构造突出煤层地应力与瓦斯压力梯度关系模拟研究.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 构造突出煤层地应力与瓦斯压力梯度关系模拟研究 黄显华ꎬ徐纪元ꎬ杨成轶ꎬ朱红青 中国矿业大学北京资源与安全工程学院ꎬ北京 １０００８３ 摘 要构造突出煤层中瓦斯压力梯度变化规律与水平地应力分布规律是影响煤与瓦斯突出的主要 因素ꎬ建立了煤层瓦斯压力梯度与水平地应力定量计算模型ꎻ以坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门附近区域构 造突出煤层为研究对象ꎬ由 ＦＬＡＣ 模拟可知ꎬ水平地应力趋近于 ０ 的区域煤体破坏最为严重ꎻ由计算 可知ꎬ当水平地应力约为 ３ ＭＰａ 时ꎬ构造突出煤层中瓦斯压力梯度会出现突变ꎻ当水平地应力大于 ３ ＭＰａ 时ꎬ沿煤层物理模型走向 ０５ 与 ４２６２ ｍ 两个区域瓦斯压力梯度急剧增加ꎮ 关键词构造突出煤层ꎻ水平地应力ꎻ瓦斯压力梯度ꎻ煤与瓦斯突出 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００６５－０３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｇａｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｅｃｔｏｎｉｃ Ｏｕｔｂｕｒｓｔ Ｓｅａｍ ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｎ￣ｈｕａꎬＸＵ Ｊｉ￣ｙｕａｎꎬＹＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ￣ｙｉꎬＺＨＵ Ｈｏｎｇ￣ｑｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００８３ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｓｅａｍ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ.Ａ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｓｅａｍ ｎｅａｒ Ｎｏ􀆱 ２３６－８０ ｎｏｒｔｈ ｃｒｏｓｓ－ｃｕｔ ｉｎ Ｔａｎｊｉａｃｈｏｎｇ Ｍｉｎｅ ａｓ ａ ｓｔｕｄｙ ｏｂｊｅｃｔꎬｔｈｅ ＦＬＡＣ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｆａｉｌｕｒｅ ｗａｓ ｓｅｒｉｏｕｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｐｐｒｏａｃｈｅｄ ｔｏ ｚｅｒｏ. Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ａｂｏｕｔ ３ ＭＰａꎬｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｅａｍ ｗｏｕｌｄ ｈａｖｅ ａ ｓｕｄｄｅｎ ｃｈａｎｇｅ.Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｏｖｅｒ ３ ＭＰａꎬｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｗｏｕｌｄ ｒａｐｉｄｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｒｅｇｉｏｎｓ ｏｆ ０５ ｍ ａｎｄ ４２６２ ｍ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｉｋｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｓｅａｍꎻｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓꎻｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔꎻｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ 收稿日期２０１４－０１－２２ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０５.０１８ 作者简介黄显华１９７１ꎬ男ꎬ安徽安庆人ꎬ高级工程师ꎬ博士研究生ꎮ Ｔｅｌ０１０－６２３３９２９６ꎬＥ－ｍａｉｌＨｘｈ００１０＠ ｑｑ􀆱 ｃｏｍ 引用格式黄显华ꎬ徐纪元ꎬ杨成轶ꎬ等.构造突出煤层水平地应力与瓦斯压力梯度关系模拟研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２５６５－６７ꎬ７１. ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｎ￣ｈｕａꎬＸＵ Ｊｉ￣ｙｕａｎꎬＹＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ￣ｙｉꎬｅｔ ａｌ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｇａｓ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｅｃ￣ ｔｏｎｉｃ Ｏｕｔｂｕｒｓｔ Ｓｅａｍ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２５６５－６７ꎬ７１. ０ 引 言 煤与瓦斯突出是一种非常复杂的动力现象ꎬ是 煤矿最严重的灾害之一ꎮ 我国突出矿井多ꎬ分布范 围大ꎬ突出次数多ꎬ突出频率高ꎬ始突深度浅ꎬ突出类 型全ꎬ突出强度大ꎬ突出瓦斯多ꎮ 随着开采强度、深 度等地质条件的日益复杂ꎬ特别是断层、褶皱发育等 极复杂条件下开采的煤层ꎬ煤与瓦斯突出危险越来 越严重ꎬ复杂构造突出煤层中瓦斯压力梯度变化规 律与水平地应力分布规律是影响煤与瓦斯突出的主 要因素[１－３]ꎬ因此ꎬ笔者研究了构造突出煤层中水平 地应力与瓦斯压力梯度的分布规律及相互关系ꎬ以 期为煤与瓦斯突出防治提供指导ꎮ １ 瓦斯压力梯度与水平地应力定量模型 由达西定律[４]可知ꎬ煤层中瓦斯渗流速度 ｑ 与 瓦斯压力梯度成正比ꎬ其表达式为 ｑ ＝－ λｄｐ/ ｄｘ１ 式中λ 为煤层透气性系数ꎻｐ 为瓦斯压力ꎻｘ 为瓦斯 在流动方向上的流动距离ꎮ 煤层渗透系数 Ｋ[５－７]的表达式为 Ｋ ＝ ｋ０ｅ －βσ１－αｐ Ｄ ＝ ０ εｋ０ｅ －βσ１－αｐ Ｄ ０{ ２ 式中ｋ０、β、σ１、α、Ｄ、ε 分别为原煤渗透性系数、孔隙 ５６ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 瓦斯压力系数、水平地应力、反映水平地应力与孔隙 瓦斯压力之间的耦合系数、煤体损伤参量、煤体损伤 后渗透性系数增大倍数ꎮ 煤层透气性系数[８－１０]表达式为 λ ＝ Ｋ/ ２μｐ０３ 式中μ、ｐ０分别为瓦斯动力黏度和大气压ꎮ 根据文献[１１－１５]研究结论可知ꎬ煤岩体峰后 渗流速度与围岩水平地应力呈二次方关系 ｑ ＝ ａσ２ １ ＋ ｂσ１＋ ｃ ４ 式中ａ、ｂ、ｃ 均为拟合系数ꎮ 在煤质、煤体损伤程度、瓦斯压力与围岩应力一 定条件下ꎬ将式１式３代入式４可得瓦斯压 力梯度与水平地应力关系式 ａσ２ １ ＋ ｂσ１＋ ｃ ＝－ εｋ０ｅ －βσ１－αｐ ２μｐ０ ｄｐ ｄｘ ５ ｄｐ ｄｘ ＝－ ａσ１ ２ ＋ ｂσ１＋ ｃ ２μｐ０ εｋ０ｅ －βσ１－αｐ ＝ － ２μｐ０ εｋ０ ａσ１ ２ ＋ ｂσ１＋ ｃ ｅ －βσ１－αｐ ６ 由于 α、β 值较小ꎬ且瓦斯压力 ｐ 相对于围岩应 力来说其值较小ꎬ式６可以简化为 ｄｐ ｄｘ ＝－ ２μｐ０ εｋ０ ａσ１ ２ ＋ ｂσ１＋ ｃ ｅ －βσ１ ７ 令ｙ ＝ ａσ２ １ ＋ ｂσ１＋ ｃ / ｅ －βσ１ ８ 结合式７与式８可得ｙ 值的变化趋势可以 大体反映煤层中水平地应力与瓦斯压力梯度的变化 关系ꎻ随着水平地应力的增加ꎬｙ 函数值亦会增加ꎬ 导致瓦斯压力梯度增加ꎮ 对式８中水平地应力 σ１ 求导得 ｙ′ ＝ [βａσ２ １ ＋ ２ａ ＋ ｂβσ１＋ ｂ ＋ ｃβ] / ｅ －βσ１ ９ 式９可反映出煤层中瓦斯压力梯度变化剧烈 程度ꎮ ２ 复杂构造下水平地应力分布规律模拟 ２􀆱 １ 煤层概况 坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门附近区域地质构造为 背斜翼部区域ꎬ煤层结构简单ꎬ属较稳定的中厚煤 层ꎮ 煤厚为 ０􀆱 ５２１７􀆱 ７ ｍꎬ平均厚 ５􀆱 ４９ ｍꎬ煤层倾 角为 ２４２８ꎬ平均倾角为 ２７ꎬ由中细粒砂岩、粉砂 岩、砂质泥岩、泥岩及煤组成ꎮ ２􀆱 ２ 建立计算模型及模拟 采用 ＦＬＡＣ 软件对煤岩层走向及煤体破坏状态 进行模拟ꎮ 将三维物理计算模型的长、宽、高分别设 置为 ６２、３０ 和 ８０ ｍꎮ 采用 ＣＡＤ 提取物理计算模型 中煤岩层的边界数据ꎬ利用自编程序接口建立物理 计算模型ꎬ如图 １ 所示ꎬ顶底板岩石物理力学参数见 表 １ꎮ 图 １ 坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门揭煤区域物理计算模型 表 １ 顶底板岩石物理力学参数 岩层 体积模 量/ ＧＰａ 剪切模 量/ ＧＰａ 内摩擦 角/ 黏聚力/ ＭＰａ 抗拉强 度/ ＭＰａ 密度/ ｋｇ􀅱ｍ －３ 基本顶 ２０􀆱 ２０１７􀆱 ０９３３４１０８６􀆱 ００２ ６４０ 基本底 ５９􀆱 １４４６􀆱 ２２３８５００１０３􀆱 ００２ ６６０ 煤０􀆱 １１９３􀆱 ６８１０ －３ ２５２０􀆱 ０３１ ４００ 物理计算模型的前后平面、模型底部固定ꎬ模 型底部为自由边界ꎬ左右两边界各施加 ８􀆱 ４ ＭＰａ 的压应力ꎮ 采用摩尔－库仑屈服准则ꎬ使用蠕变模 型模拟构造区域岩层的水平地应力分布规律与破 坏规律ꎮ １应力分布规律模拟ꎮ 采用蠕变模型模拟褶 皱形成后的煤岩层走向的水平地应力分布ꎬ如图 ２ 所示ꎮ 煤岩层在蠕变形成背斜构造的过程中ꎬ在 地质构造区域曲率较大位置背斜轴部区域、煤厚 突变区域等的煤层顶底板岩层极易出现水平地 应力集中现象ꎬ水平地应力达 １０􀆱 １ ＭＰａꎬ整个背斜 构造区域中水平地应力呈现较为明显的层状分 布ꎬ水平地应力梯度分布现象十分明显ꎬ这在一定 程度上揭示了在煤与瓦斯突出过程中煤体呈层状 破坏的现象ꎮ 图 ２ 煤岩层走向的水平地应力分布 煤岩层蠕变模拟稳定后ꎬ水平地应力变化如 图 ３ 所示ꎮ 由图 ３ 可得坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门 背斜构造区域中ꎬ煤层走向水平地应力分布大体 上为先减小、后增大ꎻ沿计算模型走向约 ５３ ｍ 处ꎬ ６６ 黄显华等构造突出煤层地应力与瓦斯压力梯度关系模拟研究２０１４ 年第 ５ 期 水平地应力的变化梯度呈现出变缓的趋势ꎮ 主要 原因有①此处位于由背斜构造区域转变成向斜 构造区域的过度阶段ꎬ煤体的破坏程度相对较轻ꎻ ②此处煤层的赋存厚度开始明显加厚ꎬ水平地应 力的梯度变化程度变缓ꎬ水平地应力处于持续增 加的状态ꎮ 沿计算模型走向约 ２０ ｍ 处背斜构造的翼部 区域ꎬ水平地应力基本趋近于 ０ꎬ主要是因为坦家 冲矿 ２３６－８０ 北石门附近区域在蠕变形成背斜构 造的过程中ꎬ此处的煤体在地应力作用下破坏严 重ꎬ基本丧失承受应力载荷的能力ꎬ导致此处的煤 层水平地应力的大小基本为 ０ꎮ 图 ３ 煤岩层走向水平地应力变化趋势 ２煤体破坏规律模拟ꎮ 采用蠕变模型ꎬ模拟 褶皱形成后地质构造区域煤岩体的破坏范围与状 态分布ꎬ如图 ４ 所示ꎮ 图 ４ 蠕变模拟不同次数时的煤体破坏状态 由图 ４ 可知 坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门附近区 域在蠕变形成背斜构造的过程中ꎬ煤层水平地应 力的大小趋近于 ０ 的区域连续承受拉破坏与剪切 破坏的作用ꎬ导致此区域的煤体损坏严重、影响范 围大ꎻ背斜构造的煤体轴部外侧区域相对较易破 坏ꎬ此区域煤体的破坏程度相对较为严重ꎮ ３ 构造突出煤层中瓦斯压力梯度分布规律 根据相关试验与文献[１３]ꎬ试验瓦斯压力 ｐ＝ ０􀆱 ２５ ＭＰａ 时ꎬ取 ａ ＝ ０􀆱 ８１ꎬｂ ＝ －５􀆱 ４７６ꎬｃ ＝ ２０􀆱 ３７５ꎬ β＝０􀆱 ５０２ ８ꎻ根据模拟所得的煤岩层走向的最大水 平地应力ꎬ计算式８ 与式９ 值ꎬ其分布如图 ５ 所示ꎮ 图 ５ ｙ 值与 ｙ′值与水平地应力的关系 根据相关研究结果可知ꎬ在围岩压应力约 ５ ＭＰａꎬ瓦斯压力小于 １ ＭＰａ 时ꎬ瓦斯压力对煤层中 渗流速度的影响不大ꎮ 由图 ５ 可知①坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门附近区域瓦斯压力为 ０１ ＭＰａꎬ因 此复杂构造突出煤层水平地应力约 ３ ＭＰａ 时ꎬ构 造突出煤层中瓦斯压力梯度会出现突变ꎻ当水平 地应力大于 ３ ＭＰａ 时ꎬ瓦斯压力梯度会急剧加大ꎻ ②结合图 ３ 可得ꎬ坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门揭煤计 算模型中ꎬ沿计算模型走向方向 ０５ 与 ４２６２ ｍ 两个区域瓦斯压力梯度急剧增加ꎮ 由于瓦斯压力 与煤层瓦斯渗透速率呈指数关系ꎬ实际运用过程 中可根据现场实际测得的瓦斯压力值来确定相关 系数ꎬ从而能够得出实际地质条件下瓦斯压力梯 度的分布规律ꎮ ４ 结 论 １基于达西定律、瓦斯渗流速度分别与瓦斯 压力梯度、围岩应力之间的关系ꎬ建立了煤层瓦斯 压力梯度与水平地应力定量计算模型ꎮ ２模拟得出坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门背斜构 造区域水平地应力呈现明显的竖直层状分布状 态ꎬ煤层水平地应力梯度分布较为明显ꎬ在一定程 度上揭示了在煤与瓦斯突出过程中煤层呈层状破 坏的现象ꎮ ３坦家冲矿 ２３６－８０ 北石门附近区域在蠕变 形成背斜构造的过程中ꎬ煤层水平地应力趋近于 ０ 的区域煤体损坏严重、影响范围大ꎻ背斜构造的煤 体轴部外侧区域煤体的破坏程度相对较为严重ꎮ 下转第 ７１ 页 ７６