斷層構造區應力對煤與瓦斯突出的影響

焦建康，馮友良，王志鵬

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013;3.中國礦業大學 (北京)資源與安全工程學院，北京100083;4.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京100013)

煤與瓦斯突出是煤礦常見地質災害之一。在所有影響煤與瓦斯突出的因素中，被普遍認可的結論是:煤與瓦斯突出是地應力特別是構造應力、煤巖體物理力學特征和瓦斯壓力共同作用的結果［1－4］。在以上影響因素中，構造應力在煤與瓦斯突出中起到重要作用，主要表現在以下幾個方面［5］:一是高的構造應力決定高的瓦斯應力，決定了瓦斯在突出中的作用;二是較高的、不均勻的構造應力會造成煤巖體結構破壞，降低煤巖體的強度，加大了發生煤與瓦斯突出的可能性，控制著煤與瓦斯點的區域性分布特征;三是在形成構造應力場的過程中，構造運動不僅促進構造煤的產生，也增加了瓦斯的生成量。綜上分析，構造形成的高的應力集中及應力梯度變化對煤與瓦斯突出起主要作用。

河南能源化工集團焦煤公司九里山井田為煤與瓦斯突出礦井，且多數發生在斷層構造帶附近。該礦井田范圍內以斷層構造為主，褶曲不發育，各斷層間相互交叉組合，形成了復雜的構造應力場，給煤與瓦斯等礦井災害的發生提供了力源條件。采用空心包體應力計對該礦進行現場地應力測量，找出該礦不同埋深地應力量值和方向。在此基礎上，結合井田地質條件，以井田內大中斷層為骨架建立三維地質模型，進行三維數值模擬，分析井田區域特別是斷層構造區應力分布特征，研究構造應力對該礦煤與瓦斯突出的控制作用，為該礦煤與瓦斯的突出防治與解危提供參考依據。

1 已采區煤與瓦斯突出區域性分布與井田斷層構造關系分析

九里山井田整體上為一走向NE－NNE，傾向SE單斜構造，區域構造以斷層為主，褶曲不甚發育。井田內發育EW，NE，NW向3組斷層，且全為正斷層，NE向斷層最發育，破壞了井田的連續性，其中F1斷層及其支斷層將井田分為兩部分，NW向斷層不發育，常以中小斷層出現 (如圖1所示)。

圖1 井田斷層分布與煤與瓦斯突出點關系

1980年9月，該礦在12031配風巷 (標高－74m)發生第1次煤與瓦斯突出。隨著開采深度和瓦斯壓力的不斷加大，突出發生的次數增加，強度也增大，先后共發生65次煤與瓦斯突出。在這65次煤與瓦斯突出中，在斷層構造帶附近300m范圍內發生的次數就有38次 (圖1)，占總突出次數的58.5%，并且在這些斷層構造帶附近發生的突出最顯著的特征就是強度大，其中就有10次100t以上的突出，占次大型突出的47.4%。2011年10月27日該礦16采區16031上風道掘進工作面發生一起煤與瓦斯突出事故，噴出煤巖量3246t，此次事故點距馬坊泉斷層不到100m。斷層構造帶往往是突出的多發區，斷層構造引起的構造應力在煤巖體的集中及較高的應力梯度變化，是該礦煤與瓦斯突出嚴重的一個重要因素。

2 九里山斷層構造區地應力場特征分析

2.1 地應力現場實測

本次測試采用空心包體應力解除法。考慮到地應力測量測點選擇原則，結合礦井生產及地質條件，共布置5個測點，在其中3個測點 (圖1)取得完整巖芯并采集到應變數據。將采集到的巖芯在彈性模量圍壓率定機中測得各巖芯的彈性模量和泊松比。最后，把最終應變數據和彈性模量、泊松比等數據輸入到應力解算軟件中，得到各測點主應力結果如表1所示。

表1 各點測得主應力結果

對以上各主應力解算結果分析可以看出，九里山井田實測3個測點最大主應力方位在195～227°之間，最大主應力優勢方向為NNE－WSS向，最大主應力與水平面的夾角在－6.6～2.6°之間，近似水平。說明該礦區的應力場為構造應力場類型，且最大主應力量值為最小主應力的1.98～2.76倍，兩者差值較大，主應力具有明顯的方向性。這表明，在地表淺部的斷層破壞帶附近圍巖可能存在較高的構造應力，可以給煤與瓦斯突出的發生提供有利的發動力條件。這也解釋了該礦礦井開拓初期，淺部煤層煤與瓦斯突出多發的原因。

2.2 斷層構造區應力特征三維數值分析

2.2.1 三維地質模型建立

本次模擬選用有限差分軟件FLAC3D。如圖2所示，地質模型考慮了對井田應力狀態影響較大的大中型斷層 (為便于后面分析，對其分別進行標號)，X軸方向平行于最小主應力方向 (N42°E)，Y軸方向平行于最大主應力方向 (N48°W)，垂直方向為Z軸方向，最終模型的尺寸為6500m×5000m×800m。模型從上到下各層位巖性如圖2所示，其中把斷層帶處理成強度較低，可塑性較強的巖石［7］。

2.2.2 模型邊界條件

圖2 三維地質模型及巖性分布

模型的邊界定義為:底邊垂直位移約束，西南和東南邊界水平位移約束，上邊界和內部節點無約束，其余兩個側面設為應力邊界。模擬過程分為2個階段［8－9］:第1個階段模擬自重應力場，在此過程中，底邊垂直位移約束，4個側面水平位移約束，模型在自重應力下達到平衡，得出自重應力產生的應力分量;第2階段模擬構造應力場，在這個階段中，西北和東北邊界法向水平位移固定邊界條件，施加應力邊界，應力邊界值由實測值最大、最小水平應力值減去第1階段中的自重應力分量求得。

2.2.3 模擬結果分析

對模擬結果在－400m埋深處進行水平剖面分析，根據最大、最小主應力云圖 (圖3、圖4)所代表的應力值，遠離斷層影響區域最大主應力量值為14MPa左右，最小主應力為8MPa左右，與前面地應力測量在這個埋深的實測結果較為吻合。

圖3 Z=－400m處水平剖面最大主應力云圖 (Pa)

圖4 Z=－400m處水平剖面最小主應力云圖 (Pa)

由于斷層的影響，原巖應力受到不同程度擾動，最大主應力 2～22MPa，最小主應力 3～8.5MPa。斷層構造區出現了較多的應力狀態，既有應力降低地段，也有增大的地段。對于單一斷層(F2)來說，斷層帶附近一定范圍內應力值較低，隨著遠離斷層，應力值逐漸增加，最終趨于穩定，在斷層端部出現較大的應力集中，最大主應力應力集中系數 (與同水平遠離斷層最大主應力的比值)達到1.57。此外，從圖中可以看出，斷層附近主應力分布還受到附近斷層的影響。例如，交叉斷層(F1與F4)附近最大主應力值相對單一斷層更低，地塹構造區域 (F3與F4)最大主應力值有較明顯的應力升高;斷層越發育的區域，應力變化越復雜，如F1，F1－2，F1－3組成的斷層群附近，各斷層間斷層交錯，而且斷層端點眾多，應力分布狀態極其復雜。

3 斷層構造區應力分布對煤與瓦斯突出控制分析

3.1 構造應力狀態區域劃分

參考應力集中系數法［5］(式1)，將九里山井田斷層構造區最大應力進行區域劃分，最終得到高應力區、低應力區及應力梯度區 (圖5)。

式中，K為應力集中系數;σ1為區域最大主應力值，MPa;γH為垂直應力，MPa。

在式 (1)中，當K值大于1.2時，圖3中最大主應力等值線所劃定的范圍成為高應力區;當K值小于0.8時，圖3中最大主應力等值線劃定的區域成為應力降低區;趨于兩者之間單位主應力變化較大的范圍即為應力梯度區。斷層構造區應力區域分布如圖5所示。

圖5 斷層構造區應力區域分布與瓦斯突出的關系

3.2 已采區大、中斷層構造區應力區域分布與瓦斯突出區域分布對比分析

(1)在圖5所示的區域1中，共發生大小瓦斯突出6次，其中最近也是最大的一次煤與瓦斯突出事故發生。2011年10月27日0時36分九里山礦16采區16031上風道掘進工作面，突出煤巖量3246t。

原因分析:從圖5可以看到，16采區16031上風道煤與瓦斯突出點位于高應力梯度區內，水平最大主應力變化幅度較大，當構造應力集中，煤巖體受到擾動，應力超過煤體的極限應力狀態時煤體失穩，導致煤與瓦斯突出的發生。

(2)在圖5所示的區域2中煤與瓦斯發生點更為密集，強度大于1000t/次的特大型突出點1個，煤與瓦斯突出強度500～999t/次的大型突出點1個，煤與瓦斯突出強度100～499t/次的中型突出點7個，煤與瓦斯突出強度小于100t/次的小型突出點多個。

原因分析:從圖5可以看到，此區域突出點大部分位于高應力區內，由于斷層構造的影響，高應力區內的煤巖體受高應力作用，聚集了大量彈性能，有的接近極限平衡狀態，當應力平衡遭到外力擾動時，其內部的能量釋放出來，導致煤與瓦斯突出的發生。

(3)在圖5所示的區域3中，突出點較為集中，但這些突出點大都不在圖中構造應力區內。分析其原因，是由于技術條件所限，本次模擬只能建立在井田范圍內展布范圍較大的斷層模型，對于小斷層無法建立。而此區域內小斷層密布 (圖1)，對巖體應力狀態也會產生較大的影響。這也從另一方面說明了，在煤礦生產過程中，加強對井田范圍內小斷層的勘察，完善地質資料，對保證煤礦安全生產非常重要。

3.3 構造應力狀態區域劃分對煤與瓦斯突出區域預測的作用

煤與瓦斯突出綜合起來有兩方面因素，即自然因素和技術因素。技術因素又可分為生產因素和管理因素。自然因素是煤與瓦斯突出的最重要因素。斷層構造附近構造應力的集中屬于自然因素，煤與瓦斯突出大都發生在此區域。技術因素包括井下采掘形成的支撐壓力的升高和開采時形成的外力，如放炮、回柱放頂等。自然因素是人力無法改變的天然因素。劃分應力狀態區域的目的是研究構造應力(自然因素)對煤與瓦斯突出的影響，其主要研究內容是根據礦區構造背景，對地質構造附近應力狀態進行分析，預測采掘活動可能帶來的地質災害。為礦井開拓設計、巷道支護和礦井動力災害的預防提供依據，實現采礦活動的科學設計和決策。

從前述分析可以看出，九里山礦煤與瓦斯突出呈區域性分布，主要分布在應力區域劃分圖中的高應力區和應力梯度區范圍內。這是因為高應力區內的煤巖體受高應力作用，聚集了大量彈性能，有的接近極限平衡狀態，當應力平衡遭到外力擾動時，其內部的能量釋放出來，導致煤與瓦斯突出的發生。在應力梯度區，煤巖體所受應力條件變化較大，其力學性質變化較大，脆性大，強度低，煤與瓦斯突出危險程度增加。

通過以上理論分析并結合九里山礦構造應力區域劃分結果，在圖5中所劃分的高應力和應力梯度區的范圍內都是煤與瓦斯突出多發區，建議在這些區域進行礦井生產活動時，加強防控措施和生產組織管理。

4 結論

(1)在區域和井田斷層構造的影響下，九里山礦最大主應力量值具有明顯的主導性，在地表淺部的斷層破壞帶附近的圍巖可能存在較高的構造應力，為煤與瓦斯突出的發生提供有利的發動力條件。

(2)斷層構造帶是九里山礦煤與瓦斯突出的多發區，構造應力在斷層構造帶附近的應力集中和變化，是引起該礦煤與瓦斯突出發生的一個重要因素，構造應力的區域劃分可以為煤與瓦斯突出的預測與解危提供依據。

(3)通過對比九里山區域應力狀態劃分結果和煤與瓦斯突出點區域性分布可知，高應力和應力梯度區的范圍內都是煤與瓦斯突出多發區，建議在這些區域進行礦井生產活動時，加強防控措施和生產組織管理。

(4)斷層分布對巖體應力狀態分布和煤與瓦斯突出的發生也會產生較大的影響，在煤礦生產過程中，加強對井田范圍內小斷層的勘察，完善地質資料，對保證煤礦安全生產非常重要。

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