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1、采动应力场-裂隙场演化及其瓦斯涌出特征 研究李化敏，韦纯福（河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454003）摘要：分析了采动应力场-裂隙场与工作面瓦斯涌出关系,提出了煤岩的渗透性存在突变特征应力（或应变）点的概念。认为来压时工作面顶板的突然加-卸载引起的煤岩渗透率突变是 造成瓦斯大量涌入工作面的主要原因，据此建立了来压期间支承压力、煤层透气性与瓦斯涌 出关系，绘制了关系图。揭示了老顶非断裂和断裂时刻煤体内加、卸载特征，提出了来压时 的瞬间加-卸载过程都对煤岩破裂扩展、瓦斯解析运移以及瓦斯涌出具有重要作用的观点。 关键词： 采矿工程；采动应力场；裂隙场；瓦斯涌出特征中图分类号：TU 45
2、Research on Evolution of Mining Pressure Field andFracture Field and Its Gas Emission CharacteristicsLI Huamin, Wei Chunfu(School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic university, JiaoZuo Henan 454003)Abstract: The author analyzed the relation between mining pressure field-fracture fie
3、ld and gasemission of working face, presented a concept that there is stress point (or strain point) among permeability of coal. The author believes that the mutation of coal permeability caused by the sudden loading or unloading of working face roof as periodic weighting occurs is the main reason t
4、hat a lot of gas pour into the face. Based on the above concept, the relation was established among abutment pressure during periodic weighting, permeability of coal seam and gas emission, and relation graph was drawn; and then revealed the loading and unloading features of coal at the moment of fra
5、cture and non-fracture of main roof; finally presented that the process of sudden loading or unloading as periodic weighting occurs plays an important role in rupture propagation of coal, analytical movement of gas and gas emission.Key words: mining engineering; mining pressure field; fracture field
6、;gas emission characteristics0引言采煤工作面开采前煤体处于原始应力平衡状态，开采活动破坏了煤岩原始的应力平衡， 必然引起一定范围内煤岩体的变形、破坏，由于采动应力场随工作面推进不断发展和演化着， 而应力场的演化又带来与之对应的采动裂隙场的演化，可以说采动及其应力场的变化为采动 裂隙场形成和发展（演化）提供了必要条件, 而采动-应力场变化-裂隙场演化为采煤工作面 瓦斯解析-吸附和运移提供了条件和可能，使得工作面前方一定范围内的煤层节理裂隙增加， 瓦斯解析速度加快，透气性增大，瓦斯涌出速度加快1-4。研究表明5-11，若孔隙率提高50%，瓦斯的透气性平均可提高23倍，
7、最高可达到一个数量级；同时，煤体暴露表面透气 性提高几个数量级，如库兹涅茨克矿岩样特征和试验方法区某煤层自然透气性k 为9.610-19 m2，暴露表面煤层透气性为9.310-16 m2，提高了近1000倍。基于对应力-裂隙基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（200700460001）作者简介：李化敏（1957-），男，博士生导师，主要研究方向：采矿方面的教学与研究. E-mail: lihm和瓦斯解析运移规律的基本认识，本文以实验室试验和数值模拟为主从不同角度探讨采煤工作面应力场-裂隙场-瓦斯解析运移特征，旨在进一步认识工作面瓦斯涌出的基本规律。1采动应力场及其演化特征原岩应力是
8、地下煤岩体变形破坏及瓦斯突出、冲击地压等一切矿井动力灾害发生发展的 根本作用力。工作面采掘前由于未受到工程扰动，煤岩体处于原岩应力状态，当工作面开切 眼后，破坏了原始应力场的平衡状态，围岩应力重新分布。当工作面回采后，随着工作面的 推进，老顶初次断裂形成初次来压，之后随着工作面的进一步推进，顶板将发生周期性断裂， 形成周期性来压。在整个来压形成过程中，对于工作面前方煤体而言，从原岩应力状态过渡 到支承应力状态的过程，是个应力逐渐变化的过程。煤壁内的支承压力也经历由较小值不 断增加至最大、然后减小的周期性变化过程，煤体势必经历周期性的应力加-卸载过程。在 老顶的非断裂时刻，煤体内的加载过程随开采
9、缓慢变化，也称为缓慢加载。在该加载过程中， 受顶板悬露下沉影响，煤体受夹持作用力，悬顶越长，顶板对煤体施加的作用力越大。从煤 壁开始，沿推进方向离采煤工作面煤壁越近，顶板的下沉量越大，作用力也就越大，反之越 小。然而，工作面来压期间，顶板岩层处于失稳与平衡的不断调整过程中，研究表明12， 顶板断裂时刻，断裂的岩体振动并对煤体产生瞬间的加（卸）载作用。同时，断裂顶板岩体 对煤体释放能量，引起工作面前方一定范围内的煤体变形（位移），出现“反弹”、“压缩”过 程。若当顶板断裂产生的能量以缓慢方式释放时，岩梁不产生振动，顶板会由断裂前位置缓 慢过渡到断裂后的位置。若顶板突然断裂，弹性梁将在新的平衡位置
10、产生弹性振动，对煤体 产生附加卸载作用。枣庄矿业集团公司陶庄煤矿 272 工作面采用钻孔液压枕，配合圆图压力 自记仪自动记录观测煤体应力变化（图 1）13，可以看出，煤体应力变化呈现缓慢加载和 瞬时加（卸）载的作用方式，初动方向大多为向上，呈加载形式，之后向下卸载。图 1 煤体的应力加载Fig. 1 stress loading of coal当工作面来压（顶板断裂）时，在瞬间加载时刻，顶板压力以较大的加载速率作用于煤 体上，煤体在较大载荷及载荷速率作下达到峰值强度，在其峰值后阶段，进入应变软化状态， 煤体破坏、扩容，并产生向外的变形。在随后的瞬间卸载时刻，顶板振动反弹，煤体的夹持 力减少，煤
11、岩界面的粘聚力减小，摩擦系数减小，由静摩擦系数降低为动摩擦系数，摩擦阻 力迅速减小，煤体移动阻力减小，煤体向外的冲击和破坏作用增强。该过程是煤体内孔裂隙 扩展、工作面底臌的重要阶段，这也是实际煤矿生产中周期来压时经常发生煤壁片帮，煤体 压出或突出的原动力。因此，采动过程中煤体内应力变化，即的加卸载过程，特别是卸载过 程，必然引起一定范围内煤岩裂隙的发生和扩展。2采动裂隙及其演化特征煤层开采后在一定范围内的煤岩层中形成采动裂隙，按岩层采动裂隙出现的位置可以分为煤层采动裂隙、顶板岩层采动裂隙、底板岩层采动裂隙、地表采动裂隙。按采动裂隙的性质可以分为：竖向破断裂隙、岩层层间的离层裂隙和断层面的活化。
12、覆岩软硬岩层间不同步 下沉可引起离层裂隙，与贯通的竖向破断裂隙共同形成了瓦斯向采煤工作面、采空区等空间 移动或富集的主要通道。显然，煤岩层采动裂隙的分布与煤层采动瓦斯卸压流动与煤矿瓦斯 事故及煤层气资源的高效开采密切相关。由于工作面开采过程中，回采工作空间形态不断发生变化，必然引起裂隙空间不断发展 变化。当直接顶冒落后，冒落矸石与老顶之间留下的空隙为14：= M-h（Kp-1），该 空隙存在的空间是高瓦斯积聚的核心区域，同时，在采空区冒落矸石内，由于煤岩的破碎膨 胀堆积，内部存在大量空隙，这也成为采空区高瓦斯的积聚区。而随采随落的直接顶以松散 体形式堆积在工作面后方采空区内，老顶岩梁断裂并形成
13、裂隙结构位于工作面冒落矸石上 方，此时，采空区内存在三种结构状态，即：矸石尚未充填的冒空区、矸石充填区和上部裂 隙区，受开采边界悬顶岩梁的支撑，冒空区一般位于采空区的边缘、矸石充填区处于采空区 中下部，裂隙区位于采空区上部，以采空区中上部裂隙发育程度最高。冒落活动结束后，在上部岩层缓慢下沉的过程中，已出现层间脱离的岩层在弯曲下沉的 同时，受横向拉力和剪切力的作用，将产生层内的纵向裂隙，直到覆岩移动停止，纵向裂隙 的发育也即告结束。已产生离层裂隙和纵向裂隙的岩层，成为采动裂隙中的强裂隙带；已出 现离层裂隙但还尚未产生纵向裂隙的岩层，构成强裂隙带上部的弱裂隙带。覆岩裂隙带的形 成，受覆岩中的原始裂
14、隙和超前采动的影响，在煤岩层的某些薄弱结构面上已形成微弱裂隙， 在覆岩裂隙带的形成上起了重要作用。因此，初始的裂隙往往不是从最下部，而是在超前采 动位置，先从覆岩中的原始裂隙处开始，而后逐渐向外扩展，最终连成一片形成裂隙（带）场。在工作面前方，当开切眼后煤壁附近由三向应力状态变为两向（局部为单向）应力状态， 在煤壁前方一定范围内产生应力升高区，当应力超过煤体强度极限时煤体破裂，并逐步向深 部发展，即形成所谓的应力降低区应力升高区原岩应力区的工作面前方支承压力影响 区，该支承压力随工作面推进不断向前移动，煤岩体破裂过程和破裂范围与应力变化过程和 范围。上述为工作面处于非来压时刻的情况，然而，当工
15、作面初次来压或周期来压时，工作面 前方和工作面后方的受力状态和大小都会发生较大的变化，因此，裂隙场也必然会发生大的 变化。3采动裂隙场与瓦斯涌出关系采动是瓦斯涌出的基础条件，采动形成的裂隙场是瓦斯运移汇集的通道和场所，采煤工 作面不同位置不同性质的裂隙场，其瓦斯的运移方式、特征不同，同时涌出量的大小及其对 工作面安全造成的影响也不同。瓦斯运移的方式主要有扩散、渗流、升浮等形式。扩散是瓦斯分子在其本身浓度(或密 度)梯度的作用下，由高浓度向低浓度方向运移的过程。显然，工作面前方裂隙煤岩体和工 作面后方的导气裂隙带的瓦斯具有扩散形式，而渗流主要是采煤工作面前方实体煤内的瓦斯 流动形式，升浮则是较大
16、空间的采空区瓦斯的运移特征。工作面内瓦斯涌出的来源主要有本 煤层瓦斯、岩层瓦斯、相邻煤层卸压瓦斯等。本煤层瓦斯又分为工作面前方煤壁瓦斯涌出和 工作面后方采空区瓦斯涌出；相邻煤层卸压瓦斯则主要通过采空区的采动裂隙场进入开采煤 层的回采工作空间。因此，归结起来，讨论工作面瓦斯涌出问题主要是讨论工作面前方煤壁瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出的问题（另文讨论）。由应力场、裂隙场之间的关系可知，在煤壁附近，当采动应力超过煤体强度极限时，煤 壁产生破裂。在煤壁及其一定深度范围内，煤体的破裂形式与煤体强度有关，当煤体较为松 软（f2）时，煤体在高应力作用下，产生的裂隙主要以 与煤层近乎垂直的竖向和斜交裂隙为主，并且
17、这些裂隙受煤壁附近伴生的水平应力作用，愈 靠近煤壁，裂隙扩展宽度越大，越向煤体深部，裂隙水平扩展越小。也就是说，在应力降低 区煤体原有裂隙张开、扩大以及新裂隙的形成，透气性可急剧升高，增大数千倍，呈现“卸 压增流效应”。同时由于支承压力的变化，致使煤体表面的张力发生变化，煤体内瓦斯的存 在状态也将发生很大的变化，当卸压时煤体内的瓦斯会大量解析，即煤体破裂应力降低 煤层透气性增加瓦斯解析速度加快运移通道贯通，在该区域内，煤壁瓦斯透气性最大， 而向煤体深部则逐渐减少，平顶山矿区己组煤实测表明，一般情况下，此带内煤层空隙和裂 隙率相对于原始煤层增大 10%50%。因此，工作面前方应力降低区（破碎区）
18、是瓦斯大量 解析和通过孔裂隙运移并涌入工作面的主要区域，我们把该区域称为工作面前方卸压瓦斯增 流区。可见，卸压带内的瓦斯涌出是采煤工作面前方瓦斯涌出的主要部分。该区域的瓦斯流 动属于各向异性非均质的孔隙-裂隙双重介质中渗流-扩散的混合非稳定流动。进入应力升高区后，由于支承压力的增大，造成煤层孔隙裂隙压缩，节理裂隙闭合，使 透气性降低，支承压力越大煤层的透气性就越差，瓦斯处于封闭状态。同时由于支承压力的增大，煤层内的部分瓦斯也由游离状态转化为吸附状态，因此该带内的瓦斯涌出量相对较小， 并且和支承压力的大小成反比关系，在支承压力最大值的对应点处，煤体的透气性降低至最小。实验表明15略小于煤层的原始
19、透气性系数0。 在采煤工作面靠近煤壁处瓦斯浓度相对煤层内部要低，由内向外逐渐降低，采煤工作面煤壁处为最低。因此，工作面前方煤体内部的瓦斯必然向采煤工作面运移，同时，当支承压力增大，特别是工作面初次来压或周期来压时，支承压力往往是平时的 1.32 倍，煤体破 裂范围增大，破裂程度增高，渗透性系数加大，相同条件下，瓦斯浓度梯度 dc / dl 增大，扩 散的瓦斯涌出量必然加大。采煤工作面瓦斯渗流属瓦斯的单向流动，其瓦斯压力在渗流场中呈抛物线分布，在瓦斯 流动的初始时刻，流场中的瓦斯压力梯度较大，渗透系数K受支承压力变化的强烈的影响， 靠近煤壁一定范围内的煤体破裂程度增高，渗透系数K大幅度增加，同时
20、，在相同条件下， 瓦斯压力梯度gradp增高（即从工作面内部向工作面煤壁方向，瓦斯压降增高），从而使因 渗流而产生的瓦斯涌出量必然加大。应力场、裂隙场是随工作面不断推进而动态演化的，因此，与之对应的工作面前方瓦斯 流动特性必然是随工作面推进而动态变化的。工作面前方煤层的渗透系数，可用下列公式表示：k = k0 (1 + 1e2 )（1）式中： k 支承压力影响区煤层的渗透系数，md； k0 煤层原始渗透系数，md； 煤体所受的垂直应力，MPa；1、2试验常数。根据对于平顶山矿区已15煤层工作面卸压带瓦斯钻孔排放的实测，若以煤煤壁表面透气性系数增大 1000 倍计，则工作面前方卸压带内煤层透气性
21、的分布可表示为图 2。图 2 工作面前方透气性系数变化曲线Fig. 2 change curve of face anterior permeability coefficient综合煤岩透气性试验、工作面应力场、裂隙场试验研究，在非来压时刻工作面前方应力-煤层透气性与瓦斯压力三者之间的关系可用图 3 表示：213煤体破碎、卸压增透增流、瓦斯压力降低区；煤体损伤破裂塑性、应力升高、透气增加、瓦斯压力升高区； 应力恢复、透气性降低，瓦斯压力稳定区；煤体原始状态区1工作面前方超前支承压力分布曲线；2工作面煤层透气性分布曲线；3工作面前方瓦斯压力分布曲线 图 3 工作面前方支承压力、煤层透气性、瓦斯
22、压力关系曲线Fig. 3 curve of abutment pressure of face anterior, coal seam permeability and gas pressure然而，在初次来压和周期来压过程中应力的突然升高和降低，对工作面煤壁产生的突然加卸载作用，理论上动载系数最大为 2，但实际测试和模拟表明，局部东在系数可以达到 34， 有的甚至更高，这与煤层强度、上覆顶板岩性以及开采深度有直接关系。动载作用的结果是煤壁在瞬间应力升高和降低，应力升高导致煤壁破裂范围增大，来压 期间极限平衡区范围X0为：1 2 2 y m KrH (1 cos w ) +1 (C + mC
23、+ mf ) f（2）X = t ln 1 02 f1 c e p0 t+ c +1 ( C1f1+ mC 2+ mf 2 y ) 来压期间的动载作用可使更大范围的工作面前方煤体达到和超过渗流突变临界强度及 突变起始渗透率。因此，来压期间工作面前方支承压力-煤层透气性-瓦斯压力三者关系可在 图 3 的基础上改画为图 4。- 5 -212131*a图 4 来压期间工作面前方支承压力、煤层透气性、瓦斯压力关系曲线Fig. 4 curve of abutment pressure of face anterior, coal seam permeability and gas pressure du
24、ring periodic weighting来压时刻煤体破碎、卸压增透增流、瓦斯压力降低区；来压时刻煤体损伤破裂塑性、应力升高、透气增加、瓦斯压力升高区；来压时刻应力恢复、透气性降低，瓦斯 压力稳定区；来压时刻煤体原始状态区 1 来压期间冲击加载作用时刻工作面前方超 前支承压力分布曲线；2*来压期间冲击卸载作用时刻工作面煤层透气性系数分布曲线；a来压期间冲击加载作用引起的较平时增加的煤体充分破裂范围；b来压期间冲击加 载作用引起的较平时增加的煤体塑性区范围由式 2 和图 4 可以看出，来压期间的加载时刻，煤体内的充分破裂范围和塑性区范 围x0d=+增大，必然导致、区的增大和裂隙的大量扩展，扩
25、展范围为x0d=b，甚 至导致工作面煤壁片帮冒顶等，引起该范围内的煤岩扩容及体积应变增大，孔隙度增大，瓦 斯解析速度加快，因而必然引起瓦斯的大量解析，透气性增加，瓦斯运移通道的畅通，向工 作面涌入的瓦斯煤体范围增大，工作面瓦斯涌出量也必然增大。可见，初次来压或周期来压 期间必然是工作面前方煤壁内瓦斯大量涌入工作面的时段。4结语随工作面的不断推进，顶板呈悬露-断裂-悬露的周期性过程，煤体从原岩应力状态过渡 到支承压力状态是应力逐渐变化，煤体经历周期性的加-卸载过程。在该过程中老顶非断裂 和断裂时刻煤体内呈现不同的加、卸载特点。在非来压时刻，随工作面推进，应力逐渐升高，当煤体内应力低于极限破坏应力
26、时，由 于支承压力的增大，造成煤层孔隙裂隙压缩，节理裂隙闭合，使透气性降低，支承压力越大 煤层的透气性就越差，瓦斯处于封闭状态。同时由于支承压力的增大，煤层内的部分瓦斯也 由游离状态转化为吸附状态，因此该带内的瓦斯涌出量相对较小，并且和支承压力的大小成 反比关系，在支承压力最大值的对应点处，煤体的透气性降低至最小，即小于煤层的原始透 气性系数0。当煤体内应力高于极限破坏应力时，煤体破裂扩展，甚至导致工作面煤壁片帮 冒顶等，引起一定范围内的煤体体积应变增大，孔隙度增大，瓦斯运移通道的畅通，向工作 面涌入的瓦斯煤体范围增大，工作面瓦斯涌出量必然增大。在压来压期间工作面前方煤体动载作用，使更大范围内
27、的煤体达到和超过渗流突变临界 强度及突变起始渗透率，导致工作面前方达到和超过渗流突变临界强度的范围增大及突变起 始渗透率增加，来压期间的工作面前方支承压力、煤层透气性、瓦斯压力之间存在的这种必 然关系，必然导致来压期间渗流两增加，瓦斯涌出量增大。参考文献(References)1 刘泽功, 袁亮, 戴广龙等. 开采煤层顶板环形裂隙圈走向长钻孔法抽放瓦斯研究J. 中国工程科学,2004,6(5):32-38.2 李树刚, 刘志云. 综放面矿山压力与瓦斯涌出监测研究J. 矿山压力与顶板管理, 2002, 19(1):100-102.3 李化敏, 王文, 熊祖强. 采动围岩活动与工作面瓦斯涌出关系，
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