長平井田內(nèi)陷落柱對3#煤層瓦斯賦存影響效應(yīng)

栗海滔

（山西長平煤業(yè)有限責任公司）

對于煤層瓦斯而言，其形成、分布和賦存特征均受瓦斯地質(zhì)規(guī)律的控制。我國煤層地質(zhì)復(fù)雜，煤與瓦斯突出事故常發(fā)生于構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，而陷落柱地質(zhì)構(gòu)造對煤礦開采的主要威脅是工作面通過陷落柱區(qū)域時發(fā)生的瓦斯、潰頂、陷底等事故［1-3］。研究表明，陷落柱引起的煤層瓦斯賦存變化是與其周邊的地應(yīng)力異常分布密切相關(guān)的［4］，而陷落柱作為一種極其不穩(wěn)定的綜合巖體集合，其內(nèi)部及周圍煤巖應(yīng)力變化復(fù)雜、難以捉摸，巖石性質(zhì)與正常地層有明顯不同［5-6］。研究陷落柱對煤層瓦斯賦存的影響效應(yīng)，對指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

研究陷落柱周圍瓦斯賦存情況，需對陷落柱及周圍煤巖的應(yīng)力分布進行了解，采用彈塑性力學理論和有限元方法，可以更好地分析陷落柱及其周邊地應(yīng)力分布狀況［7-8］。本文通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場跟蹤考察、實驗室測試和理論分析相結(jié)合的方式，對陷落柱周圍應(yīng)力分布進行模擬分析，測試陷落柱周圍瓦斯含量、煤的堅固性系數(shù)、瓦斯放散初速度等瓦斯參數(shù)，研究長平井田內(nèi)陷落柱對3#煤層瓦斯賦存影響效應(yīng)，為長平煤礦陷落柱構(gòu)造周圍的瓦斯防治工作提供指導(dǎo)建議。

1 研究方法及模型構(gòu)建

根據(jù)所測3#煤層巖層參數(shù)對相應(yīng)區(qū)域進行賦值，見表1，為了使數(shù)值模擬更加貼近現(xiàn)場，真實再現(xiàn)陷落柱的應(yīng)力分布情況及演化規(guī)律，對上部未建立的頂板巖層重力以沿模型的頂部施加沿z軸負方向的均布載荷以模擬地層載荷，施加的均布荷載為11 MPa，水平施加1 MPa均布載荷。

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采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對1種圓臺體陷落柱及3種形態(tài)橢臺體陷落柱進行應(yīng)力分布模擬，陷落柱位置于模型中部，陷落柱整體呈反漏斗形態(tài)，具體四種模型構(gòu)建方案見表2，構(gòu)建模型如圖1所示。

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2 不同規(guī)模陷落柱應(yīng)力分布規(guī)律

陷落柱在形成過程中，由于巖層斷裂塌陷對周圍巖層產(chǎn)生擠壓、剪切，必然使原巖應(yīng)力場重新分布，陷落柱的存在改變了各煤巖層的初始應(yīng)力分布規(guī)律。分析4 種不同形態(tài)陷落柱及周圍煤巖的應(yīng)力分布情況，分別對x軸及z軸方向上的陷落柱及周圍煤巖的垂直應(yīng)力、地應(yīng)力進行切片，具體模擬結(jié)果如圖2～圖5所示。由圖可知，對于不同長短軸比的軸陷落柱而言，在模型同一z軸切面上的陷落柱體內(nèi)應(yīng)力值均低于柱體外圍，原始煤體在陷落柱區(qū)域形成一段塌陷明顯的沉陷帶，陷落柱中線兩側(cè)會形成對稱帶，由于陷落柱和巖層結(jié)構(gòu)形式不同，對稱形式也不盡相同。垂直應(yīng)力從模型的頂部往下應(yīng)力值依次增大，柱體邊界由內(nèi)到外應(yīng)力逐漸增大，陷落柱由內(nèi)至外與各煤巖層的應(yīng)力分布可分為應(yīng)力卸載區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原始應(yīng)力區(qū)；隨著距離的增大，柱體邊界外圍巖體應(yīng)力逐漸平緩并趨于巖層應(yīng)力，驗證了陷落柱體圍巖塑形應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)的存在。

3 陷落柱對煤層應(yīng)力場影響效應(yīng)

3.1 陷落柱對煤層應(yīng)力場影響范圍研究

為準確獲取不同長短軸比的陷落柱對周圍煤巖應(yīng)力的影響，于煤層中部高度設(shè)置數(shù)據(jù)提取線，方向為陷落柱長軸方向，分別提取該方向上的垂直地應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，具體應(yīng)力分布如圖6所示。

由圖6可知，陷落柱內(nèi)部地應(yīng)力和垂直應(yīng)力均小于周圍煤巖應(yīng)力，應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生在陷落柱兩側(cè)煤巖處，連續(xù)面和陷落柱區(qū)域應(yīng)力分界明顯，應(yīng)力變化顯著；在柱體和圍巖接觸區(qū)，由于受到巖層斷裂擠壓等地質(zhì)構(gòu)造影響，在接觸面形成了應(yīng)力集中核，應(yīng)力幅度變化大、曲線密集，會造成巖石嚴重的破壞，形成明顯的破碎帶。陷落柱內(nèi)地應(yīng)力低于周圍巖層，并造成了較大范圍影響。

陷落柱內(nèi)部中心位置的垂直應(yīng)力與地應(yīng)力均大于近煤層與陷落柱接觸內(nèi)側(cè)的應(yīng)力。煤體與陷落柱接觸面位置處于應(yīng)力下降區(qū)，隨著沿煤層方向逐漸遠離陷落柱，垂直應(yīng)力與地應(yīng)力均逐漸升高至最大值；繼續(xù)遠離煤層與陷落柱接觸面，垂直應(yīng)力與地應(yīng)力均逐漸減小，最終趨于原巖應(yīng)力。

以煤層遠處的原巖應(yīng)力為基準，對4種不同陷落柱與周邊煤層的接觸面外側(cè)的應(yīng)力分布進行分區(qū)，可得到應(yīng)力卸載區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)以及原始應(yīng)力區(qū)。地應(yīng)力及垂直應(yīng)力的卸載區(qū)長度、應(yīng)力集中區(qū)長度與陷落柱長軸半徑的關(guān)系如圖7所示。

長短軸比1∶1、2∶1、3∶2、4∶3 的陷落柱分別對應(yīng)長軸半徑80，40，60，160 m，地應(yīng)力卸載區(qū)長度y1與長軸半徑x關(guān)系式擬合結(jié)果如圖7（a）所示，擬合度R2=0.988 4，呈負指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y1=-25.51e-x/25.72+6.95；地應(yīng)力集中區(qū)長度y2與長軸半徑關(guān)系式擬合結(jié)果如圖7（b）所示，擬合度R2=0.998 4，呈負指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y2=-175.3e-x/55.12+90.41；垂直應(yīng)力卸載區(qū)長度y3與長軸半徑x關(guān)系式擬合結(jié)果如圖7（c）所示，擬合度R2=0.902 9，呈負指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y3=-12.35e-x/30.19+5.91；垂直應(yīng)力集中區(qū)長度y4與長軸半徑關(guān)系式擬合結(jié)果如圖7 中（d）所示，擬合度R2=0.981 8，呈線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為y4=0.79x-32.48。

由圖7 可知，隨著陷落柱長軸半徑的增加，地應(yīng)力和垂直應(yīng)力卸載區(qū)長度均呈整體增加趨勢；但長軸半徑80 m 的陷落柱垂直應(yīng)力卸載區(qū)長度出現(xiàn)小幅度回落，可以認為應(yīng)力卸載區(qū)不僅與陷落柱長軸半徑有關(guān)，同時也受到陷落柱截面形態(tài)的影響。對于地應(yīng)力和垂直應(yīng)力集中區(qū)長度而言，隨著陷落柱長軸半徑的增加，應(yīng)力集中區(qū)亦呈整體增加趨勢，且增幅較大。陷落柱柱體內(nèi)應(yīng)力比周邊圍巖低，柱體內(nèi)相對為應(yīng)力卸載區(qū)，柱體周圍形成一定的應(yīng)力集中區(qū)域，對柱體周邊煤體造成一定的破壞作用。

3.2 陷落柱對煤層應(yīng)力作用效應(yīng)研究

分別繪制了陷落柱長軸半徑與地應(yīng)力及垂直應(yīng)力峰值的關(guān)系圖，如圖8所示。

地應(yīng)力峰值y5與長軸半徑x關(guān)系式擬合結(jié)果如圖8（a）所示，擬合度R2=0.986 0，地應(yīng)力峰值與長軸半徑呈負指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為y5=45.87e-x/46.01+24.4；垂直應(yīng)力峰值y6與長軸半徑x關(guān)系式擬合結(jié)果如圖8（b）所示，擬合度R2=0.810 5，呈反比例關(guān)系，擬合關(guān)系式為y6=96.43x-0.27。

無論對于地應(yīng)力還是垂直應(yīng)力，隨著陷落柱長軸半徑的增加，其峰值均展現(xiàn)出下降趨勢，且下降趨勢逐漸減弱；陷落柱長軸尺寸的增大減小了陷落柱周圍的應(yīng)力集中效應(yīng)，陷落柱內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力差值變小。

4 陷落柱對煤層瓦斯賦存影響效應(yīng)

根據(jù)長平井田陷落柱分布，選擇將測點布置在4327 綜放工作面，工作面位于3#煤層一水平四盤區(qū)，地面標高924～1 000 m，煤層底板標高530～569 m，工作面走向長度491.97 m（幫—停），傾斜長度239.4 m（幫—幫），煤層總厚度6.08 m。工作面北部為實體煤，西部為四盤區(qū)北翼專用回風巷，東部為4319綜采工作面（已回采結(jié)束），南部為實體煤。工作面中的SX92 陷落柱長軸125 m、短軸25 m；SX130 陷落柱長軸73 m、短軸20 m。

選取編號SX92、SX130 陷落柱，分別布置1#～5#采樣點及鉆孔，測試陷落柱構(gòu)造對煤層堅固性系數(shù)f、瓦斯散放初速度ΔP及瓦斯含量的影響。測點具體位置如圖9所示。

4.1 陷落柱對煤層堅固性系數(shù)影響

陷落柱周圍煤的堅固性系數(shù)測試結(jié)果見表3。根據(jù)實測結(jié)果可知，隨著距離SX92陷落柱的增大，堅固性系數(shù)從距離3 m 處的0.58增大至15 m 處的0.88，增幅51.7%；隨著距離SX130 陷落柱的增大，堅固性系數(shù)從距離3 m 處的0.55增大至15 m 處的0.77，增幅40%。圖10為陷落柱SX92和SX130周圍煤的堅固性系數(shù)實測曲線。距離陷落柱越近，煤的堅固性系數(shù)越小，從煤的堅固性系數(shù)來看，陷落柱構(gòu)造影響范圍在6～10 m。

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4.2 陷落柱對瓦斯放散初速度影響

陷落柱周圍瓦斯放散初速度測試結(jié)果見表4。根據(jù)實測結(jié)果可知，隨著遠離SX92陷落柱，瓦斯放散初速度從距離3 m 處的7.42，增大至12 m 處的10.00，增大了34.8%，距離繼續(xù)增大至15 m，瓦斯放散初速度有所回落；SX130 陷落柱瓦斯放散初速度從距離3 m 處的7.90，增大至12 m 處的10.63，增大了34.6%，距離繼續(xù)增大至15 m，瓦斯放散初速度亦有所回落。圖11 為陷落柱SX92 和SX130 周圍煤的瓦斯放散初速度實測曲線，距離陷落柱越近，瓦斯放散初速度越小，從瓦斯放散初速度來看，陷落柱構(gòu)造影響范圍在6～12 m。

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4.3 陷落柱對煤層瓦斯含量影響

陷落柱周圍煤層瓦斯含量測試結(jié)果見表5。根據(jù)實測結(jié)果可知，對于SX92陷落柱而言，隨著距離遠離，瓦斯含量從距離3m 處的4.91 m3/t 上升至12 m 處的5.98 m3/t，提高了21.7%；距離繼續(xù)增大至15 m，瓦斯含量有所回落；對于SX130 陷落柱而言，隨著距離遠離，瓦斯含量從距離3m處的4.75 m3/t上升至9 m處的5.89 m3/t，提高了24%；距離繼續(xù)增大至15 m，瓦斯含量有所回落；圖12 為陷落柱SX92 和SX130 周圍煤的瓦斯放散初速度實測曲線?？傮w來看，距離陷落柱越近，瓦斯含量越小。從瓦斯含量來看，陷落柱構(gòu)造影響范圍為8～12 m。

4.4 陷落柱對瓦斯賦存影響原因分析

在陷落柱比較發(fā)育的地區(qū)，煤系地層中的煤層及其周圍的巖石常遭到嚴重的破壞。陷落柱賦存區(qū)域巖性破碎，應(yīng)力分布不均衡，易在周圍造成井下涌水或突水，一些隱伏于地表下的陷落柱成為瓦斯富集帶，極大威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。

陷落柱形成過程中，柱體頂部的煤巖層垮落坍塌充填到柱體內(nèi)部的自由空間，裂隙十分發(fā)育，有利于陷落柱內(nèi)煤層瓦斯向上運移；同時陷落柱的形成使得周圍巖層應(yīng)力釋放，吸附瓦斯大量釋放，沿煤層向陷落柱內(nèi)運移。在陷落柱內(nèi)，陷落柱成為各層煤間瓦斯運移的通道，使得底部煤層瓦斯運移到陷落柱頂部，如果陷落柱頂部蓋層封閉性較好，不存在大量直接和地面溝通的孔隙、通道，在陷落柱內(nèi)形成瓦斯富集帶。從4327工作面生產(chǎn)揭露的陷落柱和煤層頂板資料來看，4327 工作面煤層頂板由泥巖和砂巖組成，膠結(jié)疏松，有利于瓦斯向上運移，且陷落柱頂部蓋層為泥巖和砂質(zhì)泥巖，陷落柱內(nèi)有利于瓦斯富集。

陷落柱相當于規(guī)模較大的張性正斷層，在陷落柱形成過程中及形成后，陷落柱周圍煤體瓦斯始終處于較強的逸散狀態(tài)，特別是陷落柱形成過程中，煤層頂?shù)装宀糠滞笟庑詭r層相溝通，陷落柱周圍煤體瓦斯得到了充分的逸散，隨著后期塌落的“構(gòu)造巖”逐步壓實，瓦斯的逸散在一定程度上得到抑制，陷落柱周圍煤體中逸散的瓦斯得到一定補償，并與后期逸散達到新的平衡。

當陷落柱頂部與含水層溝通時，瓦斯會隨水流排出，另一方面，水被吸附在裂隙和孔隙的表面后降低了煤對瓦斯吸附能力，并增大了瓦斯排放能力，使陷落柱周圍煤層瓦斯含量降低。充水含水層的水可能通過陷落柱進入工作面，導(dǎo)致工作面涌水量增大，甚至引發(fā)礦井水害［9］。此時，在水的擠壓作用下，巖石空隙中的瓦斯逐漸析出，同時水的流動一方面溶解少部分瓦斯，另一方面會加速瓦斯的逸散［10］。根據(jù)水文地質(zhì)報告，3#煤層上部主要有K8、K10砂巖裂隙含水層，工作面底部整體低于奧灰水位標高55～85 m，因此陷落柱有可能溝通含水層，從而降低陷落柱周圍煤層瓦斯含量。

此外，若陷落柱與其他斷裂構(gòu)造相連，形成了瓦斯的排泄通道，同樣也會出現(xiàn)瓦斯逸散的現(xiàn)象［11］。部分陷落柱在形成過程中，煤巖層因柱體向下塌陷，周圍產(chǎn)生大量裂隙，有利于瓦斯向外運動，因而陷落柱周圍的瓦斯含量較低。

綜上所述，陷落柱對瓦斯賦存的影響是局部范圍內(nèi)，主要與陷落柱內(nèi)及周圍巖層裂隙發(fā)育程度、陷落柱上部蓋層巖性及其陷落含水層富水性和導(dǎo)水性有關(guān)［12-13］。

5 結(jié) 論

（1）依據(jù)所測3#煤層巖層參數(shù)建立了4 種形態(tài)的陷落柱模型，其應(yīng)力分布云圖表明，陷落柱體內(nèi)應(yīng)力值均低于柱體外圍，隨著距離的增大，柱體邊界外圍巖體應(yīng)力逐漸平緩并趨于巖層應(yīng)力，驗證了陷落柱體圍巖塑形應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)的存在。

（2）提取處于陷落柱影響范圍的煤層中部應(yīng)力分布線，陷落柱應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生在陷落柱兩側(cè)煤巖處，連續(xù)面和陷落柱區(qū)域應(yīng)力分界明顯，在接觸面形成了應(yīng)力集中核，應(yīng)力集中核中應(yīng)力幅度變化大，在此區(qū)域會造成巖石嚴重的破壞，形成明顯的破碎帶，陷落柱構(gòu)造在周圍巖層中造成了較大范圍影響。

（3）煤層的堅固性系數(shù)f、瓦斯放散初速度ΔP、煤層瓦斯含量均與距陷落柱距離呈現(xiàn)正比。距陷落柱越近，煤的堅固性系數(shù)、瓦斯放散初速度和瓦斯含量越小，影響范圍在8～10 m。

（4）陷落柱對瓦斯賦存的影響在局部范圍內(nèi)，主要與陷落柱內(nèi)及周圍巖層裂隙發(fā)育程度、陷落柱上部蓋層巖性及其陷落含水層富水性和導(dǎo)水性有關(guān)。陷落柱賦存區(qū)域巖性破碎，應(yīng)力分布不均衡，易在周圍造成井下涌水或突水，一些隱伏于地表下的陷落柱成為瓦斯富集帶，極大威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，陷落柱構(gòu)造周圍煤體應(yīng)進行重點瓦斯防治。