構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用
擬和流體勢(shì)的計(jì)算，揭示了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)瓦斯運(yùn)移和聚集的控制作用，指出構(gòu)造應(yīng)力決定了瓦斯流 本勢(shì)的大小，并決定了瓦斯運(yùn)移和聚集的方向、軌跡：瓦斯運(yùn)移的方向從高應(yīng)力差區(qū)到低應(yīng)力差區(qū)，瓦斯位移場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力的應(yīng)力差梯度場(chǎng)相一致。
關(guān)鍵詞：瓦斯；煤與瓦斯突出；流體勢(shì)；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；運(yùn)移
中途分類號(hào)：TDl63 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0253—2336(2008)04—0047—04
1 概 述
瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，煤與瓦突出是煤礦生產(chǎn)中的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，隨著煤炭開采深度的延伸，煤與瓦斯突出的危害日趨嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤與瓦斯突出的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，一般認(rèn)為，煤與瓦斯突出是瓦斯、地應(yīng)力、煤的力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果，其中煤層高壓瓦斯是突出的必要條件，地應(yīng)力是保持高壓瓦斯的前提條件，煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞是突出的有利
條件[1].
地質(zhì)構(gòu)造是影響和控制煤與瓦斯突出的重要因素．構(gòu)造作用形成的構(gòu)造煤煤化程度高，其形成過
程中有大量瓦斯生成，造成煤層瓦斯含量高[2]構(gòu)造作用還可使煤層增厚、結(jié)構(gòu)破碎，有利于瓦斯 聚集并易于突出[3-4]區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造往往控制了井田內(nèi)瓦斯的分布[5-6]． 而中小型構(gòu)造的不同組合則對(duì)于瓦斯的聚集或逸散具有不同的控制作用[4,7-8]此外，諸多研究表明，構(gòu)造形成的應(yīng)力集中是煤與瓦斯突出的決定性因素[4,9-11]，因而可以通過對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分析預(yù)測(cè)煤與瓦斯的
突出[12-14] 。
地質(zhì)構(gòu)造的幾何形態(tài)對(duì)瓦斯賦存的控制是表象的和顯而易見的，而構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)瓦斯運(yùn)移、聚集
的控制作用則是內(nèi)在的和本質(zhì)的。隨著對(duì)煤與瓦斯突出研究的深入，應(yīng)當(dāng)在瓦斯聚集和運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)機(jī)制方面作進(jìn)一步的探討。
2 瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力機(jī)制
瓦斯作為一種流體，其形成后必然隨著地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行二次運(yùn)移，正因?yàn)槿绱瞬艑?dǎo)致瓦斯聚集，并在一定條件下突出。描述瓦斯流動(dòng)的基本規(guī)律一般采用Fick定律和Darcy定律，前者描述瓦斯的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，后者描述瓦斯的滲流運(yùn)動(dòng)[15]。
瓦斯的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在其形成期間就已進(jìn)行，在煤化作用完成一定時(shí)期后應(yīng)基本結(jié)束，當(dāng)然隨著溫度
場(chǎng)、煤體破碎程度等條件的變化，瓦斯仍然會(huì)存在一定的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。根據(jù)Darcy定律可以計(jì)算瓦斯的滲流速度，進(jìn)而可近似計(jì)算瓦斯的比流量。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，人們更關(guān)心的是可能存在煤與瓦斯突出的位置，或者說如何能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)瓦斯二次運(yùn)移的軌跡。
Hubbert 1954年提出流體勢(shì)的概念，流體勢(shì)理論較多應(yīng)用在研究油氣藏分布、油氣二次運(yùn)移等方面，對(duì)瓦斯運(yùn)移的研究具有很好的借鑒意義。根據(jù)流體勢(shì)的理論，處于地下某一空間位置的流體，其流體勢(shì)的大小取決于地層流體壓力、高程、流體密度以及所在地區(qū)的重力加速度等因素，流體總是從高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)流動(dòng)。
結(jié)合理想氣體的狀態(tài)方程和計(jì)算流體勢(shì)的基本表達(dá)式可得流體勢(shì)力為
Φ=gz+p0/p0lnp/p0
式中Po——壓力值為p0下的氣體密度(等溫條件 下)；
p0P——基準(zhǔn)點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)的壓力值；
g——重力加速度；
z——高程。
空間中的z可以測(cè)量，地區(qū)的重力加速度為定值，當(dāng)確定了壓力p。下的氣體密度p。，并已知空間的應(yīng)力場(chǎng)分布時(shí)，即可計(jì)算空間的流體勢(shì)的分布，從而確定瓦斯流體的運(yùn)移方向和軌跡。由于瓦 斯的密度很小，因而其重力勢(shì)能也相應(yīng)很小，影響瓦斯流體勢(shì)的主要因素是地應(yīng)力的大小。
3青龍礦瓦斯突出的異?，F(xiàn)象
青龍井田位于貴州省黔西縣東南部，地形條件總體上受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制，屬高原低山丘陵地貌。井田內(nèi)出露的地層自老至新有：二疊系下統(tǒng)茅口組(P2：m)，上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3 B)、龍?zhí)督M(P3，1)，長(zhǎng)興組(P3，c)，三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1，y)、茅草鋪組(T，m)，二疊系上統(tǒng)缺失大隆組地層。井田整體位于格老寨背斜的北西翼，北西翼地層基本呈單斜產(chǎn)出，井田北西及南西有F1，F(xiàn)2：，F(xiàn)3，F(xiàn) 2支F 1支五條區(qū)域性斷裂構(gòu)造分布，構(gòu)成井田北西及南西自然邊界，井田內(nèi)斷層數(shù)量較多。井田內(nèi)含煤巖系為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(B1)，可采煤層主要為16、17、18三層較穩(wěn)定的煤層，平均厚度分別為2．74，1．20，3．18 m。
根據(jù)青龍井田．14—2等鉆孔瓦斯含量的測(cè)試資料，基本上反映出了煤層瓦斯含量隨深度遞增的規(guī) 律性。16煤、17煤、18煤的瓦斯含量平均值分別為11．00，12．21，13．68 m3／t，也反映出了瓦斯含量隨深度遞增的規(guī)律性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明，青龍并田煤層瓦斯含量均大于10 m3／t，根據(jù)煤炭科學(xué)磅究總院重慶研究院的鑒定，16煤的瓦斯壓力小于臨界值，18煤為瓦斯突出煤層(17煤未做鑒定一故屬于煤與瓦斯突出礦井。
22煤厚度為O～2．62 m，平均為0．94m。2005年7月--2006年4月22煤的礦井副井、管子
道、內(nèi)水倉(cāng)等處共發(fā)生5次煤與瓦斯突出：第1次瓦斯突出量為5 060 m。；第2次瓦斯突出量為 6 167 m。，突出煤量60 t；第3次瓦斯突出量為11 165 m。，突出煤量80 t；第4次瓦斯突出量為30 144 m。，突出煤量600 t；第5次瓦斯突出量64 671 m。，突出煤量900 t。
根據(jù)區(qū)域構(gòu)造分析，青龍井田所在的區(qū)域在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史中、以及在現(xiàn)今的地質(zhì)環(huán)境中，仍然
是以NW—sE向水平擠壓為主要的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，與宏觀的大地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相一致。井田現(xiàn)今仍處于 高構(gòu)造應(yīng)力帶內(nèi)，地應(yīng)力以水平壓應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，萁應(yīng)力強(qiáng)度為中等水平，應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)以NW—sE為主壓應(yīng)力方向，地應(yīng)力數(shù)值為10～20 MPa。
為了分析青龍井田在垂向上的應(yīng)力分布，建立以平行于現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主方向(NW向)的垂盔
剖面，選擇含5次瓦斯突出點(diǎn)的地質(zhì)剖面為模型．模擬研究區(qū)在現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力、自重應(yīng)力聯(lián)合作用下的應(yīng)力場(chǎng)分布特征，研究的對(duì)象為主采煤層、頂?shù)装鍘r層和斷層。
數(shù)值模擬中的邊界條件設(shè)為：頂邊為自由邊界，底邊和左、右邊界設(shè)為滾軸約束，重力加速度為10 m／s。。根據(jù)巖石力學(xué)資料，煤層的頂?shù)装辶W(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于煤層，煤層是一種軟弱巖體，強(qiáng)度很低，但又不同于斷層破碎帶。根據(jù)巖石強(qiáng)度與其彈性模量等參數(shù)的相關(guān)性，參照各材料對(duì)象的強(qiáng)度大 小，分別將以上參數(shù)賦值如下。
頂?shù)装澹喝葜?5 kN／m3，彈性模量50 GPa． 泊松比為0．2。
煤層：容重14 kN／m。，彈性模量6 GPa，泊松比為0．3。
斷層：容重20 kN／m3，彈性模量0．5 GPa，泊松比為0．4。
通過數(shù)值模擬計(jì)算得到了青龍井田垂向剖面的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)(圖1)。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，原22煤發(fā)生5次瓦斯突出的區(qū)域，存在主應(yīng)力差降低區(qū)。
根據(jù)氣體流體勢(shì)的計(jì)算公式，在22煤層中選擇了A～L點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)位置的流體勢(shì)，計(jì)算中壓力P0為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，以計(jì)算區(qū)左下角為相對(duì)的高程0點(diǎn)，已知瓦斯在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為0．716
kg/m3。：計(jì)算過程顯示瓦斯流體勢(shì)中重力勢(shì)能所占分量(g•z)很小，流體勢(shì)的大小主要取決于
地應(yīng)力(包括現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力)作用的強(qiáng)度(表1)。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了22煤層瓦斯突出區(qū)附近的瓦斯流體勢(shì)以及瓦斯的流向(圖2)。
從圖2可以看出，22煤在F17逆斷層附近的流體勢(shì)相對(duì)較低，周圍的瓦斯從流體勢(shì)高處向低處流動(dòng)，而F17為逆斷層，在水平擠壓應(yīng)力作用下， 對(duì)瓦斯具有封閉作用，導(dǎo)致了瓦斯在F17斷層附近的流體勢(shì)最低區(qū)域聚集，當(dāng)采動(dòng)破壞了斷層和圍巖的封閉性時(shí)，就導(dǎo)致了煤和瓦斯的突出。
此外尚應(yīng)指出，煤和瓦斯突出出現(xiàn)在22煤層說明該區(qū)域的瓦斯壓力突破了煤體的強(qiáng)度，否則，即使有瓦斯的聚集也不能發(fā)生突出(18煤層等可能屬于這種情況)。
構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤與瓦斯突出的控制作用
在煤與瓦斯突出的影響因素中，地質(zhì)構(gòu)造的控制作用是顯著的：在煤化變質(zhì)作用過程中，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)瓦斯的生成；構(gòu)造作用破壞了煤體的結(jié)構(gòu)，有利于煤與瓦斯突出的發(fā)生；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可以形成有利于瓦斯聚集的封閉構(gòu)造。除此以外，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制了瓦斯的運(yùn)移，是發(fā)生瓦斯突出的重要環(huán)節(jié)。
瓦斯總是從流體勢(shì)高處向低處流動(dòng)，而瓦斯流體勢(shì)的大小主要取決于地應(yīng)力大小，所以控制瓦斯
運(yùn)移的決定性因素是包含構(gòu)造應(yīng)力在內(nèi)的地應(yīng)力場(chǎng)。由于構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的地區(qū)普遍為構(gòu)造應(yīng)力大于 巖層自重應(yīng)力，因此，實(shí)際上就是構(gòu)造應(yīng)力決定了瓦斯流體勢(shì)的大小，也就決定了瓦斯的運(yùn)移方向和 軌跡：瓦斯運(yùn)移的方向應(yīng)當(dāng)是從高應(yīng)力差區(qū)到低應(yīng)力差區(qū)；瓦斯位移場(chǎng)應(yīng)當(dāng)與構(gòu)造應(yīng)力的應(yīng)力差梯度場(chǎng)相一致(同時(shí)受封閉煤層頂?shù)装宓南拗?。
在頂板封閉性的煤層褶皺構(gòu)造中，褶皺的軸部瓦斯含量高，一般認(rèn)為是褶皺軸部受擠壓而煤體結(jié)
構(gòu)被破壞，節(jié)理大量發(fā)育，導(dǎo)致瓦斯聚集，但這種解釋是基于瓦斯的運(yùn)移為自然逸散的觀點(diǎn)。如果席用流體勢(shì)的觀點(diǎn)考察這種現(xiàn)象，也可以給予較合理的解釋：褶皺軸部張、剪節(jié)理發(fā)育，應(yīng)力降低，導(dǎo)致瓦斯流體勢(shì)也降低，而周圍煤層的瓦斯流體勢(shì)相對(duì)較高，因此，瓦斯自然地從流體勢(shì)高處向流體勢(shì)低處流動(dòng)(圖3)，所以，無論是背斜還是向斜，軸部瓦斯聚集均是地應(yīng)力的動(dòng)力作用所導(dǎo)致。
實(shí)際上，很多井田中的構(gòu)造是很復(fù)雜的，隨著斷層和褶皺的規(guī)模、形態(tài)、組合的不同，其構(gòu)造應(yīng) 力場(chǎng)的特征也相應(yīng)不同，前文的青龍井田構(gòu)造只是屬于其中的一例。為了準(zhǔn)確地查明瓦斯的分布，并 預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)煤與瓦斯的突出，在調(diào)查瓦斯的形成與含量、分析礦井構(gòu)造形態(tài)的特征等工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)重視井田構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分析與研究，查明瓦斯流體勢(shì)的分布特征，從而預(yù)測(cè)瓦斯的運(yùn)移、聚集，進(jìn)而采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施。
4 結(jié) 語(yǔ)
1)瓦斯的運(yùn)移和聚集規(guī)律符合流體勢(shì)的理論，瓦斯總是從高流體勢(shì)區(qū)向低流體勢(shì)區(qū)流動(dòng)。
2)瓦斯的流體勢(shì)中，重力勢(shì)能所占的分量很小，瓦斯流體勢(shì)大小主要取決于地應(yīng)力(包括現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力)作用的強(qiáng)度。
3)青龍礦22煤層相對(duì)于16，17，18等主采煤層厚度較小，但卻頻繁發(fā)生煤與瓦斯突出，其原
因在于：22煤層在F17逆斷層附近的流體勢(shì)相對(duì)較低，周圍的瓦斯從流體勢(shì)高處向低處流動(dòng)，而
F17為逆斷層，在水平擠壓應(yīng)力作用下，對(duì)瓦斯具有封閉作用，導(dǎo)致了瓦斯在F17斷層附近的流體勢(shì)最低區(qū)域聚集，當(dāng)采動(dòng)破壞了斷層和圍巖的封閉性時(shí)，就導(dǎo)致了煤和瓦斯的突出。
4)實(shí)際上是構(gòu)造應(yīng)力決定了瓦斯流體勢(shì)的大小，并決定了瓦斯的運(yùn)移方向和軌跡：瓦斯運(yùn)移的
方向從高應(yīng)力差區(qū)到低應(yīng)力差區(qū)；瓦斯位移場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力的應(yīng)力差梯度場(chǎng)相一致(同時(shí)受封閉煤層
頂?shù)装宓南拗?。
5)在礦井瓦斯防治工作中，應(yīng)當(dāng)重視井田營(yíng)造應(yīng)力場(chǎng)的分析與研究，查明瓦斯流體勢(shì)的分布絮
征，從而預(yù)測(cè)瓦斯的運(yùn)移、聚集，進(jìn)而采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施。
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作者簡(jiǎn)介：汪吉林(1969一)，男，安徽桐城人，副教授，三要從事礦產(chǎn)普查與勘探以及礦井地質(zhì)方面的科研工作。Tel： 13685128848，E—mail：wjl—cumt@163．com
