構造應力場對煤與瓦斯突出的控製作用
擬和流體勢的計算，揭示了構造應力場對瓦斯運移和聚集的控製作用，指出構造應力決定了瓦斯流 本勢的大小，並決定了瓦斯運移和聚集的方向、軌跡：瓦斯運移的方向從高應力差區到低應力差區，瓦斯位移場與構造應力的應力差梯度場相一致。
關鍵詞：瓦斯；煤與瓦斯突出；流體勢；構造應力場；運移
中途分類號：TDl63 文獻標誌碼：A 文章編號：0253—2336(2008)04—0047—04
1 概 述
瓦斯是影響煤礦安全生產的重要因素，煤與瓦突出是煤礦生產中的主要地質災害之一，隨著煤炭開采深度的延伸，煤與瓦斯突出的危害日趨嚴重。國內外對煤與瓦斯突出的研究已經取得了豐富的成果，一般認為，煤與瓦斯突出是瓦斯、地應力、煤的力學性質等因素綜合作用的結果，其中煤層高壓瓦斯是突出的必要條件，地應力是保持高壓瓦斯的前提條件，煤體結構遭受破壞是突出的有利
條件[1].
地質構造是影響和控製煤與瓦斯突出的重要因素．構造作用形成的構造煤煤化程度高，其形成過
程中有大量瓦斯生成，造成煤層瓦斯含量高[2]構造作用還可使煤層增厚、結構破碎，有利於瓦斯 聚集並易於突出[3-4]區域地質構造往往控製了井田內瓦斯的分布[5-6]．而中小型構造的不同組合則對於瓦斯的聚集或逸散具有不同的控製作用[4,7-8]此外，諸多研究表明，構造形成的應力集中是煤與瓦斯突出的決定性因素[4,9-11]，因而可以通過對構造應力場的03manbetx
預測煤與瓦斯的
突出[12-14]。
地質構造的幾何形態對瓦斯賦存的控製是表象的和顯而易見的，而構造應力場對瓦斯運移、聚集
的控製作用則是內在的和本質的。隨著對煤與瓦斯突出研究的深入，應當在瓦斯聚集和運移的動力學機製方麵作進一步的探討。
2 瓦斯運移的動力機製
瓦斯作為一種流體，其形成後必然隨著地質構造運動而進行二次運移，正因為如此才導致瓦斯聚集，並在一定條件下突出。描述瓦斯流動的基本規律一般采用Fick定律和Darcy定律，前者描述瓦斯的擴散運動，後者描述瓦斯的滲流運動[15]。
瓦斯的擴散運動在其形成期間就已進行，在煤化作用完成一定時期後應基本結束，當然隨著溫度
場、煤體破碎程度等條件的變化，瓦斯仍然會存在一定的擴散運動。根據Darcy定律可以計算瓦斯的滲流速度，進而可近似計算瓦斯的比流量。然而在實際生產中，人們更關心的是可能存在煤與瓦斯突出的位置，或者說如何能夠準確的預測瓦斯二次運移的軌跡。
Hubbert 1954年提出流體勢的概念，流體勢理論較多應用在研究油氣藏分布、油氣二次運移等方麵，對瓦斯運移的研究具有很好的借鑒意義。根據流體勢的理論，處於地下某一空間位置的流體，其流體勢的大小取決於地層流體壓力、高程、流體密度以及所在地區的重力加速度等因素，流體總是從高勢區向低勢區流動。
結合理想氣體的狀態方程和計算流體勢的基本表達式可得流體勢力為
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——基準點和計算點的壓力值；
g——重力加速度；
z——高程。
空間中的z可以測量，地區的重力加速度為定值，當確定了壓力p。下的氣體密度p。，並已知空間的應力場分布時，即可計算空間的流體勢的分布，從而確定瓦斯流體的運移方向和軌跡。由於瓦 斯的密度很小，因而其重力勢能也相應很小，影響瓦斯流體勢的主要因素是地應力的大小。
3青龍礦瓦斯突出的異常現象
青龍井田位於貴州省黔西縣東南部，地形條件總體上受區域性地質構造和岩性控製，屬高原低山丘陵地貌。井田內出露的地層自老至新有：二疊係下統茅口組(P2：m)，上統峨眉山玄武岩組(P3 B)、龍潭組(P3，1)，長興組(P3，c)，三疊係下統夜郎組(T1，y)、茅草鋪組(T，m)，二疊係上統缺失大隆組地層。井田整體位於格老寨背斜的北西翼，北西翼地層基本呈單斜產出，井田北西及南西有F1，F2：，F3，F 2支F 1支五條區域性斷裂構造分布，構成井田北西及南西自然邊界，井田內斷層數量較多。井田內含煤岩係為二疊係上統龍潭組(B1)，可采煤層主要為16、17、18三層較穩定的煤層，平均厚度分別為2．74，1．20，3．18 m。
根據青龍井田．14—2等鑽孔瓦斯含量的測試資料，基本上反映出了煤層瓦斯含量隨深度遞增的規 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律性，統計結果也表明，青龍並田煤層瓦斯含量均大於10 m3／t，根據煤炭科學磅究總院重慶研究院的鑒定，16煤的瓦斯壓力小於臨界值，18煤為瓦斯突出煤層(17煤未做鑒定一故屬於煤與瓦斯突出礦井。
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、內水倉等處共發生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。
根據區域構造03manbetx
，青龍井田所在的區域在長期的地質曆史中、以及在現今的地質環境中，仍然
是以NW—sE向水平擠壓為主要的構造應力場，與宏觀的大地構造應力場相一致。井田現今仍處於 高構造應力帶內，地應力以水平壓應力占優勢，萁應力強度為中等水平，應力場內以NW—sE為主壓應力方向，地應力數值為10～20 MPa。
為了03manbetx
青龍井田在垂向上的應力分布，建立以平行於現代構造應力場主方向(NW向)的垂盔
剖麵，選擇含5次瓦斯突出點的地質剖麵為模型．模擬研究區在現代構造應力、自重應力聯合作用下的應力場分布特征，研究的對象為主采煤層、頂底板岩層和斷層。
數值模擬中的邊界條件設為：頂邊為自由邊界，底邊和左、右邊界設為滾軸約束，重力加速度為10 m／s。。根據岩石力學資料，煤層的頂底板力學強度遠高於煤層，煤層是一種軟弱岩體，強度很低，但又不同於斷層破碎帶。根據岩石強度與其彈性模量等參數的相關性，參照各材料對象的強度大 小，分別將以上參數賦值如下。
頂底板：容重25 kN／m3，彈性模量50 GPa． 泊鬆比為0．2。
煤層：容重14 kN／m。，彈性模量6 GPa，泊鬆比為0．3。
斷層：容重20 kN／m3，彈性模量0．5 GPa，泊鬆比為0．4。
通過數值模擬計算得到了青龍井田垂向剖麵的構造應力場(圖1)。通過對模擬結果的03manbetx
可以發現，原22煤發生5次瓦斯突出的區域，存在主應力差降低區。
根據氣體流體勢的計算公式，在22煤層中選擇了A～L點，計算該點位置的流體勢，計算中壓力P0為1個標準大氣壓，以計算區左下角為相對的高程0點，已知瓦斯在標準狀態下密度為0．716
kg/m3。：計算過程顯示瓦斯流體勢中重力勢能所占分量(g•z)很小，流體勢的大小主要取決於
地應力(包括現代構造應力和自重應力)作用的強度(表1)。
根據計算結果繪製了22煤層瓦斯突出區附近的瓦斯流體勢以及瓦斯的流向(圖2)。
從圖2可以看出，22煤在F17逆斷層附近的流體勢相對較低，周圍的瓦斯從流體勢高處向低處流動，而F17為逆斷層，在水平擠壓應力作用下， 對瓦斯具有封閉作用，導致了瓦斯在F17斷層附近的流體勢最低區域聚集，當采動破壞了斷層和圍岩的封閉性時，就導致了煤和瓦斯的突出。
此外尚應指出，煤和瓦斯突出出現在22煤層說明該區域的瓦斯壓力突破了煤體的強度，否則，即使有瓦斯的聚集也不能發生突出(18煤層等可能屬於這種情況)。
構造應力場對煤與瓦斯突出的控製作用
在煤與瓦斯突出的影響因素中，地質構造的控製作用是顯著的：在煤化變質作用過程中，構造運動可以促進瓦斯的生成；構造作用破壞了煤體的結構，有利於煤與瓦斯突出的發生；構造運動可以形成有利於瓦斯聚集的封閉構造。除此以外，構造應力場控製了瓦斯的運移，是發生瓦斯突出的重要環節。
瓦斯總是從流體勢高處向低處流動，而瓦斯流體勢的大小主要取決於地應力大小，所以控製瓦斯
運移的決定性因素是包含構造應力在內的地應力場。由於構造活動較強的地區普遍為構造應力大於 岩層自重應力，因此，實際上就是構造應力決定了瓦斯流體勢的大小，也就決定了瓦斯的運移方向和 軌跡：瓦斯運移的方向應當是從高應力差區到低應力差區；瓦斯位移場應當與構造應力的應力差梯度場相一致(同時受封閉煤層頂底板的限製)。
在頂板封閉性的煤層褶皺構造中，褶皺的軸部瓦斯含量高，一般認為是褶皺軸部受擠壓而煤體結
構被破壞，節理大量發育，導致瓦斯聚集，但這種解釋是基於瓦斯的運移為自然逸散的觀點。如果席用流體勢的觀點考察這種現象，也可以給予較合理的解釋：褶皺軸部張、剪節理發育，應力降低，導致瓦斯流體勢也降低，而周圍煤層的瓦斯流體勢相對較高，因此，瓦斯自然地從流體勢高處向流體勢低處流動(圖3)，所以，無論是背斜還是向斜，軸部瓦斯聚集均是地應力的動力作用所導致。
實際上，很多井田中的構造是很複雜的，隨著斷層和褶皺的規模、形態、組合的不同，其構造應 力場的特征也相應不同，前文的青龍井田構造隻是屬於其中的一例。為了準確地查明瓦斯的分布，並 預測評價煤與瓦斯的突出，在調查瓦斯的形成與含量、分析礦井構造形態的特征等工作的基礎上，應當重視井田構造應力場的分析與研究，查明瓦斯流體勢的分布特征，從而預測瓦斯的運移、聚集，進而采取相應的預防和治理措施。
4 結 語
1)瓦斯的運移和聚集規律符合流體勢的理論，瓦斯總是從高流體勢區向低流體勢區流動。
2)瓦斯的流體勢中，重力勢能所占的分量很小，瓦斯流體勢大小主要取決於地應力(包括現代構造應力和自重應力)作用的強度。
3)青龍礦22煤層相對於16，17，18等主采煤層厚度較小，但卻頻繁發生煤與瓦斯突出，其原
因在於：22煤層在F17逆斷層附近的流體勢相對較低，周圍的瓦斯從流體勢高處向低處流動，而
F17為逆斷層，在水平擠壓應力作用下，對瓦斯具有封閉作用，導致了瓦斯在F17斷層附近的流體勢最低區域聚集，當采動破壞了斷層和圍岩的封閉性時，就導致了煤和瓦斯的突出。
4)實際上是構造應力決定了瓦斯流體勢的大小，並決定了瓦斯的運移方向和軌跡：瓦斯運移的
方向從高應力差區到低應力差區；瓦斯位移場與構造應力的應力差梯度場相一致(同時受封閉煤層
頂底板的限製)。
5)在礦井瓦斯防治工作中，應當重視井田營造應力場的分析與研究，查明瓦斯流體勢的分布絮
征，從而預測瓦斯的運移、聚集，進而采取相應的預防和治理措施。
參考文獻：
[1] 龍榮生．礦井地質學[M]．北京：煤炭工業出版社，1990．
[2] 張玉貴，張子敏，曹運興．構造煤結構與瓦斯突出[J[煤炭炭學報，2007(3)
[3] 琚宜文，王桂梁．煤層流變及其與煤礦瓦斯突出的關係[J]．地質論評，2002(1)．
[4] 郭德勇，韓德馨，王新義．煤與瓦斯突出的構造物理環境及其應用[J]．北京科技大學學報，2002(6)．
[5] 張國輝，韓軍，宋衛華．地質構造形式對瓦斯賦存狀態的影響分析[J]．遼寧工程技術大學學報，2005(1)．
[6] 馮明，宮輝力，陳力．煤層瓦斯形成的構造地質條件及瓦斯災害預防[J]．自然災害學報，2006(2)．
[7] 張國成，熊明富，郭衛星，等．淮南礦區井田小構造對煤與瓦斯突出的控製作用[J]．焦作工學院學報(自然科學版)，2003(5)．
[8] 史小衛，張玉貴，張子敏．毛郢孜煤礦煤與瓦斯突出的構 造控製分析[J]．煤炭科學技術，2007(2)．
[9] 王誌榮，郎東升，劉士軍，等．豫西蘆店滑動構造區瓦斯地質災害的構造控製作用[J]．煤炭學報．2006(5)．
[10] 張子敏，張玉貴．大平煤礦特大型煤與瓦斯突出瓦斯垃委分析[J]．煤炭學報，2005(2)．
[11] 曹運江，黃潤秋，馮濤，等．湖南利民礦井煤與瓦斯安出的構造差異性研究[J]．成都理工大學學報(自然科學版)，2005(2)．
[12]張宏偉，陳學華，王魁軍．地層結構的應力分區與煤瓦斯突出預測分析[J]．岩石力學與工程學報，2000(4)．
[13] 張宏偉地質動力區劃方法在煤與瓦斯突出區域預測中的應用[J]．岩石力學與工程學報，2003(4)．
[14] 孫葉，譚成軒，孫煒鋒，等．煤瓦斯突出研究方法探索 [J]．地質力學學報，2007(1)．
[15] 俞啟香．礦井瓦斯防治[M]．徐州：中國礦業大學出版社，1992．
[16] Hubbert M K． Entrapment of petroleum under hydrodynamic
eonditions[J]．A A PG Bulletin，i953(8)．
[17] 許浚遠．再論流體勢及其與圈閉和油氣藏關係[J]．地質科技情報，2007(1)．
作者簡介：汪吉林(1969一)，男，安徽桐城人，副教授，三要從事礦產普查與勘探以及礦井地質方麵的科研工作。Tel： 13685128848，E—mail：wjl—cumt@163．com
