断层构造区应力对煤与瓦斯突出的影响

焦建康，冯友良，王志鹏

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013;3.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京100083;4.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013)

煤与瓦斯突出是煤矿常见地质灾害之一。在所有影响煤与瓦斯突出的因素中，被普遍认可的结论是:煤与瓦斯突出是地应力特别是构造应力、煤岩体物理力学特征和瓦斯压力共同作用的结果［1－4］。在以上影响因素中，构造应力在煤与瓦斯突出中起到重要作用，主要表现在以下几个方面［5］:一是高的构造应力决定高的瓦斯应力，决定了瓦斯在突出中的作用;二是较高的、不均匀的构造应力会造成煤岩体结构破坏，降低煤岩体的强度，加大了发生煤与瓦斯突出的可能性，控制着煤与瓦斯点的区域性分布特征;三是在形成构造应力场的过程中，构造运动不仅促进构造煤的产生，也增加了瓦斯的生成量。综上分析，构造形成的高的应力集中及应力梯度变化对煤与瓦斯突出起主要作用。

河南能源化工集团焦煤公司九里山井田为煤与瓦斯突出矿井，且多数发生在断层构造带附近。该矿井田范围内以断层构造为主，褶曲不发育，各断层间相互交叉组合，形成了复杂的构造应力场，给煤与瓦斯等矿井灾害的发生提供了力源条件。采用空心包体应力计对该矿进行现场地应力测量，找出该矿不同埋深地应力量值和方向。在此基础上，结合井田地质条件，以井田内大中断层为骨架建立三维地质模型，进行三维数值模拟，分析井田区域特别是断层构造区应力分布特征，研究构造应力对该矿煤与瓦斯突出的控制作用，为该矿煤与瓦斯的突出防治与解危提供参考依据。

1 已采区煤与瓦斯突出区域性分布与井田断层构造关系分析

九里山井田整体上为一走向NE－NNE，倾向SE单斜构造，区域构造以断层为主，褶曲不甚发育。井田内发育EW，NE，NW向3组断层，且全为正断层，NE向断层最发育，破坏了井田的连续性，其中F1断层及其支断层将井田分为两部分，NW向断层不发育，常以中小断层出现 (如图1所示)。

图1 井田断层分布与煤与瓦斯突出点关系

1980年9月，该矿在12031配风巷 (标高－74m)发生第1次煤与瓦斯突出。随着开采深度和瓦斯压力的不断加大，突出发生的次数增加，强度也增大，先后共发生65次煤与瓦斯突出。在这65次煤与瓦斯突出中，在断层构造带附近300m范围内发生的次数就有38次 (图1)，占总突出次数的58.5%，并且在这些断层构造带附近发生的突出最显著的特征就是强度大，其中就有10次100t以上的突出，占次大型突出的47.4%。2011年10月27日该矿16采区16031上风道掘进工作面发生一起煤与瓦斯突出事故，喷出煤岩量3246t，此次事故点距马坊泉断层不到100m。断层构造带往往是突出的多发区，断层构造引起的构造应力在煤岩体的集中及较高的应力梯度变化，是该矿煤与瓦斯突出严重的一个重要因素。

2 九里山断层构造区地应力场特征分析

2.1 地应力现场实测

本次测试采用空心包体应力解除法。考虑到地应力测量测点选择原则，结合矿井生产及地质条件，共布置5个测点，在其中3个测点 (图1)取得完整岩芯并采集到应变数据。将采集到的岩芯在弹性模量围压率定机中测得各岩芯的弹性模量和泊松比。最后，把最终应变数据和弹性模量、泊松比等数据输入到应力解算软件中，得到各测点主应力结果如表1所示。

表1 各点测得主应力结果

对以上各主应力解算结果分析可以看出，九里山井田实测3个测点最大主应力方位在195～227°之间，最大主应力优势方向为NNE－WSS向，最大主应力与水平面的夹角在－6.6～2.6°之间，近似水平。说明该矿区的应力场为构造应力场类型，且最大主应力量值为最小主应力的1.98～2.76倍，两者差值较大，主应力具有明显的方向性。这表明，在地表浅部的断层破坏带附近围岩可能存在较高的构造应力，可以给煤与瓦斯突出的发生提供有利的发动力条件。这也解释了该矿矿井开拓初期，浅部煤层煤与瓦斯突出多发的原因。

2.2 断层构造区应力特征三维数值分析

2.2.1 三维地质模型建立

本次模拟选用有限差分软件FLAC3D。如图2所示，地质模型考虑了对井田应力状态影响较大的大中型断层 (为便于后面分析，对其分别进行标号)，X轴方向平行于最小主应力方向 (N42°E)，Y轴方向平行于最大主应力方向 (N48°W)，垂直方向为Z轴方向，最终模型的尺寸为6500m×5000m×800m。模型从上到下各层位岩性如图2所示，其中把断层带处理成强度较低，可塑性较强的岩石［7］。

2.2.2 模型边界条件

图2 三维地质模型及岩性分布

模型的边界定义为:底边垂直位移约束，西南和东南边界水平位移约束，上边界和内部节点无约束，其余两个侧面设为应力边界。模拟过程分为2个阶段［8－9］:第1个阶段模拟自重应力场，在此过程中，底边垂直位移约束，4个侧面水平位移约束，模型在自重应力下达到平衡，得出自重应力产生的应力分量;第2阶段模拟构造应力场，在这个阶段中，西北和东北边界法向水平位移固定边界条件，施加应力边界，应力边界值由实测值最大、最小水平应力值减去第1阶段中的自重应力分量求得。

2.2.3 模拟结果分析

对模拟结果在－400m埋深处进行水平剖面分析，根据最大、最小主应力云图 (图3、图4)所代表的应力值，远离断层影响区域最大主应力量值为14MPa左右，最小主应力为8MPa左右，与前面地应力测量在这个埋深的实测结果较为吻合。

图3 Z=－400m处水平剖面最大主应力云图 (Pa)

图4 Z=－400m处水平剖面最小主应力云图 (Pa)

由于断层的影响，原岩应力受到不同程度扰动，最大主应力 2～22MPa，最小主应力 3～8.5MPa。断层构造区出现了较多的应力状态，既有应力降低地段，也有增大的地段。对于单一断层(F2)来说，断层带附近一定范围内应力值较低，随着远离断层，应力值逐渐增加，最终趋于稳定，在断层端部出现较大的应力集中，最大主应力应力集中系数 (与同水平远离断层最大主应力的比值)达到1.57。此外，从图中可以看出，断层附近主应力分布还受到附近断层的影响。例如，交叉断层(F1与F4)附近最大主应力值相对单一断层更低，地堑构造区域 (F3与F4)最大主应力值有较明显的应力升高;断层越发育的区域，应力变化越复杂，如F1，F1－2，F1－3组成的断层群附近，各断层间断层交错，而且断层端点众多，应力分布状态极其复杂。

3 断层构造区应力分布对煤与瓦斯突出控制分析

3.1 构造应力状态区域划分

参考应力集中系数法［5］(式1)，将九里山井田断层构造区最大应力进行区域划分，最终得到高应力区、低应力区及应力梯度区 (图5)。

式中，K为应力集中系数;σ1为区域最大主应力值，MPa;γH为垂直应力，MPa。

在式 (1)中，当K值大于1.2时，图3中最大主应力等值线所划定的范围成为高应力区;当K值小于0.8时，图3中最大主应力等值线划定的区域成为应力降低区;趋于两者之间单位主应力变化较大的范围即为应力梯度区。断层构造区应力区域分布如图5所示。

图5 断层构造区应力区域分布与瓦斯突出的关系

3.2 已采区大、中断层构造区应力区域分布与瓦斯突出区域分布对比分析

(1)在图5所示的区域1中，共发生大小瓦斯突出6次，其中最近也是最大的一次煤与瓦斯突出事故发生。2011年10月27日0时36分九里山矿16采区16031上风道掘进工作面，突出煤岩量3246t。

原因分析:从图5可以看到，16采区16031上风道煤与瓦斯突出点位于高应力梯度区内，水平最大主应力变化幅度较大，当构造应力集中，煤岩体受到扰动，应力超过煤体的极限应力状态时煤体失稳，导致煤与瓦斯突出的发生。

(2)在图5所示的区域2中煤与瓦斯发生点更为密集，强度大于1000t/次的特大型突出点1个，煤与瓦斯突出强度500～999t/次的大型突出点1个，煤与瓦斯突出强度100～499t/次的中型突出点7个，煤与瓦斯突出强度小于100t/次的小型突出点多个。

原因分析:从图5可以看到，此区域突出点大部分位于高应力区内，由于断层构造的影响，高应力区内的煤岩体受高应力作用，聚集了大量弹性能，有的接近极限平衡状态，当应力平衡遭到外力扰动时，其内部的能量释放出来，导致煤与瓦斯突出的发生。

(3)在图5所示的区域3中，突出点较为集中，但这些突出点大都不在图中构造应力区内。分析其原因，是由于技术条件所限，本次模拟只能建立在井田范围内展布范围较大的断层模型，对于小断层无法建立。而此区域内小断层密布 (图1)，对岩体应力状态也会产生较大的影响。这也从另一方面说明了，在煤矿生产过程中，加强对井田范围内小断层的勘察，完善地质资料，对保证煤矿安全生产非常重要。

3.3 构造应力状态区域划分对煤与瓦斯突出区域预测的作用

煤与瓦斯突出综合起来有两方面因素，即自然因素和技术因素。技术因素又可分为生产因素和管理因素。自然因素是煤与瓦斯突出的最重要因素。断层构造附近构造应力的集中属于自然因素，煤与瓦斯突出大都发生在此区域。技术因素包括井下采掘形成的支撑压力的升高和开采时形成的外力，如放炮、回柱放顶等。自然因素是人力无法改变的天然因素。划分应力状态区域的目的是研究构造应力(自然因素)对煤与瓦斯突出的影响，其主要研究内容是根据矿区构造背景，对地质构造附近应力状态进行分析，预测采掘活动可能带来的地质灾害。为矿井开拓设计、巷道支护和矿井动力灾害的预防提供依据，实现采矿活动的科学设计和决策。

从前述分析可以看出，九里山矿煤与瓦斯突出呈区域性分布，主要分布在应力区域划分图中的高应力区和应力梯度区范围内。这是因为高应力区内的煤岩体受高应力作用，聚集了大量弹性能，有的接近极限平衡状态，当应力平衡遭到外力扰动时，其内部的能量释放出来，导致煤与瓦斯突出的发生。在应力梯度区，煤岩体所受应力条件变化较大，其力学性质变化较大，脆性大，强度低，煤与瓦斯突出危险程度增加。

通过以上理论分析并结合九里山矿构造应力区域划分结果，在图5中所划分的高应力和应力梯度区的范围内都是煤与瓦斯突出多发区，建议在这些区域进行矿井生产活动时，加强防控措施和生产组织管理。

4 结论

(1)在区域和井田断层构造的影响下，九里山矿最大主应力量值具有明显的主导性，在地表浅部的断层破坏带附近的围岩可能存在较高的构造应力，为煤与瓦斯突出的发生提供有利的发动力条件。

(2)断层构造带是九里山矿煤与瓦斯突出的多发区，构造应力在断层构造带附近的应力集中和变化，是引起该矿煤与瓦斯突出发生的一个重要因素，构造应力的区域划分可以为煤与瓦斯突出的预测与解危提供依据。

(3)通过对比九里山区域应力状态划分结果和煤与瓦斯突出点区域性分布可知，高应力和应力梯度区的范围内都是煤与瓦斯突出多发区，建议在这些区域进行矿井生产活动时，加强防控措施和生产组织管理。

(4)断层分布对岩体应力状态分布和煤与瓦斯突出的发生也会产生较大的影响，在煤矿生产过程中，加强对井田范围内小断层的勘察，完善地质资料，对保证煤矿安全生产非常重要。

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