正断层上盘煤与瓦斯突出特征与地应力场控制机理

2022-05-08曹运兴张海洋刘高峰

煤田地质与勘探 2022年4期

曹运兴，张海洋，张震，刘高峰

(1.河南理工大学煤层气/瓦斯地质工程研究中心,河南焦作 454000；2.河南省非常规能源与开发国际联合实验室,河南焦作 454000；3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心,河南焦作 454000)

我国煤矿地质条件复杂，煤与瓦斯突出(简称“突出”)严重。历史资料表明，全世界有记录的30 000 多次突出中，一半发生在我国煤矿；现阶段的突出矿井和突出现象还主要发生在中国。随开采深度增加，煤层瓦斯压力和地应力增加，突出危险性日益升高。所以，研究煤与瓦斯突出机理和规律一直是煤炭工业的重大科学问题，具有重要的理论意义和生产实践意义[1-3]。

煤与瓦斯突出在井田中的分布是不均匀的，突出危险区一般小于井田面积的1/3，主要发生在强烈变形的地质构造带，即褶皱带和断层带，是突出事故发生的主要地质单元，也是煤与瓦斯突出理论研究和预测研究的主要对象[4-5]。

在早期的研究成果中，一般将断层作为一个地质单元，主要研究煤与瓦斯突出沿断层带的规律性分布特征以及断层类型，包括正断层、逆断层、正断层组合的地堑构造、逆断层组合的对冲构造带等[6-7]。随着社会进步，煤矿安全生产对煤与瓦斯突出预测的可靠性提出了更高的要求，其研究程度也相应更加深入。刘咸卫等[8]通过对我国平顶山、安阳、北票矿区等突出发生的断层规律研究，首次发现断层两盘的突出危险性具有重大差异，突出主要发生在正断层的上盘；这一认识在淮南矿区的瓦斯地质研究中得到进一步证实[9-10]。在解释正断层上盘高频突出的发生机理时，根据正断层形成的力学机制和井下观察的构造煤分布规律，提出了正断层上盘是断层形成的主动盘，断层形成期地应力更为集中，并在上盘形成了较下盘更为发育的构造裂隙和构造煤，即断层上盘较发育的构造煤是煤与瓦斯突出发生在上盘的控制性地质因素之一[8-18]。

煤与瓦斯突出是瓦斯、地应力和构造煤综合作用的结果。影响正断层两盘突出危险程度差异的控制性地质因素除了构造煤以外，与地应力场的差异性分布关系密切[16]，但目前的认识不足以深刻揭示正断层两盘煤与瓦斯突出差异性分布的地应力作用机理[19-23]。关于断层端部地应力高度集中现象，被岩石断裂试验和理论研究所揭示，并被数值模拟所证明[21-25]，但关于正断层两盘采动前的原始地应力状态的差异性，以及采动过程中两盘地应力场状态的变化规律的研究尚为薄弱。这是构造地质学领域的基础理论问题，也是地下工程领域地质灾害评价、预测和防治的基础课题，例如地下工程应优先建设在更为稳定、地应力相对不易集中的地质单元，最大可能地避开地应力集中和非稳定地质单元。在煤矿生产中，井场和巷道布置，特别是对于揭示煤与瓦斯突出的断层控制机理及其防止煤与瓦斯突出的措施制定，具有重要的理论意义和实际应用前景。

本文作者采用构造地质学理论研究和数值模拟相结合的方法，分析正断层带的原始地应力状态以及在掘进扰动下断层两盘的地应力演化过程，以期探索导致正断层两盘突出差异性规律的地应力控制机理。

1 地应力场数值模拟方法与条件

1.1 “突出”案例与地质模型

河南焦作矿区中马村煤矿开采二1 煤层，井田面积16.949 km2，为煤与瓦斯突出矿井，生产过程中多次发生突出，最大为1989 年4 月23 日-57 m 高程发生的特大型突出，突出煤量511 t，瓦斯128 057 m3。该矿突出主要发生在煤巷掘进过程中，多位于断层附近、小褶曲轴部及煤层厚度变化带。井田内断层较发育，地层走向40°～100°，倾向130°～190°，倾角8°～14°。井田内以断裂构造为主，均为高角度正断层，且以近东西和北东向断层为主，局部发育北西向正断层。

参照中马村矿DF4正断层的地质条件，设计的地质模型：煤层厚度为6 m (图1)，正断层的垂向落差为5 m，断层倾角为65°，断层消失于煤层底板中，煤层和围岩层的物理力学参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

图1 正断层模型地层剖面Fig.1 Stratigraphic profile of the normal fault model

1.2 地应力场数值模拟软件和方法

地应力场数值模拟软件采用的FLAC3D，是美国ITASCA 公司开发的普适性软件，广泛应用于岩土、岩石和其他材料的工程力学、应力场分析和相关设计，如地下工程挖掘以及岩土工程中断层、褶皱、节理等构造影响的模拟[26-29]。

三维地质模型建立基本假设如下：①模型内煤岩体为均匀的各向同性材料；② 断层为完全弹性材料；③边界应力为区域应力，作用方向垂直于边界，模型底部边界固定，上部边界为自由面；④ 所建模型仅考虑竖直方向上的自重应力和构造应力，不考虑其他残余应力。建立三维计算模型分为3 个步骤：①建立有限差分网格，网格的建立应适中，不能过密，也不能过稀；② 设置本构特性以及各单元材料的弹性属性；③设置边界条件与初始条件。

用FLAC3D构建的三维地质模型如图2 所示。把断层做成一个弱面，用力学性质相对于周围岩体较低、可塑性较强的岩石代替。简化围岩结构和力学性质，主要表征煤层在断层影响区和掘进扰动影响下的应力场变化规律。设计岩体模型沿煤层掘进方向长度100 m，宽度为30 m，高度60 m。

图2 正断层三维地质模型Fig.2 Three-dimensional geological model of the normal fault

1.3 正断层两盘地应力场数值模拟应力初始条件

地下岩体中的原岩应力为三向不等压的空间应力场(垂直主应力σv、最大水平主应力σH和最小水平主应力σh)，3 个主应力的大小(最大主应力σ1、中间主应力σ2和最小主应力σ3)和方向随空间和时间变化。

不同性质的断层是在不同地应力场状态下形成的。根据Anderson 原理，正断层在最大主应力为垂向主应力(σ1=σv)时形成。垂向主应力、最大、最小水平主应力总体上均随埋深的增大而增大，但其应力莫尔圆由浅向深由椭球体逐渐变化为各向同性的圆球体，即三向应力差在逐渐缩小而趋于相等。我国华北煤盆地地应力场的基本转换规律是：在浅层，水平应力占主导地位(σ1=σH)；当煤层埋藏深度在650～1 000 m 时，煤储层地应力状态主要表现为σv＞σH＞σh；当煤层埋藏深度大于1 000 m 后，水平主应力将与垂向主应力近似相等(σv=σH=σh)[30-34]。

同时，煤矿井下开采实践表明，采掘工作面过断层时，由于开采扰动的影响，会引起断层带地应力重新分布以及断层的活化，导致应力集中和残余构造应力的释放，更容易诱发突出[35-37]。

根据上述分析，设计3 种不同埋深(660、800、1 000 m)条件下的地应力状态，分别模拟：断层上下两盘的初始地应力状态，垂直于断层走向的上盘巷道以及下盘巷道在掘进工作面逐渐接近断层面过程的地应力变化规律，分析上下两盘地应力分布的差异性。应力初始条件参数见表2。

表2 模型的应力初始条件参数Table 2 In-situ stress initial condition parameters of the model

2 正断层上下两盘地应力场数值模拟结果

按照上述模拟方法和条件，模拟获得了3 种埋深条件下，未受掘进扰动影响的正断层上下盘的初始地应力场云图，如图3 所示。

图3 不同埋深条件下正断层原始地应力场云图Fig.3 Nephogram of the original in-situ stress field of normal faults under different buried depths

设计巷道断面高4 m，宽4 m。煤层巷道垂直断层走向，向断层面方向掘进，巷道初始距断层面40 m，分别模拟掘进工作面距离断层面30、20、15、10 m 时断层带附近的地应力场演化。

3 种埋深-地应力条件下，煤层掘进巷道位于正断层上盘，逐渐接近断层面过程的地应力状态云图，如图4 所示。掘进巷道位于断层下盘，逐渐接近断层面过程的地应力状态云图，如图5 所示。

图4 不同埋深条件上盘煤巷掘进过程中地应力场云图Fig.4 Nephogram of the stress field for tunneling in the hanging wall under different buried depths

图5 不同埋深条件下盘煤巷掘进过程中地应力场云图Fig.5 Nephogram of the stress field for tunneling in the foot wall under different buried depths

根据地应力场模拟结果，提取统计了3 种埋深-地条件下正断层上盘和下盘初始状态以及掘进工作面距离断层面30、20、15、10 m 的最大地应力值，结果见表3。根据表3 数据，绘制了3 种应力条件下断层上盘和下盘的初始以及掘进过程中最大地应力值变化曲线，如图6 所示。

3 正断层两盘的地应力场状态分析

3.1 初始地应力状态

表3、图3 和图6a 显示，在未受掘进扰动影响的原始条件下，正断层上下两盘的地应力状态不同，其分布有以下特征：

图6 初始状态和掘进过程的最大应力值变化曲线Fig.6 Maximum values of the in-situ stress at different tunneling locations in hanging and foot walls

表3 断层上下盘的不同掘进位置最大地应力值Table 3 Maximum stress values at different tunneling locations in the hanging wall and the foot wall

(1) 断层面附近分布2 个特殊地应力局部区域，最大地应力(深蓝区)总是位于断层上盘(断层在底板的尖灭端)，最小地应力(红色区)总是位于下盘；

(2) 在断层上盘，地应力随远离断层面而逐渐降低，直至接近有原始正常地应力状态；在断层下盘，地应力随远离断层面而逐渐升高，直至接近有原始正常地应力状态。

(3) 以断层面为界，上盘和下盘分属2 个不同的地应力分区，在3 种埋深条件下，上盘地应力值始终高于下盘。上盘的最大应力值分别为22、27、33 MPa，远高于下盘相应的最大应力值14、20、24 MPa。

3.2 上盘煤巷掘进时地应力场演化规律

图4 和图6 显示，在正断层上盘实施垂直于断层走向的巷道掘进时，随掘进工作面由远而接近断层面的过程中，断层面附近应力场重新分布，基本规律如下：

(1) 掘进面距断层面由30 m 推进至10 m 的过程中，在断层上盘的断层面和掘进工作面之间存一个地应力集中区(蓝色区)，断层面附近和工作面前方各分布一个地应力集中点。

(2) 越接近断层面，地应力集中区域面积变小，应力集中现象增强，地应力数值提高，巷道掘进至距离断层面10 m 时，2 个地应力集中点发生叠加转化为一个集中点，地应力在上盘达到最大值。

(3) 表3 显示，3 种埋深地应力条件下，叠加后断层面附近上盘的应力值分别达到30、36、52 MPa，而下盘相应位置的最大地应力值为25、30、40 MPa。尤其是埋深1 000 m 条件下，在掘进面距离断层10 m 时，断层应力与掘进扰动应力叠加后，在断层面上盘附近达到最大，地应力值增加了19 MPa，是距断层面上盘40 m 处原始地应力的1.6 倍。

(4) 表3 和图6 进一步表明，3 种埋深应力条件下，巷道在断层上盘掘进时，断层上盘的地应力值始终高于下盘的值。

3.3 下盘煤巷掘进时地应力场演化规律

图5 显示，垂直于正断层的煤巷在下盘掘进时，受掘进扰动影响，断层附近应力场重新分布。随掘进工作面逐渐接近断层面，断层两盘地应力场的变化规律如下：

(1) 掘进位置距断层面由30 m 推进至10 m 的过程中，存在2 个应力集中区，分别位于掘进面前方和断层面上盘附近(蓝色区)，并且断层面上盘附近的应力集中区域大于下盘掘进面前方的掘进扰动应力影响区域。

(2) 巷道掘进至距断面10 m 范围时，2 个应力集中区叠加集中，应力值达到最大。

(3) 表3 显示，3 种埋深应力条件下，叠加后上盘的最大应力值分别达到25、31.6、40 MPa，而下盘相应位置的最大地应力值分别为20、30、32 MPa。即上盘地应力值远高于下盘。

(4) 表3 和图5 表明，3 种埋深应力条件下，煤巷在断层下盘掘进时，断层上盘的地应力值始终高于下盘。

3.4 地应力场对突出的控制作用

煤与瓦斯突出机理综合假说认为，突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等因素综合作用的结果[38]。大量研究表明，地应力是诱导煤与瓦斯突出发生的直接控制性地质因素，并对煤体结构的破坏、煤层瓦斯的渗流运移能力和赋存状态有着重要的影响[39-42]。在高地应力区，即使瓦斯含量较低，突出仍然发生，即所谓的低瓦斯条件下的突出现象，地应力成为突出发生的控制性诱因；在深层开采条件下，突出危险性急剧升高的主要原因也是由地应力的大幅度升高造成的[43-45]。总之，随地应力集中程度升高，煤与瓦斯突出发生的频度和强度增加。

根据3.2 节和3.3 节的分析结果，煤层巷道掘进过程中，在掘进扰动影响下，在断层附近存在应力集中区域；煤层巷道无论位于上盘掘进，还是位于下盘掘进，断层上盘的应力值总是高于下盘；特别是，在工作面掘进至断层面10 m 附近时，掘进扰动应力与断层附近地应力发生叠加积聚，应力值大幅度升高，煤巷位于上盘掘进时的地应力值，远大于位于下盘掘进时的地应力值，因此，煤层巷道位于上盘掘进，比位于下盘掘进更容易发生突出。