近斷層掘進的煤層瓦斯賦存及突出危險性

薛 斌

(陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤與瓦斯突出點為不均勻分布，一般較集中分布在某些地質構造區、斷層帶附近和應力集中帶，呈區域性、帶狀分布，這些地質構造是影響瓦斯保存的重要條件之一[1-4]。它一方面能改變煤層的賦存形態以及煤層本身的煤體結構；另一方面可以使煤層圍巖的透氣性能變化。燕山運動早、中期太行山隆起活動產生的逆斷層[5-7]，在燕山末期至喜山早期受擠壓活動的影響被拉張活動所取代，因而向壓性和壓扭性正斷層演化，就形成了現今看到的正斷層[8-10]。由于構造擠壓活動影響，使得煤層具有高吸附瓦斯以及封存瓦斯的能力；而受構造擠壓剪切作用所形成的壓性、壓扭性構造以及形成過程中的運動使煤層發生了強烈韌塑性破壞和變形，由此就形成了發育的“構造煤”[11]。這些壓性、壓扭性構造活動正是造成斷層之間的部位發生煤與瓦斯突出的根源[12]。文中從斷層下方(上、下盤)和煤層同一水平(上、下盤)進行掘進的2種情況展開模擬實驗，研究煤與瓦斯突出的過程。掘進過程可以分為應力集中階段、應力誘發斷層破裂階段、瓦斯應力促使煤層破壞階段和突出階段4個階段。

1 斷層下部開挖的數值模擬

1.1 計算模型的建立

計算模型采用一個二維模型，將計算模型簡化為水平方向和垂直方向，如圖1所示。圖中a為從下盤開挖，b為從上盤開挖，x方向為水平方向，y方向為垂直方向。

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

1.2 模型尺寸及單元劃分

數值模型設計以類似大平煤礦模型的特點，建立落差為10 m的逆斷層，斷層上下盤煤厚4.8 m，斷層面傾角為49°。先建立整個模型的底層，底層的力學性質為泥巖。然后建立好煤層和斷層以后，在距離斷層的下盤1.5 m的左側開挖，掘進巷道高度2 m。有限元數值模型如圖1所示，模型尺寸為30 m×30 m的幾何邊界，巖層和煤層均定義了不同的厚度和幾何特征，其參數見表1。整個模型劃分為300×300共90 000個計算單元。

表1 巖層體物理力學參數取值Table 1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

模型的加載方式都是通過載荷加載的，水平壓力為4 MPa，保持不變。垂直壓力為12 MPa，也保持不變。頂底板封閉，只在煤層中加載瓦斯壓力，煤層兩端邊界處瓦斯壓力恒定不變。

1.3 突出過程破壞瓦斯流場分析

巷道開挖初始階段，斷層和煤層受應力較小而未破壞，斷層的封閉性較好封閉了煤層中的瓦斯，瓦斯沒有發生解析，較好地賦存在煤層中。隨著巷道的開挖，煤層受到應力擾動，但是擾動不足以使煤層中瓦斯發生大量運移，只有部分瓦斯開始解析，并使煤層發生較小破壞產生微小裂隙。伴隨著巷道開挖而應力不斷增加，煤層受到的擾動增大使瓦斯運移增多，煤層在瓦斯壓力作用下產生更多裂隙，并且瓦斯大量解析，瓦斯壓力不斷增大，并形成一定的瓦斯壓力梯度。由于掘進巷道距離煤層有足夠的安全距離，瓦斯壓力不足以破壞巖體而發生突出。隨著巷道向前開挖，斷層受到應力增大而透氣性增大，煤層中瓦斯大量解析，在瓦斯壓力作用下，大量微裂紋連接貫通，煤層中形成有規律的裂隙通道，瓦斯壓力充滿整個裂紋空間。由于破裂面處的壓力為零，當煤體中瓦斯壓力足夠大，就將煤體壓入掘進巷道而發生突出。沿斷層上盤掘進時，瓦斯壓力梯度大，煤層破壞大，更容易發生突出；而沿斷層下盤掘進的時候，瓦斯壓力梯度小，破壞也較少，如圖2、3所示。

圖2 沿斷層上盤掘進過程中瓦斯流動滲流Fig.2 Gas flow and seepage during tunneling along the hanging wall of fault

圖3 沿斷層下盤掘進過程中瓦斯流動滲流Fig.3 Gas flow and seepage during tunneling along the footwall of fault

巷道開挖初期，斷層下部在應力作用下產生破壞，透氣性較好。隨著開挖的進行，斷層上部透氣性也在增強。由圖4的斷層流量變化圖，沿斷層上盤掘進過程中，斷層下部產生破壞，瓦斯流量主要來自下盤煤層；隨著應力增加，上盤煤層產生破壞以后，斷層上部的瓦斯主要來自上盤煤層，流量增大。斷層下部瓦斯流量比上部大。

圖4 沿斷層上盤掘進過程中斷層流量變化Fig.4 Variation of fault flow during tunneling along the fault hanging wall

隨著開挖的進行，煤層在應力作用下產生破壞，煤層的透氣性增加，隨著煤層破壞的增多，煤層破壞區域透氣性增加。由于煤層破壞作用，煤層中瓦斯解析，破壞區域的瓦斯流量變大；隨著煤層破壞加重使瓦斯流量進一步增大。

巷道開挖初期，斷層下部在應力作用下產生破壞，透氣性較好。隨著開挖進行，斷層上部未產生破壞，上部透氣性差。沿斷層下盤掘進過程中，斷層下部產生破壞，瓦斯流量主要來自下盤煤層；隨著應力增加，斷層破壞增大，斷層下部瓦斯流量不斷增大。

隨著巷道的開挖，煤層的透氣性增加，靠近斷層的煤層透氣性大，并且其他部分煤層的透氣性也在逐漸增加。沿斷層下盤掘進過程中，上盤煤層中瓦斯在煤層破壞區域流動，煤層未破壞區域瓦斯流量少，隨著破壞區域增加，煤層破壞區域瓦斯大量解析，瓦斯流量增大。

2 煤層同水平開挖的數值模擬

2.1 計算模型的建立

計算模型同圖1，數值模型設計以類似大平煤礦模型的特點，建立落差為10 m的逆斷層，斷層上下盤煤厚為4.8 m，斷層面傾角為49°。先建立整個模型的底層，底層的力學性質為泥巖。然后建立好煤層和斷層，在煤層同一水平開挖，沿平巷向前掘進，掘進巷道高度2 m。模型的加載方式均為載荷加載，水平壓力為5 MPa，保持不變；垂直壓力為12 MPa，也保持不變。頂底板封閉，只在煤層中加載瓦斯壓力，煤層兩端邊界處瓦斯壓力恒定不變。

2.2 突出過程破壞損傷分析

在巷道剛開挖時，斷層受力較小，附近沒有明顯的破壞與損傷。沿著斷層上盤掘進過程中，斷層附近的應力不斷增加，主要產生壓破壞。隨著巷道向前掘進，斷層產生更多的壓剪破裂，這時煤層受到應力影響，主要表現為拉破壞，造成瓦斯運移，使煤層主要受到壓應力作用產生壓剪破裂，同時拉應力繼續對煤層作用產生拉伸破裂，隨著壓應力增大，拉應力減小，煤層產生更多壓破壞。過斷層后，斷層上部煤層受到拉破壞作用。隨著應力增大，拉伸破壞更加嚴重，有可能引發斷層上盤發生突出，如圖5所示。而沿著斷層下盤掘進時，斷層和煤層主要受到壓應力作用而產生壓破壞。隨著應力的增加，煤層受到拉應力作用而產生拉破壞，如圖6所示。

圖5 沿上盤掘進過程中的破壞與損傷Fig.5 Destruction and damage in the process of tunneling along the upper wall

圖6 沿下盤掘進過程中的破壞與損傷Fig.6 Destruction and damage in the process of tunneling along the footwall

從圖7可以看出，沿斷層上盤掘進，豎直方向位移增大，主要是壓破壞作用，而隨著開挖的進行，斷層逐漸受到拉破壞作用。隨著繼續開挖的進行，斷層兩盤的位移都比較大。

圖7 沿斷層上盤掘進過程中的位移Fig.7 Displacement during tunneling along the fault hanging wall

2.3 突出過程破壞瓦斯流場分析

巷道開挖初始階段，斷層未受到破壞，較好地封閉了煤層中的瓦斯，煤層中瓦斯沒有發生解析，較好地賦存在煤層中。隨著巷道的開挖，煤層受到應力擾動，只有部分瓦斯開始解析，并使煤層發生較小破壞而產生微小裂隙。沿斷層下盤掘進時，伴隨著巷道開挖而應力不斷增加，煤層受到的擾動增大使瓦斯運移增多，煤層在瓦斯壓力作用下產生更多裂隙，并且瓦斯大量解析，瓦斯壓力不斷增大，并形成一定的瓦斯壓力梯度，由于掘進巷道距離煤層有足夠的安全距離，瓦斯壓力不足以破壞巖體而發生突出。隨著巷道向前開挖，斷層受到應力增大而透氣性增大，煤層中瓦斯大量解析，在瓦斯壓力作用下，大量微裂紋連接貫通，煤層中形成有規律的裂隙通道，瓦斯壓力充滿整個裂紋空間。由于破裂面處的壓力為零，當煤體中瓦斯壓力足夠大，就將煤體壓入掘進巷道而發生突出，如圖8所示。

圖8 沿斷層下盤過程中瓦斯流動滲流Fig.8 Gas flow and seepage along the fault footwall

而沿上盤掘進時，開挖至斷層附近，斷層產生的破壞少，煤層并未發生突出，當巷道開挖過斷層以后，巷道上部煤層瓦斯大量解析，上盤煤層容易發生傾出；瓦斯壓力梯度大，并引起斷層上盤煤層的破壞，容易引起上盤煤層發生突出，如圖9所示。

圖9 沿斷層上盤過程中瓦斯流動滲流Fig.9 Gas flow and seepage during tunneling along the fault footwall

巷道開挖初期，受開挖影響，斷層下部的透氣性好，隨著開挖的進行，下部透氣性增強。初期斷層流量沒有變化，隨著開挖的進行，斷層的瓦斯主要來自下盤煤層，斷層下端瓦斯流量變大，如圖10所示。

圖10 沿斷層上盤掘進過程中斷層流量變化Fig.10 Variation of fault flow during tunneling along the fault hanging wall

通過斷層上盤掘進過程中煤層流量變化(圖11)可以看出，隨著開挖的進行，靠近斷層的煤層的透氣性增加。煤層瓦斯初期流動較小，隨著巷道向前掘進，煤層破壞區域瓦斯流動增大。

圖11 沿斷層上盤掘進過程中煤層流量變化Fig.11 Variation of coal seam flow during tunneling along the fault hanging wall

沿斷層下盤掘進過程中，斷層的透氣性也是下端部向上逐漸增強。斷層流量初期主要在豎直方向，后期水平方向流量大，斷層瓦斯主要來自上盤煤層。隨著巷道的開挖，靠近斷層的煤層透氣性大，并且其他部分煤層的透氣性也在逐漸增加。初期瓦斯主要在水平方向流動，隨著開挖的進行，瓦斯由水平方向運移變成主要在豎直方向流動，煤層破壞區域瓦斯流動加大。

3 結論

(1)從斷層下方(上、下盤)和煤層同一水平(上、下盤)掘進過程可以分為應力集中階段、應力誘發斷層破裂階段、瓦斯應力促使煤層破壞階段和突出階段4個階段。

(2)從斷層下方(上、下盤)掘進數值模擬表明：沿斷層上盤掘進，煤體發生的破壞更嚴重，并且會引起斷層上盤的破壞，進而發生更加嚴重的突出。沿斷層下盤掘進，煤體的破壞較少，有可能發生煤與瓦斯突出。

(3)煤層同一水平(上、下盤)掘進數值模擬表明：沿上盤掘進，過斷層后，巷道上方煤層發生破壞，斷層主要受到瓦斯壓力作用，靠近上盤煤層的斷層發生較大破壞，從而引起上盤煤層受到應力的影響而產生破壞，隨著巷道在煤層的掘進，上部煤層受力增大，可能發生更大的突出危險；沿下盤掘進，當巷道掘進至斷層附近時，瓦斯壓力使破碎煤塊沿著斷層破裂面壓入掘進巷道進而發生煤與瓦斯突出。

(4)文中僅對斷層上、下盤進行模擬，未對斷層的斷距、傾角、煤層強度對突出的影響進行分析；由于文中采用的是二維模擬，模擬結果與實際情況有一定的偏差，今后可采用RFPA3D數值軟件對模型進一步改進和研究。