构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用.pdf

安全科学与工程构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用郭德勇1，揣筱升1，张建国2，张国川2(1.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京100083；2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司,河南平顶山467000)摘要：为探讨构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用，运用瓦斯地质学、构造物理学和岩石力学方法分析了构造应力场对煤体结构、地应力和煤层瓦斯的作用，结合煤与瓦斯突出实例研究了构造应力场对突出分布、类型和强度的作用，揭示了构造应力场控制煤与瓦斯突出机理和作用形式。研究表明：构造应力场控制煤体结构分布、类型及煤体强度特征，挤压构造应力场是形成构造煤的主要应力作用形式，并于褶皱层间滑动带和压扭性断裂带形成构造煤发育区；构造应力场强度越大，煤体破坏程度越高、煤体强度越低。构造应力场控制地应力类型、大小和方向，强构造应力场作用区域属于大地动力场型并处于高地应力环境，构造应力场方向即地应力的最大水平主应力方向。构造应力场影响煤层瓦斯富集程度，强构造应力场作用区域煤层渗透率低、瓦斯含量高、瓦斯压力大，并于压扭性构造带形成瓦斯富集区。多期构造应力场演化作用造成构造煤、地应力和煤层瓦斯呈区域性分布，进而控制突出的分区分带特征；构造应力场产生的水平挤压作用控制突出类型以压出为主；构造应力场的最大水平主应力方向与巷道轴向夹角越大，应力集中系数越大，突出强度越大；最大水平主应力越大，煤岩体弹性变形能和瓦斯膨胀内能越大，突出强度越大。关键词：构造应力场；煤与瓦斯突出；构造物理；突出规律；突出机理中图分类号：TD713文献标志码：A文章编号：02539993(2023)08307615Controlling effect of tectonic stress field on coal and gas outburstGUODeyong1,CHUAIXiaosheng1,ZHANGJianguo2,ZHANGGuochuan2(1.School of Emergency Management and Safety Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing100083,China;2.China Ping-mei Shenma Energy and Chemical Group Co.,Ltd.,Pingdingshan467000,China)Abstract:Toinvestigatethecontrollingeffectoftectonicstressfieldoncoalandgasoutburst,thegasgeology,tectono-physicsandrockmechanicsmethodswereappliedtoanalyzetheinfluencesoftectonicstressfieldontectoniccoal,in-situstressandcoalseamgas.Basedonthecaseofcoalandgasoutburst,theeffectoftectonicstressfieldonthedistribution,typeandstrengthofcoalandgasoutburstwasstudied.Themechanismandactionformsofcoalandgasoutburstcon-trolledbytectonicstressfieldwererevealed.Resultsshowthatthetectonicstressfieldcontrolsthecharacteristicsofcoalbodystructuredistribution,coalbodystructuretypeandcoalbodystrength.Thecompressivetectonicstressfieldisthemainformofstressactionforthetectoniccoalformation,andthecompresso-shearfaultzoneandinterlayer-glidingfrac-turezoneoffoldformthedevelopmentareaoftectoniccoal.Thelargerthetectonicstressfieldintensityis,thehigherthefracturingdegreeofthecoalbodyis,andthelowerthecoalbodyintensityis.Thetectonicstressfieldcontrolsthetype,levelanddirectionofthein-situstressfield.Theregiondominatedbytheintensivetectonicstressfieldbelongstothedy-收稿日期：20221006修回日期：20230525责任编辑：王晓珍DOI：10.13225/ki.jccs.2022.1435基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(41430640)；国家自然科学基金联合基金重点资助项目(U1704242)作者简介：郭德勇(1964)，男，河南焦作人，教授，博士生导师。E-mail:引用格式：郭德勇，揣筱升，张建国，等.构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用J.煤炭学报，2023，48(8)：30763090.GUODeyong，CHUAIXiaosheng，ZHANGJianguo，etal.ControllingeffectoftectonicstressfieldoncoalandgasoutburstJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(8)：30763090.第48卷第8期煤炭学报Vol.48No.82023年8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.2023namicstressfieldandisatthehighin-situstressenvironment,andthedirectionofthetectonicstressfieldisthedirectionofthemaximumhorizontalprincipalstressofin-situstress.Thetectonicstressfieldaffectsthecoalseamgasenrichmentdegree.Undertheactionofthestrongtectonicstressfield,thecoalseampermeabilityislower,thegascontentandgaspressure are higher,and the compresso-shear structure zone forms the gas enrichment area.Under the action of themultistagetectonicstressfiled,thedistributionoftectoniccoal,in-situstressandgasofcoalseamhastheregionalcharac-teristic,whichcontrolsthepartitioningandzonaldistributionofcoalandgasoutburst.Thehorizontalcompressionalstresscausedbythetectonicstressfieldcontrolsthecoalandgasoutbursttypedominatedbycoalandgaspress-out.Withthein-creaseoftheanglebetweenthedirectionofthemaximumhorizontalprincipalstressandtheaxialdirectionoftheroad-way,thestressconcentrationfactorincreasesandthecoalandgasoutburstintensityincreasesgradually.Withtheincreaseofmaximumhorizontalprincipalstress,theelasticdeformationenergyofcoalandrockmassandgasexpansionenergyin-creaseandthecoalandgasoutburstintensityincreases.Theresearchresultsprovideatheoreticalbasisforpredictingandpreventingcoalandgasoutburst.Key words:tectonicstressfield；coalandgasoutburst；tectonophysics；outburstpattern；outburstmechanism随着煤矿开采深度和开采强度不断增大，深部应力环境复杂多变，煤与瓦斯突出(简称突出)危险性急剧增加1。构造应力场不仅影响瓦斯的生成与赋存，破坏煤体结构，而且控制地应力场类型并为突出提供能量2。因此，探讨构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用对预防煤与瓦斯突出事故具有重要的理论价值和工程意义。地应力、构造煤和瓦斯是影响突出的主要因素3，而构造应力场作为纽带将 3 因素联系起来并影响突出。地质构造对突出的控制作用是显而易见的4，但构造应力才是控制突出的关键。古构造应力场通过多期演化作用形成不同类型的构造形迹和构造组合，进而控制构造煤的形成与分布规律和煤层瓦斯赋存特征5。构造应力场的挤压和剪切作用促使煤岩层产生动力变质作用，当处于合适的温压条件下煤层发生剪切变形进而形成不同类型的构造煤，并伴随瓦斯生成6-8；煤系地层在挤压构造应力作用下发生层间滑动形成层滑构造，顺煤层滑动造成构造煤呈层分布，断层选层发育控制构造煤选层分布9。构造应力场破坏煤体结构的同时伴随瓦斯生成10，多期构造应力场演化作用形成的相对高压封闭构造区是煤层瓦斯生成、富集和保存的有利部位11-12，如向斜轴部压应力区13、背斜翼部和转折部压应力区14、逆断层挤压应力区15等。现今构造应力场作为现今地应力的主体，控制煤层瓦斯压力并直接参与突出。研究表明，地应力场类型不同煤层渗透性响应特征不同，逆断层应力场和走滑断层应力场有利于形成低渗透率、高瓦斯压力环境，正断层应力场反之16-17；最大主应力越大，煤层渗透率越低、瓦斯压力越大18-20；掘进巷道前方煤层瓦斯压力呈子弹状分布21，应力降低区瓦斯压力与最大主应力呈现“同增同减”的变化趋势，应力升高区瓦斯压力下降起始时刻随着最大主应力增大而提前，且煤层透气性较低22-23。目前国内外学者主要围绕地应力对突出的影响展开研究，从构造应力场角度进行的探讨较少。相关研究指出，高应力梯度区与突出点分布有较好的一致性24；挤压构造应力场形成的强构造变形区是突出高发地带4,25，如滑动构造前缘挤压应力带26、隔挡式褶皱轴部的挤压应力区27、流压控制型和流-固耦合型的断层应力带28、向斜轴部挤压应力区和背斜翼部压剪应力区14。地应力、瓦斯压力越大，突出频度和煤体抛出距离越大29；最大主应力方向与断层走向夹角越大，突出危险性越大30。以上主要从构造应力对构造煤成因分布和煤层瓦斯赋存的影响，以及地应力和煤与瓦斯突出分布的关系展开研究，缺乏对构造应力场控制煤与瓦斯突出影响因素和规律的系统性研究。据此，笔者运用瓦斯地质学、构造物理学和岩石力学等理论方法分析了构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用。1矿区构造应力场特征平顶山矿区位于华北板块南缘带，属于秦岭大别造山带北侧逆冲推覆构造系的豫西渑池义马宜阳鲁山平顶山舞阳区段。研究显示31，矿区自煤系地层形成以来主要经历了印支、燕山、喜山 3期古构造应力场作用，印支期最大主应力方向近NS 向，优选产状 36，该期构造应力场对矿区影响较小，区内几乎不发育 EW 向构造；早燕山期最大主应力方向 NW 向，优选产状 31313，该期构造应力场作用使矿区形成了 NWNWW 向走滑断层，如矿区北部边界的襄郏断裂，但未形成 NNENE 向强变形褶皱和逆断层；晚燕山期最大主应力方向 NE 向，优选产状 549，该期构造应力场作用使矿区形成了第8期郭德勇等：构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用3077一系列 NWWNW 向开阔式褶曲构造以及 NW 向压扭性断裂和 NE 向张扭性断裂，如李口向斜、襄郏背斜、灵武山向斜、白石山背斜、锅底山断裂和白石山霍堰断裂(图 1)；喜山期最大主应力方向 NNE 向，优选产状 1815，该期应力场作用使矿区先存的NWWNW 向断裂表现为压扭性活动，NNENE 向断裂表现为张扭性活动，如郏县断裂和洛岗断裂此时向右行张扭，随着地块隆起反转为正断层。可见，矿区构造应力场最大主应力方向经历了 NSNWNENNE 向的转化，在多期构造应力场作用下，最终使矿区形成了现今李口向斜控制下的一系列 NWWNW 向褶曲和断裂，并伴生 NNENE 向次级断裂构造。+襄郏断裂李口向斜04 km洛岗断裂2西部构造应力区中部构造应力区东部构造应力区九里山断裂郏县断裂正断层逆断层井田边界背斜向斜构造应力分区边界箭头的方向和长度分别表示最大水平主应力方向及大小箭头的方向和长度分别表示最小水平主应力方向及大小一矿;二矿;三矿;四矿;五矿;六矿;七矿;八矿;九矿;十矿;十一矿;十二矿;十三矿;首山一矿;香山矿;先锋矿;吴寨矿;1锅底山断裂;2白石沟断裂;3霍堰断裂;5灵武山向斜;4白石山背斜;6沟李封断裂;7襄郏背斜2135467N图1平顶山矿区构造应力场分布Fig.1DistributiondiagramofthetectonicstressfieldinPingdingshanminingarea通过系统分析平煤股份一矿、四矿、五矿、六矿、八矿、九矿、十矿、十一矿、十二矿和首山一矿等矿井地应力资料31，共得到 47 个测点数据。运用构造应力解析法获得了矿区构造应力场分布规律(图 1)，其中 13 个测点为 HhV型(逆断层应力场型)，占比 27.66%，24 个为 HVh型(走滑断层应力场型)，占比 51.06%，10 个为 VHh型(正断层应力场型)，37 个为逆断层应力场和走滑断层应力场型，占比 78.72%，即矿区属于大地动力场型。矿区最大侧压比为 0.622.70，平均值 1.49，37 个测点最大侧压比大于 1，占比高达 78.72%；主应力比为 1.063.40，平均值 1.87，32 个大于 1.50，占比 68.09%，可见，矿区以水平应力为主，且水平差应力相对较大。构造应力的最大水平主应力为 6.0757.79MPa，38 个测点大于10MPa，占比 80.85%，24 个测点大于 18MPa，占比51.06%，矿区整体为高应力值区，且随着埋深增大主应力逐渐增大，最大水平主应力方向为 NEE 向。现今构造应力场存在分区特征，具体表现为西部矿区以正断层应力场型占主导，最大侧压比为 0.621.16，平均值 0.83，主应力比为 1.061.90，平均值 1.51，构造应力等级为低应力水平；中部矿区以走滑断层应力场型占主导，最大侧压比为 0.911.61，平均值 1.37，主应力比为 1.123.40，平均值 1.90，构造应力等级为中高等应力水平；东部矿区以逆断层应力场和走滑断层应力场型占主导，最大侧压比为 1.232.70，平均值1.83，主应力比为 1.143.40，构造应力等级为超高应力水平。可见，矿区总体属于大地动力场型，西部以正断层应力场型占主导，中部以走滑断层应力场型占主导，东部以逆断层应力场型占主导；矿区为高构造应力值区，埋深越大主应力越大，最大水平主应力方向为 NEE 向。2构造应力场控制煤与瓦斯突出作用机理2.1构造应力场对煤体结构的作用2.1.1构造应力场控制煤体结构分布构造应力场的不均匀分布造成含煤地层的不协3078煤炭学报2023年第48卷调变形，进而引起煤体结构分布的差异性。在区域挤压构造应力场作用下，顺层剪切应力作用必然使含煤地层发生褶皱和层间滑动并形成顺煤层断层，层间滑动构造控制煤体结构区域分布，切层断层控制煤体结构局部分布8-9。挤压构造应力场产生的层滑作用可形成 4 种构造煤发育模式：构造煤顶部发育模式、构造煤中部发育模式、构造煤底部发育模式和构造煤全层发育模式(图 2)，首山一矿己1512010 和己1512030工作面部分区域呈现构造煤顶部发育模式(图 2(a)，整个矿区的丁5-6煤层、戊9-10煤层和己15-17煤层呈现构造煤中部发育模式，即硬煤软煤硬煤的“三层结构”特征，戊9-10煤层最为显著(图 2(b)，首山一矿己15-1712120 工作面部分区域呈现构造煤底部发育模式(图 2(c)，东部矿区的部分己组煤层呈现构造煤全层发育模式(图 2(d)。在强挤压构造应力场作用下煤系地层形成纵弯褶皱，由于煤层力学强度较低，顺层剪切应力优先在煤层中形成层滑面。当形成开阔褶皱时，层滑构造多发生于次级褶皱带内，当形成中常褶皱时，层滑构造多发生于褶皱翼部。褶皱形成过程中，煤层在剪切应力作用下发生层间滑动，破坏煤体结构并发生塑性流变，产生层状或似层状发育的构造煤并引起煤厚变化，通常褶皱翼部受顺层剪切应力作用较强，顺煤滑动作用造成煤层顶底部分层、顺层剪切裂隙密集发育，先存裂隙被进一步压实、破坏，产生韧脆性变形，形成碎粒煤和糜棱煤。如矿区李口向斜南西翼发育郭庄背斜、牛庄向斜等多个次级褶皱，在次级向斜和背斜范围内的戊9-10煤层中发育大量层滑构造，在煤层中部形成厚度为 12m 的碎粒煤和糜棱煤分层。在挤压构造应力场作用下形成切层断层，断层形成过程中由于各部位应力作用强度不同，导致煤体变形程度在断层附近向两侧逐渐减弱。在断层上盘由断层带中心向旁侧可依次发育糜棱煤、碎粒煤、碎裂煤至未变形的原生结构煤：在断层上盘影响范围以外区域构造应力作用较弱，煤体发生脆性变形，发育部分羽状裂隙，主要形成碎裂煤，部分发育原生结构煤；上盘影响范围远端受中等压剪应力作用，煤体发生脆性变形，发育大量共轭 X 型剪节理，主要形成高变形程度的碎裂煤；上盘影响范围中部区域受强压剪应力作用，煤体发生韧脆性变形，共轭 X 型剪节理被进一步压实、破坏，主要形成碎粒煤；在断层面附近受强烈挤压应力作用，煤体发生韧性变形，被进一步揉皱、破坏，形成揉皱型糜棱煤。由于切层断层上盘为主动盘，所受挤压应力更大，导致上盘构造煤变形程度和分布范围强于下盘。如东部矿区牛庄逆断层和原十一矿逆断层附近碎粒煤和糜棱煤十分发育，厚度多大于 0.7m，且多次发生煤与瓦斯突出事故。可见，强挤压构造应力场作用下形成的褶皱层间滑动带和压扭性断裂带为构造煤发育区。(d)构造煤全层发育模式(b)构造煤中部发育模式30 cm原生结构煤构造煤原生结构煤50 cm顶板底板构造煤20 cm顶板构造煤(c)构造煤底部发育模式底板构造煤30 cm(a)构造煤顶部发育模式图2挤压构造应力场作用下煤体结构的分布模式Fig.2Distributionmodelofthecoalbodystructureunderthecompressivetectonicstressfield第8期郭德勇等：构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用30792.1.2构造应力场控制煤体结构类型构造应力场性质不同，煤体结构类型响应特征不同。在挤压构造应力场作用下且温度较低时，煤体发生挤压变形破坏，形成与煤层原生裂隙同向或相交的宏观裂纹、微裂隙，以脆性变形为主，形成碎裂煤。在剪切应力场作用下且温度较低时，煤体发生剪切变形破坏，形成共轭 X 型裂隙或微裂纹，同样以脆性变形为主，形成碎裂煤。在张拉应力场作用下且温度较低时，煤体发生拉伸变形，煤层内部形成张性裂隙或充填性裂隙，以脆性变形为主，形成碎裂煤。在强烈挤压或剪切应力场作用下且温度较低时，煤体破坏强烈，发育更小尺度的裂纹并破碎成粒状，层理紊乱，发生韧脆性变形，形成碎粒煤。在强烈张拉应力场作用下，煤体变形程度增大，发育更小尺度的裂纹或破碎呈粒状，发生脆性变形，形成碎粒煤。在强烈挤压或剪切应力场作用下且温度较高时，煤体破碎剧烈，形成揉皱型微构造，发生韧性变形，形成糜棱煤。构造煤在后期构造应力场作用下会继续变形破坏，形成高变形程度的构造煤类型。碎裂煤受后期挤压或剪切构造应力作用且温度较低时，煤体破碎作用和碎粒作用加强，层理杂乱无章，煤体发生脆性变形或韧脆性变形，主要形成高变形程度的碎裂煤、碎粒煤；当处于高温压环境时，煤体内部发生黏性流动，由脆性变形向韧性变形转化，最终形成糜棱煤；在后期张拉应力场作用下，煤体进一步破碎且粒化作用加强，发生脆性变形，主要形成高变形程度的碎裂煤、碎粒煤。碎粒煤受到后期强烈挤压或剪切应力场作用且温度较低时，发生韧脆性变形，主要形成高变形程度的碎粒煤；当处于高温压环境时，煤体破碎强烈且形成揉皱型微构造，发生韧性变形，形成糜棱煤；当受到后期张拉应力场作用时，无论温度高低均形成更为破碎的、高变形程度的碎粒煤。糜棱煤在后期构造应力场作用下类型保持不变，但煤体进一步破碎、揉皱，形成揉皱型甚至土状型糜棱煤。通过井下构造煤观测可知，矿区煤体结构类型齐全，碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤内部发育多组裂隙且擦痕密集，反映其形成过程受到多期不同性质构造应力场作用。可见，构造应力场作用性质不同，煤体结构类型不同，挤压构造应力场是形成构造煤的主要应力作用形式。2.1.3构造应力场对煤体强度的作用构造应力场作用强度不同，煤体破坏程度和煤体强度响应特征不同，较弱的构造应力场作用对煤层影响不大，几乎不发育裂隙或仅发育小型裂纹，煤体结构未发生变形破坏，仍为原生结构煤，煤体强度较大(图 3(a)。随着构造应力场作用强度增加，构造变形进一步发展，在煤层中发育平行于层面的剪切带，进而在压应力、剪应力的作用下形成多组剖面共轭剪节理或斜交节理，节理面斜交层理，形成低变形程度的(a)原生结构煤(b)碎裂煤(c)碎粒煤(d)糜棱煤图3不同强度构造应力场作用下的煤体变形特征Fig.3Deformationcharacteristicofthecoalbodyunderthedifferentstrengthoftectonicstressfield3080煤炭学报2023年第48卷碎裂煤，煤体强度降低；随着构造应力进一步增大，剪切位移增加，节理密度增大，发育顺层节理并切割垂直、斜交节理，节理面的阶步和擦痕比斜交节理更为发育，形成高变形程度的碎裂煤，煤体强度进一步降低但仍处于一定水平(图 3(b)。在强烈构造应力场作用下，煤体变形破坏程度较大，斜交节理形成的块体在压剪应力作用下逐渐磨去棱角，形成透镜体，发育更小尺度的宏观裂纹与微裂隙，破碎呈粒状，形成碎粒煤，煤体强度较低(图 3(c)。当构造应力场作用强度进一步增大，煤体破坏程度急剧增加，节理、裂隙逐渐加密，碎粒尺寸继续减小，形成和煤层泥类似的粉末状构造煤，即土状型糜棱煤，或在剪应力作用下煤体进一步破碎、揉皱形成揉皱型糜棱煤，此时煤体强度最小(图 3(d)。通常在逆断层上盘由远端向断层带中心挤压构造应力作用强度逐渐增大，煤体破坏程度增加，煤体强度逐渐降低。以首山一矿为试验矿井，选取 6 条逆断层，通过测试断层上盘不同构造变形带原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤的煤体坚固性系数 f(表 1)。分析可知，原生结构煤f 为 0.761.30，平均值 0.83；碎裂煤f 为 0.310.48，平均值 0.38；碎粒煤f 为 0.210.34，平均值 0.28；糜棱煤f为 0.080.22，平均值 0.18。强烈挤压构造应力作用形成的碎粒煤和糜棱煤f普遍低于 0.5，为瓦斯突出发生提供了煤体结构条件。可见，构造应力场强度越大，煤体破坏程度越高、煤体强度越低。表 1 首山一矿煤体坚固性系数Table 1 Coal body consistent coefficient inShoushan No.1 Mine原生结构煤碎裂煤碎粒煤糜棱煤0.76 1.300.830.31 0.480.380.21 0.340.280.08 0.220.18最小值 最大值平均值注：数据格式为。综上可知，构造应力场控制煤体结构分布、类型及煤体强度特征，挤压构造应力场是形成构造煤的主要应力作用形式，并于褶皱层间滑动带和压扭性断裂带形成构造煤发育区，构造应力场强度越大，煤体破坏程度越高、煤体强度越低，为突出发生提供了煤体结构条件。2.2构造应力场对地应力的作用2.2.1构造应力场控制地应力类型地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，主要由自重应力和构造应力组成，在空间上的分布称为地应力场32。构造应力作为地应力的组成部分，对地应力类型、大小和方向均产生不同的作用。地应力主要包括垂向主应力和水平主应力，垂向主应力和水平主应力的相对大小不同，地应力类型响应特征不同。在弱构造应力场作用区域，由于弱构造应力的水平分量与自重应力水平分量的叠加效应未改变三 向 主 应 力 的 相 对 大 小，形 成 正 断 层 应 力 场(VHh)。在中等构造应力场作用区域，由于中等构造应力的水平分量与自重应力水平分量的叠加效应，导致最大水平主应力大于垂向主应力，而最小水平主应力仍小于垂向主应力，形成走滑断层应力场(HVh)；在强构造应力场作用区域，由于强构造应力的水平分量与自重应力水平分量的叠加效应，导致水平主应力均大于垂向主应力，形成逆断层应力场(HhV)。可见，构造应力场通过产生水平应力控制地应力类型。不同强度构造应力场作用区域，地应力类型呈现不同的分布特征33。在垂直方向上，挤压构造应力场作用下力源近端区域承受较强的应力作用，地应力类型自地表向深部从逆断层应力场向走滑断层应力场转化，再向正断层应力场转化。在水平方向上，力源近端的强构造应力场作用区域为逆断层应力场，属于不稳定区，主要形成逆冲推覆构造；力源中端的中等构造应力场作用区域为走滑断层应力场，主要发育褶皱构造和走滑断裂；力源远端的弱构造应力场作用区域为正断层应力场，属于稳定区，地层平缓、断层发育较少。可见，随着构造应力场作用强度降低，地应力类型从大地动力场型向大地静力场型转化。通过统计矿区不同埋深和不同区域的地应力类型资料31(表 2)，分析可知，矿区在强水平挤压构造应力作用下，有 37 个测点为逆断层应力场和走滑断层应力场，占比 78.72%，属于大地动力场型。在垂直方向上，当埋深为 400640m 时，逆断层应力场和走滑断层应力场型占主导地位；埋深为 640780m 时，正断层应力场型占主导地位；埋深大于 780m 时，走滑表 2 平顶山矿区地应力类型分布Table 2 In-situ stress type distribution inPingdingshan mining area个类型不同垂向埋深(m)的应力场数量不同水平分区的应力场数量400640 640780 780整体 西部 中部 东部逆断层应力场814130211走滑断层应力场7413242913正断层应力场17210820总计16121947101324第8期郭德勇等：构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用3081断层应力场型占主导地位。可见，随着埋深增加，矿区地应力类型有从大地动力场型向准静水压力场型过渡的趋势。在水平方向上，西部矿区以正断层应力场型占主导，中部矿区以走滑断层应力场型占主导，东部矿区以逆断层应力场和走滑断层应力场型占主导。可见，由挤压力源近端向远端，矿区地应力类型从大地动力场型向大地静力场型转化。2.2.2构造应力场对地应力的作用空间上某点的地应力主要包括垂向主应力和水平主应力，由于构造应力引起的垂向应力分量为 0，因此垂向主应力主要由上覆岩层的自重应力组成，而水平主应力主要由自重应力作用产生的水平应力分量(泊松效应)与构造应力作用产生的水平应力分量组成。即空间中某点的主应力H=SH+1V+121PpV=wH0(H)gdHh=Sh+1V+121Pp(1)式中，H、V和 h分别为最大水平主应力、垂向主应力和最小水平主应力，MPa；SH和 Sh分别为构造应力的最大和最小水平主应力，MPa；为泊松比；为 Bi-ot 系数；Pp为地层压力，MPa；H 为埋深，m；(H)为上覆岩层密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2。由式(1)可知地应力大小与构造应力大小呈正相关性，构造应力场产生的水平应力越大，地应力的水平主应力越大，地应力越大。运用构造应力解析法33获得了矿区构造应力场数据，并绘制了构造应力的最大水平主应力与地应力的最大水平主应力关系曲线(图 4)，分析可知，构造应力越大地应力越大，且正相关性较强。其中，矿区地应力的最大水平主应力为12.8067.15MPa，5 个测点为中等应力水平，占比13.51%；16 个为高等应力水平，占比 43.24%；16 个测点为超高应力水平，占比 43.24%。可见，在强构造应力场作用下矿区整体处于高地应力状态。2.2.3构造应力场控制地应力方向弱构造应力场作用区域形成正断层应力场，自重应力产生的垂向和水平应力在主应力中起主导作用，最大主应力 1=V，中间主应力 2=H，最小主应力3=h，中间主应力方向为地应力的最大主应力方向。中等构造应力场作用区域形成走滑断层应力场，构造应力产生的水平应力在主应力中起主导作用，最大主应力 1=H，中间主应力 2=V，最小主应力 3=h，构造应力方向为地应力的最大主应力方向且呈近水平方向分布。强构造应力场作用区域形成逆断层应力场，构造应力产生的水平应力在主应力中的主导作用增强，最大主应力 1=H，中间主应力 2=h，最小主应力 3=V，构造应力方向仍为地应力的最大主应力方向且呈近水平方向分布。可见，构造应力方向即地应力的最大水平主应力方向。矿区属于大地动力场型，地应力方向受构造应力场控制，区域震源机制解显示矿区现今构造应力场方向为 NEE 向31，实测地应力的最大水平主应力方向集中分布于 N35EN80E 和N40WN80W，即 NENEE 向和 NWNWW 向，除受断层影响外，地应力的最大水平主应力以 NEE向为主，与区域构造应力场方向一致。综上可知，构造应力场控制地应力类型、大小和方向，强构造应力场作用区域属于大地动力场型并处于高地应力环境，构造应力场方向即地应力的最大水平主应力方向，为突出发生提供了地应力条件。2.3构造应力场对煤层瓦斯的作用2.3.1构造应力场对煤层瓦斯含量的作用含煤地层在构造应力场的长期作用下发生动力变质作用，随着煤变质程度增加，煤层生气量增加造成煤层瓦斯含量增大34，进而影响瓦斯富集程度。结合豫西煤田含煤地层热演化史35，分析 4 期古构造应力场对矿区煤层瓦斯的作用：印支期煤层埋深约2200m，地热温度 104，煤质以气煤为主，煤层于该时期生成大量瓦斯，由于该期近 NS 向古构造应力场作用强度较弱且煤层埋深较大，致使垂向和水平方向瓦斯运移较弱，瓦斯逸散量少，保存良好，矿区在印支期构造应力场作用下生成大量瓦斯，煤层瓦斯含量大幅增加且瓦斯分布较为均匀。早燕山期构造应力场作用使煤层埋深抬升至 16002000m，地温大幅下降，煤变质程度减缓，瓦斯生成量明显下降，在该期NW 向古构造应力场作用下矿区未形成大型地质构造，020406020406080地应力的最大水平主应力/MPa最大水平主应力拟合曲线构造应力的最大水平主应力/MPay=4.36+1.09xR2=0.99图4平顶山矿区构造应力与地应力的关系Fig.4Relationofthetectonicstressandthein-situstressinPindingshanminingarea3082煤炭学报2023年第48卷瓦斯整体运移仍然较弱，瓦斯逸散较少，矿区瓦斯分布仍较为均匀。在晚燕山期 NE 向强烈挤压构造应力场作用下，矿区形成主控构造，地温急剧升高，动力变质作用加强，二次生烃并生成大量瓦斯；同时该期构造应力场使煤层进一步抬升，形成大量断褶构造，垂向上瓦斯逸散距离减小，但瓦斯生成量仍大于逸散量，水平方向上煤层发育大量裂隙，且水平应力梯度增大，驱使瓦斯由高应力区向低应力区运移，进而导致封闭性构造带瓦斯富集，开放性构造带瓦斯逸散，如该期构造应力场作用形成的李口向斜、灵武山向斜和牛庄向斜轴部区域挤压应力较为集中，构造煤发育使瓦斯生成量增加，瓦斯富集程度较高，煤层瓦斯含量和瓦斯压力较大；而该时期形成的白石山背斜、郭庄背斜轴部区域处于张拉应力状态，煤岩层裂隙发育，瓦斯大量逸散，瓦斯富集程度较低，煤层瓦斯含量和瓦斯压力较小。喜山期构造应力作用使煤系地层进一步抬升，地温急剧降低，瓦斯生成量较小，部分构造区出现煤层露头，形成瓦斯风化带，促使此前富集的瓦斯大量逸散，煤层瓦斯含量大幅降低，如在该期构造应力场作用下牛庄向斜 SW 翼的边缘区域出现煤层露头现象，导致向斜区域在此前富集的瓦斯大量逸散，煤层瓦斯含量降低。可见，构造应力场通过影响瓦斯的生成、运移和储存进而控制煤层瓦斯的富集程度。构造应力是煤层渗透性最显著的影响因素，在构造应力场作用下，煤层的微观结构变化体现为孔隙结构的压实或松散，根据扩散渗透理论可知19,25，主应力与渗透率的关系为K=K0exp(3C)(2)式中，K0为无应力绝对渗透率，1015m2；C为孔隙体积压缩系数；为主应力差，MPa。式(2)表明构造应力与渗透率呈负指数关系，在挤压构造应力场作用下，渗透率呈指数降低，瓦斯运移和逸散受到阻隔，形成良好的瓦斯保存条件，利于瓦斯富集。而在张拉构造应力场作用下，渗透率呈指数增加，形成有利于瓦斯运移和逸散的良好通道，瓦斯富集程度降低。可见，煤层应力状态对渗透率有重要作用，通常在压扭性构造带的应力集中区煤层渗透率较低，易形成瓦斯富集区。根据十三矿与首山一矿地应力与渗透率资料36，运用构造应力解析法进行求解，共获得 18 组构造应力 与 渗 透 率 数 据(表 3)，SS002 井、SS004SS009 井及 SS 参 1SS 参 3 井位于十三矿灵武山向斜东北翼已三采区。PS01PS05 井位于首山一矿己15-1712081 工作面西部，SY004 位于白石山背斜轴部己15-1712041 工作面附近，SY001、SY003 位于己15-1711061 工作面北部。分析可知，研究区 13 个测点为走滑断层应力场型，占比 72.22%，2 个为逆断层应力场型，占比 11.11%；16 个测点最大水平主应力大于 18MPa，占比 88.89%，5 个测点大于 30MPa，占比27.78%；16 个测点构造应力的最大水平主应力大于10MPa，占比 88.89%，9 个测点大于 18MPa，占比50%；煤层渗透率为 0.00510150.9101015m2。可见，研究区属于大地动力场型，处于高构造应力和低渗透率环境。表 3 研究区构造应力与渗透率数据Table 3 Tectonic stress and the permeability inresearch area井号埋深/mSH/MPaSh/MPa(SHSh)/MPa储层压力/MPa渗透率/1015m2SS002787.6516.498.208.295.75SS004764.5815.709.616.095.580.600SS005795.5815.949.486.465.81SS006782.2815.6710.075.605.71SS007790.6915.3811.833.555.77SS008810.9723.2914.698.605.920.120SS009842.5319.0114.474.546.15SS参1722.5413.197.176.025.270.910SS参2790.1919.4212.666.765.770.020SS参3831.0024.6712.6811.996.070.005PS01811.4327.1214.8412.285.