构造应力对中硬低透煤层瓦斯渗流的影响

王海涛，　沈　斌，　李　雷

(1. 黑龙江科技大学 黑龙江省普通高校采矿重点实验室， 哈尔滨 150022；2. 黑龙江工业学院 资源工程系， 黑龙江 鸡西 158100；3. 黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 4. 鸡西市质量技术监督检验检测中心， 黑龙江 鸡西 158100)



构造应力对中硬低透煤层瓦斯渗流的影响

王海涛1，2，沈斌1，3，李雷4

(1. 黑龙江科技大学 黑龙江省普通高校采矿重点实验室， 哈尔滨 150022；2. 黑龙江工业学院 资源工程系， 黑龙江 鸡西 158100；3. 黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 4. 鸡西市质量技术监督检验检测中心， 黑龙江 鸡西 158100)

为了解构造应力作用下中硬低透煤层瓦斯渗流规律，根据云盖山煤矿煤层地质构造、围岩及煤层数据，利用三轴渗透仪模拟煤样在稳定围压下渗流速度与轴压的关系曲线，建立分段模拟方程。结果表明：云盖山煤矿构造煤赋存条件不利于瓦斯释放，但煤层顶部构造应力使煤体由弹性形变转变为塑性形变，提高了瓦斯渗流速度，有利于瓦斯散逸。滑动构造应力形成的煤层厚度变化，导致瓦斯渗流速度降低，煤层致密，不利于瓦斯释放。矿井主采煤层地质探测孔的煤层厚度、瓦斯量和压力数据验证了数学模型的准确性。该研究为矿井瓦斯涌出量预测提供了依据。

低透煤层； 构造应力； 瓦斯渗流

0　引　言

我国煤田是由众多小陆块演化拼合而成，表现为整体稳定性差、活动性强，煤田地质条件复杂[1-2]。随着开采深度和强度的增加，煤层透气性逐渐降低，易出现煤与瓦斯突出事故，造成矿井开采困难，瓦斯抽采效果不佳，严重威胁矿井安全生产。根据煤与瓦斯突出综合假说，煤与瓦斯突出是构造控制、瓦斯压力和煤的自身力学性质等多因素综合作用的结果[3]。目前，越来越多的学者开始从构造应力的角度研究煤与瓦斯突出相关影响因素，随着研究的深入，学者们认识到地质构造应力是煤与瓦斯突出发生的重要甚至必要条件之一[4]。关于构造控制，以往的研究主要集中在断层、褶皱以及层滑构造引起的局部变化方面，而针对区域滑动构造引起的全层构造煤发育以及煤层厚度的强烈变化方面的尚少[5]，尤其针对全层构造煤发育厚煤层的构造应力及其变化在煤与瓦斯突出中作用[6-9]的报道更少。笔者根据云盖山煤矿以往地质勘探数据，绘制瓦斯渗流与应力曲线，并建立数学模型，分析其井田的瓦斯渗流特征，以期为矿井瓦斯涌出量预测提供依据。

1　煤层顶底板特性

云盖山煤矿井田范围内断层走向与现代构造应力相互作用，使煤层发生层间滑动，层间剪切及夹矸造成的局部应力集中，破碎煤体，形成主采煤全层构造煤发育，构造煤厚度局部变化巨大。在现代应力场作用下，由于煤层和围岩力学性质相差较大，层间变形不同步，使得背斜两翼一定范围内剪应力集中，煤体的弹性能增加，煤层厚度发生改变，从而导致应力变化，这也是瓦斯赋存异常的主要原因。

根据矿井已有的水文地质资料和主采煤层底板抽放巷勘探情况，矿井主采煤层井田范围内呈单倾斜状，地质构造简单，煤层直接顶除部分区域为炭质泥岩组成的伪顶外，大多为细粒砂岩，稳定性好。煤层直接底除局部地段为炭质泥岩和粉砂岩外，大多为泥岩，稳定性一般，老底为细粒砂岩。煤层顶底板特征如表1所示。

表1　煤层顶底板特征

2　实验方法与结果

2.1试样与实验装置

煤样取自云盖山矿井主采煤层，在实验室将其制成型煤标准试样，尺寸为直径50 mm、高100 mm，型煤成型压力为200 kN。实验设备由RMT-301型电液伺服三轴压力机改装而成。自压式渗透装置原理如图1所示。

图1　自压式渗透装置原理

2.2方法与步骤

文中利用图1所示实验设备模拟研究稳定围压条件下不同轴应力作用下的瓦斯渗透特性[10]。渗流实验采用纯CH4气体。依据矿井生产过程中现场测定的瓦斯平均压力(0.25 MPa)，设定围岩压力恒定为0.25 MPa。具体实验步骤如下：

(1)将煤样加工成50 mm×100 mm规格的标准试样，将其放入三轴压力渗透仪内。

(2)稳定试样的围压和轴压，检查装置气密性，通入纯CH4气体，充分吸附24 h。

(3)改变轴压，在试样吸附瓦斯0.5 h后，释放瓦斯5 min，测量渗流速度。

(4)进行重复取三个试样实验。

(5)取三次实验后测定的数据的平均值，绘制渗流速度与轴向应力曲线。

2.3结果分析

渗流速度与轴向应力曲线如图2所示。

图2　渗流速度与轴向应力曲线

从图2可以看出，在固定围压下，瓦斯渗流速度-轴向应力变化曲线具有分段性，a～b段瓦斯渗流速度下降比较缓慢，b点为瓦斯渗流速度最低点即煤样弹性形变的分界点。其原因为，煤样在轴压力的作用下原生裂隙被压密实，新裂隙还未生成，阻碍了瓦斯渗流释放。b～c段瓦斯渗流速度上升极快，一直到达到最大值峰值c。出现这种情况的原因是，煤样受到轴压由弹性形变转变为塑性形变，后到屈服极限阶段，煤样随着轴压的增大，迅速生成新的裂隙并增多，加之裂隙之间有一定的联通性，导致渗流速度迅速加快，直到轴压值在4 MPa左右，渗流速度达到峰值。c～d段瓦斯渗流速度达到峰值后，渗流速度随轴压增大逐渐降低，但降低幅度较小，降低到一定程度后基本趋于稳定。其原因为，此段轴压继续增大，增加了裂隙之间的瓦斯吸附能力，导致游离态瓦斯减少，瓦斯渗流速度降低，但是降低幅度比较缓慢，后趋于稳定，即煤样在屈服极限后残余强度下的渗流速度。

根据测定数据[11-12]模拟数学模型，如式(1)所示：

(1)

式中：v——渗流速度，mL/s；

vd——初始渗流速度，mL/s；

σ1——轴压力，MPa；

σb——试样裂隙性渗流的初始应力；

R2——判定系数，即公式拟合准确度。

3　地质勘探结果验证

为了验证实验室测得瓦斯渗流速度与轴向应力数据所建立的数学模型式(1)的准确性，矿井生产过程中利用煤层底板抽放巷道对采区进行地质超前勘探，探明煤层厚度和地质构造情况的同时，对煤层取样。然后，在实验室利用DGC法测定煤层瓦斯含量，并在地质构造带和煤层断层区域附近，选择性地测定煤层瓦斯压力。最后，对取得数据进行实际评价和校正[13]，最终获得合格有效数据，如图3所示。

a　煤层底板巷道剖面

b　相关数据

由图3可知，构造应力场控制着构造的性质、范围和强度，通过研究各期构造运动及构造应力场对构造形成与性质、煤体物理力学性质、围岩等的影响，分离出构造挤压剪切区和拉张裂陷区；挤压剪切作用破坏煤体结构和强度，作用时间越长煤体构造破坏程度越高，形成的构造煤越厚。随着煤变质程度的增加，瓦斯生成气量增加，吸附能力增强，瓦斯赋存量也增大。挤压剪切作用，容易形成封闭性构造，降低煤体渗透率，应力集中，煤岩透气性差，瓦斯容易保存。这与图2中a～b阶段，式(1)中的a～c段相吻合。

在断层(底板掘进巷道185～232 m，240～263 m)和一个破碎带(底板掘进巷道370 m)附近，由于主采煤层煤质硬度低，地应力和构造应力共同作用形成向外拉伸张力的正断层，造成了煤层裂隙增多，煤层破坏严重，煤层透气性较好，形成了瓦斯释放的通道，有助于瓦斯的释放。断层走向与最大主应力平行时，也有利于吸附态的瓦斯解析转变为游离态释放出去，这就导致断层附件瓦斯含量不高。这与图2中b～c阶段，式(1)中的b～c段、a～c段吻合。

底板抽放巷20～50 m，受到地应力影响，煤层厚度急剧变化，由6.34 m降到0.41 m，导致煤层瓦斯体积质量也由4.35 m3/t猛增到9.39 m3/t后又迅速降到4.95 m3/t。这与图2中a～c阶段、式(1)中的a～c段相吻合。

底板抽放巷76～185 m，煤层厚度1.32～3.47 m，瓦斯含量3.24～5.89 m3/t；底板抽放巷336～350 m，煤层厚度12.04～16.98 m，瓦斯6.04～8.95 m3/t；底板抽放巷350～450 m，煤层厚度12.04～16.98 m，瓦斯体积质量6.04～8.95 m3/t。这与图2中c～d阶段，式(1)中的c～d段相吻合。

现场实际测定数据与模型模拟结果一致性，这表明文中建立的低透煤体渗流与轴向应力模型能够很好地反映低透煤层瓦斯渗流特性，拟合的参数合理、可靠，可用于矿井主采煤层瓦斯突出危险性预测。

4　结　论

(1)云盖山煤矿构造煤赋存条件不利于瓦斯释放，但煤层顶部区域构造应力使煤体由弹性形变转变到塑性形变，提高了瓦斯渗流速度，有利于瓦斯散逸。

(2)滑动构造应力形成的煤层厚度变化，导致瓦斯渗流速度降低，煤层致密，不利于瓦斯释放，造成瓦斯局部富集。

(3)现场实际测定数据验证了数学模型的准确性，该模型可应用于矿井瓦斯涌出量预测。

[1]张子敏， 吴吟. 中国煤矿瓦斯地质规律及编图[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2014： 21-24.

[2]魏晨慧， 朱万成， 白羽， 等.变温条件下深部煤层瓦斯分布规律的数值模拟[J].东北大学学报： 自然科学版， 2015(7): 1033-1036.

[3]吕伏， 徐曾和， 梁冰. 考虑流固耦合作用的瓦斯运移规律研究现状[J].中国矿业， 2015(6): 124-127.

[4]韩军， 张宏伟. 构造演化对煤与瓦斯突出的控制作用[J].煤炭学报， 2010(7): 1125-1130.

[5]皮子坤， 贾宝山， 贾廷贵， 等.煤与瓦斯突出预测综合指标F临界值研究[J].中国安全生产科学技术， 2015(9)： 108-113

[6]徐学锋， 张宏伟， 陈学华. 地质动力区划在煤与瓦斯突出研究中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报， 2003，22(S1)：25-27.

[7]李宗翔, 吴 强, 肖亚宁. 采空区瓦斯涌出与自燃耦合基础研究[J]. 中国矿业大学学报, 2008(1): 38-42.

[8]屈争辉.构造煤结构及其对瓦斯特性的控制机理研究[D]. 北京： 中国矿业大学， 2010.

[9]徐学锋. 地质构造对煤与瓦斯突出的影响研究[D]. 阜新： 辽宁工程技术大学， 2004.

[10]肖福坤， 樊慧强， 刘刚， 等.三轴压缩下含瓦斯煤样破坏过程声发射特性[J].黑龙江科技大学学报， 2013， 23(1)：10-15.

[11]OTTO S，TILL P，HARTMUT K．Development of damage and permeability in deforming rock salt[J]．Engineering Geology， 2001，61(S2/3)： 163-180．

[12]RUTQVIST J， TSANG C F．Analysis of thermal—hydrologic mechanical behavior near an emplacement drift at Yucca Mountain[J]．Journal of Contaminant Hydrology，2003， 62/63(1)： 637-652．

[13]王海涛, 荣向东, 赵龙刚, 等. 基于地质勘探和数据分析法的瓦斯赋存规律研究[J].矿业工程研究， 2013(4): 27-31.

(编辑荀海鑫)

Tectonic stress effect on gas seepage of medium-hard and low-permeability coal seams

WANGHaitao1，2,SHENBin1，3,LILei4

(1. Key Laboratory of Mining Engineering of Heilongjiang Province College, Heilongjiang University of Science & Technology Harbin 150022, China; 2. Resource Engineering Department, Heilongjiang University of Technology, Jixi 158100, China;3. School of Safety Engineering Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;4. Jixi City Quality & Technical Inspection & Testing Center, Jixi 158100,China)

This paper is an effort to probe deeper into the law behind how the gas seepage occurs in medium-hard and low-permeability coal seams subjected to tectonic stress. The research drawing on coal seam geological structures, surrounding rocks, and varying coal seam thickness in Yungaishan colliery is focused on applying relevant mechanics theory and triaxial permeability instrument with which to simulate the relation curve between seepage velocity and axial pressure of coal sample under stable confining pressure and thereby developing subsection simulation equation. The results demonstrate that the occurrence conditions for tectonic coals in Yungaishan colliery, which are recognized as unfavourable to the gas release, is outweighed by the way the tectonic stress behaves at the top area of the coal seams, resulting in a change of the coal body from elastic deformation to plastic one, which leads to a higher gas flow speed, and thereby gas escape; and the varying coal seam thickness resulting from sliding tectonic stress leads to a lower gas flow speed and thus more compact coal seams, a condition unfavorable to gas release, with a consequent local gas enrichment. The coal seam thickness, gas content, and pressure data derived from geological exploration hole drilled in main coal seams in the mine validate the accuracy of the mathematical model. The study may serve as a basis for prediction of mine gas emission.

low permeability; tectonic stress; gas seepage

2015-12-03

国家自然科学基金项目(51504088)；黑龙江省普通高校采矿重点实验室开放课题(2014KF05)；鸡西市科学技术计划项目(2014R184)

王海涛(1982-)，男，辽宁省宽甸人，讲师，硕士，研究方向：矿山救护，E-mail：wht820718@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.006

TD32

2095-7262(2016)01-0021-04

A