顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理分析.pdf

第 42 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.4 2014 年 8 月 COAL GEOLOGY 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 occurrence 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 顺层剪切带也叫逆掩断层、顺层断层、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、 琚宜文等研究了顺煤层剪切带的形成机制、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[4]，从顺煤层剪切带的受力分析入手，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 顺煤层剪切带 1.1 顺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顺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 1a)， 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 1b)，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 (a) 挤压型顺煤层剪切带 (b) 伸展型顺煤层剪切带 图 1 顺煤层剪切带的类型 Fig.1 Type of beding shear zone in coal seam 1.2 顺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： σtanφ0+C0≥τ≥(σ–P)tanφ+C (1) 式中 σ 为煤岩体受力面上的正应力，Pa；φ0为煤层顶底板的内摩擦角， (°)； C0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；φ 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 σ3的夹角为 β，对于煤岩体中任一点处于三向应力状态有[5]： 131313=1/2(+)+1/2()cos2=1/2()sin2 (2) 把式(2)代入式(1)即可得到： 0303 1322tan22 tan2tan sin2 (1 tan cot )sin2 (1 tan cot )CCP≥≥ (3) 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. 挤压型顺煤层剪切带(图 2)在图 2 中，挤压型顺煤层剪切带最大主应力为 σ1； 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 σ3与煤层的夹角为 β，则煤层倾角为 α＝/2–β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： 3 1322tan2tan sin2 (1tancot)CP≥ (4) 要求得 σ1min(σ1min为产生挤压型顺煤层剪切带的 σ1的最小值)，对式(4)求导，即可得到 βL＝/4＋φ/2， βL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 σ1max(σ1max为产生挤压型顺煤层剪切带的 σ1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 β1和 β2分别为沿煤层软弱面剪切破坏的最小值和最大值当 σ1≤σ1min时，对任何煤层倾角均不会产生剪切滑动； 当 σ1min/2–β1时，则不会沿煤层弱面产生剪切破坏；当 σ1≥σ1max时，煤层顶底板将遭到剪切破坏因此，当煤层倾角为 α＝/4–φ/2 时，最易使煤层发生剪切滑动，在这个角度附近，煤层薄化带普遍发育；而随着煤层倾角的增大或减小，顺煤层产生剪切滑动的难度增加，导致煤层厚度增大，这就是顺煤层剪切带控制煤层厚度变化的主要原因。

σ1 σ1 σ1σ1σ2σ2 σ2σ2σ2σ2σ3σ3σ3 σ3 σ1σ3 σ3· 18 · 煤田地质与勘探 第 42 卷 图 2 挤压型煤层软弱面极限应力圆的变化范围 Fig.2 Variation scope of limit stress circle of compressed beding shear zone b. 伸展型顺煤层剪切带(图 3)在图 3 中，伸展型顺煤层剪切带最大主应力 σ1为竖直方向， 其力源为煤岩体自身的重力，σ1为一常数煤层软弱面与最小主应力 σ3的夹角为 β，β 即为煤层的倾角根据伸展型顺煤层剪切带的受力分析，对式(3)作出如下变换： 1 3sin2 (1tancot)22tan sin2 (1tancot)2tanCP ≤(5) 要求 σ3max(σ3max为最小主应力 σ3的最大值)，对式(5)求导，即可得到 145/2 tantanLPC  (6) 式(6)中，βL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σ3min(σ3min为产生伸展型顺煤层剪切带的 σ3的最小值)，可得到使煤层产生剪切破坏的最大极限应力圆Omin，最大极限应力圆 Omin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， β1和 β2分别为沿煤层软弱面剪切破坏的最小值和最大值。

当 σ3≥σ3max时，对任何煤层倾角均不会产生剪切滑动；当 σ3minβ2时， 不能沿煤层弱面产生剪切滑动； 当σ3≤σ3min时，煤层顶底板遭到剪切破坏式(6)同时表明，当σ1tanφ=Ptanφ–C 时，煤层也能够产生剪切破坏，此时与煤层的倾角无关， 这就解释了当煤层倾角比理论计算值小很多时也能够产生顺煤层剪切带的原因 因此，顺煤层剪切带的产生是地应力、煤层及其顶 图 3 伸展型煤层软弱面极限应力圆的变化范围 Fig.3 Variation scope of limit stress circle ofextensional beding shear zone 底板结构、煤层的力学性质、煤层中孔隙流体压力等因素共同作用的结果其中，煤层中所含瓦斯流体在伸展型顺煤层剪切带的形成过程中起到了重要作用 2 顺煤层剪切带影响煤与瓦斯突出的因素分析 2.1 煤层变化特征 2.1.1 煤层厚度变化特征 煤与瓦斯突出常发生在煤层厚度大和煤层厚度变化大的部位[6]根据顺煤层剪切带的形成机制，煤层厚度的大小及其变化是地应力、 孔隙流体压力、煤体强度及煤层倾角等因素综合作用的结果当煤层倾角接近剪切滑动的临界角时，易产生薄煤区；当远离临界角时，则产生厚煤区(煤包)。

厚煤区与薄煤区相间分布，并沿顺煤层剪切带走向分布厚煤区不仅能够生成更多的瓦斯，为瓦斯的储集提供了场所，而且由于煤层厚度越大，煤层中瓦斯向顶底板扩散的路径越长，扩散阻力就越大，越有利于瓦斯的保存[7]；煤层厚度的变化情况是应力发生变化和集中的外在表现，煤层厚度变化率越大，应力梯度越大因此，厚煤区和煤层厚度剧烈变化部位是煤与瓦斯突出的危险区域 2.1.2 煤体结构特征 煤体结构对煤与瓦斯突出有重要的影响原生结构煤不发生煤与瓦斯突出，属非突出煤，而遭受到构造应力破坏的构造煤(含碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤)则是煤与瓦斯突出发生的必要条件[4]顺煤层剪切带使煤体结构遭到破坏，煤层发生粉碎、揉流，形成鳞片状构造煤在较厚的煤层内，煤体结构类型在垂向上也有一定的分布特征，滑动面附近的煤层多为糜棱煤，随着与滑面距离的增大，煤体结构逐渐变好以至完整，造成了煤层中应力分布不均鳞片状构造煤在宏观上一方面表现出较强的解吸瓦斯的能力，使煤体的突出倾向增加；另一方面降低了煤体强度， 减少了发生煤与瓦斯突出所需的能量在微观上，构造煤中有效孔隙包括开放孔和半封闭孔两种基本类型(图 4)，依据其吸附–解吸曲线的变化特征，可对孔隙的连通性及其基本形态进行初步评价[8]。

琚宜文等[9]对构造煤的储层物性研究结果表明(图 5)：碎裂煤在较高相对压力处出现了滞后环，说明对应于较大孔径的孔隙以开放孔为主，连通性较好；碎粒煤的吸附曲线和解吸曲线基本重合，说明碎粒煤的孔隙形态以半封闭孔为主；糜棱煤的解吸曲线出现了拐点，滞后环明显，说明糜棱煤的孔隙形态以连通性差的细颈瓶孔为主由于细颈瓶孔内的比表面积大，吸附量高，而孔隙的连通性差， 第 4 期 徐 刚等: 顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理分析 · 19 · 图 4 孔隙形态类型 Fig.4 Type of pores shape 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。