向斜构造煤与瓦斯突出探讨

关键词：向斜构造；煤与瓦斯突出；应力；煤体结构 
煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力及煤的物理力学性质等因素综合影响下的矿井动力灾害。研究表明，在3 082次有准确记录的突出事例中， 81.9%的突出地点为软分层变厚，有断层、褶曲、火成岩侵入、煤层厚度变化等的地质构造。生产实践表明，向斜构造是煤与瓦斯突出的多发地带。构造地质学家们对向斜构造进行了大量研究且取得了卓有成效的进展(Bio，t 1961； Ramsary， 1962； Ramberg， 1963；W illiams， 1980；В。Ярошевскйй， 1981； Hudelston， 1993； Schmalholz and Padladchikov， 1999； Mancte-low， 2001)。在煤田地质方面，康继武、郭德勇、朱志敏、李贵中分析了褶皱构造煤层瓦斯的储存条件和分布特征。陈练武、朱兴珊、王生全等分析了褶皱构造煤体结构破坏特征。王桂梁、王生全分析了褶皱构造煤层厚度变化特征。何俊利用分形理论分析了褶皱构造的几何特征和煤与瓦斯突出危险性之间的关系。本文从分析向斜构造的几何特征入手，进一步讨论了向斜构造煤层与围岩组成的软硬互层系统的应力-应变特征、层间滑动特征、煤体宏观与微观结构特征以及瓦斯压力与瓦斯含量分布特征，论述了向斜构造煤与瓦斯突出的机理。
1.向斜构造的煤与瓦斯突出实例
平顶山矿区位于李口向斜西南部，矿区总体地质构造线展布方向与李口向斜平行(图1)。矿区东部的八矿、十矿和十二矿以李口向斜、牛庄向斜等为主；中部的一矿、四矿和六矿主体为规模较小的断层；西部的五矿、七矿和十一矿主要为锅底山断层、九里山断层及中间地带的郝堂向斜等。对平顶山矿区煤与瓦斯突出的统计表明，突出具有区域性分布特征，表现为矿区东部的3对矿井为突出矿井，已发生突出43次，位于西部的矿井只有少数的突出显现，而位于中部的矿井基本上没有突出显现。总体上，平顶山矿区的煤与瓦斯突出宏观上受到向斜构造的控制。平顶山矿区的十二矿的16101工作面，在煤巷掘进中发生突出11次，占十二矿己组煤突出的70% (图2)。现场调查表明，煤体结构破坏类型以Ⅲ，Ⅳ为主，瓦斯压力分别为1.45和2.60MPa，瓦斯涌出量异常高。

图1  平顶山矿区地质构造（据张铁岗，2001）

图1  平顶山十二煤矿与瓦斯突出于向斜构造的关系
湖南利民煤矿井田南北两端为大量的褶皱，褶皱密度、褶皱幅度比较大，且多为紧闭，甚至倒转，井田中部褶皱不甚发育，一般比较宽缓；南北两端为不稳定、极不稳定煤层，井田中部为较稳定煤层；井田南端瓦斯压力为1.90MPa，瓦斯含量19.72 m3/；t北端瓦斯压力为2.95MPa，瓦斯含量26 m3/；t中部瓦斯压力为0.39MPa，瓦斯含量11.26 m3/；t井田南端煤层普氏系数为0.06~0.22，北端为0.17~0.41，中部为0.56~0.59。井田南部褶皱带煤与瓦斯共突出60次，北端褶皱带共突出128次，中部除深部突出4次外，其余地区未曾突出过。
鹤壁矿区位于华北拗陷和太行山隆起之间的过渡地带，以一系列NWW向张扭性逆冲断层和褶皱构造为主。鹤壁矿区44次突出中有26次突出发生在褶曲轴部(向斜和背斜)，且基本都发生在附近没有大断层或连通地表断层发育的封闭性褶曲内。
袁家矿区浦溪井田位于袁家向斜北段偏南，褶曲轴为近SN向。浦溪井70多次突出中， 35次都集中在向、背斜轴部附近，不但突出次数多，而且突出强度大。
在淮北矿区，向斜构造形态控制煤层瓦斯分布基本状况。从宿东向斜的两翼过渡到轴部， 8号煤层瓦斯压力、瓦斯含量逐渐增大，煤与瓦斯突出也逐渐增多
2.向斜构造分析
向斜是地壳中岩石受力弯曲变形构造之一。岩石的弯曲变形可以用弯曲弹性梁的应力、应变情况来说明。岩层在弯矩M的作用下弯曲，以中性层为界，下部受拉应力作用，上部受压应力作用，并且拉(或者压)应力离中性层越远越大，其最大值在远离中性层最远的上下边缘处(图3)。在岩层本身弯曲(纯弯曲)所决定的应力状态中，最大和最小压应力(σ1和σ3)垂直或者平行于岩层表面(与位于中性层上、下有关)，并垂直于向斜轴，而中间应力应该平行于岩层面和向斜轴。

图3 向斜构造的力学示意
煤层与顶、底板等岩层组成多层岩系。多层岩系褶曲的应力和应变系统依赖于这个岩系的组成(图4)。各层的层间摩擦力不同，软层硬层的分布差异等可以使向斜的应力-应变状态更加复杂。总体上向斜构造的两翼与轴部中性层以上为高压区，中性层以下表现为拉张应力，形成相对低压区。煤层中的最大剪应力在向斜轴部最小，在翼部最大，并随煤层倾角增加而增大；距离向斜轴部越近，主应力及其梯度越大。
一般煤体的硬度低于围岩，因此在煤体-岩体系统中往往出现剪褶皱与弯褶皱共生，即煤体的原生层面遭劈理或流劈理破坏，进而发生塑性滑动，形成剪切褶曲，使其核部岩层厚于两翼，而岩层因其硬度较大，只产生节理，厚度不变，成为等厚褶皱。煤层的滑动量与其厚度成正比。根据克利别尔(K lbe，l 1940)，在同心褶曲形成时，岩层滑动量可由下式确定：ν=γdπ/180，其中，ν为滑动量；γ为岩层倾角； d为岩层厚度。

图4  多层岩体弯曲滑动中各层相对独立的应变系统
另外，在相同的轴向荷载作用下，软硬互层的弹性多层岩系比整体岩层更容易产生波长较短的屈曲(Bio，t 1964)，这也是在煤田构造中广泛发育中、小型褶曲构造的原因。
3.向斜构造煤与瓦斯突出的相关问题
3.1煤层厚度变化特征
生产实践表明，煤层厚度和煤与瓦斯突出之间具有相关性。主要体现在以下2点：①随煤层变厚，煤与瓦斯突出的危险性增强。南桐矿区的统计表明，煤与瓦斯突出的频次和强度都随煤层的变厚而增加(图5)。②煤层厚度变化带是煤与瓦斯突出的多发地带。前已述及，向斜构造形成过程中的层间滑动造成煤层厚度发生变化，导致向斜轴部煤层增厚，两翼煤层变薄，尤其是向斜轴部附近成为煤层厚度急剧变化的区域，因而也是煤与瓦斯突出的多发地带。

图5 南桐矿区煤层厚度与突出次数、突出强度的关系
3.2煤(岩)体力学特征
向斜构造轴部及一定范围内的煤(岩)体处于高应力环境下，积聚了大量弹性能，接近或处于极限平衡状态。从向斜的两翼至其轴部，煤(岩)体逐步从低应力区向高应力区转化，应力和变形模量以同数量级或更高的比例增长。当煤(岩)体在以上所述状态下受到外部扰动(例如开采)时，显然更易于发生煤与瓦斯突出等动力灾害。
3.3煤体结构特征
在向斜构造形成过程中，煤层作为软层常形成剪切作用，围岩作为硬层则形成弯曲作用，煤层在剪切作用下原生层面遭破劈理或流劈理破坏，且向层面向轴部作塑性滑动，层间滑动进一步破坏了煤层的原生结构，使得煤层全部或部分结构发生变化，产生呈层状或似层状发育的构造煤，煤质极软、疏松。构造煤的发育程度与向斜构造形成过程中煤层的相对滑动量和应力状态呈正相关。煤层厚，煤层弯曲程度大，煤层相对滑动量大，构造煤就相对发育；向斜形成过程中的剪切作用愈强，构造煤也愈发育。构造煤的发育降低了煤体强度，减少了发生煤与瓦斯突出所需的能量。
3.4瓦斯含量和瓦斯压力特征
3.4.1向斜构造煤变质程度对瓦斯赋存的影响
在向斜轴部及附近区域，煤变质程度也高于背斜，从而产生更多的瓦斯，所以向斜具有比背斜更高的瓦斯压力和瓦斯浓度。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。
3.4.2向斜构造应力状态对瓦斯赋存的影响
向斜以中性层为界的两侧的应力状态非均匀性决定了瓦斯赋存的分区特征。向斜上部压缩增厚使得煤(岩)体中的裂隙和孔隙被压密、压实而闭合，阻止了下部瓦斯的向上逸散，减少瓦斯的渗流和扩散；向斜下层在引张作用下产生张性断裂或折裂面，煤体中的割理、节理、微孔隙得以扩张，空间的扩大降低了解吸压力，形成良好的瓦斯聚集空间，也有助于煤层中吸附瓦斯的解吸。再者，向斜部位上覆地层厚度较大，形成相对较好的盖层条件，也有利于瓦斯赋存。
3.4.3向斜构造地下水对瓦斯赋存的影响
地下水与瓦斯共存于含煤(岩)体中，作为流体，其运移和赋存都与煤岩层的孔隙、裂隙有关。一般情况下，地下水的运移带动了溶解于水中的瓦斯，易造成瓦斯的逸散。在向斜构造带，当地下水处于静态或动态平衡时，与瓦斯形成呈动态平衡的气液两相密闭界面，阻止瓦斯沿裂隙逸散。当进行开采活动时，这种动态平衡遭到破坏，地下水失去了对瓦斯的封闭作用，促进瓦斯由吸附态向游离态转变，由此造成瓦斯涌出量的增加。
结语：
在煤与瓦斯突出的发生过程中，地应力与瓦斯是发生和发展突出的动力，煤体强度是阻碍突出发生的因素，它们共同存在于煤层-围岩系统中。从以上的分析得知，高地应力不但增加了突出的动力，而且通过降低煤体强度减少了突出的阻力。此外，煤的强度随瓦斯含量的增加而降低。游离瓦斯产生孔隙压力，瓦斯压力增加，有效应力减小，使煤抵抗破坏的能力降低。在一定程度上，游离瓦斯阻碍了裂隙的收缩，促进其扩展，减弱了宏观裂缝面间的摩擦因数，使得煤体强度降低。吸附瓦斯减少了煤体内部裂隙表面的张力，从而使煤体骨架部分发生相对膨胀，导致煤体颗粒间的作用力减弱，被破坏时所需要的表面能减小，同样也削弱了煤体的强度。
向斜构造轴部及附近容易形成高应力、高瓦斯压力及煤体结构破坏等是发生煤与瓦斯突出所需要的主要因素。向斜构造的几何形态造成了其高瓦斯压力和高瓦斯含量特征；向斜构造的运动特征造成了其煤体结构破坏、构造煤发育特征。向斜构造轴部及附近一定范围内的高应力及高应力梯度是其发生煤与瓦斯突出的应力条件。总的来说，向斜构造煤与瓦斯突出缘于向斜的几何学、运动学和动力学特征，其中向斜的动力学特征是核心因素。
另外需要说明的是，本文所讨论的向斜构造的应力状态主要指向斜构造在形成过程中的一般的应力状态，在特别的情况下，向斜轴部可能会形成相反的应力系统，垂直于向斜轴方向为压应力。另外在现今的应力场作用下，向斜构造的应力状态主要决定于其轴向与主应力作用方向。
向斜构造普遍发育于我国煤田中，应加强各级向斜构造的研究，预防向斜构造煤与瓦斯突出灾害的发生。与此同时，关于在某些地质结构一定条件下发生煤与瓦斯突出的必然性，也不可能作出简单的回答。在实践中，有时煤与瓦斯突出发生在背斜与向斜的两翼。研究的趋势是确定地应力、瓦斯赋存、构造煤三者与瓦斯灾害的定量化关系。
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