褶曲構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)煤與瓦斯突出控制因素研究

王海東,甄康哲,徐阿猛,李軍藝,姜 琦

(1.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201; 2.山西平舒煤業(yè)有限公司 防突部,山西 晉中 030600)

0 引言

瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物,瓦斯的生成,運(yùn)移,存儲(chǔ)受到地質(zhì)演化發(fā)育,構(gòu)造種類分級(jí)的影響。褶曲是地質(zhì)構(gòu)造的一種,是地殼中的巖石層彎曲或折疊的結(jié)果,褶曲可能會(huì)導(dǎo)致煤層的壓力變化,有助于瓦斯的產(chǎn)生[1-6]。此外,褶曲會(huì)改變煤體的滲透性,影響瓦斯的運(yùn)移和儲(chǔ)存。邵強(qiáng)[7]通過分析礦井內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤體變質(zhì)程度與瓦斯突出大小的控制作用,尋找易于瓦斯存儲(chǔ)的瓦斯富集區(qū),形成井田內(nèi)的瓦斯突出條帶分布特征。韓軍[8]通過分析瓦斯含量與瓦斯壓力的分布規(guī)律,結(jié)合地下水對(duì)瓦斯賦存的影響,分析構(gòu)造應(yīng)力對(duì)瓦斯運(yùn)移的控制作用。張子敏[9]在研究礦區(qū)褶曲的基礎(chǔ)上,通過化學(xué)方法提取煤低分子化合物,對(duì)比分析構(gòu)造煤的氯仿萃取率明顯高于原生結(jié)構(gòu)煤。張玉貴[10]對(duì)斷褶帶構(gòu)造背景及其演化特征解剖分析提出地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤體瓦斯賦存的分級(jí)控制作用,引入力學(xué)化學(xué)理論研究構(gòu)造煤與瓦斯突出的關(guān)聯(lián)性。琚宜文[11]分析了不同性質(zhì)構(gòu)造及其組合、應(yīng)力—應(yīng)變環(huán)境對(duì)煤儲(chǔ)層的改造作用, 探討了不同變形機(jī)制和不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造煤在不同構(gòu)造應(yīng)力場中的發(fā)育及展布規(guī)律。張學(xué)博[12]運(yùn)用數(shù)值模擬構(gòu)建小斷層影響下采空區(qū)巖層的位移規(guī)律,模擬裂隙帶的發(fā)育規(guī)律,提出開采過程中瓦斯抽采的優(yōu)化建議。侯泉林[13]通過對(duì)礦區(qū)應(yīng)力,瓦斯含量與煤層的物理學(xué)性質(zhì)分析,提出了適用于煤層瓦斯氣體開發(fā)與瓦斯防治的成因分類方案,并將煤的變質(zhì)機(jī)制類型由脆性至韌性進(jìn)行區(qū)分。因此,深入分析煤層地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響與控制作用,對(duì)礦井預(yù)測復(fù)雜地質(zhì)條件下的瓦斯分布規(guī)律,精準(zhǔn)防治瓦斯突出與災(zāi)害防治有著重要意義。

1 礦井地質(zhì)構(gòu)造控制特征

1.1 礦井地質(zhì)構(gòu)造分布

為深入研究褶曲構(gòu)造對(duì)瓦斯分布規(guī)律的影響,以平舒礦為例進(jìn)行探究,礦區(qū)位于陜西—山西盆地的東緣,是一個(gè)典型的前陸盆地,盆地結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主要受地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造活動(dòng)的影響,形成了多個(gè)煤礦盆地和隆起帶。礦區(qū)地層主要分布在石炭紀(jì)至侏羅紀(jì),包括了石炭系、二疊系、三疊系和侏羅系等地層。在礦區(qū)內(nèi),石炭系煤層是最重要的地層,煤炭資源豐富。陽泉礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要受華北地臺(tái)西緣斷裂帶的影響。在礦區(qū)內(nèi),有一些重要的斷裂帶,如陽泉斷裂帶、王家莊斷裂帶等,這些斷裂帶在地質(zhì)歷史中起到了重要的構(gòu)造控制作用,對(duì)煤礦的形成和分布產(chǎn)生了重要影響。

礦井地層總體呈一走向NEE、傾向SE的單斜構(gòu)造,褶曲軸多呈NNW向,其中發(fā)育較為明顯的褶曲為盤灣底向斜與楊林頭西背斜,褶曲延伸長度可達(dá)3000m,軸向中NEE和 NNW方向的褶皺最為發(fā)育,軸向?yàn)镹EE和近SN向的褶皺構(gòu)造發(fā)育程度次之,個(gè)別褶曲走向?yàn)镹W向,對(duì)井田內(nèi)煤層有較大控制作用的斷層為逆F60斷層,斷層落差達(dá)到12m,傾角為30°,長度達(dá)800m,對(duì)井下采掘作業(yè)有較大影響。

1.2 褶曲的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

褶曲的地質(zhì)成因取決于地層的滑移,而褶曲的大小則取決于板塊運(yùn)動(dòng)區(qū)域的尺度,對(duì)于較大的區(qū)域,褶曲可能貫穿整個(gè)井田范圍,影響礦井采區(qū)的走向,較小的褶曲構(gòu)造,可能僅對(duì)工作面的開采產(chǎn)生影響。

圖1 褶曲形成過程

巖層與煤層之間由于巖性的差異導(dǎo)致地層間滑動(dòng)的距離不同,這種相對(duì)滑移使得巖層與煤層之間產(chǎn)生擠壓、剪切作用,造成煤體結(jié)構(gòu)被破壞,形成構(gòu)造煤。由于褶曲構(gòu)造大小不同,構(gòu)造區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤的分布也具有隨機(jī)性。當(dāng)板塊運(yùn)動(dòng)范圍較大時(shí),造成的煤層滑移距離較大,形成的褶曲范圍較大,煤層的折疊區(qū)間分布著構(gòu)造煤與原生煤,形成煤層傾角的區(qū)域,由于受到地質(zhì)活動(dòng)的影響較大,受到外力作用明顯,區(qū)域內(nèi)煤體受剪切作用演變?yōu)闃?gòu)造煤。而隨著褶曲的坡度變化趨于平緩,區(qū)域內(nèi)的煤層受到地質(zhì)活動(dòng)的影響變小,煤體受剪切力影響較小,原生煤、構(gòu)造煤隨機(jī)分布在區(qū)域內(nèi)。

2 褶曲對(duì)構(gòu)造煤控制作用

2.1 褶曲構(gòu)造應(yīng)力對(duì)瓦斯突出影響

構(gòu)造區(qū)是易于發(fā)生瓦斯突出事故的區(qū)域,“能量”假說認(rèn)為瓦斯突出是煤體彈性能與瓦斯內(nèi)能瞬間釋放的結(jié)果,瓦斯突出的能量表達(dá)式可由

W1+W2+W3+W4>Ef+Ep+Eq

(1)

W1為巖體彈性能,J,W2為煤體彈性能,J,W3為煤骨架彈性能,J,W4為瓦斯內(nèi)能,J。Ep為煤體拋出做功,J,Eq為發(fā)熱做功,J,Ef為煤體破碎做功。E為煤的彈性模量,煤巖體的彈性能可表示為:

(2)

式中Vf為突出時(shí)瓦斯含量,m3/t,Vg為煤層游離的瓦斯含量,m3/t,Pa為突出時(shí)大氣壓強(qiáng),MPa,n為過程指數(shù)。

由式(1),(2)可以看出,影響突出的因素包括主應(yīng)力大小,瓦斯含量,瓦斯壓力,煤的物理學(xué)性質(zhì),當(dāng)煤層開采進(jìn)入褶曲構(gòu)造區(qū)時(shí),采動(dòng)影響使得構(gòu)造區(qū)內(nèi)應(yīng)力重新分布,采動(dòng)區(qū)與坡度變化區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)力的變化導(dǎo)致煤體的瓦斯壓力出現(xiàn)集中,使得區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力峰值明顯提高,煤體的滲透率進(jìn)一步降低。煤體內(nèi)的瓦斯無法有效的向巷道外擴(kuò)散,煤體被進(jìn)一步壓實(shí),在同一礦區(qū)煤種條件下,相比于非構(gòu)造區(qū)具有更大的突出危險(xiǎn)性。

2.2 褶曲構(gòu)造區(qū)應(yīng)力場分布

地應(yīng)力,構(gòu)造煤,瓦斯是影響瓦斯突出的重要因素,而構(gòu)造應(yīng)力場是將這三要素聯(lián)系起的重要紐帶。因此探究構(gòu)造區(qū)煤體應(yīng)力場的分布規(guī)律是研究瓦斯賦存情況的先決條件。根據(jù)平舒礦地質(zhì)分布條件,以平舒礦15208回風(fēng)巷褶曲構(gòu)造區(qū)為例進(jìn)行Comsol數(shù)值模擬,該巷道設(shè)計(jì)長1565 m,在590～680 m段煤層傾角變化較大,平均傾角為16°,最大傾角達(dá)到20°,680～715 m段煤層傾角變緩,坡度為8°左右,現(xiàn)場觀察掘進(jìn)煤頭煤層變軟,頂板下方存在10～20 cm的透鏡狀煤體,呈現(xiàn)明顯的構(gòu)造煤特征。左幫煤層+10°,右?guī)兔簩?5°。工作面煤頭左側(cè)存在0.3 m的隆起。巷道沿煤層傾角向上掘進(jìn),模擬構(gòu)造區(qū)內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力分布。

圖2 煤層幾何邊界條件

根據(jù)巷道布置情況建立固體模型進(jìn)行研究,模型尺寸20000mm×6000mm,采用三角劃分將模型劃分為5963個(gè)網(wǎng)格,模型兩側(cè)為理想狀態(tài)下滾軸的不導(dǎo)熱邊界,底部為固定約束邊界,對(duì)模型上方及兩側(cè)施加地應(yīng)力、體荷載及重力,巷道沿煤層方向向上掘進(jìn),前進(jìn)方向分別設(shè)置煤層傾角20°與35°模擬褶曲坡度變化,煤層初始位移為0。為了與非構(gòu)造區(qū)巷道應(yīng)力情況進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)模型參數(shù)建立平巷掘進(jìn)的應(yīng)力分布模型進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 構(gòu)建模型參數(shù)

為了分析應(yīng)力變化規(guī)律,選取煤層巷道中心線為應(yīng)力觀測曲線進(jìn)行分析,從整體模擬結(jié)果看,褶曲構(gòu)造區(qū)煤層應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的水平梯度,隨埋深的增大,應(yīng)力逐漸增大,應(yīng)力大小主要取決于自身重力與上覆巖層的壓力,這種應(yīng)力梯度分布并不均勻,這是因?yàn)殡S著采動(dòng)影響,掘進(jìn)面迎頭處由于存在卸壓帶,應(yīng)力較小,隨著與迎頭的距離變化,應(yīng)力出現(xiàn)集中,隨后度過應(yīng)力集中區(qū)域且埋深變小體荷載與重力影響變小,應(yīng)力出現(xiàn)減小,當(dāng)煤層經(jīng)過褶曲處,應(yīng)力重新出現(xiàn)集中,度過褶曲構(gòu)造區(qū)后應(yīng)力逐漸變小。

圖4為巷道迎頭向煤體深部前進(jìn)方向煤體的應(yīng)力變化,在掘進(jìn)面迎頭處,煤體呈現(xiàn)應(yīng)力集中狀態(tài),最高達(dá)到5MPa,隨著距離迎頭越遠(yuǎn),煤層的埋深越淺,主應(yīng)力逐漸降低,隨煤層前進(jìn)方向褶曲坡度增大,應(yīng)力出現(xiàn)集中,煤層應(yīng)力增大,應(yīng)力最大值約為相同埋深處應(yīng)力的1.6倍,隨著坡度趨于平緩與埋深的降低,最大主應(yīng)力逐漸降低,當(dāng)坡度發(fā)生改變時(shí),最大主應(yīng)力呈現(xiàn)“小-大-小”的分布規(guī)律,應(yīng)力增大區(qū)域主要集中在坡度發(fā)生變化區(qū)域,其影響范圍約為10 m。對(duì)比平巷掘進(jìn)應(yīng)力變化來看,由于掘進(jìn)迎頭存在卸壓區(qū),主應(yīng)力較小,距迎頭5 m處應(yīng)力達(dá)到峰值,約為迎頭處應(yīng)力的2倍,隨后應(yīng)力逐漸減小趨于穩(wěn)定,對(duì)比褶曲構(gòu)造應(yīng)力分布,平巷掘進(jìn)當(dāng)埋深不變時(shí),應(yīng)力大小基本保持不變。根據(jù)模擬結(jié)果分析,除采動(dòng)應(yīng)力影響外,褶曲坡度的變化是褶曲構(gòu)造應(yīng)力場的重要控制因素。

圖3 初始狀態(tài)應(yīng)力分布

圖4 煤體頂板距迎頭應(yīng)力變化規(guī)律

圖5 煤體堅(jiān)固性與放散性

圖6 煤體堅(jiān)固性與孔隙率

圖7 煤體隨壓力變化吸附特性

2.3 褶曲構(gòu)造力對(duì)煤體強(qiáng)度的控制作用

煤層內(nèi)部通常存在孔隙、裂縫和斷層等通道,使瓦斯能夠運(yùn)移。這些通道可以形成瓦斯的運(yùn)移路徑。褶曲構(gòu)造力會(huì)導(dǎo)致地層的折疊和變形,從而改變煤層內(nèi)孔隙、裂縫和斷層的分布與大小。

煤的堅(jiān)固性系數(shù)是表明煤體抵御外部應(yīng)力變化的一種指標(biāo),有研究表明,同一地質(zhì)條件下,原生煤的堅(jiān)固性往往大于變質(zhì)煤的堅(jiān)固性,而瓦斯放散初速度又受到煤體孔隙率,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育程度的控制。實(shí)驗(yàn)分析了17組煤樣,煤樣隨15208巷道褶曲構(gòu)造區(qū)向上發(fā)育方向選取,測得煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)在0.36～0.73之間,瓦斯放散初速度在900～1700 Pa之間,通過數(shù)據(jù)擬合結(jié)果得到瓦斯放散初速度ΔP與煤體的堅(jiān)固性系數(shù)f呈線性關(guān)系:

ΔP=-1582+2083 (R2=0.73)

(3)

根據(jù)式(3)發(fā)現(xiàn)煤樣的瓦斯放散初速度隨堅(jiān)固性系數(shù)的增大著呈現(xiàn)減小的趨勢,其中,當(dāng)煤體的堅(jiān)固性為0.36時(shí),瓦斯放散初速度達(dá)到1683 Pa,而當(dāng)煤體的堅(jiān)固性為0.73時(shí),瓦斯放散初速度僅為923 Pa,結(jié)合褶曲的發(fā)育程度分析,褶曲傾角發(fā)育較大區(qū)域,煤體的堅(jiān)固性系數(shù)相對(duì)較小,煤體的變質(zhì)程度較大,這也導(dǎo)致煤體的瓦斯放散初速度相對(duì)較大,而實(shí)驗(yàn)中存在與線性擬合關(guān)系相差較大的測點(diǎn),這說明褶曲對(duì)煤體的擠壓變形雖具有促進(jìn)作用,但這種擠壓作用并不是均勻分布的,這也導(dǎo)致煤體的變質(zhì)程度呈現(xiàn)非線性變化。

根據(jù)煤的堅(jiān)固性與煤的孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)煤的堅(jiān)固性與孔隙率呈現(xiàn)以線性關(guān)系為主,局部放散的關(guān)系結(jié)構(gòu)。隨巷道底部沿褶曲向上前進(jìn),煤體的堅(jiān)固性呈現(xiàn)減小的趨勢,在傾角達(dá)到20°時(shí),煤的堅(jiān)固性系數(shù)達(dá)到最小值,此時(shí)煤體的孔隙率大部分在10%浮動(dòng),這說明高變質(zhì)程度的煤體增大了孔隙結(jié)構(gòu),形成了良好的瓦斯運(yùn)移通道,觀察到個(gè)別測點(diǎn)隨堅(jiān)固性系數(shù)的減小孔隙率未呈現(xiàn)增大的趨勢,這是因?yàn)轳耷鷮?duì)煤體的控制既可以形成較大的裂隙存儲(chǔ)瓦斯,又可以通過擠壓作用改變煤體的孔隙結(jié)構(gòu),使煤體內(nèi)部形成較為封閉的空間,不利于瓦斯的流動(dòng)。那么這些地區(qū)可能會(huì)聚集更多的瓦斯,形成瓦斯賦存區(qū)。

2.4 褶曲對(duì)煤體吸附性的控制作用

煤層內(nèi)部通常存在孔隙、裂縫和斷層等通道,使瓦斯能夠運(yùn)移。這些通道可以形成瓦斯的運(yùn)移路徑。褶曲對(duì)地層的剪切力改變煤層內(nèi)孔隙,裂縫和斷層的分布與大小。為探究褶曲構(gòu)造區(qū)內(nèi)煤體變質(zhì)程度與孔隙分布規(guī)律,進(jìn)行瓦斯吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選取了15208掘進(jìn)巷道褶曲構(gòu)造區(qū)煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

從圖中可以看出,煤的吸附性隨壓力增大而增大,當(dāng)壓力一定時(shí),短時(shí)間內(nèi)吸附量急劇增大,達(dá)到一定時(shí)間時(shí),吸附量達(dá)到飽和點(diǎn),吸附量不再發(fā)生較大變化,且吸附幾乎可以看做短時(shí)間內(nèi)完成,將五種煤樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著煤體過巷道底部向褶曲前進(jìn),煤體的吸附飽和點(diǎn)有增大趨勢,褶曲20 m、60 m、80 m處對(duì)比巷道底部的吸附性均有小幅增大,這是由于15208巷道褶曲區(qū)域內(nèi)20～80 m處煤層坡度呈現(xiàn)增大趨勢,由8°逐漸增大至20°,受到褶曲構(gòu)造應(yīng)力的作用明顯,而褶曲40 m處的煤樣吸附性卻小于巷道底部非構(gòu)造區(qū)的煤樣。由此可見,褶曲對(duì)煤體的擠壓作用對(duì)煤體的運(yùn)移效果產(chǎn)生了不同的效果,一方面擠壓作用導(dǎo)致煤體的裂隙增大,可存儲(chǔ)的瓦斯含量增大,當(dāng)壓力變化時(shí),瓦斯以較快速度進(jìn)行散逸,另一方面擠壓作用可能導(dǎo)致原生煤體內(nèi)部可存儲(chǔ)游離瓦斯的區(qū)域減小,使得發(fā)生地質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí),瓦斯經(jīng)擠壓作用向裂隙較大空間移動(dòng),使得裂隙較大的區(qū)域內(nèi)存儲(chǔ)著大量瓦斯,直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,形成瓦斯富集區(qū)。

3 結(jié)論

(1) 褶曲地質(zhì)構(gòu)造伴隨著地層的折疊和變形,應(yīng)力分布不均。通過對(duì)平舒15208回風(fēng)巷褶曲地質(zhì)構(gòu)造的研究表明煤層經(jīng)過褶曲構(gòu)造時(shí)易于形成應(yīng)力集中區(qū),顯著體現(xiàn)在走向傾角發(fā)生變化區(qū)域,其最大主應(yīng)力值約為非構(gòu)造區(qū)的1.6倍。

(2) 褶曲構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤體的揉搓、擠壓作用使得煤體的變質(zhì)程度變大,構(gòu)造區(qū)內(nèi)煤體的堅(jiān)固性系數(shù)較低,瓦斯放散性與煤的孔隙發(fā)育程度較大。整體觀察褶曲角度變化區(qū)域煤的變質(zhì)程度大于非角度變化區(qū)煤的變質(zhì)程度。

(3) 褶曲區(qū)內(nèi)煤體瓦斯吸附性整體大于非構(gòu)造區(qū)煤體,且當(dāng)褶曲角度較大時(shí),這種對(duì)比更為明顯,褶曲構(gòu)造應(yīng)力控制著煤體的吸附性與孔隙結(jié)構(gòu),為瓦斯在煤體內(nèi)運(yùn)移形成良好的通道,為瓦斯存儲(chǔ)提供了空間。