浅谈地应力对瓦斯突出的研究

浅谈地应力对瓦斯突出的研究
作者：徐涛
来源：《科学与财富》2017年第25期
摘要：利用空心包体地应力测量方法对煤与瓦斯突出严重的平顶山八矿区地应力场进行了测量分析，得出煤与瓦斯突出矿区地应力场分布规律最后讨论了地应力对突出的作用，认为高地应力增加了突出的动力--瓦斯含量和瓦斯压力，降低了突出的阻力--煤体破坏强度（峰值强度）。

高地应力区域内易出现煤体失稳破坏、发生煤与瓦斯突出，对矿区预防煤与瓦斯突出具有重要的意义。

关键词：地应力测量；岩石力学；煤与瓦斯突出；地应力分布规律
1 测量方法及结果
地应力测量能够确定测点处地应力场的类型，及该点处构造应力和水平应力的大小和方向，进而由区域内几个点的测量结果来分析该区域的地应力场情况。

文章采用的是空芯包体地应力测量方法，采用钻孔套芯应力解除法进行，使用中国地质力学研究所研制的KX—81型空芯包体式三轴应力计。

2 地应力测量结果分析
2.1 垂直应力分布规律
E.Hock等通过对世界一百多个地点的地应力值进行分析，得出垂直应力分布呈现一定规律，绝大部分垂直应力数据分布于平均密度为2.7g/cm3的上覆岩体重力引起的应力梯度直线周围，关系式如下表示：
（1）
八矿区垂直应力与深度的变化关系见图1：
（R=0.947）（2）
矿区内的垂直应力分布规律与E.Hock等的统计结果并无显著差异（R为相关性系数），应力值随着开采深度的增加而线性增加，且数据的相关性较好，区内垂直应力属于正常水平。

2.2 最大主应力分布规律
根据我国绝大多数矿区的地应力实测结果，如开滦、淮南、焦作等矿区，得出我国矿区的原岩应力相对较低，最大水平主应力用如下关系式表示：
（3）
根据八矿地应力实测数据得出最大主应力随深度的变化关系如图2：
（R=0.9613）（4）
得出矿区内最大主应力值随着深度的增加而增大，且数据相关性较好，从得出计算式中可以看出，与国内其它矿区的一般水平相比，八矿区的最大主应力明显高于一般水平，聚集了较高的水平构造应力，这与矿区内突出灾害频发相一致。

2.3 最大主应力与最小主应力的关系
通过计算最大主应力与最小主应力的比值可以得出该矿区的应力方向性是否强烈，各向异性是否明显，我国大多数矿区最大主应力与最小主应力比值一般为1.2～2.5。

八矿地应力实测结果最大主应力与最小主应力的比值分别为4.71、2.32和2.84，表明八矿区内最大主应力与最小主应力相差很大，区域水平应力场显示出很强的方向性，各向异性明显。

2.4 最大主应力与垂直应力的关系
八矿区内最大主应力与垂直应力的比值分别为2.26、1.53和1.62，二者的比值随深度的增加而减少，且八矿区内最大主应力远大于垂直应力，故区内水平构造应力起主导作用，控制着整个区域的应力场状态。

3 讨论
3.1 地应力在煤与瓦斯突出中的作用
煤与瓦斯突出的发生是地应力、瓦斯和煤体强度三种因素综合作用的结果，三者同时作用于煤层-围岩系统中。

地应力与瓦斯在煤与瓦斯突出过程中起动力作用，煤体强度起阻碍突出发生的作用，三者之间具有密切的联系。

地应力和煤体孔隙中的瓦斯压力同时作用于赋存在煤系地层中的多孔介质煤。

应力是影响煤体渗透率的最为显著的因素，地应力对瓦斯压力、瓦斯含量的影响可以从应力与渗透性的关系来说明。

煤体渗透率与应力的关系表示如下：
（5）
式中：K-定应力条件下的绝对渗透率；
K0-无应力条件下的绝对渗透率；
C -煤的孔隙压缩系数；
-应力变化率。

从公式中可以得出渗透率与应力呈负指数关系，随着应力的升高渗透率降低，在含瓦斯煤这一多孔介质中，渗透率降低直接导致煤体内孔隙压力升高。

因此，在高地应力区域内，因着地应力的升高直接导致突出动力之一的瓦斯压力的升高。

孔隙压力作用于含瓦斯煤体，促使煤体中裂纹扩张，导致煤体的抵抗能力减弱，结果导致含瓦斯煤的破坏强度（峰值强度）降低，进而致使煤体的强度降低。

此外，含瓦斯煤的脆性度随瓦斯含量增加而显著增加。

煤体失稳破坏机率随煤体脆性度的增加而增加，因此，煤体中的瓦斯加速了煤体失稳破坏的进程。

综上分析可知，在高地应力煤层—围岩系统中，突出的动力瓦斯含量和瓦斯压力得到增加，突出的阻力煤体强度降低，进而，高地应力环境大大增加了突出发生的可能性，这与八矿区内突出灾害频发是相符的。

4 结论
（1）八矿区内垂直应力和最大主应力都随着深度的增加近线性增加。

最大主应力与最小主应力相差很大，区域应力场表现出很强的方向性。

最大、最小主应力为水平应力，中间主应力为垂直应力，水平应力远大于垂直应力，说明水平构造应力在区域应力场中起主导作用，应力场类型为大地动力场。

（2）八矿区属于高地应力集中区域，区内应力水平明显高于普通矿区。

高地应力增加了突出的动力——瓦斯含量和瓦斯压力，减少了突出的阻力——煤体破坏强度（峰值强度），使含瓦斯煤体更易于出现失稳破坏、发生煤与瓦斯突出，与矿区内煤与瓦斯突出灾害发生频繁的实际情况相符合。

参考文献：
[1] 霍多特 B.B.煤与瓦斯突出[M].宋世钊，王佑安，译.北京：中国工业出版社，1966.
[2] 韩军，张宏伟，等.京西煤田冲击地压的地质动力环境[J].煤炭学报.2014，39（6）：1056～1062.
[3] BATUGINA I M， PETUKHOV I M. Geodynamic zoning of mineral deposits for planning and exploitation of mines[M].New Delhi： Oxford and IBH. Publishing Co.， PTV.， Ltd.，1988.
[4] 于不凡.煤和瓦斯突出机制[M].北京：煤炭工业出版社，1985.
[5] 张宏伟，荣海，等.基于应力及能量条件的岩芯饼化机理研究[J].应用力学学报.2014，31（4）：512～517.
[6] 郭德勇，韩德馨.煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用[J].北京科技大学学报，2002，24（6）：581～584.
[7] 加卢什科ля.里沃夫-沃伦和顿巴斯煤田岩体应力的研究成果[C]// 地壳应力状态.国家地震局地震地质大队情报资料。