煤層瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特征研究

馬海峰

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽　淮南　232001；2. 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽　淮南　232001；3. 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽　淮南　232001)

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煤層瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特征研究

馬海峰1,2,3

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001；2. 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001；3. 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001)

瓦斯壓力是誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故的主要因素之一。為獲得煤層瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)特征，采用數(shù)值模擬和綜合分析的方法對瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：瓦斯壓力具有采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)效應(yīng)，在煤層開采過程中，應(yīng)力和瓦斯壓力均出現(xiàn)局部升高和降低的現(xiàn)象，均經(jīng)歷了先增大后減小并隨煤層的開采不斷向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過程，瓦斯壓力受控于應(yīng)力的演化。構(gòu)建了動(dòng)力災(zāi)害多因素耦合定性分析判據(jù)，分析了動(dòng)力災(zāi)害的類型，可分為應(yīng)力主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害和應(yīng)力-瓦斯共同作用主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害。

瓦斯壓力；采動(dòng)應(yīng)力；響應(yīng)；動(dòng)力災(zāi)害

地應(yīng)力、瓦斯在煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故中起著重要的作用，對煤巖體的受力狀態(tài)、力學(xué)特征、滲透特性等具有一定的影響作用。在煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害中地應(yīng)力、瓦斯作用機(jī)制復(fù)雜、多變，國內(nèi)外眾多學(xué)者對煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害中地應(yīng)力、瓦斯的相互作用開展了大量的研究，取得了一系列成果。文獻(xiàn)[1-2]研究了工作面煤層瓦斯壓力與采動(dòng)應(yīng)力的相互作用規(guī)律、深部高瓦斯工作面含瓦斯煤擴(kuò)容過程的力學(xué)特征。文獻(xiàn)[3]研究了不同開采深度條件下，突出煤層在地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下發(fā)生煤與瓦斯突出的全過程。文獻(xiàn)[4]研究了三軟厚煤層綜采面采動(dòng)應(yīng)力分布。文獻(xiàn)[5]研究了煤層采動(dòng)裂隙、采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯流動(dòng)的耦合作用。文獻(xiàn)[6]對不同瓦斯壓力下原煤三軸壓縮全過程中滲透特性進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[7]研究了地應(yīng)力的演化特征及構(gòu)造應(yīng)力對煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯壓力和突出災(zāi)害的控制作用。文獻(xiàn)[8]研究了不同瓦斯壓力下原煤和型煤的力學(xué)和滲透特性。文獻(xiàn)[9]研究了不同軸壓圍壓條件下瓦斯壓力對突出原煤的滲流特性。文獻(xiàn)[10]研究了瓦斯壓力對突出煤及卸荷原煤的力學(xué)及滲透特性。文獻(xiàn)[11]研究了不同瓦斯壓力下煤巖的聲發(fā)射特征。上述研究多是在瓦斯壓力對煤巖體滲透特性、力學(xué)特性、地應(yīng)力和瓦斯壓力在煤與瓦斯突出過程中的作用等方面取得的成果，對瓦斯壓力的采動(dòng)響應(yīng)及其變化規(guī)律的研究成果較少。為獲得煤層開采過程中采場圍巖應(yīng)力場的演化規(guī)律及瓦斯壓力的變化規(guī)律，本文以朱集礦煤層開采技術(shù)條件和瓦斯賦存條件為背景，采用多物理場耦合分析軟件COMSOL研究煤層開采過程中應(yīng)力、瓦斯壓力的分布特征及演化規(guī)律、應(yīng)力演化規(guī)律對瓦斯壓力變化的影響；基于煤巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力、煤體的物理力學(xué)性質(zhì)等主要影響因素，分析動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性和動(dòng)力災(zāi)害的類型。

1　工程地質(zhì)條件

1141(1)工作面位于東二11-2北盤區(qū)，西側(cè)為DF112、DF113(逆)斷層組，斷層組西臨東一北盤區(qū)1131(1)工作面(軌順頂板巷已施工700 m，軌順未揭煤)；南側(cè)為東翼系統(tǒng)大巷；北側(cè)切眼臨近DF141和F29斷層，以北無采掘活動(dòng)；東側(cè)無采掘活動(dòng)。對應(yīng)上覆13-1煤層亦無采掘活動(dòng)。各工作面位置和綜合柱狀圖如圖1所示。

11-2煤層平均厚度1.24 m，瓦斯含量3.87～5.29 m3/t，最大瓦斯壓力0.32 MPa。老頂主要成分為粉細(xì)砂巖，平均厚度為2.7 m。直接頂主要成分為泥巖(部分為粉細(xì)砂巖)，平均厚度為10.9 m。直接底主要成分為泥巖(局部細(xì)砂巖)，平均厚度為6.3 m。

(a)各工作面位置

(b)綜合柱狀圖圖1　各工作面位置與綜合柱狀圖

2　瓦斯壓力的采動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型的建立

數(shù)值模擬采用COMSOL的多孔彈性模塊，模型長300 m，高180 m，為消除邊界效應(yīng)，模擬工作面從距模型左邊界100 m處開始開采，步長10 m，模擬煤層開采0～100 m的過程中采動(dòng)應(yīng)力、瓦斯壓力的變化規(guī)律。計(jì)算采用的參數(shù)如表1～2所示，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。煤層頂?shù)装鍨椴煌笟鈳r層。

應(yīng)力場邊界條件：模型左右邊界限制水平方向位移，底部邊界限制垂直方向位移，模型上部為載荷邊界條件，根據(jù)埋深計(jì)算上部邊界載荷為10 MPa。瓦斯?jié)B流邊界條件：瓦斯僅在煤層內(nèi)流動(dòng)，初始瓦斯壓力為0.3 MPa，煤層開采后暴露處的瓦斯壓力為0.1 MPa，其他邊界的瓦斯流量為0。

表1　巖體力學(xué)參數(shù)

表2　滲流計(jì)算參數(shù)

圖2　計(jì)算模型

2.2采動(dòng)應(yīng)力場分布及演化特征

圖3為煤層開采前垂直應(yīng)力分布云圖，圖4為煤層逐步開采過程中垂直應(yīng)力云圖及其變化規(guī)律。

寬度/m圖3　煤層開采前應(yīng)力分布云圖

寬度/m(a)開采20 m

寬度/m(b)開采60 m

寬度/m(c)開采80 m圖4　不同開采距離下垂直應(yīng)力云圖

由圖3可知，煤層開采前，圍巖應(yīng)力處于靜態(tài)平衡狀態(tài)，應(yīng)力均勻分布，無應(yīng)力集中和卸壓區(qū)域。隨埋深的增加，應(yīng)力以一定的應(yīng)力梯度逐漸增加，圍巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)很好的均勻性。

由圖4可知，在煤層開采過程中，原巖應(yīng)力靜態(tài)平衡狀態(tài)被打破，圍巖受力狀態(tài)經(jīng)歷了由三向應(yīng)力狀態(tài)到兩向或單向受力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，開采空間周圍圍巖的應(yīng)力重新分布，應(yīng)力逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)移，在工作面前方煤體中產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)。隨著煤層的逐步開采，開采擾動(dòng)強(qiáng)度和擾動(dòng)影響范圍逐漸增大，應(yīng)力集中程度隨開采擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而逐漸增大，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.68， 1.95， 2.13， 2.14，2.19，2.2，2.19，2.3，2.33，2.08，最大應(yīng)力峰值系數(shù)為2.33。

在煤層的逐步開采過程中，工作面前方的煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷了由原巖應(yīng)力狀態(tài)到應(yīng)力集中再到應(yīng)力降低的轉(zhuǎn)變，可劃分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。在圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變和應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移的過程中，形成了應(yīng)力分布的非均勻性。在開采擾動(dòng)的作用下，應(yīng)力分布的非均勻性導(dǎo)致煤巖體中應(yīng)力分布局部集中和變形局部化，是引起裂隙萌生、擴(kuò)展、相互作用直至最后貫通破壞的根源。

(a)開采20 m

(b)開采60 m

(c)開采80 m圖5　不同開采距離下垂直應(yīng)力三維形態(tài)

由圖5可知，煤層開采后，煤巖體中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變，在工作面周圍巖體中呈現(xiàn)明顯且直觀的應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)和降低區(qū)隨著煤層的逐步開采不斷前移，采空區(qū)上覆巖層的卸壓范圍逐步增大，采場周圍煤巖體經(jīng)歷了應(yīng)力集中區(qū)和降低區(qū)不斷前移、采空區(qū)上覆巖層卸壓范圍逐步增大的動(dòng)態(tài)演化過程。在煤層逐步開采的過程中，工作面前方煤體中產(chǎn)生了單駝峰狀的峰值區(qū)域，隨著煤層的持續(xù)開采，工作面前方煤體內(nèi)始終存在單駝峰狀形態(tài)的應(yīng)力峰值區(qū)域，并不斷向前移動(dòng)。工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后降低并以單駝峰狀的應(yīng)力峰值區(qū)域逐漸向前移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過程。

煤層逐步開采的過程中，工作面前方煤巖體內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中使煤體發(fā)生剪切破壞，并伴隨有裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通，隨后應(yīng)力迅速降低，形成了較大的應(yīng)力梯度，工作面近場的煤體受到破壞，發(fā)展為層裂體，該區(qū)域煤體承載能力大大降低，在工作面處幾乎無承載能力。一般情況下，煤層開采引起的應(yīng)力狀態(tài)的緩慢改變，煤體釋放的彈性潛能不足以誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故，只有在高應(yīng)力和瓦斯壓力的前提下，并且工作面近場煤體的應(yīng)力狀態(tài)突然發(fā)生變化時(shí)，煤體釋放的彈性潛能才可能誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害事故。因此，工作面近場煤體的破壞是應(yīng)力主導(dǎo)型的破壞，易于發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害，該區(qū)域是煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的重點(diǎn)防控區(qū)域。

2.3瓦斯壓力演化特征采動(dòng)響應(yīng)

圖6為煤層開采前及開采穩(wěn)定后瓦斯壓力曲線，圖7為煤層逐步開采過程中瓦斯壓力變化曲線。

圖6　煤層開采前后瓦斯壓力曲線

圖7　不同開采距離下瓦斯壓力變化曲線

由圖6～7可知，煤層開采前，瓦斯在煤層中處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，瓦斯壓力在煤層內(nèi)呈現(xiàn)均勻性分布。

在煤層開采過程中，瓦斯在煤層中的平衡狀態(tài)被打破，瓦斯發(fā)生非均衡性流動(dòng)，在工作面前方煤體中產(chǎn)生瓦斯壓力局部集中和降低，瓦斯壓力集中程度隨開采擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而逐漸增大，在工作面近場區(qū)域，尤其是靠近工作面范圍內(nèi)煤層的瓦斯壓力迅速降低。在煤層的逐步開采過程中，工作面前方煤層內(nèi)的瓦斯壓力發(fā)生了由初始動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)到瓦斯壓力逐漸升高再到瓦斯壓力迅速降低的轉(zhuǎn)變，大致可分為瓦斯壓力初始動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)階段、瓦斯壓力升高階段和瓦斯壓力迅速降低階段。工作面前方煤層內(nèi)的瓦斯壓力經(jīng)歷了先逐漸增大后迅速降低并隨煤層的開采逐漸向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過程。

煤層停止開采后，隨著時(shí)間的延長，瓦斯流動(dòng)場的范圍逐漸擴(kuò)大并最終趨于穩(wěn)定，瓦斯流動(dòng)速度逐漸降低，瓦斯壓力集中現(xiàn)象消失，瓦斯在煤層內(nèi)的賦存達(dá)到了一種新的穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

3　應(yīng)力演化對瓦斯壓力的影響作用分析

煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生是一個(gè)能量釋放的過程，受應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力、煤體的物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造條件等主要因素的制約。為分析上述主要影響因素對動(dòng)力災(zāi)害的貢獻(xiàn)程度，構(gòu)建動(dòng)力災(zāi)害多因素耦合定性分析判據(jù)

F=f(σ，p，M，G)

式中：σ為應(yīng)力狀態(tài)，MPa；p為瓦斯壓力，MPa；M為煤體的物理力學(xué)性質(zhì)；G為地質(zhì)構(gòu)造條件。

煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害主要的制約因素可分為主觀制約因素和客觀制約因素，對于某一具體的煤層而言，煤體的物理力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造條件是客觀存在的，屬于客觀制約因素，煤巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)和瓦斯壓力的變化是人為采掘擾動(dòng)引起的，屬于主觀制約因素。

在煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的過程中，應(yīng)力和瓦斯壓力是動(dòng)力災(zāi)害發(fā)動(dòng)、發(fā)展的動(dòng)力。煤層的開采方式、開采速度、頂?shù)装鍘r性等決定了開采的強(qiáng)度，不同的開采強(qiáng)度產(chǎn)生了不同的應(yīng)力分布特征，如圖8所示。

圖8　不同應(yīng)力集中程度下應(yīng)力變化規(guī)律

低應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體受到的采掘擾動(dòng)強(qiáng)度小，應(yīng)力變化緩慢，煤巖體受到破壞后釋放彈性潛能的速度較小，誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較小。

高應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體受到的采掘擾動(dòng)強(qiáng)度大，應(yīng)力變化較快，煤巖體受到破壞后釋放彈性潛能的速度較快，誘發(fā)煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較大。在應(yīng)力的演化過程中，煤巖體的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了連續(xù)—似連續(xù)—非連續(xù)—散體的演化過程。

瓦斯壓力的分布特征對煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生有較大的影響，不同開采強(qiáng)度條件下瓦斯壓力的分布規(guī)律如圖9所示。

圖9　不同開采強(qiáng)度下瓦斯壓力變化規(guī)律

采掘空間形成后，隨著煤壁暴露時(shí)間的延長，瓦斯流動(dòng)場范圍逐漸擴(kuò)大，煤體內(nèi)不容易形成較大的瓦斯壓力梯度。在瓦斯壓力均勻分布，無瓦斯富集的條件下，發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性小，當(dāng)煤體瞬間暴露形成較大的瓦斯壓力梯度時(shí)，容易發(fā)生煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害。

不同的開采強(qiáng)度引起了瓦斯壓力分布和流動(dòng)特征的不同。低應(yīng)力集中程度條件下，瓦斯壓力變化平緩，煤巖體內(nèi)積聚的瓦斯內(nèi)能也相對較小，誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較??；高應(yīng)力集中程度條件下，瓦斯壓力變化明顯，煤巖體內(nèi)積聚的瓦斯內(nèi)能較大，煤巖體破壞后釋放的瓦斯內(nèi)能較大，誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性較大。

根據(jù)上述分析，基于煤巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯壓力、煤體的物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等主要影響因素，對煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性進(jìn)行定性分析。

煤與瓦斯突出動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生受多種因素的制約。對于地質(zhì)構(gòu)造簡單、瓦斯壓力和瓦斯含量小、煤體強(qiáng)度較大的煤層，在低應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體內(nèi)積聚的彈性潛能和瓦斯內(nèi)能較小，釋放能量的時(shí)間較長，誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性?。粚τ诘刭|(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯壓力和瓦斯含量大、煤體強(qiáng)度較小的煤層，在高應(yīng)力集中程度條件下，煤巖體內(nèi)積聚的彈性潛能和瓦斯內(nèi)能較大，若能量瞬間釋放，則誘發(fā)瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性大。

在高應(yīng)力集中程度條件下，對于低瓦斯壓力、低瓦斯含量的煤層，尤其是當(dāng)采掘空間較大時(shí)，如回采工作面，主要是應(yīng)力起主導(dǎo)作用，其它因素在一定程度上促進(jìn)煤巖體發(fā)生剪切破壞，易誘發(fā)應(yīng)力主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害；對于高瓦斯壓力、高瓦斯含量的煤層，在高應(yīng)力集中程度條件下，在動(dòng)力災(zāi)害前期階段，應(yīng)力與瓦斯共同作用使煤體變形、屈服、破壞，并影響煤體內(nèi)部裂隙系統(tǒng)的閉合與開放；在發(fā)展階段，瓦斯與應(yīng)力聯(lián)合對煤體進(jìn)行剝離、破碎；后期階段完全由瓦斯作用來完成，應(yīng)力基本不起作用，易于誘發(fā)應(yīng)力-瓦斯共同作用主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害。

4　小結(jié)

1) 在煤層的逐步開采過程中，產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)和降低區(qū)，工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后降低并以單駝峰狀的應(yīng)力峰值區(qū)域逐漸向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過程。

2) 煤層開采后，在工作面前方煤體中出現(xiàn)了瓦斯壓力局部集中和降低，瓦斯壓力經(jīng)歷了先逐漸增大后迅速降低并隨煤層的開采逐漸向前規(guī)律性移動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化過程。

3) 構(gòu)建了動(dòng)力災(zāi)害多因素耦合定性分析判據(jù)，根據(jù)各因素對動(dòng)力災(zāi)害的貢獻(xiàn)程度，可分為應(yīng)力主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害和應(yīng)力-瓦斯共同作用主導(dǎo)型的動(dòng)力災(zāi)害。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Research on Mining Stress Response Characteristics ofGas Pressure in Coal Seam

MA Hai-feng1,2,3

(1. School of Mining and Safety Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China;2. Key Laboratory of Safety and High-efficiency Coal Mining, Ministry of Education, Huainan,Anhui 232001, China; 3. The Provincial Key Laboratory of Mining Effects and Disasters Preventing Under Deep Mining, Huainan, Anhui 232001,China)

Gas pressure is one of the main factors liable to the coal and gas outburst and dynamic disasters. In order to obtain the mining stress response characteristics of gas pressure in coal seam, the paper researched the mining stress response laws of gas pressure by using the methods of numerical simulation and comprehensive analysis. The results show that gas pressure has mining stress response effect. There were partially raising and lowering of the phenomenon between stress and gas pressure in the process of mining, and the stress and gas pressure experienced a dynamic evolution, which first increased and then decreased and continued to move forward regularity with mining. The gas pressure was controlled by the evolution of the stress. Qualitative analysis of criterion of dynamic disasters multivariate factors coupling was built, and the types of dynamic disasters were analyzed, and it could be divided into stress-oriented dynamic disasters and stress-gas joint action-oriented dynamic disasters.

gas pressure; mining stress; response; dynamic disasters

2016-01-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51504005)；安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL41)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KJ2015A091)

馬海峰(1984-)，男，安徽淮北人，講師，博士，研究方向：礦山壓力及巖層控制。

TD323

A

1672-1098(2016)03-0020-06