tài)下差異不大，均以剪切破壞為主。在三向應(yīng)力相同條件下，工作面前方的塑性破壞區(qū)域長(zhǎng)度約為20～25m，而當(dāng)煤巖體所受應(yīng)力為不均衡應(yīng)力時(shí)，其塑性區(qū)長(zhǎng)度受最大主應(yīng)力方向影響嚴(yán)重；當(dāng)最大主應(yīng)力平行于工作面推進(jìn)方向時(shí)，工作面前方的塑性破壞區(qū)長(zhǎng)度約為15m；而當(dāng)最大主應(yīng)力方向垂直于工作面推進(jìn)方向時(shí)，工作面地塑性破壞區(qū)域長(zhǎng)度為30m，遠(yuǎn)大于其他應(yīng)力狀態(tài)下的長(zhǎng)度，且由于該條件下工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)更大，因此該狀態(tài)下開(kāi)采時(shí)，造成煤體失穩(wěn)的可能性更大。

圖4 不同應(yīng)力狀態(tài)下的塑性區(qū)分布

4 地應(yīng)力對(duì)煤與瓦斯突出的作用機(jī)理及影響

4.1 地應(yīng)力對(duì)突出的作用機(jī)理

地應(yīng)力作為煤與瓦斯突出事故的誘因之一，其作用主要為改變煤巖體的狀態(tài)、瓦斯的賦存狀態(tài)以及瓦斯壓力。瓦斯在煤體中的主要有游離態(tài)與吸附態(tài)兩類賦存狀態(tài)，而瓦斯壓力主要來(lái)源于游離態(tài)的瓦斯。煤體作為一種孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)，其裂開(kāi)程度決定了煤體的滲透率大小[18]，而裂開(kāi)程度受荷載影響嚴(yán)重，荷載越大，煤體發(fā)生的塑性破壞越嚴(yán)重，則煤體的裂開(kāi)程度越大，煤體的孔隙發(fā)育程度越高，瓦斯壓力越低。而應(yīng)力集中處裂隙發(fā)育程度低，瓦斯壓力較高，從而造成瓦斯壓力梯度升高。諸多實(shí)驗(yàn)[19]都表明，地應(yīng)力的大小與煤層的透氣性成反比，即隨著地應(yīng)力的增大，煤層的透氣性往往會(huì)減小，反之地應(yīng)力減小，煤層的透氣性就會(huì)增加。在地應(yīng)力的作用下，煤巖體內(nèi)原有的裂隙閉合，應(yīng)力越大煤巖體內(nèi)裂隙閉合程度越高；煤層透氣性就越小，。當(dāng)應(yīng)力減小，即煤層處于卸壓狀態(tài)時(shí)，原先閉合的裂隙會(huì)張開(kāi)，導(dǎo)致煤層的透氣性增加。瓦斯的涌出與煤層的透氣性息息相關(guān)，煤層的透氣性越大，瓦斯涌出所受到的阻力就越小。

由于煤巖體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)有方向差異，煤層的滲透性也受應(yīng)力場(chǎng)方向的影響，在三向應(yīng)力狀態(tài)下，煤巖體的三向應(yīng)力對(duì)其滲透率的影響可以表示為[20]：

式中，kx為x方向的無(wú)量綱滲透率；ky為y方向的無(wú)量綱滲透率；kz為z方向的無(wú)量綱滲透率；σx為x方向的實(shí)測(cè)數(shù)值，MPa；σy為y方向的實(shí)測(cè)數(shù)值，MPa；σz為z方向的實(shí)測(cè)數(shù)值，MPa；σx0為x方向原巖應(yīng)力，MPa；σy0為y方向原巖應(yīng)力，MPa；σz0為z方向原巖應(yīng)力，MPa。

4.2 地應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)突出的影響

基于數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，利用式(1)計(jì)算煤層開(kāi)采前方煤體的滲透率變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 工作面前方應(yīng)力與滲透率的分布規(guī)律

圖5(a)的最大主應(yīng)力方向?yàn)檠豖軸，即最大主應(yīng)力平行于工作面推進(jìn)方向，根據(jù)工作面前方的應(yīng)力規(guī)律可知在工作面前方除垂直應(yīng)力存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，水平應(yīng)力均為逐步升高至原巖應(yīng)力的情況，未呈現(xiàn)集中現(xiàn)象，滲透率隨距工作面的距離增加逐漸降低，且降低速度逐漸減小。圖5(b)為最大主應(yīng)力垂直于工作面推進(jìn)方向，該條件下，工作面前方除X方向應(yīng)力無(wú)集中現(xiàn)象外，Z方向與Y方向應(yīng)力均呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且集中現(xiàn)象明顯；其滲透率隨距離增加，呈現(xiàn)先降低后升高然后穩(wěn)定的趨勢(shì)；其最低點(diǎn)與應(yīng)力峰值位置相同，且最小值約為0.03。對(duì)比(a)與(c)中的最小值，圖(b)條件下的滲透率明顯小于兩者，即該條件下應(yīng)力集中處的瓦斯壓力越高，在相同的煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)條件下，造成煤與瓦斯突出的可能性更大。

5 結(jié) 論

1)地應(yīng)力的方向與工作面開(kāi)挖方向?qū)ぷ髅娉爸С袘?yīng)力存在顯著影響。當(dāng)推進(jìn)方向平行于最大主應(yīng)力方向時(shí)，工作面前方的應(yīng)力集中現(xiàn)象較弱；當(dāng)推進(jìn)方向垂直與最大主應(yīng)力方向時(shí)，工作面前方的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為顯著。

2)地應(yīng)力對(duì)煤巖體動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的影響主要體現(xiàn)在對(duì)煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)的改變。受采動(dòng)擾動(dòng)影響下，工作面前方的煤層巖體的力學(xué)性質(zhì)和特征等會(huì)發(fā)生變化，分為卸壓區(qū)、塑性變形區(qū)、彈塑性變形區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)。當(dāng)最大主應(yīng)力與開(kāi)挖方向垂直時(shí)，卸壓區(qū)與塑性變形區(qū)的范圍最大，造成煤體失穩(wěn)的可能性最大；而平行時(shí)最小。

3)地應(yīng)力對(duì)突出的作用還體現(xiàn)在對(duì)瓦斯的賦存狀態(tài)與運(yùn)移狀態(tài)的影響。當(dāng)最大主應(yīng)力垂直于工作面推進(jìn)方向時(shí)，工作面前方煤體的滲透率最低，瓦斯壓力最大，更容易造成突出事故。

4)當(dāng)最大主應(yīng)力方向垂直于工作面推進(jìn)方向時(shí)，造成煤巖體失穩(wěn)從而導(dǎo)致突出事故等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的可能性最大。因此在進(jìn)行礦井設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合資料綜合考慮構(gòu)造以及地應(yīng)力等多因素，避免因地應(yīng)力等影響造成事故。