褶曲构造应力场对煤与瓦斯突出控制因素研究

王海东,甄康哲,徐阿猛,李军艺,姜 琦

(1.华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201; 2.山西平舒煤业有限公司 防突部,山西 晋中 030600)

0 引言

瓦斯是地质作用的产物,瓦斯的生成,运移,存储受到地质演化发育,构造种类分级的影响。褶曲是地质构造的一种,是地壳中的岩石层弯曲或折叠的结果,褶曲可能会导致煤层的压力变化,有助于瓦斯的产生[1-6]。此外,褶曲会改变煤体的渗透性,影响瓦斯的运移和储存。邵强[7]通过分析矿井内构造应力对煤体变质程度与瓦斯突出大小的控制作用,寻找易于瓦斯存储的瓦斯富集区,形成井田内的瓦斯突出条带分布特征。韩军[8]通过分析瓦斯含量与瓦斯压力的分布规律,结合地下水对瓦斯赋存的影响,分析构造应力对瓦斯运移的控制作用。张子敏[9]在研究矿区褶曲的基础上,通过化学方法提取煤低分子化合物,对比分析构造煤的氯仿萃取率明显高于原生结构煤。张玉贵[10]对断褶带构造背景及其演化特征解剖分析提出地质构造对煤体瓦斯赋存的分级控制作用,引入力学化学理论研究构造煤与瓦斯突出的关联性。琚宜文[11]分析了不同性质构造及其组合、应力—应变环境对煤储层的改造作用, 探讨了不同变形机制和不同结构构造煤在不同构造应力场中的发育及展布规律。张学博[12]运用数值模拟构建小断层影响下采空区岩层的位移规律,模拟裂隙带的发育规律,提出开采过程中瓦斯抽采的优化建议。侯泉林[13]通过对矿区应力,瓦斯含量与煤层的物理学性质分析,提出了适用于煤层瓦斯气体开发与瓦斯防治的成因分类方案,并将煤的变质机制类型由脆性至韧性进行区分。因此,深入分析煤层地质构造对瓦斯赋存的影响与控制作用,对矿井预测复杂地质条件下的瓦斯分布规律,精准防治瓦斯突出与灾害防治有着重要意义。

1 矿井地质构造控制特征

1.1 矿井地质构造分布

为深入研究褶曲构造对瓦斯分布规律的影响,以平舒矿为例进行探究,矿区位于陕西—山西盆地的东缘,是一个典型的前陆盆地,盆地结构复杂,主要受地壳运动和构造活动的影响,形成了多个煤矿盆地和隆起带。矿区地层主要分布在石炭纪至侏罗纪,包括了石炭系、二叠系、三叠系和侏罗系等地层。在矿区内,石炭系煤层是最重要的地层,煤炭资源丰富。阳泉矿区地质构造主要受华北地台西缘断裂带的影响。在矿区内,有一些重要的断裂带,如阳泉断裂带、王家庄断裂带等,这些断裂带在地质历史中起到了重要的构造控制作用,对煤矿的形成和分布产生了重要影响。

矿井地层总体呈一走向NEE、倾向SE的单斜构造,褶曲轴多呈NNW向,其中发育较为明显的褶曲为盘湾底向斜与杨林头西背斜,褶曲延伸长度可达3000m,轴向中NEE和 NNW方向的褶皱最为发育,轴向为NEE和近SN向的褶皱构造发育程度次之,个别褶曲走向为NW向,对井田内煤层有较大控制作用的断层为逆F60断层,断层落差达到12m,倾角为30°,长度达800m,对井下采掘作业有较大影响。

1.2 褶曲的地质结构

褶曲的地质成因取决于地层的滑移,而褶曲的大小则取决于板块运动区域的尺度,对于较大的区域,褶曲可能贯穿整个井田范围,影响矿井采区的走向,较小的褶曲构造,可能仅对工作面的开采产生影响。

图1 褶曲形成过程

岩层与煤层之间由于岩性的差异导致地层间滑动的距离不同,这种相对滑移使得岩层与煤层之间产生挤压、剪切作用,造成煤体结构被破坏,形成构造煤。由于褶曲构造大小不同,构造区内构造煤的分布也具有随机性。当板块运动范围较大时,造成的煤层滑移距离较大,形成的褶曲范围较大,煤层的折叠区间分布着构造煤与原生煤,形成煤层倾角的区域,由于受到地质活动的影响较大,受到外力作用明显,区域内煤体受剪切作用演变为构造煤。而随着褶曲的坡度变化趋于平缓,区域内的煤层受到地质活动的影响变小,煤体受剪切力影响较小,原生煤、构造煤随机分布在区域内。

2 褶曲对构造煤控制作用

2.1 褶曲构造应力对瓦斯突出影响

构造区是易于发生瓦斯突出事故的区域,“能量”假说认为瓦斯突出是煤体弹性能与瓦斯内能瞬间释放的结果,瓦斯突出的能量表达式可由

W1+W2+W3+W4>Ef+Ep+Eq

(1)

W1为岩体弹性能,J,W2为煤体弹性能,J,W3为煤骨架弹性能,J,W4为瓦斯内能,J。Ep为煤体抛出做功,J,Eq为发热做功,J,Ef为煤体破碎做功。E为煤的弹性模量,煤岩体的弹性能可表示为:

(2)

式中Vf为突出时瓦斯含量,m3/t,Vg为煤层游离的瓦斯含量,m3/t,Pa为突出时大气压强,MPa,n为过程指数。

由式(1),(2)可以看出,影响突出的因素包括主应力大小,瓦斯含量,瓦斯压力,煤的物理学性质,当煤层开采进入褶曲构造区时,采动影响使得构造区内应力重新分布,采动区与坡度变化区域出现应力集中,应力的变化导致煤体的瓦斯压力出现集中,使得区域内的应力峰值明显提高,煤体的渗透率进一步降低。煤体内的瓦斯无法有效的向巷道外扩散,煤体被进一步压实,在同一矿区煤种条件下,相比于非构造区具有更大的突出危险性。

2.2 褶曲构造区应力场分布

地应力,构造煤,瓦斯是影响瓦斯突出的重要因素,而构造应力场是将这三要素联系起的重要纽带。因此探究构造区煤体应力场的分布规律是研究瓦斯赋存情况的先决条件。根据平舒矿地质分布条件,以平舒矿15208回风巷褶曲构造区为例进行Comsol数值模拟,该巷道设计长1565 m,在590～680 m段煤层倾角变化较大,平均倾角为16°,最大倾角达到20°,680～715 m段煤层倾角变缓,坡度为8°左右,现场观察掘进煤头煤层变软,顶板下方存在10～20 cm的透镜状煤体,呈现明显的构造煤特征。左帮煤层+10°,右帮煤层+5°。工作面煤头左侧存在0.3 m的隆起。巷道沿煤层倾角向上掘进,模拟构造区内的构造应力分布。

图2 煤层几何边界条件

根据巷道布置情况建立固体模型进行研究,模型尺寸20000mm×6000mm,采用三角划分将模型划分为5963个网格,模型两侧为理想状态下滚轴的不导热边界,底部为固定约束边界,对模型上方及两侧施加地应力、体荷载及重力,巷道沿煤层方向向上掘进,前进方向分别设置煤层倾角20°与35°模拟褶曲坡度变化,煤层初始位移为0。为了与非构造区巷道应力情况进行对比,根据模型参数建立平巷掘进的应力分布模型进行对比分析。

表1 构建模型参数

为了分析应力变化规律,选取煤层巷道中心线为应力观测曲线进行分析,从整体模拟结果看,褶曲构造区煤层应力呈现明显的水平梯度,随埋深的增大,应力逐渐增大,应力大小主要取决于自身重力与上覆岩层的压力,这种应力梯度分布并不均匀,这是因为随着采动影响,掘进面迎头处由于存在卸压带,应力较小,随着与迎头的距离变化,应力出现集中,随后度过应力集中区域且埋深变小体荷载与重力影响变小,应力出现减小,当煤层经过褶曲处,应力重新出现集中,度过褶曲构造区后应力逐渐变小。

图4为巷道迎头向煤体深部前进方向煤体的应力变化,在掘进面迎头处,煤体呈现应力集中状态,最高达到5MPa,随着距离迎头越远,煤层的埋深越浅,主应力逐渐降低,随煤层前进方向褶曲坡度增大,应力出现集中,煤层应力增大,应力最大值约为相同埋深处应力的1.6倍,随着坡度趋于平缓与埋深的降低,最大主应力逐渐降低,当坡度发生改变时,最大主应力呈现“小-大-小”的分布规律,应力增大区域主要集中在坡度发生变化区域,其影响范围约为10 m。对比平巷掘进应力变化来看,由于掘进迎头存在卸压区,主应力较小,距迎头5 m处应力达到峰值,约为迎头处应力的2倍,随后应力逐渐减小趋于稳定,对比褶曲构造应力分布,平巷掘进当埋深不变时,应力大小基本保持不变。根据模拟结果分析,除采动应力影响外,褶曲坡度的变化是褶曲构造应力场的重要控制因素。

图3 初始状态应力分布

图4 煤体顶板距迎头应力变化规律

图5 煤体坚固性与放散性

图6 煤体坚固性与孔隙率

图7 煤体随压力变化吸附特性

2.3 褶曲构造力对煤体强度的控制作用

煤层内部通常存在孔隙、裂缝和断层等通道,使瓦斯能够运移。这些通道可以形成瓦斯的运移路径。褶曲构造力会导致地层的折叠和变形,从而改变煤层内孔隙、裂缝和断层的分布与大小。

煤的坚固性系数是表明煤体抵御外部应力变化的一种指标,有研究表明,同一地质条件下,原生煤的坚固性往往大于变质煤的坚固性,而瓦斯放散初速度又受到煤体孔隙率,孔隙结构发育程度的控制。实验分析了17组煤样,煤样随15208巷道褶曲构造区向上发育方向选取,测得煤样的坚固性系数在0.36～0.73之间,瓦斯放散初速度在900～1700 Pa之间,通过数据拟合结果得到瓦斯放散初速度ΔP与煤体的坚固性系数f呈线性关系:

ΔP=-1582+2083 (R2=0.73)

(3)

根据式(3)发现煤样的瓦斯放散初速度随坚固性系数的增大着呈现减小的趋势,其中,当煤体的坚固性为0.36时,瓦斯放散初速度达到1683 Pa,而当煤体的坚固性为0.73时,瓦斯放散初速度仅为923 Pa,结合褶曲的发育程度分析,褶曲倾角发育较大区域,煤体的坚固性系数相对较小,煤体的变质程度较大,这也导致煤体的瓦斯放散初速度相对较大,而实验中存在与线性拟合关系相差较大的测点,这说明褶曲对煤体的挤压变形虽具有促进作用,但这种挤压作用并不是均匀分布的,这也导致煤体的变质程度呈现非线性变化。

根据煤的坚固性与煤的孔隙结构的关系发现煤的坚固性与孔隙率呈现以线性关系为主,局部放散的关系结构。随巷道底部沿褶曲向上前进,煤体的坚固性呈现减小的趋势,在倾角达到20°时,煤的坚固性系数达到最小值,此时煤体的孔隙率大部分在10%浮动,这说明高变质程度的煤体增大了孔隙结构,形成了良好的瓦斯运移通道,观察到个别测点随坚固性系数的减小孔隙率未呈现增大的趋势,这是因为褶曲对煤体的控制既可以形成较大的裂隙存储瓦斯,又可以通过挤压作用改变煤体的孔隙结构,使煤体内部形成较为封闭的空间,不利于瓦斯的流动。那么这些地区可能会聚集更多的瓦斯,形成瓦斯赋存区。

2.4 褶曲对煤体吸附性的控制作用

煤层内部通常存在孔隙、裂缝和断层等通道,使瓦斯能够运移。这些通道可以形成瓦斯的运移路径。褶曲对地层的剪切力改变煤层内孔隙,裂缝和断层的分布与大小。为探究褶曲构造区内煤体变质程度与孔隙分布规律,进行瓦斯吸附实验。实验选取了15208掘进巷道褶曲构造区煤样进行实验分析。

从图中可以看出,煤的吸附性随压力增大而增大,当压力一定时,短时间内吸附量急剧增大,达到一定时间时,吸附量达到饱和点,吸附量不再发生较大变化,且吸附几乎可以看做短时间内完成,将五种煤样进行对比实验,发现随着煤体过巷道底部向褶曲前进,煤体的吸附饱和点有增大趋势,褶曲20 m、60 m、80 m处对比巷道底部的吸附性均有小幅增大,这是由于15208巷道褶曲区域内20～80 m处煤层坡度呈现增大趋势,由8°逐渐增大至20°,受到褶曲构造应力的作用明显,而褶曲40 m处的煤样吸附性却小于巷道底部非构造区的煤样。由此可见,褶曲对煤体的挤压作用对煤体的运移效果产生了不同的效果,一方面挤压作用导致煤体的裂隙增大,可存储的瓦斯含量增大,当压力变化时,瓦斯以较快速度进行散逸,另一方面挤压作用可能导致原生煤体内部可存储游离瓦斯的区域减小,使得发生地质运动时,瓦斯经挤压作用向裂隙较大空间移动,使得裂隙较大的区域内存储着大量瓦斯,直至达到动态平衡,形成瓦斯富集区。

3 结论

(1) 褶曲地质构造伴随着地层的折叠和变形,应力分布不均。通过对平舒15208回风巷褶曲地质构造的研究表明煤层经过褶曲构造时易于形成应力集中区,显著体现在走向倾角发生变化区域,其最大主应力值约为非构造区的1.6倍。

(2) 褶曲构造应力对煤体的揉搓、挤压作用使得煤体的变质程度变大,构造区内煤体的坚固性系数较低,瓦斯放散性与煤的孔隙发育程度较大。整体观察褶曲角度变化区域煤的变质程度大于非角度变化区煤的变质程度。

(3) 褶曲区内煤体瓦斯吸附性整体大于非构造区煤体,且当褶曲角度较大时,这种对比更为明显,褶曲构造应力控制着煤体的吸附性与孔隙结构,为瓦斯在煤体内运移形成良好的通道,为瓦斯存储提供了空间。