淺談地應力對瓦斯突出的研究

徐濤

摘 要：利用空心包體地應力測量方法對煤與瓦斯突出嚴重的平頂山八礦區地應力場進行了測量分析，得出煤與瓦斯突出礦區地應力場分布規律最后討論了地應力對突出的作用，認為高地應力增加了突出的動力--瓦斯含量和瓦斯壓力，降低了突出的阻力--煤體破壞強度（峰值強度）。高地應力區域內易出現煤體失穩破壞、發生煤與瓦斯突出，對礦區預防煤與瓦斯突出具有重要的意義。

關鍵詞：地應力測量；巖石力學；煤與瓦斯突出；地應力分布規律

1 測量方法及結果

地應力測量能夠確定測點處地應力場的類型，及該點處構造應力和水平應力的大小和方向，進而由區域內幾個點的測量結果來分析該區域的地應力場情況。文章采用的是空芯包體地應力測量方法，采用鉆孔套芯應力解除法進行，使用中國地質力學研究所研制的KX—81型空芯包體式三軸應力計。

2 地應力測量結果分析

2.1 垂直應力分布規律

E.Hock等通過對世界一百多個地點的地應力值進行分析，得出垂直應力分布呈現一定規律，絕大部分垂直應力數據分布于平均密度為2.7g/cm3的上覆巖體重力引起的應力梯度直線周圍，關系式如下表示：

（1）

八礦區垂直應力與深度的變化關系見圖1：

（R=0.947） （2）

礦區內的垂直應力分布規律與E.Hock等的統計結果并無顯著差異（R為相關性系數），應力值隨著開采深度的增加而線性增加，且數據的相關性較好，區內垂直應力屬于正常水平。

2.2 最大主應力分布規律

根據我國絕大多數礦區的地應力實測結果，如開灤、淮南、焦作等礦區，得出我國礦區的原巖應力相對較低，最大水平主應力用如下關系式表示：

（3）

根據八礦地應力實測數據得出最大主應力隨深度的變化關系如圖2：

（R=0.9613） （4）

得出礦區內最大主應力值隨著深度的增加而增大，且數據相關性較好，從得出計算式中可以看出，與國內其它礦區的一般水平相比，八礦區的最大主應力明顯高于一般水平，聚集了較高的水平構造應力，這與礦區內突出災害頻發相一致。

2.3 最大主應力與最小主應力的關系

通過計算最大主應力與最小主應力的比值可以得出該礦區的應力方向性是否強烈，各向異性是否明顯，我國大多數礦區最大主應力與最小主應力比值一般為1.2～2.5。八礦地應力實測結果最大主應力與最小主應力的比值分別為4.71、2.32和2.84，表明八礦區內最大主應力與最小主應力相差很大，區域水平應力場顯示出很強的方向性，各向異性明顯。

2.4 最大主應力與垂直應力的關系

八礦區內最大主應力與垂直應力的比值分別為2.26、1.53和1.62，二者的比值隨深度的增加而減少，且八礦區內最大主應力遠大于垂直應力，故區內水平構造應力起主導作用，控制著整個區域的應力場狀態。

3 討論

3.1 地應力在煤與瓦斯突出中的作用

煤與瓦斯突出的發生是地應力、瓦斯和煤體強度三種因素綜合作用的結果，三者同時作用于煤層-圍巖系統中。地應力與瓦斯在煤與瓦斯突出過程中起動力作用，煤體強度起阻礙突出發生的作用，三者之間具有密切的聯系。

地應力和煤體孔隙中的瓦斯壓力同時作用于賦存在煤系地層中的多孔介質煤。應力是影響煤體滲透率的最為顯著的因素，地應力對瓦斯壓力、瓦斯含量的影響可以從應力與滲透性的關系來說明 。煤體滲透率與應力的關系表示如下：

（5）

式中：K-定應力條件下的絕對滲透率；

K0-無應力條件下的絕對滲透率；

C -煤的孔隙壓縮系數；

-應力變化率。

從公式中可以得出滲透率與應力呈負指數關系，隨著應力的升高滲透率降低，在含瓦斯煤這一多孔介質中，滲透率降低直接導致煤體內孔隙壓力升高。因此，在高地應力區域內，因著地應力的升高直接導致突出動力之一的瓦斯壓力的升高。孔隙壓力作用于含瓦斯煤體，促使煤體中裂紋擴張，導致煤體的抵抗能力減弱，結果導致含瓦斯煤的破壞強度（峰值強度）降低，進而致使煤體的強度降低。

此外，含瓦斯煤的脆性度隨瓦斯含量增加而顯著增加。煤體失穩破壞機率隨煤體脆性度的增加而增加，因此，煤體中的瓦斯加速了煤體失穩破壞的進程。綜上分析可知，在高地應力煤層—圍巖系統中，突出的動力瓦斯含量和瓦斯壓力得到增加，突出的阻力煤體強度降低，進而，高地應力環境大大增加了突出發生的可能性，這與八礦區內突出災害頻發是相符的。

4 結論

（1）八礦區內垂直應力和最大主應力都隨著深度的增加近線性增加。最大主應力與最小主應力相差很大，區域應力場表現出很強的方向性。最大、最小主應力為水平應力，中間主應力為垂直應力，水平應力遠大于垂直應力，說明水平構造應力在區域應力場中起主導作用，應力場類型為大地動力場。

（2）八礦區屬于高地應力集中區域，區內應力水平明顯高于普通礦區。高地應力增加了突出的動力——瓦斯含量和瓦斯壓力，減少了突出的阻力——煤體破壞強度（峰值強度），使含瓦斯煤體更易于出現失穩破壞、發生煤與瓦斯突出，與礦區內煤與瓦斯突出災害發生頻繁的實際情況相符合。

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