崔 崢

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214)

煤與瓦斯突出是一種強烈的動力災(zāi)害，同時也是煤礦常見的五大災(zāi)害之一。若對其疏于管理或防控措施實施后效果不佳，往往會釀成重大安全事故。據(jù)不完全統(tǒng)計，自1950年起，年均發(fā)生突出事故8 000余次，造成直接經(jīng)濟損失達1.4億元[1].因此，為掌握瓦斯突出的形成、發(fā)生機制、瓦斯運移及應(yīng)力分布規(guī)律、突出防控技術(shù)等，專家學(xué)者進行了大量分析研究，取得豐碩成果[2-5].以往大多數(shù)研究聚焦于煤與瓦斯的兩相耦合、瓦斯運移理論及控制技術(shù)，對于斷層控制構(gòu)造對瓦斯的影響研究較少。鑒于此，近年來一些學(xué)者開始對構(gòu)造對于瓦斯控制作用進行研究。閆寬亮[6]通過實測分析驗證了斷層處煤與瓦斯災(zāi)害發(fā)生的主控因素是瓦斯與應(yīng)力共同出現(xiàn)集中現(xiàn)象，并通過實踐驗證了超前鉆孔對于控制斷層瓦斯有較好效果。屈爭輝[7]運用掃描電鏡、X射線衍射、電子順共振、核磁共振和傅立葉紅外光譜等結(jié)構(gòu)分析手段對不同煤級、不同變形類型和程度構(gòu)造煤超微和分子結(jié)構(gòu)及瓦斯特性的演化特征進行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明不同應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境使得構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變化，即構(gòu)造活動越劇烈煤裂隙越發(fā)育，其吸附瓦斯能力越強。張浪等[8]在建立斷層面受力模型的基礎(chǔ)上，通過斷層面正應(yīng)力和孔隙壓力關(guān)系，重新定義了封閉系數(shù)，并依此引入剪切指數(shù)概念。這些研究成果被應(yīng)用于現(xiàn)場后取得了良好效果，但斷層對于煤與瓦斯突出影響及控制的研究成果尚不多見。玉溪煤礦4325工作面深度較大，揭露多條斷層，且瓦斯?jié)舛雀?，具有極大的突出風(fēng)險，以其為工程背景，對斷層對礦井煤與瓦斯突出的控制及影響進行分析，為該礦煤與瓦斯突出的治理提供理論支撐。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)基本情況

4325工作面位于3煤層，平均開采深度640.5 m，北距4324采空區(qū)21 m，南距4326工作面采空區(qū)5 m，正上方為2313面采空區(qū)，間距20 m.4325工作面與4324工作面間賦存A18-18斷層，落差平均18 m，傾角平均60°.工作面布置情況見圖1.4325工作面走向長度1 500 m，傾向長度約90 m，開采范圍煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角為2°～9°，平均6°，煤層開采厚度0.8～2.95 m，平均2.3 m，單軸抗壓強度9.8～22.5 MPa.工作面直接頂和基本頂均為中粒砂巖，厚度分別為9.0 m和19 m，直接頂巖石經(jīng)取樣測試得到其單軸抗壓強度為70.5 MPa，抗拉強度5.9 MPa；基本頂單軸抗壓強度為68.2 MPa，抗拉強度5.3 MPa.

圖1 4325工作面布置圖

1.2 研究區(qū)域斷層分布特征

工作面內(nèi)共發(fā)育斷層達26條。其中，19條小于2 m落差的斷層，占73.07%；2～5 m斷層6條，占23.08%；大于15 m落差的斷層1條，占比3.85%.

2 斷層與瓦斯賦存之間影響關(guān)系分析

2.1 煤體破碎程度與瓦斯吸附能力之間關(guān)系分析

斷層按其形成機理可分為正斷層、逆斷層及走滑斷層等，按照安德森對于斷層形成過程的力學(xué)假說，正斷層是因為地層受板塊張拉、褶皺錯動等具有張拉作用的力形成的，在力學(xué)表現(xiàn)為σv>σH>σh，即垂直主應(yīng)力為最大主應(yīng)力；而逆斷層的形成受構(gòu)造擠壓作用，地層受反復(fù)剪切搓動，在逆斷層周圍必然存在“弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)體”，即常說的斷層破碎帶，此時的力學(xué)表現(xiàn)為σH>σh>σv，此時的最大主應(yīng)力為水平最大主應(yīng)力。

對4325工作面影響最大的斷層F-15為逆斷層，落差達18 m.通過研究表明[5]構(gòu)造煤及其派生結(jié)構(gòu)對于瓦斯的吸附及儲存效果要大于原生煤，其主要原因是構(gòu)造煤受擠壓作用的反復(fù)剪切，內(nèi)部裂隙發(fā)育，且其賦存應(yīng)力較大。由上可知，受逆斷層影響的構(gòu)造煤既為瓦斯提供了運移通道、賦存條件，還為瓦斯運移提供了初始動能，并且高應(yīng)力條件也為突出提供了初始高壓壞境。

2.2 瓦斯壓力分布與距斷層距離之間關(guān)系分析

逆斷層煤體雖然內(nèi)部裂隙發(fā)育且派生結(jié)構(gòu)較多，但受構(gòu)造強烈擠壓作用影響，易形成較為致密的封閉環(huán)境，而這種封閉結(jié)構(gòu)對于瓦斯的賦存、富集又尤為有利。4325工作面距斷層不同位置的瓦斯?jié)舛?、壓力見圖2，由圖2可知，瓦斯?jié)舛燃皦毫Χ茧S距逆斷層距離的減小而增大，在距斷層最近的收集點瓦斯?jié)舛雀哌_9.73 m3/t，瓦斯壓力0.25 MPa，而較遠處瓦斯?jié)舛葹?.33 m3/t，瓦斯壓力為0.148 MPa，且賦存狀態(tài)較為穩(wěn)定，這表明斷層對于瓦斯賦存的影響具有局限性，在距斷層300 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛燃皦毫κ軘鄬佑绊?。同時可知，瓦斯受內(nèi)部高應(yīng)力、超前支承壓力及其自身賦存壓力相互疊加影響，越靠近斷層處就越容易誘發(fā)突出。

圖2 瓦斯?jié)舛取毫εc斷層距離關(guān)系圖

3 開采擾動下斷層與突出影響關(guān)系分析

在常規(guī)地質(zhì)條件下，隨工作面推采在其前方受超前支承壓力影響，形成一個范圍較小的破碎卸壓區(qū)，Crosdale PJ.、Beamish B.等學(xué)者[9]也通過試驗證明了這一點。當(dāng)卸壓區(qū)域達到某一范圍后，工作面前方煤體賦存瓦斯開始活躍，瓦斯?jié)舛燃巴咚箟毫χ鸩皆龃?，見圖3a).

而對于4325工作面而言，逆斷層附近巖體較為破碎，強度較低，極適于瓦斯富集，因此當(dāng)破碎帶范圍與斷層控制范圍發(fā)生交疊后，見圖3b)，工作面前方瓦斯?jié)舛燃皦毫Τ霈F(xiàn)階躍式升高，使得瓦斯的釋放及解析發(fā)現(xiàn)了運移通道，構(gòu)造應(yīng)力形成的較為致密的封閉空間由此打破，突出風(fēng)險程度成倍增加。當(dāng)推采范圍達到突出臨界范圍時，工作面前方發(fā)生大規(guī)模煤與瓦斯突出，且斷層失穩(wěn)活化。隨著斷層活化程度加重，瓦斯與其所吸附煤體大規(guī)模向巷道及工作面突出，此時巷道內(nèi)瓦斯含量及壓力均極低，見圖3c).

圖3 開采不同位置瓦斯壓力與地應(yīng)力分布曲線圖

根據(jù)分析結(jié)果，建立受開采擾動的斷層活化導(dǎo)致瓦斯突出的力學(xué)示意圖，見圖4.由圖4可知，當(dāng)工作面推采進入斷層控制破碎帶范圍內(nèi)時，煤層不僅受形成逆斷層的水平擠壓構(gòu)造作用力還要受到工作面推采帶來的超前支承壓力，而4325工作面斷層為落差18 m的逆斷層，其周圍巖體較為破碎難以承載疊加應(yīng)力，當(dāng)其強度到臨界條件時(經(jīng)測量單軸抗壓σc=15.4 MPa，在破碎帶處強度約為單軸強度的1/3，即5.1 MPa)，斷層開始發(fā)生活化，斷層周圍巖體裂隙急劇擴張，派生結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)育，原較為致密的封閉結(jié)構(gòu)被裂隙貫通，為瓦斯運移提供通道。而上述破碎巖體的臨界強度也就可以被看作瓦斯突出的一個關(guān)鍵控制值，也就是防控突出事故的“閘門”。當(dāng)?shù)竭_這個臨界狀態(tài)時，未對其進行相應(yīng)加固及補強措施而繼續(xù)推采，此時關(guān)鍵塊體難以抵抗瓦斯突出壓力，應(yīng)力平衡狀態(tài)突然被打破，突出發(fā)生。

4 結(jié) 論

1)從理論層面分析了斷層與瓦斯賦存之間的關(guān)系，主要包括：煤體破碎程度與瓦斯吸附能力、瓦斯壓力分布與距斷層距離。結(jié)果表明：構(gòu)造煤對于瓦斯的吸附能力遠強于原生煤；瓦斯?jié)舛燃皦毫Χ茧S距逆斷層的距離減小而增大，瓦斯?jié)舛燃皦毫υ诰鄶鄬幼罱幾罡撸_9.73 m3/t，瓦斯壓力0.25 MPa，而較遠處最小，瓦斯?jié)舛葹?.33 m3/t，瓦斯壓力為0.148 MPa，在距斷層300 m后壓力分布及瓦斯?jié)舛茸兓吘彙?/p>

圖4 突出前瓦斯壓力及應(yīng)力疊加影響示意圖

2)通過分析開采擾動下斷層對突出影響關(guān)系發(fā)現(xiàn)，斷層的存在減小了能夠突出瓦斯的臨界卸壓區(qū)長度，同時削弱了防突關(guān)鍵區(qū)域的強度，使瓦斯的富集及突出能量增強，該生產(chǎn)條件下將比無斷層構(gòu)造地區(qū)的突出危險性增加。