掘進(jìn)擾動(dòng)下斷層帶煤體瓦斯異常分布特征研究

周 勇，馬桂霞，周愛桃，劉賽菲

（1.國(guó)家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏海 016099；2.德礦事業(yè)（北京）科技有限公司，北京 100086；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

煤與瓦斯突出危害性大，突發(fā)性強(qiáng)，是煤礦開采中最為嚴(yán)重的煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一[1]。而我國(guó)大部分是富含瓦斯的石炭、二疊紀(jì)煤層，高瓦斯和煤與瓦斯突出煤層多，這也導(dǎo)致我國(guó)成為世界上煤與瓦斯突出災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家[2]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，煤與瓦斯突出發(fā)生的地點(diǎn)在掘進(jìn)工作面的概率高達(dá)70%～80%[3]。從前人針對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理的研究現(xiàn)狀來看，普遍認(rèn)為[4-8]：受掘進(jìn)應(yīng)力的影響，前方煤體物理力學(xué)性質(zhì)及滲透率發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯場(chǎng)發(fā)生改變。煤巖體破壞影響煤基質(zhì)和裂隙內(nèi)部瓦斯運(yùn)移規(guī)律，同樣其也是煤與瓦斯突出的能量來源。當(dāng)煤體內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到一定的強(qiáng)度且具有較大的瓦斯壓力梯度，就將具備較高的煤與瓦斯突出性。

同時(shí)在巷道掘進(jìn)過程中，斷層影響區(qū)發(fā)生煤與瓦斯突出的概率又遠(yuǎn)超其他區(qū)域，且造成的危害更大[9]。因此，對(duì)于斷層帶的存在對(duì)煤與瓦斯突出的影響機(jī)制方面，前人們也進(jìn)行了諸多研究，得到了許多能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)的成果。程遠(yuǎn)平等[10]、涂慶毅[11]、舒龍勇[12]、高魁[13]等以斷層附近構(gòu)造煤為研究對(duì)象，從地質(zhì)結(jié)合構(gòu)造演化及應(yīng)力場(chǎng)角度研究構(gòu)造煤綜合因素對(duì)煤與瓦斯突出的控制機(jī)理；姜耀東等[14]、任政等[15]、郭曉強(qiáng)等[16]、王愛文等[17]、郭德勇等[18]以采掘擾動(dòng)誘發(fā)的斷層活化為研究對(duì)象，分析斷層活化過程，提出突出過程中的黏滑失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)一步挖掘斷層活化誘發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的黏滑失穩(wěn)機(jī)理；Yao Yanbin 等[19]、魏國(guó)營(yíng)等[20]、Cheng Zhai 等[21]、高魁等[22]從瓦斯地質(zhì)及瓦斯賦存規(guī)律入手，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化理論，研究了不同型式構(gòu)造活動(dòng)對(duì)瓦斯地質(zhì)特征、瓦斯賦存及煤與瓦斯突出的控制機(jī)理。

斷層是煤礦開采中最常見的地質(zhì)構(gòu)造，在地質(zhì)學(xué)中也有較多的研究，通常具有特定的結(jié)構(gòu)，包括斷層核心區(qū)和損傷區(qū)域[23-24]。斷層核心區(qū)域通常為低滲透充填的斷層泥，通常是阻礙瓦斯運(yùn)移的屏障。而斷層損傷區(qū)內(nèi)部遍布大量的裂縫和斷裂帶，通常是瓦斯運(yùn)移的通道，斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)性[25-26]。

從研究現(xiàn)狀來看，在掘進(jìn)工作面前方遇斷層是發(fā)生煤與瓦斯突出概率最高的地質(zhì)條件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。但大多研究或是集中在以構(gòu)造煤為研究對(duì)象，或?qū)⑵浜?jiǎn)化成接觸面，都忽略了斷層復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此無法準(zhǔn)確系統(tǒng)地描述斷層帶內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)及瓦斯運(yùn)移變化對(duì)誘發(fā)掘進(jìn)面煤與瓦斯突出的影響機(jī)制。由于斷層帶內(nèi)部這種顯著的宏觀各向異性，會(huì)控制內(nèi)部瓦斯的運(yùn)移方向，使瓦斯運(yùn)移主要集中在斷層核兩側(cè)的損傷區(qū)域內(nèi)，傾向于平行于斷層面運(yùn)移[27]。為此，基于斷層帶滲透性宏觀上的各向異性，將斷層看成橫向各向同性，揭示煤巷掘進(jìn)前方非均質(zhì)斷層帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律及其對(duì)煤與瓦斯突出事故的誘發(fā)機(jī)制。

1 基于斷層帶結(jié)構(gòu)異性的滲透模型

1.1 斷層帶結(jié)構(gòu)異性概念模型

斷層斷裂帶結(jié)構(gòu)往往伴隨長(zhǎng)時(shí)間的構(gòu)造發(fā)育期，是逐漸而非某次劇烈變化形成的，這也是斷裂帶結(jié)構(gòu)在幾何空間上復(fù)雜性的原因。斷層斷裂帶是具有一定寬度、長(zhǎng)度、高度的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)體。對(duì)于斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的概念模型，是在近20 年里發(fā)展起來，是典型的二元結(jié)構(gòu)，即損傷區(qū)域和內(nèi)嵌的斷層內(nèi)核[28]。它涉及斷層核的應(yīng)變，且在斷層核周圍是布滿裂縫和斷裂帶的損傷區(qū)域。斷層核是指由斷層滑動(dòng)面、構(gòu)造透鏡體和斷層巖充填部分組成的剪切帶，是強(qiáng)烈區(qū)域應(yīng)變和剪切的結(jié)果[29]。根據(jù)斷層核的數(shù)量不同，又可將斷層分為以龐奇博爾（Punchbowl）斷層為代表的單斷層核斷層破碎帶和以卡沃內(nèi)拉斯（Carboneras）斷層為代表的多斷層核的復(fù)合斷層破碎帶。損傷區(qū)域是指斷層核外側(cè)的低序次構(gòu)造（包括導(dǎo)致斷層斷裂帶的滲透性和力學(xué)特性的非均質(zhì)性的次級(jí)斷層褶皺發(fā)育帶、裂隙和巖脈等）切割圍巖形成的異常區(qū)域[30]。典型斷裂帶構(gòu)造示意圖如圖1。

圖1 典型斷裂帶構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic diagrams of typical fault zone structure

斷層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性是導(dǎo)致斷層內(nèi)部力學(xué)特征及滲透特性非均質(zhì)性的主要原因。重點(diǎn)研究基于斷層結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的各向異性滲透模型及瓦斯運(yùn)移規(guī)律，并進(jìn)一步研究其對(duì)煤與瓦斯突出的影響作用機(jī)制。利用前人在建立數(shù)學(xué)微分方程所時(shí)依據(jù)的合理假設(shè)和定律，在模型建立之前做出以下必要假設(shè)：①煤體物理結(jié)構(gòu)是各向同性的，為雙孔隙-彈性連續(xù)體；②孔隙內(nèi)瓦斯為理想氣體，且在煤體中的流動(dòng)遵循達(dá)西定律；③條件是等溫的；④將斷層簡(jiǎn)化為理想的橫向各向同性彈塑性體模型。

1.2 橫向各向同性斷層滲透率模型

地層的各向異性通常分為4 個(gè)大類，分別是：三斜各向異性、單斜各向異性、正交各向異性和橫向各向同性[31]。斷層內(nèi)部具有明顯的宏觀各向異性，具有良好的分層結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)橫向各向同性特征。橫向各向同性具有以下3 個(gè)特征：①關(guān)于垂直于橫向各向同性平面的軸軸對(duì)稱；②橫向平面是具有對(duì)稱性的無限平面，沿著對(duì)稱軸方向上的力學(xué)及滲透性質(zhì)不同；③在包含對(duì)稱軸的面上，各個(gè)方向的力學(xué)及滲透性質(zhì)相同。其中，具有垂直對(duì)稱軸的橫向各向同性地層稱為VTI 地層，傾斜對(duì)稱軸的橫向各同性地層稱為TTI 地層[32]，橫向各向同性地層如圖2。其中VTI 地層是當(dāng)對(duì)稱軸與z 軸夾角θ=0 時(shí)TTI 地層的1 種特殊情況。

圖2 橫向各向同性地層Fig.2 Transversely isotropic strata

假設(shè)垂直于斷層方向?yàn)? 個(gè)滲透率的主值方向，同時(shí)由于在每一個(gè)包含垂直于橫向各向同性平面的軸的平面內(nèi)，各方向的力學(xué)及滲透性質(zhì)相同，則規(guī)定其滲透率主值為Kz。因此，斷層帶滲透率橫向各向同性的三維問題就可以轉(zhuǎn)化為二維平面問題進(jìn)行研究分析。

在二維平面空間中，滲透率張量Kij表示為：

當(dāng)非均質(zhì)地層為VTI 地層時(shí)，可將式（1）進(jìn)行對(duì)角化處理，其中Kxy=Kyx，可得到對(duì)角線張量的表達(dá)式：

式中：Kx、Ky為滲透率的主值，對(duì)應(yīng)主滲流方向。

透率主值方向與滲透率分量方向的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化原理圖如圖3。

圖3 滲透率主值與滲透率分量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化原理圖Fig.3 Coordinate transformation principle diagram of permeability principal value and permeability component

根據(jù)轉(zhuǎn)化原理圖，可以求得滲透率主值與滲透率分量的關(guān)系[33]：

式中：θ 為轉(zhuǎn)化方位角，在已知滲透率主值與對(duì)應(yīng)方位角的情況下可以求得任意坐標(biāo)系下的滲透率分量。

1.3 含瓦斯煤流固耦合模型

1.3.1 基于雙重孔隙彈性理論的煤巖變形方程

考慮煤中吸附瓦斯及游離瓦斯對(duì)煤體變形及有效應(yīng)力的作用[34]，雙重孔隙介質(zhì)的應(yīng)力平衡方程為：

式中：σij，j為有效應(yīng)力張量，MPa；δij為Kroneker數(shù)；αf、αm為考慮裂隙和孔隙的有效應(yīng)力系數(shù)；pf、pm為裂隙和煤基質(zhì)孔隙中的氣體壓力，MPa；σs，i為氣體吸附膨脹應(yīng)力，MPa；Fi為體積力分量，MPa。

式中：K 為煤的體積模量，K=E/3（1－2μ），MPa；Km為煤基質(zhì)的體積模量，Km=Em/3（1－2μ），MPa；Ks為煤骨架的體積模量，Ks=Km/［1-3?m（1－μ）/（2－4μ）］，MPa；E 為煤體彈性模量，MPa；Em為煤基質(zhì)彈性模量，MPa；?m為煤基質(zhì)孔隙率；μ 為煤的泊松比。

對(duì)于各向同性連續(xù)介質(zhì)變形的幾何方程為[35]：

式中：ui，j、uj，i分別為軸向和徑向位移張量；εij為應(yīng)變張量。

基于均勻各向同性介質(zhì)在三維應(yīng)力作用下的變形遵循廣義胡克定律，含瓦斯煤的變形本構(gòu)方程為[36]：

式中：G 為煤的剪切模量，MPa，G=E/2（1＋υ）；εV為煤的體積應(yīng)變；δij為總應(yīng)力，MPa；εm為煤基質(zhì)的變形。

選取DP 準(zhǔn)則匹配Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則作為煤巖體屈服破壞準(zhǔn)則，破壞系數(shù)F 為。

式中：I1為應(yīng)力張量的第1 不變量；J2為應(yīng)力偏量的第2 不變量；C 為黏聚力；φ 為內(nèi)摩擦角。

1.3.2 煤基質(zhì)瓦斯擴(kuò)散控制方程

瓦斯在煤層中的擴(kuò)散主要為Fick 型擴(kuò)散，擴(kuò)散的原因是煤基質(zhì)孔隙中與煤體裂隙中氣體的濃度差。根據(jù)質(zhì)量平衡定律，單位時(shí)間內(nèi)微孔單元的質(zhì)量變化量等于煤微孔單元各方向上基質(zhì)與裂隙間擴(kuò)散輸送的氣體量。因此，煤基質(zhì)氣體質(zhì)量守恒方程可以表示為：

式中：Q 為煤微孔單元各方向上的基質(zhì)與裂隙間擴(kuò)散輸送的氣體量；t 為時(shí)間，s；mm為煤基質(zhì)孔隙中單位體積含氣量，包括孔隙吸附氣體量和游離氣體量[37]。

式中：VL為朗繆爾體積常數(shù)，m3/kg；Mg為甲烷的摩爾質(zhì)量，kg/mol；PL為L(zhǎng)angmuir 壓力常數(shù)，孔隙吸附量是最大吸附量的一半時(shí)的吸附平衡壓力，MPa；Vg為標(biāo)準(zhǔn)條件下甲烷的摩爾體積，m3/mol；ρc為煤的視密度，kg/m3；?m為煤基質(zhì)孔隙率；R 為理想氣體含量，8.314 3 J/（mol·K）；T 為煤體溫度，K。

而煤基質(zhì)瓦斯向裂隙擴(kuò)散的源項(xiàng)通量可由下式表示[38]：

式中：τ 為吸附時(shí)間，h。

聯(lián)立式（10）～式（12）可得煤基體瓦斯壓力隨時(shí)間的變化控制方程為[39]：

1.3.3 瓦斯?jié)B流控制方程

對(duì)于瓦斯在煤中的運(yùn)移，一般認(rèn)為煤裂隙是瓦斯的滲流通道，裂隙中的瓦斯運(yùn)移可以認(rèn)為遵循達(dá)西定律。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)于單位體積的煤，單位時(shí)間內(nèi)流出裂縫系統(tǒng)的氣體質(zhì)量與在煤基質(zhì)系統(tǒng)中擴(kuò)散的氣體質(zhì)量之和等于裂縫系統(tǒng)中自由氣體的質(zhì)量隨時(shí)間的變化量。因此，煤層中瓦斯運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程可以表示為：

式中：v 為裂縫中氣體的滲流速度，m/s；u 為氣體的動(dòng)力黏度，Pa·s；ρg為氣體密度，kg/m3；?f為煤的孔隙度；kf為煤滲透率，mD（1 mD=40 m2/（MPa2·d）。

結(jié)合式（12）、式（15）、式（16）代入到式（14）中可以得出裂縫中瓦斯流動(dòng)的控制方程可以表示為：

1.3.4 掘進(jìn)應(yīng)力影響下多應(yīng)力路徑滲透率模型

考慮了氣體對(duì)煤體介質(zhì)的力學(xué)響應(yīng)和多孔介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的變化對(duì)氣體運(yùn)移特性的影響。由于煤是雙重孔隙介質(zhì)模型，當(dāng)考慮瓦斯吸附引起的膨脹應(yīng)力時(shí)，含瓦斯煤的有效應(yīng)力模型就可表示為：

式中：σeij、σij分別為有效應(yīng)力張量和總應(yīng)力張量，MPa；σs為吸附膨脹應(yīng)力，MPa。

σs可以表示為[40]：

式中：a 為參考?jí)毫ο碌臉O限吸附量，m3/t；b 為煤的吸附平衡常數(shù)，MPa-1；ρc為煤的密度，t/m3；Vm為氣體摩爾體積，m3/mol，取22.4×10-3m3/mol。

當(dāng)受巷道掘進(jìn)引起的集中應(yīng)力影響時(shí)，煤體受到屈服應(yīng)力作用，由彈性階段進(jìn)入塑性階段。由于煤體內(nèi)部發(fā)生塑性破壞，裂隙開始擴(kuò)展。在此階段，煤體滲透性呈現(xiàn)突變趨勢(shì)，進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段后逐漸穩(wěn)定。煤在上述過程中的滲透率演化非常復(fù)雜，很難通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到滲透率模型。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和前人的研究結(jié)果，假定裂隙數(shù)目與偏應(yīng)力滿足簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，得出在掘進(jìn)應(yīng)力影響下多應(yīng)力路徑的孔隙率及滲透率演化模型[36]：

式中：kf0、?f0為初始滲透率和孔隙度，mD；p0為煤初始瓦斯壓力；σ1、σ3為最大最小主應(yīng)力；σ0為初始地應(yīng)力；γ′為煤體新生裂隙數(shù)目對(duì)偏應(yīng)力的敏感性；f 為有效煤基質(zhì)變形因子，0～1；εL為煤體Langmuir 應(yīng)變常數(shù)；△σ 為外部應(yīng)力變化量，MPa；σ0為初始地應(yīng)力；p0為煤初始瓦斯壓力。

2 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 幾何模型

建立了考慮有效應(yīng)力和煤吸附膨脹變形作用的煤層滲透率方程、非均質(zhì)斷層區(qū)域的各向異性滲透率方程、含瓦斯煤變形控制方程和雙重孔隙的煤體瓦斯運(yùn)移方程的氣固耦合模型。由于所涉及方程較多又具有很強(qiáng)的非線性，因此整個(gè)解算過程中，煤巖應(yīng)力應(yīng)變及屈服過程等問題采用COMSOL 中固體力學(xué)模塊求解，瓦斯擴(kuò)散和滲流過程等問題采用偏微分方程PDE 模塊求解，煤與瓦斯間的相互作用通過模塊間參數(shù)傳遞進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析采掘工作面前方煤體受非均質(zhì)斷層影響表現(xiàn)出的力學(xué)及瓦斯運(yùn)移響應(yīng)。模型以含斷層煤層為背景，并通過簡(jiǎn)化煤層結(jié)構(gòu)建立的二維掘進(jìn)面前方遇斷層的幾何模型如圖4。

圖4 數(shù)值計(jì)算幾何模型及邊界條件Fig.4 Numerical calculation geometric model and boundary conditions

模型全區(qū)域在垂直方向高30 m，水平方向上寬45 m。煤層區(qū)域位于2 個(gè)巖層之間，煤厚6 m。斷層區(qū)域?qū)?5 m，斷層落差為3 m，斷層傾角為53°，斷層類型為正斷層。圖中自由度數(shù)目為16 556；網(wǎng)格單元數(shù)4 087；邊界單元數(shù)367；頂點(diǎn)元素?cái)?shù)18；最小單元質(zhì)量0.596 7；單元面積比0.036 06；平均單元質(zhì)量為0.875 7。COMSOL 中用質(zhì)量為1 來描述理想單元，在二維幾何中，一般要求最小網(wǎng)格質(zhì)量為0.3 以上，該模型網(wǎng)格劃分滿足要求。

2.2 邊界條件

1）應(yīng)力場(chǎng)邊界條件。煤層和頂?shù)装鍍?nèi)部邊界采用自由邊界條件；模型底部邊界采用固定約束；左右兩側(cè)邊界采用輥支承約束，固定橫向位移；上部邊界設(shè)定為應(yīng)力邊界，應(yīng)力為上邊界承受的上覆巖層的自重力。

2）滲流場(chǎng)邊界條件。工作面前方暴露煤壁采用Dirichlet 邊界條件：瓦斯壓力為0.1 MPa(大氣壓)；煤層內(nèi)部初始瓦斯壓力為1.8 MPa；其他邊界均設(shè)定為0 通量的Neumann 邊界條件：np=q（n 為邊界的法向量；p 為外部壓力；q 為流通量）。模型所涉及的其他物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 某礦5#煤基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters of 5#coal in a mine

2.3 模擬方案

工況方案：在采掘工作面位于斷層附近處，煤層初始瓦斯壓力為1.8 MPa 時(shí)，分析煤體的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)以及非均質(zhì)斷層對(duì)煤基質(zhì)瓦斯壓力、裂隙瓦斯壓力以及滲透率的影響變化規(guī)律，并將其與均質(zhì)斷層進(jìn)行對(duì)比分析。最后得出非均質(zhì)斷層對(duì)煤體的應(yīng)力場(chǎng)及瓦斯運(yùn)移響應(yīng)的影響規(guī)律。

3 煤礦區(qū)煤層掘進(jìn)的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)分析

3.1 掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力及位移物理場(chǎng)分布

埋深恒定（300 m），煤體溫度恒定（303.15 K），且煤層掘進(jìn)5 m 時(shí)，當(dāng)煤層內(nèi)部瓦斯壓力為1.8 MPa 時(shí)上覆巖層及暴露面前方煤體的等效應(yīng)力、垂直應(yīng)力、垂直位移及塑性應(yīng)變變化云圖如圖5。

圖5 掘進(jìn)暴露面前方各力學(xué)物理參數(shù)分布Fig.5 Distribution of mechanical and physical parameters in front of tunneling exposure surface

由圖5 可以看出，煤層開挖后，工作面前方煤體及頂?shù)装鍛?yīng)力平衡被打破。受采動(dòng)影響，采掘暴露面前方煤體依次劃分為應(yīng)力卸載帶、應(yīng)力集中帶和原巖應(yīng)力帶。由圖5（a）、圖5（b）可以看出沿采掘工作面前方，采空區(qū)上覆巖層及底板巖層出現(xiàn)應(yīng)力卸壓帶，上覆巖層壓力轉(zhuǎn)移到由采掘工作面前方煤體承擔(dān)，出現(xiàn)應(yīng)力集中帶，同時(shí)煤體的破壞呈球殼狀，且距離采掘暴露面大約3～4 m 處出現(xiàn)應(yīng)力峰值，垂直應(yīng)力峰值處于應(yīng)力集中帶內(nèi)；由圖5（c）可以看出，隨著采掘工作面從開切眼的不斷推進(jìn)，煤層上方覆巖出現(xiàn)不同程度的沉降值，從圖中明顯可以看出煤層頂板沉降值在采空區(qū)上方最大，隨煤體走向逐漸減小。在采掘過程中煤層底板也會(huì)出現(xiàn)一定的下沉量，但與煤層頂板相比明顯較?。挥蓤D5（d）可以看出，受采掘擾動(dòng)影響，暴露面前方煤體的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，煤體會(huì)產(chǎn)生屈服破壞，出現(xiàn)塑性變形。從圖中可以看出煤體塑性變形區(qū)域的范圍大概延續(xù)到采掘暴露面前方5 m 處。且在煤層與斷層的交界面處由于兩者力學(xué)特性的強(qiáng)弱差異，出現(xiàn)塑性區(qū)階躍的現(xiàn)象。煤體應(yīng)力、破壞程度的改變以及斷層的影響都會(huì)對(duì)煤體滲透特性產(chǎn)生較大的變化，從而進(jìn)一步控制瓦斯壓力及瓦斯運(yùn)移的變化。

3.2 掘進(jìn)工作面前方（含斷層帶）瓦斯分布

為了分析受采掘擾動(dòng)以及非均質(zhì)斷層的影響，煤基質(zhì)、裂隙瓦斯壓力以及煤層滲透率的影響變化規(guī)律，以暴露面中心點(diǎn)起，沿?cái)鄬訋ё呦颍帘┞睹媲胺?0 m 煤層中心點(diǎn)止作為觀測(cè)線，如圖4 中所示黃線位置。煤層開挖5 m 后煤壁前方滲透率，煤基質(zhì)、裂隙瓦斯壓力，塑性應(yīng)變和體積應(yīng)變隨著與暴露面距離變化的演化規(guī)律如圖6。

圖6 滲透率、裂隙瓦斯壓力、塑性應(yīng)變和體積應(yīng)變從暴露面煤壁到右邊界的變化規(guī)律Fig.6 Variation of permeability, gas pressure in fracture,plastic strain and volumetric strain from exposed coal wall to right boundary

由圖6 可以看出，受采動(dòng)影響，越靠近暴露面煤壁，煤體塑性應(yīng)變?cè)酱螅w積應(yīng)變?cè)酱?，?dǎo)致煤體裂隙孔隙的突增，使煤體滲透率呈現(xiàn)幾十甚至幾百倍的增長(zhǎng)。沿煤層走向方向，在應(yīng)力集中帶內(nèi)，會(huì)受到應(yīng)力集中對(duì)煤體的壓縮變形作用，煤體逐漸被壓實(shí)，體積應(yīng)變降低到最小值。隨著煤層走向逐漸到原巖應(yīng)力帶，應(yīng)力逐漸減少，體積應(yīng)變出現(xiàn)回升現(xiàn)象，最終回升到1 個(gè)穩(wěn)定值。煤層滲透率的變化與采掘應(yīng)力及煤體塑性變形之間具有密切的關(guān)系，在鄰近采掘暴露面煤壁附近，未受到水平方向的約束，致使?jié)B透率達(dá)到峰值。在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，由于應(yīng)力集中裂隙發(fā)生閉合，導(dǎo)致滲透率降低，在應(yīng)力峰值處降至最低。同時(shí)在應(yīng)力峰值附近出現(xiàn)屈服破壞，沿煤層走向應(yīng)力逐漸降低，逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力值，滲透率出現(xiàn)小幅上升。在未受采動(dòng)影響的原巖應(yīng)力區(qū)域，滲透率恢復(fù)至初始值。斷層帶內(nèi)滲透率出現(xiàn)先升高然后激降，再激增，最后緩降的現(xiàn)象。這是由于受到斷層核附近的異常高應(yīng)力集中及其內(nèi)部分布著大量低滲透性斷層泥的影響，致使?jié)B透率出現(xiàn)從斷層帶兩側(cè)損傷區(qū)域到斷層核過渡的驟降現(xiàn)象，使得斷層核成為阻礙瓦斯向采掘空間逸散的封閉空間。斷層核內(nèi)部滲透率為6.438 3×10-18m2明顯低于煤層滲透率，約為煤層初始滲透率的1/7 倍。而作為瓦斯運(yùn)移通道的斷層損傷區(qū)內(nèi)部滲透率卻要高于煤層滲透率。煤基質(zhì)和裂隙瓦斯壓力在暴露面附近均為大氣壓，且都沿著煤層走向增加，最終至原巖應(yīng)力區(qū)恢復(fù)至初始瓦斯壓力。鄰近掘進(jìn)暴露面附近煤基質(zhì)和裂隙都具有較大的瓦斯壓力梯度，且沿煤層走向至卸壓區(qū)，兩者瓦斯壓力梯度都會(huì)降低，同時(shí)煤層滲透率較大，安全性較高。應(yīng)力集中帶內(nèi)瓦斯壓力梯度增加，煤基質(zhì)和裂隙瓦斯壓力梯度都大于卸壓區(qū)，且煤體受集中應(yīng)力及塑性變形影響，滲透率較低，蘊(yùn)育煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性較高。雖然煤基質(zhì)和裂隙具有一致的瓦斯壓力分布，但裂隙系統(tǒng)明顯具有較強(qiáng)的滲流能力，煤基質(zhì)中的瓦斯解吸運(yùn)移速度較慢，可以一直向裂隙系統(tǒng)中提供瓦斯來源，使煤體能夠保持較高的瓦斯壓力梯度。在斷層帶內(nèi)，瓦斯壓力梯度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，且斷層核相較于斷層帶兩側(cè)損傷區(qū)域瓦斯壓力梯度明顯較大。此時(shí)，若將斷層帶區(qū)域看成均質(zhì)性斷層，就會(huì)得出發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性概率降低的結(jié)論，但這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況明顯不符。

3.3 橫向各向同性斷層對(duì)突出的影響作用機(jī)制

為研究非均質(zhì)斷層與均質(zhì)斷層對(duì)煤與瓦斯突出不同的影響程度，分別采用非均質(zhì)橫向各向同性滲透率模型和均質(zhì)滲透率模型對(duì)斷層滲透特性進(jìn)行描述，將兩者影響下的煤體瓦斯壓力進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得出不同滲透率模型對(duì)突出的影響作用機(jī)制。不同斷層性質(zhì)影響下裂隙瓦斯壓力分布云圖如圖7，不同斷層性質(zhì)影響下煤基質(zhì)瓦斯壓力分布云圖如圖8，不同斷層性質(zhì)影響下裂隙瓦斯壓力及煤基質(zhì)瓦斯壓力變化規(guī)律圖如圖9。

圖7 不同斷層性質(zhì)影響下裂隙瓦斯壓力分布云圖Fig.7 Diagrams of fracture gas pressure distribution under the influence of different fault properties

圖8 不同斷層性質(zhì)影響下煤基質(zhì)瓦斯壓力分布云圖Fig.8 Distribution diagrams of coal matrix gas pressure under the influence of different fault properties

圖9 不同斷層性質(zhì)影響下瓦斯壓力變化規(guī)律圖Fig.9 Gas pressure variation under the influence of different fault properties

煤層中瓦斯壓力梯度的大小對(duì)煤與瓦斯突出具有至關(guān)重要的作用，瓦斯壓力梯度越大，煤與瓦斯突出事故就越易發(fā)生。圖7（a）、圖8（a）中斷層帶內(nèi)瓦斯壓力等值線沿?cái)鄬觾A向分布，而圖7（b）、圖8（b）中斷層帶內(nèi)瓦斯壓力等值線沿垂直于斷層走向分布。由圖9 可以看出，從掘進(jìn)暴露面至斷層帶左側(cè)損傷區(qū)域范圍內(nèi)，考慮均質(zhì)斷層的煤層內(nèi)裂隙及煤基質(zhì)瓦斯壓力大于考慮非均質(zhì)斷層的煤層內(nèi)的裂隙及煤基質(zhì)瓦斯壓力，但進(jìn)入斷層區(qū)域后兩者的瓦斯壓力大小值將迅速實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，這是由于斷層核附近高應(yīng)力集中區(qū)的存在，使得斷層核成為1 個(gè)阻礙瓦斯逃逸的封閉空間，在斷層核區(qū)域，由于斷層核的封閉作用，使斷層核內(nèi)煤巖體中儲(chǔ)存的瓦斯、后方損傷區(qū)域以及煤體中的瓦斯向采掘工作面中的擴(kuò)散受到嚴(yán)重阻礙，積聚較高的瓦斯內(nèi)能，從而產(chǎn)生壓力梯度突增的現(xiàn)象，使得在斷層帶內(nèi)非均質(zhì)斷層的瓦斯壓力梯度大于均質(zhì)斷層的瓦斯壓力梯度。在斷層帶區(qū)域范圍內(nèi)，非均質(zhì)斷層帶內(nèi)的裂隙瓦斯壓力從1.09 MPa 增加到1.78 MPa，煤基質(zhì)瓦斯壓力從1.11 MPa 增加到1.78 MPa，斷層區(qū)域內(nèi)整體瓦斯壓力梯度為0.043、0.042 MPa/m。且瓦斯壓力梯度在斷層帶內(nèi)呈現(xiàn)由斷層損傷區(qū)先降低至斷層核區(qū)域，而后突增，在緩步降低的趨勢(shì)。均質(zhì)斷層帶內(nèi)的裂隙瓦斯壓力從1.18 MPa 增加到1.72 MPa，煤基質(zhì)瓦斯壓力從1.2 MPa 增加到1.73 MPa，斷層區(qū)域整體瓦斯壓力梯度為0.033 75、0.033 MPa/m，小于非均質(zhì)斷層帶內(nèi)的瓦斯壓力梯度，且瓦斯壓力梯度呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(shì)。

煤層瓦斯壓力梯度的大小取決于瓦斯的擴(kuò)散速度和煤層的滲透性，所以在含斷層的煤層中，斷層影響區(qū)內(nèi)往往會(huì)出現(xiàn)較大的瓦斯壓力梯度。同時(shí)斷層區(qū)域由于斷層核的封閉性能，導(dǎo)致透氣性又較低，因此在巷道掘進(jìn)過程中，煤與瓦斯突出事故經(jīng)常發(fā)生在斷層的影響區(qū)域內(nèi)。為了減少煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，應(yīng)盡可能對(duì)斷層內(nèi)部滲透率及力學(xué)性質(zhì)的各向異性進(jìn)行深入研究，更好地掌握斷層對(duì)煤體采動(dòng)破壞及瓦斯運(yùn)移影響變化規(guī)律，并采取一系列有效的措施增加煤層的滲透性，降低煤層的瓦斯壓力梯度。

4 結(jié) 論

1）以煤巷掘進(jìn)為背景，結(jié)合受掘進(jìn)應(yīng)力影響下的滲透率、孔隙率動(dòng)態(tài)方程、含瓦斯煤流固動(dòng)態(tài)耦合模型以及基于三角函數(shù)建立的非均質(zhì)斷層帶橫向各向同性滲透率模型，植入COMSOL 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行結(jié)算，得出煤巷暴露面前方煤體滲透率和煤基質(zhì)、裂隙瓦斯壓力的演化規(guī)律。

2）根據(jù)模型結(jié)算結(jié)果，煤層滲透率的變化主要影響因素是采掘應(yīng)力及煤體塑性變形。在應(yīng)力卸壓帶、應(yīng)力集中帶以及斷層帶影響區(qū)域滲透率波動(dòng)較大，斷層核處滲透率降至煤層初始滲透率的1/7，達(dá)到最小值為6.438 3×10-18m2；煤基質(zhì)和裂隙瓦斯壓力從暴露面大氣壓沿煤層走向呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)。瓦斯壓力梯度在暴露面達(dá)到峰值，應(yīng)力集中帶瓦斯壓力梯度高于卸壓帶，且滲透率較低，發(fā)生煤與瓦斯突出危險(xiǎn)強(qiáng)。

3）采用非均質(zhì)橫向各向同性滲透率模型對(duì)斷層滲透特性進(jìn)行描述時(shí)，斷層帶內(nèi)裂隙及煤基質(zhì)瓦斯壓力梯度分別為0.043、0.042 MPa/m，明顯高于用均質(zhì)滲透率模型對(duì)斷層滲透特性描述時(shí)的瓦斯壓力梯度，更容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。斷層影響區(qū)瓦斯壓力梯度大，透氣性低，進(jìn)一步驗(yàn)證了在巷道掘進(jìn)過程中，斷層影響區(qū)是最易發(fā)生煤與瓦斯突出事故的區(qū)域這一結(jié)論。