构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用

摘 要：应用流体势的理论解释了瓦斯运移的动力机制，通过对青龙矿22煤层瓦斯突出的数值模

拟和流体势的计算，揭示了构造应力场对瓦斯运移和聚集的控制作用，指出构造应力决定了瓦斯流 本势的大小，并决定了瓦斯运移和聚集的方向、轨迹：瓦斯运移的方向从高应力差区到低应力差区，瓦斯位移场与构造应力的应力差梯度场相一致。

关键词：瓦斯；煤与瓦斯突出；流体势；构造应力场；运移

中途分类号：TDl63 文献标志码：A 文章编号：0253—2336(2008)04—0047—04

1 概 述

瓦斯是影响煤矿安全生产的重要因素，煤与瓦突出是煤矿生产中的主要地质灾害之一，随着煤炭开采深度的延伸，煤与瓦斯突出的危害日趋严重。国内外对煤与瓦斯突出的研究已经取得了丰富的成果，一般认为，煤与瓦斯突出是瓦斯、地应力、煤的力学性质等因素综合作用的结果，其中煤层高压瓦斯是突出的必要条件，地应力是保持高压瓦斯的前提条件，煤体结构遭受破坏是突出的有利条件[1].

地质构造是影响和控制煤与瓦斯突出的重要因素．构造作用形成的构造煤煤化程度高，其形成过程中有大量瓦斯生成，造成煤层瓦斯含量高[2]构造作用还可使煤层增厚、结构破碎，有利于瓦斯 聚集并易于突出[3-4]区域地质构造往往控制了井田内瓦斯的分布[5-6]． 而中小型构造的不同组合则对于瓦斯的聚集或逸散具有不同的控制作用[4,7-8]此外，诸多研究表明，构造形成的应力集中是煤与瓦斯突出的决定性因素[4,9-11]，因而可

以通过对构造应力场的分析预测煤与瓦斯的突出[12-14] 。

地质构造的几何形态对瓦斯赋存的控制是表象的和显而易见的，而构造应力场对瓦斯运移、聚集的控制作用则是内在的和本质的。随着对煤与瓦斯突出研究的深入，应当在瓦斯聚集和运移的动力学机制方面作进一步的探讨。

2 瓦斯运移的动力机制

瓦斯作为一种流体，其形成后必然随着地质构造运动而进行二次运移，正因为如此才导致瓦斯聚集，并在一定条件下突出。描述瓦斯流动的基本规律一般采用Fick定律和Darcy定律，前者描述瓦斯的扩散运动，后者描述瓦斯的渗流运动[15]。

瓦斯的扩散运动在其形成期间就已进行，在煤化作用完成一定时期后应基本结束，当然随着温度场、煤体破碎程度等条件的变化，瓦斯仍然会存在一定的扩散运动。根据Darcy定律可以计算瓦斯的渗流速度，进而可近似计算瓦斯的比流量。然而在实际生产中，人们更关心的是可能存在煤与瓦斯突出的位置，或者说如何能够准确的预测瓦斯二次运移的轨迹。

Hubbert 19年提出流体势的概念，流体势理论较多应用在研究油气藏分布、油气二次运移等方面，对瓦斯运移的研究具有很好的借鉴意义。根据流体势的理论，处于地下某一空间位置的流体，其流体势的大小取决于地层流体压力、高程、流体密度以及所在地区的重力加速度等因素，流体总是从高势区向低势区流动。结合理想气体的状态方程和计算流体势的基本表达式可得流体势力为

Φ=gz+p0/p0lnp/p0

式中Po——压力值为p0下的气体密度(等温条件 下)；

p0P——基准点和计算点的压力值；

g——重力加速度；

z——高程。

空间中的z可以测量，地区的重力加速度为定值，当确定了压力p。下的气体密度p。，并已知空间的应力场分布时，即可计算空间的流体势的分布，从而确定瓦斯流体的运移方向和轨迹。由于瓦 斯的密度很小，因而其重力势能也相应很小，影响瓦斯流体势的主要因素是地应力的大小。

3青龙矿瓦斯突出的异常现象

青龙井田位于贵州省黔西县东南部，地形条件总体上受区域性地质构造和岩性控制，属高原低山丘陵地貌。井田内出露的地层自老至新有：二叠系下统茅口组(P2：m)，上统峨眉山玄武岩组(P3 B)、龙潭组(P3，1)，长兴组(P3，c)，三叠系下统夜郎组(T1，y)、茅草铺组(T，m)，二叠系上统缺失大隆组地层。井田整体位于格老寨背斜的北西翼，北西翼地层基本呈单斜产出，井田北西及南西有F1，F2：，F3，F 2支F 1支五条区域性断裂构造分布，构成井田北西及南西自然边界，井田内断层数量较多。井田内含煤岩系为二叠系上统龙潭组(B1)，可采煤层主要为16、17、18三层较稳定的煤层，平均厚度分别为2．74，1．20，3．18 m。

根据青龙井田．14—2等钻孔瓦斯含量的测试资料，基本上反映出了煤层瓦斯含量随

深度递增的规 律性。16煤、17煤、18煤的瓦斯含量平均值分别为11．00，12．21，13．68 m3／t，也反映出了瓦斯含量随深度递增的规律性，统计结果也表明，青龙并田煤层瓦斯含量均大于10 m3／t，根据煤炭科学磅究总院重庆研究院的鉴定，16煤的瓦斯压力小于临界值，18煤为瓦斯突出煤层(17煤未做鉴定一故属于煤与瓦斯突出矿井。

22煤厚度为O～2．62 m，平均为0．94m。2005年7月--2006年4月22煤的矿井副井、管子道、内水仓等处共发生5次煤与瓦斯突出：第1次瓦斯突出量为5 060 m。；第2次瓦斯突出量为 6 167 m。，突出煤量60 t；第3次瓦斯突出量为11 165 m。，突出煤量80 t；第4次瓦斯突出量为30 144 m。，突出煤量600 t；第5次瓦斯突出量 671 m。，突出煤量900 t。 根据区域构造分析，青龙井田所在的区域在长期的地质历史中、以及在现今的地质环境中，仍然是以NW—sE向水平挤压为主要的构造应力场，与宏观的大地构造应力场相一致。井田现今仍处于 高构造应力带内，地应力以水平压应力占优势，萁应力强度为中等水平，应力场内以NW—sE为主压应力方向，地应力数值为10～20 MPa。

为了分析青龙井田在垂向上的应力分布，建立以平行于现代构造应力场主方向(NW向)的垂盔剖面，选择含5次瓦斯突出点的地质剖面为模型．模拟研究区在现代构造应力、自重应力联合作用下的应力场分布特征，研究的对象为主采煤层、顶底板岩层和断层。

数值模拟中的边界条件设为：顶边为自由边界，底边和左、右边界设为滚轴约束，重力加速度为10 m／s。。根据岩石力学资料，煤层的顶底板力学强度远高于煤层，煤层是一种软弱岩体，强度很低，但又不同于断层破碎带。根据岩石强度与其弹性模量等参数的相关性，参照各材料对象的强度大 小，分别将以上参数赋值如下。

顶底板：容重25 kN／m3，弹性模量50 GPa． 泊松比为0．2。

煤层：容重14 kN／m。，弹性模量6 GPa，泊松比为0．3。

断层：容重20 kN／m3，弹性模量0．5 GPa，泊松比为0．4。

通过数值模拟计算得到了青龙井田垂向剖面的构造应力场(图1)。通过对模拟结果的分析可以发现，原22煤发生5次瓦斯突出的区域，存在主应力差降低区。

根据气体流体势的计算公式，在22煤层中选择了A～L点，计算该点位置的流体势，计算中压力P0为1个标准大气压，以计算区左下角为相对的高程0点，已知瓦斯在标准状态下密度为0．716kg/m3。：计算过程显示瓦斯流体势中重力势能所占分量(g•z)很小，流体势的大小主要取决于地应力(包括现代构造应力和自重应力)作用的强度(表1)。

根据计算结果绘制了22煤层瓦斯突出区附近的瓦斯流体势以及瓦斯的流向(图2)。

从图2可以看出，22煤在F17逆断层附近的流体势相对较低，周围的瓦斯从流体势高处向低处流动，而F17为逆断层，在水平挤压应力作用下， 对瓦斯具有封闭作用，导

致了瓦斯在F17断层附近的流体势最低区域聚集，当采动破坏了断层和围岩的封闭性时，就导致了煤和瓦斯的突出。

此外尚应指出，煤和瓦斯突出出现在22煤层说明该区域的瓦斯压力突破了煤体的强度，否则，即使有瓦斯的聚集也不能发生突出(18煤层等可能属于这种情况)。

构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用

在煤与瓦斯突出的影响因素中，地质构造的控制作用是显著的：在煤化变质作用过程中，构造运动可以促进瓦斯的生成；构造作用破坏了煤体的结构，有利于煤与瓦斯突出的发生；构造运动可以形成有利于瓦斯聚集的封闭构造。除此以外，构造应力场控制了瓦斯的运移，是发生瓦斯突出的重要环节。

瓦斯总是从流体势高处向低处流动，而瓦斯流体势的大小主要取决于地应力大小，所以控制瓦斯运移的决定性因素是包含构造应力在内的地应力场。由于构造活动较强的地区普遍为构造应力大于 岩层自重应力，因此，实际上就是构造应力决定了瓦斯流体势的大小，也就决定了瓦斯的运移方向和 轨迹：瓦斯运移的方向应当是从高应力差区到低应力差区；瓦斯位移场应当与构造应力的应力差梯度场相一致(同时受封闭煤层顶底板的)。

在顶板封闭性的煤层褶皱构造中，褶皱的轴部瓦斯含量高，一般认为是褶皱轴部受挤压而煤体结构被破坏，节理大量发育，导致瓦斯聚集，但这种解释是基于瓦斯的运移为自然逸散的观点。如果席用流体势的观点考察这种现象，也可以给予较合理的解释：褶皱轴部张、剪节理发育，应力降低，导致瓦斯流体势也降低，而周围煤层的瓦斯流体势相对较高，因此，瓦斯自然地从流体势高处向流体势低处流动(图3)，所以，无论是背斜还是向斜，轴部瓦斯聚集均是地应力的动力作用所导致。

实际上，很多井田中的构造是很复杂的，随着断层和褶皱的规模、形态、组合的不同，其构造应 力场的特征也相应不同，前文的青龙井田构造只是属于其中的一例。为了准确地查明瓦斯的分布，并 预测评价煤与瓦斯的突出，在调查瓦斯的形成与含量、分析矿井构造形态的特征等工作的基础上，应当重视井田构造应力场的分析与研究，查明瓦斯流体势的分布特征，从而预测瓦斯的运移、聚集，进而采取相应的预防和治理措施。

4 结 语

1)瓦斯的运移和聚集规律符合流体势的理论，瓦斯总是从高流体势区向低流体势区流动。

2)瓦斯的流体势中，重力势能所占的分量很小，瓦斯流体势大小主要取决于地应力(包括现代构造应力和自重应力)作用的强度。

3)青龙矿22煤层相对于16，17，18等主采煤层厚度较小，但却频繁发生煤与瓦斯突

出，其原因在于：22煤层在F17逆断层附近的流体势相对较低，周围的瓦斯从流体势高处向低处流动，而F17为逆断层，在水平挤压应力作用下，对瓦斯具有封闭作用，导致了瓦斯在F17断层附近的流体势最低区域聚集，当采动破坏了断层和围岩的封闭性时，就导致了煤和瓦斯的突出。

4)实际上是构造应力决定了瓦斯流体势的大小，并决定了瓦斯的运移方向和轨迹：瓦斯运移的方向从高应力差区到低应力差区；瓦斯位移场与构造应力的应力差梯度场相一致(同时受封闭煤层顶底板的)。

5)在矿井瓦斯防治工作中，应当重视井田营造应力场的分析与研究，查明瓦斯流体势的分布絮征，从而预测瓦斯的运移、聚集，进而采取相应的预防和治理措施。

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