正斷層上盤煤與瓦斯突出特征與地應力場控制機理

曹運興，張海洋，張 震，劉高峰

(1.河南理工大學 煤層氣/瓦斯地質工程研究中心,河南 焦作 454000；2.河南省非常規能源與開發國際聯合實驗室,河南 焦作 454000；3.中原經濟區煤層(頁巖)氣河南省協同創新中心,河南 焦作 454000)

我國煤礦地質條件復雜，煤與瓦斯突出(簡稱“突出”)嚴重。歷史資料表明，全世界有記錄的30 000 多次突出中，一半發生在我國煤礦；現階段的突出礦井和突出現象還主要發生在中國。隨開采深度增加，煤層瓦斯壓力和地應力增加，突出危險性日益升高。所以，研究煤與瓦斯突出機理和規律一直是煤炭工業的重大科學問題，具有重要的理論意義和生產實踐意義[1-3]。

煤與瓦斯突出在井田中的分布是不均勻的，突出危險區一般小于井田面積的1/3，主要發生在強烈變形的地質構造帶，即褶皺帶和斷層帶，是突出事故發生的主要地質單元，也是煤與瓦斯突出理論研究和預測研究的主要對象[4-5]。

在早期的研究成果中，一般將斷層作為一個地質單元，主要研究煤與瓦斯突出沿斷層帶的規律性分布特征以及斷層類型，包括正斷層、逆斷層、正斷層組合的地塹構造、逆斷層組合的對沖構造帶等[6-7]。隨著社會進步，煤礦安全生產對煤與瓦斯突出預測的可靠性提出了更高的要求，其研究程度也相應更加深入。劉咸衛等[8]通過對我國平頂山、安陽、北票礦區等突出發生的斷層規律研究，首次發現斷層兩盤的突出危險性具有重大差異，突出主要發生在正斷層的上盤；這一認識在淮南礦區的瓦斯地質研究中得到進一步證實[9-10]。在解釋正斷層上盤高頻突出的發生機理時，根據正斷層形成的力學機制和井下觀察的構造煤分布規律，提出了正斷層上盤是斷層形成的主動盤，斷層形成期地應力更為集中，并在上盤形成了較下盤更為發育的構造裂隙和構造煤，即斷層上盤較發育的構造煤是煤與瓦斯突出發生在上盤的控制性地質因素之一[8-18]。

煤與瓦斯突出是瓦斯、地應力和構造煤綜合作用的結果。影響正斷層兩盤突出危險程度差異的控制性地質因素除了構造煤以外，與地應力場的差異性分布關系密切[16]，但目前的認識不足以深刻揭示正斷層兩盤煤與瓦斯突出差異性分布的地應力作用機理[19-23]。關于斷層端部地應力高度集中現象，被巖石斷裂試驗和理論研究所揭示，并被數值模擬所證明[21-25]，但關于正斷層兩盤采動前的原始地應力狀態的差異性，以及采動過程中兩盤地應力場狀態的變化規律的研究尚為薄弱。這是構造地質學領域的基礎理論問題，也是地下工程領域地質災害評價、預測和防治的基礎課題，例如地下工程應優先建設在更為穩定、地應力相對不易集中的地質單元，最大可能地避開地應力集中和非穩定地質單元。在煤礦生產中，井場和巷道布置，特別是對于揭示煤與瓦斯突出的斷層控制機理及其防止煤與瓦斯突出的措施制定，具有重要的理論意義和實際應用前景。

本文作者采用構造地質學理論研究和數值模擬相結合的方法，分析正斷層帶的原始地應力狀態以及在掘進擾動下斷層兩盤的地應力演化過程，以期探索導致正斷層兩盤突出差異性規律的地應力控制機理。

1 地應力場數值模擬方法與條件

1.1 “突出”案例與地質模型

河南焦作礦區中馬村煤礦開采二1 煤層，井田面積16.949 km2，為煤與瓦斯突出礦井，生產過程中多次發生突出，最大為1989 年4 月23 日-57 m 高程發生的特大型突出，突出煤量511 t，瓦斯128 057 m3。該礦突出主要發生在煤巷掘進過程中，多位于斷層附近、小褶曲軸部及煤層厚度變化帶。井田內斷層較發育，地層走向40°～100°，傾向130°～190°，傾角8°～14°。井田內以斷裂構造為主，均為高角度正斷層，且以近東西和北東向斷層為主，局部發育北西向正斷層。

參照中馬村礦DF4正斷層的地質條件，設計的地質模型：煤層厚度為6 m (圖1)，正斷層的垂向落差為5 m，斷層傾角為65°，斷層消失于煤層底板中，煤層和圍巖層的物理力學參數見表1。

表1 煤巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

圖1 正斷層模型地層剖面Fig.1 Stratigraphic profile of the normal fault model

1.2 地應力場數值模擬軟件和方法

地應力場數值模擬軟件采用的FLAC3D，是美國ITASCA 公司開發的普適性軟件，廣泛應用于巖土、巖石和其他材料的工程力學、應力場分析和相關設計，如地下工程挖掘以及巖土工程中斷層、褶皺、節理等構造影響的模擬[26-29]。

三維地質模型建立基本假設如下：①模型內煤巖體為均勻的各向同性材料；② 斷層為完全彈性材料；③邊界應力為區域應力，作用方向垂直于邊界，模型底部邊界固定，上部邊界為自由面；④ 所建模型僅考慮豎直方向上的自重應力和構造應力，不考慮其他殘余應力。建立三維計算模型分為3 個步驟：①建立有限差分網格，網格的建立應適中，不能過密，也不能過??；② 設置本構特性以及各單元材料的彈性屬性；③設置邊界條件與初始條件。

用FLAC3D構建的三維地質模型如圖2 所示。把斷層做成一個弱面，用力學性質相對于周圍巖體較低、可塑性較強的巖石代替。簡化圍巖結構和力學性質，主要表征煤層在斷層影響區和掘進擾動影響下的應力場變化規律。設計巖體模型沿煤層掘進方向長度100 m，寬度為30 m，高度60 m。

圖2 正斷層三維地質模型Fig.2 Three-dimensional geological model of the normal fault

1.3 正斷層兩盤地應力場數值模擬應力初始條件

地下巖體中的原巖應力為三向不等壓的空間應力場(垂直主應力σv、最大水平主應力σH和最小水平主應力σh)，3 個主應力的大小(最大主應力σ1、中間主應力σ2和最小主應力σ3)和方向隨空間和時間變化。

不同性質的斷層是在不同地應力場狀態下形成的。根據Anderson 原理，正斷層在最大主應力為垂向主應力(σ1=σv)時形成。垂向主應力、最大、最小水平主應力總體上均隨埋深的增大而增大，但其應力莫爾圓由淺向深由橢球體逐漸變化為各向同性的圓球體，即三向應力差在逐漸縮小而趨于相等。我國華北煤盆地地應力場的基本轉換規律是：在淺層，水平應力占主導地位(σ1=σH)；當煤層埋藏深度在650～1 000 m 時，煤儲層地應力狀態主要表現為σv＞σH＞σh；當煤層埋藏深度大于1 000 m 后，水平主應力將與垂向主應力近似相等(σv=σH=σh)[30-34]。

同時，煤礦井下開采實踐表明，采掘工作面過斷層時，由于開采擾動的影響，會引起斷層帶地應力重新分布以及斷層的活化，導致應力集中和殘余構造應力的釋放，更容易誘發突出[35-37]。

根據上述分析，設計3 種不同埋深(660、800、1 000 m)條件下的地應力狀態，分別模擬：斷層上下兩盤的初始地應力狀態，垂直于斷層走向的上盤巷道以及下盤巷道在掘進工作面逐漸接近斷層面過程的地應力變化規律，分析上下兩盤地應力分布的差異性。應力初始條件參數見表2。

表2 模型的應力初始條件參數Table 2 In-situ stress initial condition parameters of the model

2 正斷層上下兩盤地應力場數值模擬結果

按照上述模擬方法和條件，模擬獲得了3 種埋深條件下，未受掘進擾動影響的正斷層上下盤的初始地應力場云圖，如圖3 所示。

圖3 不同埋深條件下正斷層原始地應力場云圖Fig.3 Nephogram of the original in-situ stress field of normal faults under different buried depths

設計巷道斷面高4 m，寬4 m。煤層巷道垂直斷層走向，向斷層面方向掘進，巷道初始距斷層面40 m，分別模擬掘進工作面距離斷層面30、20、15、10 m 時斷層帶附近的地應力場演化。

3 種埋深-地應力條件下，煤層掘進巷道位于正斷層上盤，逐漸接近斷層面過程的地應力狀態云圖，如圖4 所示。掘進巷道位于斷層下盤，逐漸接近斷層面過程的地應力狀態云圖，如圖5 所示。

圖4 不同埋深條件上盤煤巷掘進過程中地應力場云圖Fig.4 Nephogram of the stress field for tunneling in the hanging wall under different buried depths

圖5 不同埋深條件下盤煤巷掘進過程中地應力場云圖Fig.5 Nephogram of the stress field for tunneling in the foot wall under different buried depths

根據地應力場模擬結果，提取統計了3 種埋深-地條件下正斷層上盤和下盤初始狀態以及掘進工作面距離斷層面30、20、15、10 m 的最大地應力值，結果見表3。根據表3 數據，繪制了3 種應力條件下斷層上盤和下盤的初始以及掘進過程中最大地應力值變化曲線，如圖6 所示。

3 正斷層兩盤的地應力場狀態分析

3.1 初始地應力狀態

表3、圖3 和圖6a 顯示，在未受掘進擾動影響的原始條件下，正斷層上下兩盤的地應力狀態不同，其分布有以下特征：

圖6 初始狀態和掘進過程的最大應力值變化曲線Fig.6 Maximum values of the in-situ stress at different tunneling locations in hanging and foot walls

表3 斷層上下盤的不同掘進位置最大地應力值Table 3 Maximum stress values at different tunneling locations in the hanging wall and the foot wall

(1) 斷層面附近分布2 個特殊地應力局部區域，最大地應力(深藍區)總是位于斷層上盤(斷層在底板的尖滅端)，最小地應力(紅色區)總是位于下盤；

(2) 在斷層上盤，地應力隨遠離斷層面而逐漸降低，直至接近有原始正常地應力狀態；在斷層下盤，地應力隨遠離斷層面而逐漸升高，直至接近有原始正常地應力狀態。

(3) 以斷層面為界，上盤和下盤分屬2 個不同的地應力分區，在3 種埋深條件下，上盤地應力值始終高于下盤。上盤的最大應力值分別為22、27、33 MPa，遠高于下盤相應的最大應力值14、20、24 MPa。

3.2 上盤煤巷掘進時地應力場演化規律

圖4 和圖6 顯示，在正斷層上盤實施垂直于斷層走向的巷道掘進時，隨掘進工作面由遠而接近斷層面的過程中，斷層面附近應力場重新分布，基本規律如下：

(1) 掘進面距斷層面由30 m 推進至10 m 的過程中，在斷層上盤的斷層面和掘進工作面之間存一個地應力集中區(藍色區)，斷層面附近和工作面前方各分布一個地應力集中點。

(2) 越接近斷層面，地應力集中區域面積變小，應力集中現象增強，地應力數值提高，巷道掘進至距離斷層面10 m 時，2 個地應力集中點發生疊加轉化為一個集中點，地應力在上盤達到最大值。

(3) 表3 顯示，3 種埋深地應力條件下，疊加后斷層面附近上盤的應力值分別達到30、36、52 MPa，而下盤相應位置的最大地應力值為25、30、40 MPa。尤其是埋深1 000 m 條件下，在掘進面距離斷層10 m 時，斷層應力與掘進擾動應力疊加后，在斷層面上盤附近達到最大，地應力值增加了19 MPa，是距斷層面上盤40 m 處原始地應力的1.6 倍。

(4) 表3 和圖6 進一步表明，3 種埋深應力條件下，巷道在斷層上盤掘進時，斷層上盤的地應力值始終高于下盤的值。

3.3 下盤煤巷掘進時地應力場演化規律

圖5 顯示，垂直于正斷層的煤巷在下盤掘進時，受掘進擾動影響，斷層附近應力場重新分布。隨掘進工作面逐漸接近斷層面，斷層兩盤地應力場的變化規律如下：

(1) 掘進位置距斷層面由30 m 推進至10 m 的過程中，存在2 個應力集中區，分別位于掘進面前方和斷層面上盤附近(藍色區)，并且斷層面上盤附近的應力集中區域大于下盤掘進面前方的掘進擾動應力影響區域。

(2) 巷道掘進至距斷面10 m 范圍時，2 個應力集中區疊加集中，應力值達到最大。

(3) 表3 顯示，3 種埋深應力條件下，疊加后上盤的最大應力值分別達到25、31.6、40 MPa，而下盤相應位置的最大地應力值分別為20、30、32 MPa。即上盤地應力值遠高于下盤。

(4) 表3 和圖5 表明，3 種埋深應力條件下，煤巷在斷層下盤掘進時，斷層上盤的地應力值始終高于下盤。

3.4 地應力場對突出的控制作用

煤與瓦斯突出機理綜合假說認為，突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質等因素綜合作用的結果[38]。大量研究表明，地應力是誘導煤與瓦斯突出發生的直接控制性地質因素，并對煤體結構的破壞、煤層瓦斯的滲流運移能力和賦存狀態有著重要的影響[39-42]。在高地應力區，即使瓦斯含量較低，突出仍然發生，即所謂的低瓦斯條件下的突出現象，地應力成為突出發生的控制性誘因；在深層開采條件下，突出危險性急劇升高的主要原因也是由地應力的大幅度升高造成的[43-45]?？傊?，隨地應力集中程度升高，煤與瓦斯突出發生的頻度和強度增加。

根據3.2 節和3.3 節的分析結果，煤層巷道掘進過程中，在掘進擾動影響下，在斷層附近存在應力集中區域；煤層巷道無論位于上盤掘進，還是位于下盤掘進，斷層上盤的應力值總是高于下盤；特別是，在工作面掘進至斷層面10 m 附近時，掘進擾動應力與斷層附近地應力發生疊加積聚，應力值大幅度升高，煤巷位于上盤掘進時的地應力值，遠大于位于下盤掘進時的地應力值，因此，煤層巷道位于上盤掘進，比位于下盤掘進更容易發生突出。

4 結 論

a.3 種埋深-應力條件下(660 m，σ1=σH；800 m，σ1=σv；1 000 m，σv=σH=σh)，正斷層附近應力場模擬結果顯示，未受巷道掘進擾動影響條件下的原始地應力場，斷層上盤和下盤分屬兩個不同的地應力分區，上盤地應力值始終高于下盤。

b.煤層巷道位于上盤時，掘進工作面距斷層面由30 m 推進至10 m 的過程中，斷層上盤、下盤和掘進工作面之間，均存在1 個集中區2 個集中點，距離斷層面10 m 時，2 個地應力集中點發生疊加，應力值達到最大。

c.煤層巷道位于下盤時，掘進過程中，存在2 個應力集中區(掘進面前方和斷層面上盤附近)和1 個應力下降區(2 個應力集中區中間)，巷道掘進至距斷面10 m 范圍時，應力下降區消失，2 個應力集中區疊加集中，應力值達到最大。

d.煤層巷道掘進過程中，在掘進擾動影響下，在斷層附近存在應力集中區域；煤層巷道無論是位于上盤，或是下盤，斷層上盤的應力集中總是高于下盤。特別是，在斷層面附近地應力發生積聚疊加現象，在上盤掘進時的地應力值，遠大于在下盤掘進時的地應力值，因此，煤層巷道位于上盤掘進，比位于下盤掘進更容易發生突出。

e.本項研究進一步揭示了正斷層上盤的地應力分布規律及其對突出的控制性機理，掘進過程中正斷層兩盤的地應力變化規律，為地下工程布置優化和安全性評價提供了理論依據，對煤礦安全生產和地下工程建設具有重要的實踐意義。