高 魁，劉澤功，劉 健

(1. 安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

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復(fù)合構(gòu)造帶煤與瓦斯突出發(fā)生的數(shù)值模擬及案例分析

高 魁1,2，劉澤功1,2，劉 健1,2

(1. 安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

為深入研究地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤與瓦斯突出的發(fā)生機理,通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)復(fù)合構(gòu)造帶逆斷層的轉(zhuǎn)折部位是其附近空間應(yīng)力分布最為集中的部位，使得煤層作為相對軟弱面發(fā)生大范圍的破壞，構(gòu)造煤發(fā)育；該區(qū)域煤體微裂隙發(fā)育，煤層存在孔隙和裂隙兩種瓦斯?jié)B透擴散空間，有利于瓦斯的運移和聚集，為瓦斯的富集區(qū)，進而影響煤與瓦斯突出的發(fā)生。以鄭煤集團大平煤礦“10·20”特大型煤與瓦斯突出事故為案例，分析了大平煤礦“10·20”煤與瓦斯突出的孕育和發(fā)生過程，受采掘作業(yè)方式的影響，復(fù)合構(gòu)造帶高壓瓦斯和構(gòu)造帶粉煤顆粒的混合物被快速拋出，從而形成煤與瓦斯突出，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力集中和采掘擾動瓦斯富集區(qū)是誘導(dǎo)突出的主要原因。

復(fù)合構(gòu)造帶；煤與瓦斯突出；地質(zhì)控制；能量耦合

煤與瓦斯突出是煤礦井下發(fā)生的一種復(fù)雜的動力災(zāi)害，能在極短的時間內(nèi)從煤巖層內(nèi)向采掘空間以極快的速度噴出大量的瓦斯和粉煤混合物，摧毀巷道設(shè)施，破壞通風(fēng)系統(tǒng)，使人員窒息，甚至誘發(fā)瓦斯爆炸等次生災(zāi)害。我國煤礦深受其害，人員傷亡和財產(chǎn)損失慘重[1]。

大量突出地點的統(tǒng)計資料表明，煤層所處的地質(zhì)構(gòu)造破壞程度和煤與瓦斯突出之間有著復(fù)雜和密切的聯(lián)系[2-4]，例如潘一礦C13-1煤層1361(3)工作面下順槽在距一落差為1.5m的逆斷層上盤3m遠的地方發(fā)生突出， 突出煤量為18t， 瓦斯量為2 335m3。 潘三礦C13-1煤層1731(3)工作面進風(fēng)巷在靠近F5斷層的上盤位置中發(fā)育有褶曲，煤層變厚，傾角增大一倍， 掘進誘發(fā)突出， 突出煤量70t，瓦斯22 366m3[5]。 金竹山礦區(qū)在23采區(qū)-50 m回風(fēng)石門處發(fā)育有壓性斷層、褶皺等緊密構(gòu)造，23采區(qū)回風(fēng)上山下部石門揭煤和過煤門處發(fā)生煤與瓦斯突出，突出煤量480t，瓦斯28 440m3[6]。因此，構(gòu)造區(qū)域外力擾動誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的危害程度不容忽視。而目前關(guān)于構(gòu)造和突出之間關(guān)系的研究多數(shù)還僅僅是從突出案例的地質(zhì)理論分析入手[7-11]。

為深入研究地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域煤與瓦斯突出的發(fā)生機理，以地質(zhì)構(gòu)造條件特別復(fù)雜的復(fù)合構(gòu)造帶煤層為模型，利用數(shù)值計算軟件模擬復(fù)合構(gòu)造帶的應(yīng)力分布規(guī)律，再現(xiàn)復(fù)合構(gòu)造帶的應(yīng)力分布狀態(tài)，結(jié)合鄭煤集團大平煤礦“10·20”特大型煤與瓦斯突出事故為案例，分析復(fù)合構(gòu)造帶的應(yīng)力分布對煤與瓦斯突出的作用機制。

1 數(shù)值模擬控制方程

1) 幾何方程

煤巖體應(yīng)變與位移之間的關(guān)系由如下的幾何方程來描述，即

(1)

其中，εij為煤層的應(yīng)變張量，ui為煤層的位移。將式(1)寫成分量形式為

(2)

2) 理想彈性本構(gòu)關(guān)系

煤巖體的線彈性本構(gòu)關(guān)系符合廣義虎克定律(Hooke R.)，若將巖體視為各向同性材料，則剛彈性本構(gòu)關(guān)系可表示為

σij=2Gεij+λεkkδij

(3)

煤巖體變形受有效應(yīng)力控制，有效應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系以矩陣的形式表示為

{σ}=[De]{ε}

(4)

對于各向正交同性體，[De]可用彈性模量E和泊松比v來表示

當(dāng)煤巖體所受載荷達到到其屈服條件，煤巖體將由彈性狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)。煤巖體的初始拉伸屈服準(zhǔn)則滿足以下形式

F=σm-σt

(5)

式中：σm為平均應(yīng)力，MPa；σt為材料的抗拉強度，MPa。

2 復(fù)合構(gòu)造帶應(yīng)力分布特征數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建及邊界條件

1) 數(shù)值模型構(gòu)建

查閱大平煤礦突出案例資料，結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和煤礦地質(zhì)學(xué)相關(guān)理論知識，所建立的數(shù)值模型如圖1所示，該模型是由逆斷層和褶曲構(gòu)造組合而成的構(gòu)造復(fù)合地帶。數(shù)值模型的長、寬、高分別為150 m。

圖1 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)所建立的數(shù)值模型，對煤層頂?shù)装暹M行簡化處理，查閱參考現(xiàn)場煤巖體及其頂?shù)装宓南嚓P(guān)資料，模擬時所設(shè)置的主要參數(shù)見表 1。

表1 數(shù)值模型煤巖參數(shù)表

2) 邊界條件

模型四周邊界模擬構(gòu)造復(fù)合地帶現(xiàn)場的無限遠處，設(shè)為單約束邊界，施加水平方向的約束，即邊界水平位移為零(u=0，v=0)，只允許邊界節(jié)點沿垂直方向移動。

模型上部設(shè)置為應(yīng)力補充加載邊界，原巖自重應(yīng)力作用在模型上部，應(yīng)力值按如下公式計算。

σ=γH

(6)

其中：σ為原巖應(yīng)力，MPa；γ為上覆煤巖體平均容重，γ=2.5t/m3；H為模型上部邊界距地面的垂直距離，m。在此模型中，參照大平煤礦突出地點實際埋深，H設(shè)為612m。因此，由公式(6)計算可得模型上部邊界所施加應(yīng)力為15.3MPa。

模型底部邊界固定，為全約束邊界，即底部邊界節(jié)點的水平位移和垂直位移均為零(u=0，v=0)。網(wǎng)格劃分時在復(fù)合地質(zhì)構(gòu)造帶的逆斷層附近作加密處理，如圖1所示。

2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

復(fù)合構(gòu)造帶煤巖體的應(yīng)力分布如圖2所示。從圖中可以看出，在復(fù)合構(gòu)造帶斷層面附近，逆斷層斷面傾角變陡的部位，存在有明顯的構(gòu)造應(yīng)力異常區(qū)，增加了構(gòu)造帶應(yīng)力分布的復(fù)雜性。

圖2 復(fù)合構(gòu)造帶應(yīng)力分布圖

受地質(zhì)構(gòu)造運動的影響，在構(gòu)造帶最大應(yīng)力可以達到5.1×107Pa，其最大應(yīng)力可以達到原巖應(yīng)力的3倍以上，而且應(yīng)力分布極不均勻，部分應(yīng)力值甚至低于原巖應(yīng)力值。

沿復(fù)合構(gòu)造帶逆斷層面垂向不同位置處的應(yīng)力分布曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，每條應(yīng)力曲線沿水平方向上，從80m位置處開始應(yīng)力上下浮動變化開始增大，在100m左右的位置，應(yīng)力變化達到峰值，在140m之后應(yīng)力值基本恢復(fù)到原巖應(yīng)力值?？梢?，在本數(shù)值模型條件下，由逆斷層和褶曲構(gòu)成的符合構(gòu)造帶構(gòu)造應(yīng)力影響范圍可以達到60m，應(yīng)力分布的復(fù)雜性增加了構(gòu)造復(fù)合地帶煤與瓦斯突出發(fā)生的危險性。

圖3 斷層面垂直方向不同位置處的應(yīng)力曲線

復(fù)合構(gòu)造帶煤巖體的塑性應(yīng)變云圖如圖4所示。從圖中可以看出，在復(fù)合構(gòu)造帶逆斷層面附近部位，存在塑性變形嚴(yán)重破壞區(qū)域，在此區(qū)域煤巖層所受應(yīng)力達到了煤巖體的應(yīng)力屈服強度，造成煤巖體微裂隙發(fā)育。褶曲和逆斷層復(fù)合構(gòu)造在形成過程中的壓擠作用使得煤層作為相對軟弱面發(fā)生大范圍的破壞，構(gòu)造煤非常發(fā)育。

同時，復(fù)合構(gòu)造的擠壓應(yīng)力環(huán)境以及地層增厚效應(yīng)又為瓦斯賦存提供了有利條件，斷裂面又構(gòu)成較好的瓦斯封閉系統(tǒng)[9]，如果此區(qū)域的頂?shù)装宸忾]性良好，就可能是成為瓦斯的富集區(qū)間。

圖4 復(fù)合構(gòu)造帶塑性應(yīng)變云圖

構(gòu)造復(fù)合地帶發(fā)育的構(gòu)造煤和瓦斯富集區(qū)為煤與瓦斯突出的發(fā)生創(chuàng)造了必要的條件，構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性增加了煤與瓦斯突出發(fā)生危險性，如果采掘活動擾動到此區(qū)域，就極有可能誘發(fā)煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生。

3 復(fù)合構(gòu)造帶突出案例分析

2004年10月20日，大平煤礦21 軌道下山巷道迎頭標(biāo)高-282.4m，垂深612m處，巷頂距下盤煤層約5m處發(fā)生特大型煤與瓦斯突出事故，突出煤巖量共計1 894t，瓦斯量總計約25萬m3，突出的瓦斯在傳播過程中遇火花引發(fā)瓦斯爆炸，共造成148人死亡，32人受傷。

發(fā)生突出的21軌道下山工作面位于北東向與北西向構(gòu)造的復(fù)合部位，正遇到北西向展布的逆斷層，斷層面與現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力的方向垂直，在二1煤層內(nèi)形成了壓扭性封閉復(fù)合構(gòu)造破壞帶。逆斷層造成煤巖破壞區(qū)的周邊圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力集中帶恰好位于斷層面傾角變陡的21軌道下山工作面迎頭，并且靠近21軌道下山迎頭工作面的破壞區(qū)圍巖的巖性為泥巖，透氣性極差，有利于瓦斯富集，如圖5所示[10-11]。

圖5 大平礦構(gòu)造帶突出剖面圖[11]

當(dāng)21巖石軌道下山掘進到逆斷層構(gòu)造帶附近時，如圖6所示，由開挖導(dǎo)致的集中應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造運動所產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力相互疊加，應(yīng)力集中于一點，使構(gòu)造帶煤體內(nèi)積聚有較高的彈性潛能；同時疊加應(yīng)力集中降低了工作面迎頭煤層的透氣性，導(dǎo)致煤層內(nèi)瓦斯壓力梯度徒增，為煤與瓦斯突出的孕育和發(fā)生創(chuàng)造了極為有利的條件[12-13]。

圖6 21軌道下山工作面應(yīng)力云圖

21軌道下山掘進工作面在靠近逆斷層構(gòu)造帶附近時，煤巖層中垂直方向不同位置處應(yīng)力分布如圖7所示。在掘進工作面迎頭附近，垂直方向不同位置一直延伸到構(gòu)造帶附近的位置應(yīng)力一直處于較大值狀態(tài)，這為煤與瓦斯突出的持續(xù)發(fā)展提供了能量來源。

圖7 垂直方向不同位置處的應(yīng)力曲線

根據(jù)煤與瓦斯突出的能量守恒和耦合躍遷失穩(wěn)理論[14-15]，應(yīng)力、煤巖和瓦斯構(gòu)成的系統(tǒng)在采掘過程中由應(yīng)力集中積聚彈性能、瓦斯內(nèi)能及其它形式能量并且相互耦合，在外力擾動的作用下，能量發(fā)生突然釋放而誘導(dǎo)突出，煤巖體內(nèi)積聚的能量轉(zhuǎn)化為煤體被拋出的動力。

對于大平煤礦“10·20”特大型煤與瓦斯突出事故而言，在復(fù)合構(gòu)造區(qū)域，構(gòu)造帶應(yīng)力集中區(qū)與構(gòu)造帶瓦斯富集區(qū)所組成的系統(tǒng)已經(jīng)儲存了大量的彈性能和瓦斯內(nèi)能，并處于一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[16]。當(dāng)21軌道下山掘進臨近煤層一段距離時，掘進工作面和工作面前方逆斷層構(gòu)造帶的塑性應(yīng)變云圖如圖8所示。掘進工作面前方煤巖體達到應(yīng)力屈服強度，破壞嚴(yán)重。

圖8 21軌道下山工作面塑性應(yīng)變云圖

外力擾動使得這種相對穩(wěn)定狀態(tài)不斷逼近能量極限平衡狀態(tài)，當(dāng)構(gòu)造帶煤層被揭開瞬間，原本已達到能量極限平衡狀態(tài)的煤與瓦斯系統(tǒng)則會突變?yōu)橥怀龅牟环€(wěn)定態(tài)，在沒有做好防護措施的情況下，受采動擾動影響，構(gòu)造帶能量意外釋放導(dǎo)致突出發(fā)生，如圖9所示。

E-突出能量，p-瓦斯壓力，σ-應(yīng)力圖9 突出后煤體能量分布示意圖

因此，對于構(gòu)造帶區(qū)域巷道施工，進行超前地質(zhì)勘探，探明斷層位置和超前預(yù)抽瓦斯富集區(qū)瓦斯成為構(gòu)造帶防突的必由之路。

4 結(jié)論

1) 通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，復(fù)合構(gòu)造帶逆斷層附近空間轉(zhuǎn)折部位應(yīng)力分布最集中。復(fù)合構(gòu)造帶褶曲和逆斷層在形成過程中使得煤層作為相對軟弱面發(fā)生大范圍的破壞，構(gòu)造煤非常發(fā)育。

2) 復(fù)合構(gòu)造帶煤體微裂隙發(fā)育，從而造成煤層存在孔隙和裂隙兩種瓦斯?jié)B透擴散空間，有利于瓦斯的運移和聚集。復(fù)合構(gòu)造的擠壓應(yīng)力環(huán)境構(gòu)成了良好的瓦斯封閉系統(tǒng)，又為瓦斯賦存提供了有利條件，使復(fù)合構(gòu)造帶為瓦斯的富集區(qū)。

3) 通過對鄭煤集團大平煤礦“10·20”特大型煤與瓦斯突出事故案例的分析，認(rèn)為應(yīng)力集中和采掘活動擾動瓦斯富集區(qū)是誘導(dǎo)突出的主要原因。

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(責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：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

國家自然科學(xué)基金資助項目(51604010)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51674009)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51474009)；安徽理工大學(xué)青年教師科學(xué)研究基金(QN201429)

高魁(1984-)，男，安徽阜南人，講師，博士，研究方向：安全教學(xué)，礦井瓦斯防治和煤與瓦斯突出機理。

TD713

A

1672-1098(2016)05-0005-06