顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理分析_徐刚.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOOY the compressive stress, the surface physicochemical structure and the drastic changes in thickness of coal seam made the characteristics of high gas content and pressure in macro perspectives, in micro perspectives the pore morphology of mylonitized coal with flask shape provides necessary medium conditions for the occuηence of coal and gas outburst. It was mainly with outbursts in compactly folded region, while in loosely folded zone it was mainly with extrusion and poured out. The main reasons of coal and gas outburst in the shear zone of coal seam are high ground stress, high gas pressure and developed tectonic coal. Key words beding shear zone of coal seam; coal and gas outburst; mechanism; stress Ji顶层剪切带也叫逆掩断层、JI顶层断层、缓倾角 断层、层滑构造等。在煤田地质领域，顺煤层剪切 带是指沿煤层发育的剪切面与煤层以小角度相交或 者近于平行的剪切带，也称之为顺层滑动构造和顺 煤层断层。生产实践表明，世界上绝大多数煤与瓦 斯突出发生在地质构造破坏带［1-3］。彭立世、曹运兴、 王桂梁、王居宜文等研究了顺煤层剪切带的形成机制、 收稿日期2013-06-15 分布规律、成因类型和基本特征，并且认识到其是 制约煤与瓦斯突出最重要的因素。本文基于煤与瓦 斯突出是地应力、瓦斯及煤的物理力学性质等因素 综合作用下的矿井动力灾害凹，从顺煤层剪切带的 受力分析入于，应用Mohr-Coulomb理论研究了顺 煤层剪切带的形成机制，分析了顺煤层剪切带的煤 层厚度变化特征、煤体宏观与微观结构特征、瓦斯 基金项目国家自然科学基金项目（51174157）；中国博士后科学基金项目（20l 3M542365）；陕西省教育厅科研计 戈1J项目（20I 3JK0863）；西安科技大学博士启动基金项目（20l 2QDJ02 l 作者简介徐刚（1981一），男，闽南南阳人，博士，讲师，从事煤与瓦斯共采方面的教学和研究工作． ChaoXing 第4期徐刚等顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理分析 17 压力与瓦斯含量分布特征以及地应力对煤与瓦斯突 出的影响，论述了顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理。 1 JU页煤层剪切带 1.1 ｜陋煤层剪切带的主应力分析 顺煤层剪切带是采矿活动中常见的地质构造现 象，对煤矿的安全生产实践影响很大。JI民煤层剪切 带又称为顺煤层断层，其主应力轴的确定方法可以 参考断层的主应力轴确定方法，依据顺煤层剪切带 滑动面上擦痕、擦槽、节理侧伏角和移位符号确定 σl 煤层 σ3 主应力轴。根据其受力的性质可分为挤压型顺煤层 剪切带和伸展型顺煤层剪切带。 挤压型顺煤层剪切带（图la），其最小主应力轴（σ3 为竖直状态；最大主应力轴（σ1）为水平状态，与滑动 方向基本一致；中间主应力轴（σ2）与滑动方向垂直。 伸展型顺煤层剪切带（图lb），其最大主应力轴 （σ1）为竖直状态；最小主应力轴（σ3）为水平状态，与 滑动方向基本一致；中间主应力轴（σ2）与滑动方向垂 直。在伸展型顺煤层剪切带的形成过程中，煤岩体 自身重力起主要作用。 σ3σi a）挤压型顺煤层剪切带b）伸展型顺煤层剪切带 图lI顶煤层剪切带的类型 Fig. I Type of beding shear zone in coal seam 1.2 I困煤层剪切带的形成机制 顺煤层剪切带是挤压应力、伸展拉应力和煤岩 体自重应力等各种地质力综合作用的结果，其形成 机制一方面与岩石破裂的基本准则有关，另一方面 又与煤层内的孔隙压力有关。为了研究顺煤层剪切 带的形成机制，现作出如下基本假设a.假设煤层 是各向同性的，并把煤层作为薄层弱面来考虑、；b.煤 层顶底板也是各向同性的，并具有相同的岩石力学性 质，煤层顶底板岩石强度大于煤层。 根据Mohr-Coulomb强度准则的破坏机理，考 虑煤层内孔隙流体压力，煤层剪切破坏准则可用下 式表示 σtanψoCoT二三（σ－Ptanψ＋CI 式中σ为煤岩体受力面上的正应力，Pa；ψ。为煤层顶 底板的内摩擦角，（。）；c。为煤层顶底板的内聚力，Pa; τ为煤体受到的剪应力，Pa;P为煤体内孔隙流体压力； ψ为煤体内摩擦角，（。）；c为煤体的内聚力，Pa。 设煤层软弱面与最小主应力町的夹角为卢，对 于煤岩体中任一点处于三向应力状态有［5] （俨l尼（σ1＋σ31尼付I－吨）co τ＝1/2（σl一σ3sin2β 2 把式（2）代入式（l）即可得到 2GJ 2o-3 tan价2C-2Ptanψ＋2o-3tanψ 二三σI-al二三3 sin2月－tanψcot／可BJ sin2月－tanψω用 以下根据顺煤层剪切带受力的性质分为两种情 况来讨论 a.挤压型111页煤层剪切带（图2）。在图2中，挤压 型顺煤层剪切带最大主应力为σl；最小主应力σ3为一 常数，其力源为煤岩体自身的重力。最小主应力町与 煤层的夹角为β，则煤层倾角为α＝π／2卢。根据挤压 型顺煤层剪切带的受力分析，对式（3）作出如下变换 -.... . 2C-2Ptanp2σ1 tan p σ，σ，＋’ ’J sin 2βI-tanψcotβ） 4 要求得σImin（σI min为产生挤压型顺煤层剪切带 的σl的最小值），对式（4）求导，即可得到/JL＝ π／4 ψ12，卢L即为沿煤层软弱面准则线产生剪切滑动的临 界角。同样，根据顶底板强度准则线求得σImax（σI max 为产生挤压型顺煤层剪切带的σl的最大值），可得到 使煤层产生剪切破坏的最大极限应力圆Omax，最大 极限应力圆Omax与煤层软弱面准则线的割点D、E 对应煤层软弱面剪切破坏的极限状态，即卢l和卢2 分别为沿煤层软弱面剪切破坏的最小值和最大值。 当σl运σImin时，对任何煤层倾角均不会产生剪切滑 动；当σImin＜σ1＜σI max，且煤层倾角为π／2-/32＜α＜π／2一卢l 时，能够沿煤层软弱面发生剪切破坏．而在煤层倾 角α＜π／2-/32或α＞π／2-/31时，则不会沿煤层弱面产生 剪切破坏；当σl主σImax时，煤层顶底板将遭到剪切 破坏。因此，当煤辰1顷角为α ＝ π／4- 司乎 是令 主1.5 芸 0.5 图4孔隙形态类型 Fig.4 Type of pores shape 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 相似压力P/P0 图5不同孔隙形态类型煤的低温液氮吸附回线 Fig.5 Coal adsorption isotherms of different pores shape 在受到采矿活动的扰动时，原来相对封闭的微孔隙 和微裂隙能够在极短的时间内连通起来，极易发生 煤与瓦斯突出，这就是构造煤控制煤与瓦斯突出的 机理。 2.2 瓦斯含量和瓦斯压力变化特征 2.2.1 顺煤层剪切带煤变质程度对瓦斯赋存的影响 JI质煤层剪切带内煤的煤化程度比正常煤层的煤 化程度普遍要高（10］。煤的变质程度增高，可以生成更 多的瓦斯。因此，顺煤层剪切带比正常煤层具有更高 的瓦斯含量和瓦斯压力。煤变质程度差异不仅影响煤 层瓦斯的生成量，还影响其储集性能，变质程度越高， 煤的微孔体积越大，吸附能力越强，瓦斯含量越高。 2.2.2 顺煤层剪切带的封闭性对瓦斯赋存的影响 煤是一种对应力和应变环境特别敏感的特殊岩 石，在构造应力作用下，煤层易发生破碎及韧塑性 变形和流变迁徙。在挤压应力或自重压应力作用下， 煤层以塑性流变为主，随着变形量的增加，煤层的 孔隙度和渗透率都将降低（］；顺煤层剪切带形成了 煤层的面理化结构（12］，垂直面理方向上孔隙度和渗 透率大幅度减小，封闭性能大幅度增强。 顺煤层剪切带沿煤层发生，并未破坏煤层顶底 板的完整性和连续性，属于典型的封闭性构造带， 有利于瓦斯的保存；此外，煤层的面理化结构在垂 向上将对瓦斯起到封闭作用，在顺层方向上因剪切 滑动所形成的煤层厚度剧烈变化也不利于瓦斯的顺 层流动。因此，顺煤层剪切带内将形成高瓦斯压力 和高瓦斯含量赋存区。 2.3 地应力对瓦斯突出的影响 在挤压应力作用下，顺煤层剪切带常常和榴皱 伴生，榴皱的幅度对煤与瓦斯突出区的范围和危险 程度有重要影响［13）。在紧闭榴皱区.Ji顶煤层剪切带 煤体结构遭到严重破坏，全层构造煤发育，为严重 煤与瓦斯突出区，这类地区如江西萍乡矿区青山矿 大槽煤（14）（图的；在宽绥捕皱区，硕士某层剪切带内构 造煤薄层发育，其瓦斯突出危险性比紧闭榴皱区要 小，在煤与瓦斯突出类型中，压出所占的比例较高， 这类地区如平顶山东部矿区（十矿、十二矿、八矿） 范围内的顺煤层剪切带。 -50 ，／”不整合面，，－一地层界限、飞逆断层 图6江西萍乡矿区青山矿第六勘探线剖面 Fig.6 Cross section of 6h line in Qingshan mine 伸展型顺煤层剪切带是在先期挤压应力场的 基础上，在后期伸展构造运动背景下形成的，是 两期构造复合变形的产物，重力是伸展型顺煤层 剪切带形成的源动力。其对瓦斯的赋存也有特殊 的规律一方面，伸展型顺煤层剪切带煤层因构 造作用强烈，滑动距离长，煤层破坏严重，鳞片 状构造煤成层发育，煤层厚度变化大，有利于瓦 斯的赋存；另一方面，由于后期伸展构造运动背 景对前期挤压应力场的改造作用，而伸展构造运动 的背景有利于部分瓦斯的释放（15］。因此，伸展型顺 煤层剪切带内煤与瓦斯突出类型以压出为主，突出 所占的比例较小。河南登封芦店地区为典型的伸展 型顺煤层剪切带发育区（图7），区内告成煤矿所发生 的瓦斯动力现象中，煤与瓦斯突出所占的比例较小， 大部分瓦斯动力现象为压出和倾出类型。 ChaoXing 20 煤田地质与勘探第42卷 ①告F2，②告f3‘③芦F1‘④芦F1-2, ⑤ 告F21⑥一告f30，⑦古f23；③告F10 」 图7河南登封煤田告成矿12勘探线剖面 Fig.7 Cross section of 12h line in Gaocheng coal mme 3结论 a.当煤层倾角接近剪切滑动的临界角时，易产 生薄煤区，而远离临界角时，煤层厚度增加，煤层 厚度剧烈变化部位为应力集中区，并具有较高的应 力梯度。 b.宏观上，JI顶煤层剪切带的挤压应力或自重压 应力、煤层的面理化结构及横向上煤层厚度的剧烈 变化，造成顺煤层剪切带具有很高的封闭性，抑止 了瓦斯沿垂向和横向逸散，使得顺煤层剪切带具有 高瓦斯含量和高瓦斯压力；微观上，JI民煤层剪切带 廉棱煤的孔隙形态以细颈瓶孔为主，其孔内比表面 积大，l吸附量高，连通性差，为发生煤与瓦斯突出 提供了必要的介质条件。 c. JI民煤层剪切带同时具备的高地应力、高瓦 斯斥力（含量）和构造煤发育等3个因素是其发生 煤与瓦斯突出的主要原因。在挤压型顺煤层剪切 带的紧闭榴皱区，煤与瓦斯突出类型以突出为主； 在挤压型JI原煤层剪切带的宽缓榴皱区和伸展型顺 煤层剪切带内，煤与瓦斯突出类型以压出和倾出 为主。因此，在进行煤与瓦斯突出防治时，应根 据地质构造类型，选择不同的煤与瓦斯突出防治 措施，以减小或避免煤与瓦斯突出对煤矿安全生 产的危害。 参考文献 [I] SHEPHERD J，阳XONJ K , G阳FFITHISL. Outburst and geological structure in coal mines a review[JJ. International Journal of Rock Mechanics Mining and Sciences Geomechanics Abstract, 1981, 18 267- 283. [2] HA阴阳VESA J. Instantaneous outburst of coal and gas a review[J]. Proceedings of Australasian of the Institution of Mining and Metallurgy, 1983, 285 1 -37 [3］焦作矿业学院瓦斯地质课题组瓦斯地质概论［M］.北京－煤 炭工业出版社，1990. [4］于不凡煤和瓦斯突出机理［M］.北京煤炭工业出版社，1985. [5］宁超，黄波．煤层中顺层剪切带的力学分析及形成[MJ／／张子 戌，张子敏，王兆丰，瓦斯地质与瓦斯防治进展北京煤炭 工业出版社，2007 [6］蔡成功，王佑安．煤与瓦斯突出一般规律定性定量分析研究［JJ. 中国安全科学学报，2004, 146 109一l12. [7］秦勇，叶建平，林大扬，等煤储层厚度与其渗透性及含气性 关系初步探讨［J].煤田地质与勘探，2000,281 24--27 [8］严继民，张培元吸附与凝聚［M］，北京科学出版社，1979. [9］瑭宜文，姜波，王佳梁．等构造煤结构及储层物性［M］.徐 州｜中国矿业大学出版社，200582-1 15. 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