复合构造带煤与瓦斯突出发生的数值模拟及案例分析

高 魁，刘泽功，刘 健

(1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001)



复合构造带煤与瓦斯突出发生的数值模拟及案例分析

高 魁1,2，刘泽功1,2，刘 健1,2

(1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001)

为深入研究地质构造区域煤与瓦斯突出的发生机理,通过数值模拟分析发现复合构造带逆断层的转折部位是其附近空间应力分布最为集中的部位，使得煤层作为相对软弱面发生大范围的破坏，构造煤发育；该区域煤体微裂隙发育，煤层存在孔隙和裂隙两种瓦斯渗透扩散空间，有利于瓦斯的运移和聚集，为瓦斯的富集区，进而影响煤与瓦斯突出的发生。以郑煤集团大平煤矿“10·20”特大型煤与瓦斯突出事故为案例，分析了大平煤矿“10·20”煤与瓦斯突出的孕育和发生过程，受采掘作业方式的影响，复合构造带高压瓦斯和构造带粉煤颗粒的混合物被快速抛出，从而形成煤与瓦斯突出，认为构造应力集中和采掘扰动瓦斯富集区是诱导突出的主要原因。

复合构造带；煤与瓦斯突出；地质控制；能量耦合

煤与瓦斯突出是煤矿井下发生的一种复杂的动力灾害，能在极短的时间内从煤岩层内向采掘空间以极快的速度喷出大量的瓦斯和粉煤混合物，摧毁巷道设施，破坏通风系统，使人员窒息，甚至诱发瓦斯爆炸等次生灾害。我国煤矿深受其害，人员伤亡和财产损失惨重[1]。

大量突出地点的统计资料表明，煤层所处的地质构造破坏程度和煤与瓦斯突出之间有着复杂和密切的联系[2-4]，例如潘一矿C13-1煤层1361(3)工作面下顺槽在距一落差为1.5m的逆断层上盘3m远的地方发生突出， 突出煤量为18t， 瓦斯量为2 335m3。 潘三矿C13-1煤层1731(3)工作面进风巷在靠近F5断层的上盘位置中发育有褶曲，煤层变厚，倾角增大一倍， 掘进诱发突出， 突出煤量70t，瓦斯22 366m3[5]。 金竹山矿区在23采区-50 m回风石门处发育有压性断层、褶皱等紧密构造，23采区回风上山下部石门揭煤和过煤门处发生煤与瓦斯突出，突出煤量480t，瓦斯28 440m3[6]。因此，构造区域外力扰动诱导煤与瓦斯突出的危害程度不容忽视。而目前关于构造和突出之间关系的研究多数还仅仅是从突出案例的地质理论分析入手[7-11]。

为深入研究地质构造区域煤与瓦斯突出的发生机理，以地质构造条件特别复杂的复合构造带煤层为模型，利用数值计算软件模拟复合构造带的应力分布规律，再现复合构造带的应力分布状态，结合郑煤集团大平煤矿“10·20”特大型煤与瓦斯突出事故为案例，分析复合构造带的应力分布对煤与瓦斯突出的作用机制。

1 数值模拟控制方程

1) 几何方程

煤岩体应变与位移之间的关系由如下的几何方程来描述，即

(1)

其中，εij为煤层的应变张量，ui为煤层的位移。将式(1)写成分量形式为

(2)

2) 理想弹性本构关系

煤岩体的线弹性本构关系符合广义虎克定律(Hooke R.)，若将岩体视为各向同性材料，则刚弹性本构关系可表示为

σij=2Gεij+λεkkδij

(3)

煤岩体变形受有效应力控制，有效应力-应变本构关系以矩阵的形式表示为

{σ}=[De]{ε}

(4)

对于各向正交同性体，[De]可用弹性模量E和泊松比v来表示

当煤岩体所受载荷达到到其屈服条件，煤岩体将由弹性状态过渡到塑性状态。煤岩体的初始拉伸屈服准则满足以下形式

F=σm-σt

(5)

式中：σm为平均应力，MPa；σt为材料的抗拉强度，MPa。

2 复合构造带应力分布特征数值模拟

2.1 数值模型构建及边界条件

1) 数值模型构建

查阅大平煤矿突出案例资料，结合构造地质学和煤矿地质学相关理论知识，所建立的数值模型如图1所示，该模型是由逆断层和褶曲构造组合而成的构造复合地带。数值模型的长、宽、高分别为150 m。

图1 数值模型及网格划分

根据所建立的数值模型，对煤层顶底板进行简化处理，查阅参考现场煤岩体及其顶底板的相关资料，模拟时所设置的主要参数见表 1。

表1 数值模型煤岩参数表

2) 边界条件

模型四周边界模拟构造复合地带现场的无限远处，设为单约束边界，施加水平方向的约束，即边界水平位移为零(u=0，v=0)，只允许边界节点沿垂直方向移动。

模型上部设置为应力补充加载边界，原岩自重应力作用在模型上部，应力值按如下公式计算。

σ=γH

(6)

其中：σ为原岩应力，MPa；γ为上覆煤岩体平均容重，γ=2.5t/m3；H为模型上部边界距地面的垂直距离，m。在此模型中，参照大平煤矿突出地点实际埋深，H设为612m。因此，由公式(6)计算可得模型上部边界所施加应力为15.3MPa。

模型底部边界固定，为全约束边界，即底部边界节点的水平位移和垂直位移均为零(u=0，v=0)。网格划分时在复合地质构造带的逆断层附近作加密处理，如图1所示。

2.2 数值计算结果分析

复合构造带煤岩体的应力分布如图2所示。从图中可以看出，在复合构造带断层面附近，逆断层断面倾角变陡的部位，存在有明显的构造应力异常区，增加了构造带应力分布的复杂性。

图2 复合构造带应力分布图

受地质构造运动的影响，在构造带最大应力可以达到5.1×107Pa，其最大应力可以达到原岩应力的3倍以上，而且应力分布极不均匀，部分应力值甚至低于原岩应力值。

沿复合构造带逆断层面垂向不同位置处的应力分布曲线如图3所示。从图3中可以看出，每条应力曲线沿水平方向上，从80m位置处开始应力上下浮动变化开始增大，在100m左右的位置，应力变化达到峰值，在140m之后应力值基本恢复到原岩应力值。可见，在本数值模型条件下，由逆断层和褶曲构成的符合构造带构造应力影响范围可以达到60m，应力分布的复杂性增加了构造复合地带煤与瓦斯突出发生的危险性。

图3 断层面垂直方向不同位置处的应力曲线

复合构造带煤岩体的塑性应变云图如图4所示。从图中可以看出，在复合构造带逆断层面附近部位，存在塑性变形严重破坏区域，在此区域煤岩层所受应力达到了煤岩体的应力屈服强度，造成煤岩体微裂隙发育。褶曲和逆断层复合构造在形成过程中的压挤作用使得煤层作为相对软弱面发生大范围的破坏，构造煤非常发育。

同时，复合构造的挤压应力环境以及地层增厚效应又为瓦斯赋存提供了有利条件，断裂面又构成较好的瓦斯封闭系统[9]，如果此区域的顶底板封闭性良好，就可能是成为瓦斯的富集区间。

图4 复合构造带塑性应变云图

构造复合地带发育的构造煤和瓦斯富集区为煤与瓦斯突出的发生创造了必要的条件，构造应力的复杂性增加了煤与瓦斯突出发生危险性，如果采掘活动扰动到此区域，就极有可能诱发煤与瓦斯突出灾害的发生。

3 复合构造带突出案例分析

2004年10月20日，大平煤矿21 轨道下山巷道迎头标高-282.4m，垂深612m处，巷顶距下盘煤层约5m处发生特大型煤与瓦斯突出事故，突出煤岩量共计1 894t，瓦斯量总计约25万m3，突出的瓦斯在传播过程中遇火花引发瓦斯爆炸，共造成148人死亡，32人受伤。

发生突出的21轨道下山工作面位于北东向与北西向构造的复合部位，正遇到北西向展布的逆断层，断层面与现代构造应力场主压应力的方向垂直，在二1煤层内形成了压扭性封闭复合构造破坏带。逆断层造成煤岩破坏区的周边围岩应力重新分布，应力集中带恰好位于断层面倾角变陡的21轨道下山工作面迎头，并且靠近21轨道下山迎头工作面的破坏区围岩的岩性为泥岩，透气性极差，有利于瓦斯富集，如图5所示[10-11]。

图5 大平矿构造带突出剖面图[11]

当21岩石轨道下山掘进到逆断层构造带附近时，如图6所示，由开挖导致的集中应力和地质构造运动所产生的构造应力相互叠加，应力集中于一点，使构造带煤体内积聚有较高的弹性潜能；同时叠加应力集中降低了工作面迎头煤层的透气性，导致煤层内瓦斯压力梯度徒增，为煤与瓦斯突出的孕育和发生创造了极为有利的条件[12-13]。

图6 21轨道下山工作面应力云图

21轨道下山掘进工作面在靠近逆断层构造带附近时，煤岩层中垂直方向不同位置处应力分布如图7所示。在掘进工作面迎头附近，垂直方向不同位置一直延伸到构造带附近的位置应力一直处于较大值状态，这为煤与瓦斯突出的持续发展提供了能量来源。

图7 垂直方向不同位置处的应力曲线

根据煤与瓦斯突出的能量守恒和耦合跃迁失稳理论[14-15]，应力、煤岩和瓦斯构成的系统在采掘过程中由应力集中积聚弹性能、瓦斯内能及其它形式能量并且相互耦合，在外力扰动的作用下，能量发生突然释放而诱导突出，煤岩体内积聚的能量转化为煤体被抛出的动力。

对于大平煤矿“10·20”特大型煤与瓦斯突出事故而言，在复合构造区域，构造带应力集中区与构造带瓦斯富集区所组成的系统已经储存了大量的弹性能和瓦斯内能，并处于一种相对稳定的平衡状态[16]。当21轨道下山掘进临近煤层一段距离时，掘进工作面和工作面前方逆断层构造带的塑性应变云图如图8所示。掘进工作面前方煤岩体达到应力屈服强度，破坏严重。

图8 21轨道下山工作面塑性应变云图

外力扰动使得这种相对稳定状态不断逼近能量极限平衡状态，当构造带煤层被揭开瞬间，原本已达到能量极限平衡状态的煤与瓦斯系统则会突变为突出的不稳定态，在没有做好防护措施的情况下，受采动扰动影响，构造带能量意外释放导致突出发生，如图9所示。

E-突出能量，p-瓦斯压力，σ-应力图9 突出后煤体能量分布示意图

因此，对于构造带区域巷道施工，进行超前地质勘探，探明断层位置和超前预抽瓦斯富集区瓦斯成为构造带防突的必由之路。

4 结论

1) 通过数值模拟发现，复合构造带逆断层附近空间转折部位应力分布最集中。复合构造带褶曲和逆断层在形成过程中使得煤层作为相对软弱面发生大范围的破坏，构造煤非常发育。

2) 复合构造带煤体微裂隙发育，从而造成煤层存在孔隙和裂隙两种瓦斯渗透扩散空间，有利于瓦斯的运移和聚集。复合构造的挤压应力环境构成了良好的瓦斯封闭系统，又为瓦斯赋存提供了有利条件，使复合构造带为瓦斯的富集区。

3) 通过对郑煤集团大平煤矿“10·20”特大型煤与瓦斯突出事故案例的分析，认为应力集中和采掘活动扰动瓦斯富集区是诱导突出的主要原因。

[1] 李希建，徐明智.近年我国煤与瓦斯突出事故统计分析及其防治措施[J].矿山机械，2010，38(10)：13-16.

[2] 魏国营，姚念岗.断层带煤体瓦斯地质特征与瓦斯突出的关联[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2012，31(5)：604-608.

[3] 贾天让，王 蔚，闫江伟，等.贵州省煤矿瓦斯赋存构造控制规律与分带划分[J]. 地学前缘，2014，21(6)：281-288.

[4] 何俊，陈新生.地质构造对煤与瓦斯突出控制作用的研究现状与发展趋势[J].河南理工大学学报(自然科学版)：2009，28(1)：1-7.

[5] 孟中泽，刘明举，孟磊，等.淮南矿区C13-1煤层构造软煤分布特征及其主控因素分析[J].中国煤炭，2010，36(2)：72-76.

[6] 刘黎明，肖红飞.金竹山矿区煤与瓦斯突出事故分析及预防措施[J].煤炭技术，2002，21(11)：32-33.

[7] 刘咸卫，曹运兴，刘瑞，等.正断层两盘的瓦斯突出分布特征及其地质成因浅析[J].煤炭学报，2000，25(6)：571-575.

[8] 郭德勇，韩德馨.地质构造控制煤和瓦斯突出作用类型研究[J].煤炭学报，1998，23(4)：337-341.

[9] 韩军，张宏伟，张普田. 推覆构造的动力学特征及其对瓦斯突出的作用机制[J].煤炭学报，2012，37(2)：247-252.

[10] 闫江伟，张小兵，张子敏.煤与瓦斯突出地质控制机理探讨[J].煤炭学报，2013，38(7)：1 174-1 178.

[11] 张子敏，张玉贵.大平煤矿特大型煤与瓦斯突出瓦斯地质分析[J]. 煤炭学报，2005，30(2)：137-140.

[12] 高魁，刘泽功，刘健，等.构造软煤的物理力学特性及其对煤与瓦斯突出的影响[J].中国安全科学学报，2013，23(2)：129-133.

[13] 高魁，刘泽功，刘健. 地应力在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用[J]. 岩石力学与工程学报，2015，34(2)：305-312.

[14] 欧建春.煤与瓦斯突出演化过程模拟实验研究[D].徐州：中国矿业大学，2012.

[15] 刘健，刘泽功，高魁，等. 构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应[J]. 煤炭学报，2014，39(10)：2 022-2 028.

[16] 高魁，刘泽功，刘健. 瓦斯在石门揭构造软煤诱发煤与瓦斯突出中的作用[J].中国安全科学学报，2015，25(3)：102-107.

(责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒)

Numerical Simulation and Case Analysis of Coal and Gas Outburst in the Complex Geological Structure Zone

GAO Kui1,2, LIU Ze-gong1,2, LIU Jian1,2

(1.School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Key Laboratory of Mine Safety and High Efficient Mining Jointly Built by Province and Education Ministry, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China )

To further study the mechanism of coal and gas outburst in the geological structure region, through numerical simulation, it is found that the turning point of the tectonic zone is the concentration position of the stress distribution near the reverse fault in complex geological structure zone. In this area, the coal seam is a relatively weak area occurrence of a large range of damage, tectonic coal and the coal body fracture development. The porosity and fracture in the coal seam becomes gas permeation diffusion space conducive to gas migration and accumulation which becomes the gas enriched zone and controls the coal and gas outburst. By taking the “10·20” coal and gas outburst accident of the Zhengzhou Coal Group Daping Coal Mine as an example, this paper analyzes the gas enrichment state in the complex geological structure zone and holds the opinion that under the influence of excavation, large amount of gas under pressure stored in coal body near the complex geological structure zone quickly desorbs due to pressure relief. At the moment when the coal seam is exposed, the compound of high pressure gas and pulverized-coal particles in the geological structural belt are thrown rapidly and thus form the coal and gas outburst. The tectonic stress concentration and mining disturbance to the gas enriched region are the main induction factors of coal and gas outburst.

complex geological structure zone; coal and gas outburst; geological control; energy coupling

2016-05-23

国家自然科学基金资助项目(51604010)；国家自然科学基金资助项目(51674009)；国家自然科学基金资助项目(51474009)；安徽理工大学青年教师科学研究基金(QN201429)

高魁(1984-)，男，安徽阜南人，讲师，博士，研究方向：安全教学，矿井瓦斯防治和煤与瓦斯突出机理。

TD713

A

1672-1098(2016)05-0005-06