煤层瓦斯压力的采动应力响应特征研究

马海峰

摘要：瓦斯压力是诱发煤与瓦斯突出动力灾害事故的主要因素之一。为获得煤层瓦斯压力的采动应力响应特征，采用数值模拟和综合分析的方法对瓦斯压力的采动应力响应规律进行了研究。结果表明：瓦斯压力具有采动应力响应效应，在煤层开采过程中，应力和瓦斯压力均出现局部升高和降低的现象，均经历了先增大后减小并随煤层的开采不断向前规律性移动的动态演化过程，瓦斯压力受控于应力的演化。构建了动力灾害多因素耦合定性分析判据，分析了动力灾害的类型，可分为应力主导型的动力灾害和应力一瓦斯共同作用主导型的动力灾害。

关键词：瓦斯压力；采动应力；响应；动力灾害

地应力、瓦斯在煤与瓦斯突出动力灾害事故中起着重要的作用，对煤岩体的受力状态、力学特征、渗透特性等具有一定的影响作用。在煤与瓦斯突出动力灾害中地应力、瓦斯作用机制复杂、多变，国内外众多学者对煤与瓦斯突出动力灾害中地应力、瓦斯的相互作用开展了大量的研究，取得了一系列成果。文献研究了工作面煤层瓦斯压力与采动应力的相互作用规律、深部高瓦斯工作面含瓦斯煤扩容过程的力学特征。文献研究了不同开采深度条件下，突出煤层在地应力和瓦斯压力作用下发生煤与瓦斯突出的全过程。文献研究了三软厚煤层综采面采动应力分布。文献研究了煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用。文献对不同瓦斯压力下原煤三轴压缩全过程中渗透特性进行了探讨。文献研究了地应力的演化特征及构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用。文献研究了不同瓦斯压力下原煤和型煤的力学和渗透特性。文献研究了不同轴压围压条件下瓦斯压力对突出原煤的渗流特性。文献研究了瓦斯压力对突出煤及卸荷原煤的力学及渗透特性。文献研究了不同瓦斯压力下煤岩的声发射特征。上述研究多是在瓦斯压力对煤岩体渗透特性、力学特性、地应力和瓦斯压力在煤与瓦斯突出过程中的作用等方面取得的成果，对瓦斯压力的采动响应及其变化规律的研究成果较少。为获得煤层开采过程中采场围岩应力场的演化规律及瓦斯压力的变化规律，本文以朱集矿煤层开采技术条件和瓦斯赋存条件为背景，采用多物理场耦合分析软件COMSOL研究煤层开采过程中应力、瓦斯压力的分布特征及演化规律、应力演化规律对瓦斯压力变化的影响；基于煤岩体所处的应力状态、瓦斯压力、煤体的物理力学性质等主要影响因素，分析动力灾害发生的危险性和动力灾害的类型。

1.工程地质条件

1141（1）工作面位于东二11-2北盘区，西侧为DF112、DF113（逆）断层组，断层组西临东一北盘区1131（1）工作面（轨顺顶板巷已施工700m，轨顺未揭煤）；南侧为东翼系统大巷；北侧切眼临近DF141和F29断层，以北无采掘活动；东侧无采掘活动。对应上覆13-1煤层亦无采掘活动。各工作面位置和综合柱状图如图1所示。

11-2煤层平均厚度1.24m，瓦斯含量3.87～5.29m3/t，最大瓦斯压力O.32MPa。老顶主要成分为粉细砂岩，平均厚度为2.7m。直接顶主要成分为泥岩（部分为粉细砂岩），平均厚度为10.9m。直接底主要成分为泥岩（局部细砂岩），平均厚度为6.3m。

2.瓦斯压力的采动应力响应数值模拟

2.1数值模型的建立

数值模拟采用COMSOL的多孔弹性模块，模型长300m，高180m，为消除边界效应，模拟工作面从距模型左边界100m处开始开采，步长10m，模拟煤层开采0～100m的过程中采动应力、瓦斯压力的变化规律。计算采用的参数如表1～2所示，数值计算模型如图2所示。煤层顶底板为不透气岩层。

应力场边界条件：模型左右边界限制水平方向位移，底部边界限制垂直方向位移，模型上部为载荷边界条件，根据埋深计算上部边界载荷为10MPa。瓦斯渗流边界条件：瓦斯仅在煤层内流动，初始瓦斯压力为0.3MPa，煤层开采后暴露处的瓦斯压力为0.1MPa，其他边界的瓦斯流量为0。

2.2采动应力场分布及演化特征

图3为煤层开采前垂直应力分布云图，图4为煤层逐步开采过程中垂直应力云图及其变化规律。

由图3可知，煤层开采前，围岩应力处于静态平衡状态，应力均匀分布，无应力集中和卸压区域。随埋深的增加，应力以一定的应力梯度逐渐增加，围岩应力分布呈现很好的均匀性。

由图4可知，在煤层开采过程中，原岩应力静态平衡状态被打破，围岩受力状态经历了由三向应力状态到两向或单向受力状态的转变，开采空间周围围岩的应力重新分布，应力逐渐发生转移，在工作面前方煤体中产生应力集中区和卸压区。随着煤层的逐步开采，开采扰动强度和扰动影响范围逐渐增大，应力集中程度随开采扰动强度的增大而逐渐增大，应力集中系数分别为1.68，1.95，2.13，2.14，2.19，2.2，2.19，2.3，2.33，2.08，最大应力峰值系数为2.33。

在煤层的逐步开采过程中，工作面前方的煤岩体的应力状态经历了由原岩应力状态到应力集中再到应力降低的转变，可划分为原岩应力区、应力集中区和应力降低区。在围岩应力状态发生转变和应力不断转移的过程中，形成了应力分布的非均匀性。在开采扰动的作用下，应力分布的非均匀性导致煤岩体中应力分布局部集中和变形局部化，是引起裂隙萌生、扩展、相互作用直至最后贯通破坏的根源。

由图5可知，煤层开采后，煤岩体中的应力状态发生明显的转变，在工作面周围岩体中呈现明显且直观的应力集中区和应力降低区。应力集中区和降低区随着煤层的逐步开采不断前移，采空区上覆岩层的卸压范围逐步增大，采场周围煤岩体经历了应力集中区和降低区不断前移、采空区上覆岩层卸压范围逐步增大的动态演化过程。在煤层逐步开采的过程中，工作面前方煤体中产生了单驼峰状的峰值区域，随着煤层的持续开采，工作面前方煤体内始终存在单驼峰状形态的应力峰值区域，并不断向前移动。工作面前方煤体内的应力经历了先增大后降低并以单驼峰状的应力峰值区域逐渐向前移动的动态演化过程。

煤层逐步开采的过程中，工作面前方煤岩体内产生较大的应力集中使煤体发生剪切破坏，并伴随有裂隙的萌生、扩展、贯通，随后应力迅速降低，形成了较大的应力梯度，工作面近场的煤体受到破坏，发展为层裂体，该区域煤体承载能力大大降低，在工作面处几乎无承载能力。一般情况下，煤层开采引起的应力状态的缓慢改变，煤体释放的弹性潜能不足以诱发煤与瓦斯突出动力灾害事故，只有在高应力和瓦斯压力的前提下，并且工作面近场煤体的应力状态突然发生变化时，煤体释放的弹性潜能才可能诱发煤与瓦斯突出动力灾害事故。因此，工作面近场煤体的破坏是应力主导型的破坏，易于发生煤与瓦斯突出动力灾害，该区域是煤与瓦斯突出动力灾害的重点防控区域。

2.3瓦斯压力演化特征采动响应

图6为煤层开采前及开采稳定后瓦斯压力曲线，图7为煤层逐步开采过程中瓦斯压力变化曲线。

由图6～7可知，煤层开采前，瓦斯在煤层中处于一种动态平衡状态，瓦斯压力在煤层内呈现均匀性分布。

在煤层开采过程中，瓦斯在煤层中的平衡状态被打破，瓦斯发生非均衡性流动，在工作面前方煤体中产生瓦斯压力局部集中和降低，瓦斯压力集中程度随开采扰动强度的增大而逐渐增大，在工作面近场区域，尤其是靠近工作面范围内煤层的瓦斯压力迅速降低。在煤层的逐步开采过程中，工作面前方煤层内的瓦斯压力发生了由初始动态平衡状态到瓦斯压力逐渐升高再到瓦斯压力迅速降低的转变，大致可分为瓦斯压力初始动态平衡状态阶段、瓦斯压力升高阶段和瓦斯压力迅速降低阶段。工作面前方煤层内的瓦斯压力经历了先逐渐增大后迅速降低并随煤层的开采逐渐向前规律性移动的动态演化过程。

煤层停止开采后，随着时间的延长，瓦斯流动场的范围逐渐扩大并最终趋于稳定，瓦斯流动速度逐渐降低，瓦斯压力集中现象消失，瓦斯在煤层内的赋存达到了一种新的稳定的平衡状态。

3应力演化对瓦斯压力的影响作用分析

煤与瓦斯突出动力灾害的发生是一个能量释放的过程，受应力状态、瓦斯压力、煤体的物理力学性质、地质构造条件等主要因素的制约。为分析上述主要影响因素对动力灾害的贡献程度，构建动力灾害多因素耦合定性分析判据式中：a为应力状态，MPa；p为瓦斯压力，MPa；M为煤体的物理力学性质；G为地质构造条件。

煤与瓦斯突出动力灾害主要的制约因素可分为主观制约因素和客观制约因素，对于某一具体的煤层而言，煤体的物理力学性质和地质构造条件是客观存在的，属于客观制约因素，煤岩体所处的应力状态和瓦斯压力的变化是人为采掘扰动引起的，属于主观制约因素。

在煤与瓦斯突出动力灾害发生的过程中，应力和瓦斯压力是动力灾害发动、发展的动力。煤层的开采方式、开采速度、顶底板岩性等决定了开采的强度，不同的开采强度产生了不同的应力分布特征，如图8所示。

低应力集中程度条件下，煤岩体受到的采掘扰动强度小，应力变化缓慢，煤岩体受到破坏后释放弹性潜能的速度较小，诱发煤与瓦斯突出动力灾害的危险性较小。

高应力集中程度条件下，煤岩体受到的采掘扰动强度大，应力变化较快，煤岩体受到破坏后释放弹性潜能的速度较快，诱发煤与瓦斯突出动力灾害的危险性较大。在应力的演化过程中，煤岩体的结构经历了连续一似连续一非连续一散体的演化过程。

瓦斯压力的分布特征对煤与瓦斯突出动力灾害的发生有较大的影响，不同开采强度条件下瓦斯压力的分布规律如图9所示。

采掘空间形成后，随着煤壁暴露时间的延长，瓦斯流动场范围逐渐扩大，煤体内不容易形成较大的瓦斯压力梯度。在瓦斯压力均匀分布，无瓦斯富集的条件下，发生煤与瓦斯突出动力灾害的危险性小，当煤体瞬间暴露形成较大的瓦斯压力梯度时，容易发生煤与瓦斯突出动力灾害。

不同的开采强度引起了瓦斯压力分布和流动特征的不同。低应力集中程度条件下，瓦斯压力变化平缓，煤岩体内积聚的瓦斯内能也相对较小，诱发瓦斯动力灾害的危险性较小；高应力集中程度条件下，瓦斯压力变化明显，煤岩体内积聚的瓦斯内能较大，煤岩体破坏后释放的瓦斯内能较大，诱发瓦斯动力灾害的危险性较大。

根据上述分析，基于煤岩体所处的应力状态、瓦斯压力、煤体的物理力学性质、地质构造等主要影响因素，对煤与瓦斯突出动力灾害发生的危险性进行定性分析。

煤与瓦斯突出动力灾害的发生受多种因素的制约。对于地质构造简单、瓦斯压力和瓦斯含量小、煤体强度较大的煤层，在低应力集中程度条件下，煤岩体内积聚的弹性潜能和瓦斯内能较小，释放能量的时间较长，诱发瓦斯动力灾害的危险性小；对于地质构造复杂、瓦斯压力和瓦斯含量大、煤体强度较小的煤层，在高应力集中程度条件下，煤岩体内积聚的弹性潜能和瓦斯内能较大，若能量瞬间释放，则诱发瓦斯动力灾害的危险性大。

在高应力集中程度条件下，对于低瓦斯压力、低瓦斯含量的煤层，尤其是当采掘空间较大时，如回采工作面，主要是应力起主导作用，其它因素在一定程度上促进煤岩体发生剪切破坏，易诱发应力主导型的动力灾害；对于高瓦斯压力、高瓦斯含量的煤层，在高应力集中程度条件下，在动力灾害前期阶段，应力与瓦斯共同作用使煤体变形、屈服、破坏，并影响煤体内部裂隙系统的闭合与开放；在发展阶段，瓦斯与应力联合对煤体进行剥离、破碎；后期阶段完全由瓦斯作用来完成，应力基本不起作用，易于诱发应力一瓦斯共同作用主导型的动力灾害。

4小结

1）在煤层的逐步开采过程中，产生了应力集中区和降低区，工作面前方煤体内的应力经历了先增大后降低并以单驼峰状的应力峰值区域逐渐向前规律性移动的动态演化过程。

2）煤层开采后，在工作面前方煤体中出现了瓦斯压力局部集中和降低，瓦斯压力经历了先逐渐增大后迅速降低并随煤层的开采逐渐向前规律性移动的动态演化过程。

3）构建了动力灾害多因素耦合定性分析判据，根据各因素对动力灾害的贡献程度，可分为应力主导型的动力灾害和应力一瓦斯共同作用主导型的动力灾害。