近断层掘进的煤层瓦斯赋存及突出危险性

薛 斌

(陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

煤与瓦斯突出点为不均匀分布，一般较集中分布在某些地质构造区、断层带附近和应力集中带，呈区域性、带状分布，这些地质构造是影响瓦斯保存的重要条件之一[1-4]。它一方面能改变煤层的赋存形态以及煤层本身的煤体结构；另一方面可以使煤层围岩的透气性能变化。燕山运动早、中期太行山隆起活动产生的逆断层[5-7]，在燕山末期至喜山早期受挤压活动的影响被拉张活动所取代，因而向压性和压扭性正断层演化，就形成了现今看到的正断层[8-10]。由于构造挤压活动影响，使得煤层具有高吸附瓦斯以及封存瓦斯的能力；而受构造挤压剪切作用所形成的压性、压扭性构造以及形成过程中的运动使煤层发生了强烈韧塑性破坏和变形，由此就形成了发育的“构造煤”[11]。这些压性、压扭性构造活动正是造成断层之间的部位发生煤与瓦斯突出的根源[12]。文中从断层下方(上、下盘)和煤层同一水平(上、下盘)进行掘进的2种情况展开模拟实验，研究煤与瓦斯突出的过程。掘进过程可以分为应力集中阶段、应力诱发断层破裂阶段、瓦斯应力促使煤层破坏阶段和突出阶段4个阶段。

1 断层下部开挖的数值模拟

1.1 计算模型的建立

计算模型采用一个二维模型，将计算模型简化为水平方向和垂直方向，如图1所示。图中a为从下盘开挖，b为从上盘开挖，x方向为水平方向，y方向为垂直方向。

图1 计算模型Fig.1 Computational model

1.2 模型尺寸及单元划分

数值模型设计以类似大平煤矿模型的特点，建立落差为10 m的逆断层，断层上下盘煤厚4.8 m，断层面倾角为49°。先建立整个模型的底层，底层的力学性质为泥岩。然后建立好煤层和断层以后，在距离断层的下盘1.5 m的左侧开挖，掘进巷道高度2 m。有限元数值模型如图1所示，模型尺寸为30 m×30 m的几何边界，岩层和煤层均定义了不同的厚度和几何特征，其参数见表1。整个模型划分为300×300共90 000个计算单元。

表1 岩层体物理力学参数取值Table 1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

模型的加载方式都是通过载荷加载的，水平压力为4 MPa，保持不变。垂直压力为12 MPa，也保持不变。顶底板封闭，只在煤层中加载瓦斯压力，煤层两端边界处瓦斯压力恒定不变。

1.3 突出过程破坏瓦斯流场分析

巷道开挖初始阶段，断层和煤层受应力较小而未破坏，断层的封闭性较好封闭了煤层中的瓦斯，瓦斯没有发生解析，较好地赋存在煤层中。随着巷道的开挖，煤层受到应力扰动，但是扰动不足以使煤层中瓦斯发生大量运移，只有部分瓦斯开始解析，并使煤层发生较小破坏产生微小裂隙。伴随着巷道开挖而应力不断增加，煤层受到的扰动增大使瓦斯运移增多，煤层在瓦斯压力作用下产生更多裂隙，并且瓦斯大量解析，瓦斯压力不断增大，并形成一定的瓦斯压力梯度。由于掘进巷道距离煤层有足够的安全距离，瓦斯压力不足以破坏岩体而发生突出。随着巷道向前开挖，断层受到应力增大而透气性增大，煤层中瓦斯大量解析，在瓦斯压力作用下，大量微裂纹连接贯通，煤层中形成有规律的裂隙通道，瓦斯压力充满整个裂纹空间。由于破裂面处的压力为零，当煤体中瓦斯压力足够大，就将煤体压入掘进巷道而发生突出。沿断层上盘掘进时，瓦斯压力梯度大，煤层破坏大，更容易发生突出；而沿断层下盘掘进的时候，瓦斯压力梯度小，破坏也较少，如图2、3所示。

图2 沿断层上盘掘进过程中瓦斯流动渗流Fig.2 Gas flow and seepage during tunneling along the hanging wall of fault

图3 沿断层下盘掘进过程中瓦斯流动渗流Fig.3 Gas flow and seepage during tunneling along the footwall of fault

巷道开挖初期，断层下部在应力作用下产生破坏，透气性较好。随着开挖的进行，断层上部透气性也在增强。由图4的断层流量变化图，沿断层上盘掘进过程中，断层下部产生破坏，瓦斯流量主要来自下盘煤层；随着应力增加，上盘煤层产生破坏以后，断层上部的瓦斯主要来自上盘煤层，流量增大。断层下部瓦斯流量比上部大。

图4 沿断层上盘掘进过程中断层流量变化Fig.4 Variation of fault flow during tunneling along the fault hanging wall

随着开挖的进行，煤层在应力作用下产生破坏，煤层的透气性增加，随着煤层破坏的增多，煤层破坏区域透气性增加。由于煤层破坏作用，煤层中瓦斯解析，破坏区域的瓦斯流量变大；随着煤层破坏加重使瓦斯流量进一步增大。

巷道开挖初期，断层下部在应力作用下产生破坏，透气性较好。随着开挖进行，断层上部未产生破坏，上部透气性差。沿断层下盘掘进过程中，断层下部产生破坏，瓦斯流量主要来自下盘煤层；随着应力增加，断层破坏增大，断层下部瓦斯流量不断增大。

随着巷道的开挖，煤层的透气性增加，靠近断层的煤层透气性大，并且其他部分煤层的透气性也在逐渐增加。沿断层下盘掘进过程中，上盘煤层中瓦斯在煤层破坏区域流动，煤层未破坏区域瓦斯流量少，随着破坏区域增加，煤层破坏区域瓦斯大量解析，瓦斯流量增大。

2 煤层同水平开挖的数值模拟

2.1 计算模型的建立

计算模型同图1，数值模型设计以类似大平煤矿模型的特点，建立落差为10 m的逆断层，断层上下盘煤厚为4.8 m，断层面倾角为49°。先建立整个模型的底层，底层的力学性质为泥岩。然后建立好煤层和断层，在煤层同一水平开挖，沿平巷向前掘进，掘进巷道高度2 m。模型的加载方式均为载荷加载，水平压力为5 MPa，保持不变；垂直压力为12 MPa，也保持不变。顶底板封闭，只在煤层中加载瓦斯压力，煤层两端边界处瓦斯压力恒定不变。

2.2 突出过程破坏损伤分析

在巷道刚开挖时，断层受力较小，附近没有明显的破坏与损伤。沿着断层上盘掘进过程中，断层附近的应力不断增加，主要产生压破坏。随着巷道向前掘进，断层产生更多的压剪破裂，这时煤层受到应力影响，主要表现为拉破坏，造成瓦斯运移，使煤层主要受到压应力作用产生压剪破裂，同时拉应力继续对煤层作用产生拉伸破裂，随着压应力增大，拉应力减小，煤层产生更多压破坏。过断层后，断层上部煤层受到拉破坏作用。随着应力增大，拉伸破坏更加严重，有可能引发断层上盘发生突出，如图5所示。而沿着断层下盘掘进时，断层和煤层主要受到压应力作用而产生压破坏。随着应力的增加，煤层受到拉应力作用而产生拉破坏，如图6所示。

图5 沿上盘掘进过程中的破坏与损伤Fig.5 Destruction and damage in the process of tunneling along the upper wall

图6 沿下盘掘进过程中的破坏与损伤Fig.6 Destruction and damage in the process of tunneling along the footwall

从图7可以看出，沿断层上盘掘进，竖直方向位移增大，主要是压破坏作用，而随着开挖的进行，断层逐渐受到拉破坏作用。随着继续开挖的进行，断层两盘的位移都比较大。

图7 沿断层上盘掘进过程中的位移Fig.7 Displacement during tunneling along the fault hanging wall

2.3 突出过程破坏瓦斯流场分析

巷道开挖初始阶段，断层未受到破坏，较好地封闭了煤层中的瓦斯，煤层中瓦斯没有发生解析，较好地赋存在煤层中。随着巷道的开挖，煤层受到应力扰动，只有部分瓦斯开始解析，并使煤层发生较小破坏而产生微小裂隙。沿断层下盘掘进时，伴随着巷道开挖而应力不断增加，煤层受到的扰动增大使瓦斯运移增多，煤层在瓦斯压力作用下产生更多裂隙，并且瓦斯大量解析，瓦斯压力不断增大，并形成一定的瓦斯压力梯度，由于掘进巷道距离煤层有足够的安全距离，瓦斯压力不足以破坏岩体而发生突出。随着巷道向前开挖，断层受到应力增大而透气性增大，煤层中瓦斯大量解析，在瓦斯压力作用下，大量微裂纹连接贯通，煤层中形成有规律的裂隙通道，瓦斯压力充满整个裂纹空间。由于破裂面处的压力为零，当煤体中瓦斯压力足够大，就将煤体压入掘进巷道而发生突出，如图8所示。

图8 沿断层下盘过程中瓦斯流动渗流Fig.8 Gas flow and seepage along the fault footwall

而沿上盘掘进时，开挖至断层附近，断层产生的破坏少，煤层并未发生突出，当巷道开挖过断层以后，巷道上部煤层瓦斯大量解析，上盘煤层容易发生倾出；瓦斯压力梯度大，并引起断层上盘煤层的破坏，容易引起上盘煤层发生突出，如图9所示。

图9 沿断层上盘过程中瓦斯流动渗流Fig.9 Gas flow and seepage during tunneling along the fault footwall

巷道开挖初期，受开挖影响，断层下部的透气性好，随着开挖的进行，下部透气性增强。初期断层流量没有变化，随着开挖的进行，断层的瓦斯主要来自下盘煤层，断层下端瓦斯流量变大，如图10所示。

图10 沿断层上盘掘进过程中断层流量变化Fig.10 Variation of fault flow during tunneling along the fault hanging wall

通过断层上盘掘进过程中煤层流量变化(图11)可以看出，随着开挖的进行，靠近断层的煤层的透气性增加。煤层瓦斯初期流动较小，随着巷道向前掘进，煤层破坏区域瓦斯流动增大。

图11 沿断层上盘掘进过程中煤层流量变化Fig.11 Variation of coal seam flow during tunneling along the fault hanging wall

沿断层下盘掘进过程中，断层的透气性也是下端部向上逐渐增强。断层流量初期主要在竖直方向，后期水平方向流量大，断层瓦斯主要来自上盘煤层。随着巷道的开挖，靠近断层的煤层透气性大，并且其他部分煤层的透气性也在逐渐增加。初期瓦斯主要在水平方向流动，随着开挖的进行，瓦斯由水平方向运移变成主要在竖直方向流动，煤层破坏区域瓦斯流动加大。

3 结论

(1)从断层下方(上、下盘)和煤层同一水平(上、下盘)掘进过程可以分为应力集中阶段、应力诱发断层破裂阶段、瓦斯应力促使煤层破坏阶段和突出阶段4个阶段。

(2)从断层下方(上、下盘)掘进数值模拟表明：沿断层上盘掘进，煤体发生的破坏更严重，并且会引起断层上盘的破坏，进而发生更加严重的突出。沿断层下盘掘进，煤体的破坏较少，有可能发生煤与瓦斯突出。

(3)煤层同一水平(上、下盘)掘进数值模拟表明：沿上盘掘进，过断层后，巷道上方煤层发生破坏，断层主要受到瓦斯压力作用，靠近上盘煤层的断层发生较大破坏，从而引起上盘煤层受到应力的影响而产生破坏，随着巷道在煤层的掘进，上部煤层受力增大，可能发生更大的突出危险；沿下盘掘进，当巷道掘进至断层附近时，瓦斯压力使破碎煤块沿着断层破裂面压入掘进巷道进而发生煤与瓦斯突出。

(4)文中仅对断层上、下盘进行模拟，未对断层的断距、倾角、煤层强度对突出的影响进行分析；由于文中采用的是二维模拟，模拟结果与实际情况有一定的偏差，今后可采用RFPA3D数值软件对模型进一步改进和研究。