張培森，許大強(qiáng)，付 翔，解 建，董宇航，張曉樂

( 1. 山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2. 礦業(yè)工程國家級實驗教學(xué)示范中心，山東 青島 266590；3. 安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 宿州 234000 )

科學(xué)技術(shù)的穩(wěn)步提升，促使我國煤炭生產(chǎn)逐步進(jìn)入了高質(zhì)量發(fā)展軌道，從20世紀(jì)末開始，我國已然成為世界第1產(chǎn)煤大國[1]。由于我國陸地主要由亞歐板塊、印度洋板塊、太平洋板塊經(jīng)多序次地質(zhì)構(gòu)造運動拼接而成，地質(zhì)構(gòu)造條件十分復(fù)雜，煤炭在開采過程中受到多種水害威脅，導(dǎo)致我國成為世界上礦井水害最為嚴(yán)重的國家之一[2-3]。目前，隨著我國淺部煤炭資源日漸枯竭，煤炭開采正在以超過15 m/a的速度向深部發(fā)展[4-5]。開采深度的不斷增加，必將導(dǎo)致煤層的賦存情況及煤礦的水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，礦井水害問題也將日漸嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計，80%以上的礦井水害事故都與斷層相關(guān)[6-10]。斷層作為一個重要的導(dǎo)水通道，可使不同含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，輕則可使礦井涌水量增大，重則可導(dǎo)致礦井發(fā)生突水事故[11]。因此，評價斷層導(dǎo)水性在礦井防治水方面顯得十分必要。目前，評價斷層導(dǎo)水性的方法主要有抽( 放 )水試驗法、滲流場分析法等，這些方法能夠有效地分析局部斷層導(dǎo)水性，但對于分析整個斷層導(dǎo)水性情況顯得略有欠缺[12]。因此，尋找能夠更為合理評價斷層導(dǎo)水性的方法顯得尤為重要。在油氣勘探領(lǐng)域，諸多專家、學(xué)者對斷層封閉性研究較多，從斷層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，基于斷層兩盤巖性分布情況，進(jìn)而定性與定量研究斷層在側(cè)向及垂向的封閉性。鑒于斷層的封閉性與導(dǎo)水性具有較強(qiáng)的相關(guān)性，故基于斷層封閉性研究來評價其導(dǎo)水性。

斷層封閉性研究從20世紀(jì)60年代起步，距今已達(dá)半個多世紀(jì)之久。PERKINS( 1961 )率先注意到了斷層泥巖涂抹封閉現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)泥巖在斷層運移過程中向砂巖里注入了某種不透明物質(zhì)導(dǎo)致斷層封閉[13]，但未能明確提出泥巖涂抹的封閉機(jī)理，直到WEBER 等( 1978 )才明確提出泥巖涂抹封閉機(jī)理[14-15]；SMITH[16]提出了斷層兩側(cè)巖性對接封閉模式，以其直觀性被普遍接受，成為研究斷層封閉性的經(jīng)典理論，但研究局限于砂、泥對接的理論模型，并未考慮斷裂帶中充填物性質(zhì)的影響[17]。在泥巖涂抹定性研究的基礎(chǔ)上，專家、學(xué)者們又相繼提出了定量描述泥巖涂抹的計算方法。BOUVIER[18]等提出“泥巖涂抹能力CSP( Clay Smear Potential )”，認(rèn)為CSP與泥巖厚度的平方、泥巖層數(shù)呈正相關(guān)，與斷距呈負(fù)相關(guān)，但此方法一般用于剪切型的涂抹；LINDSAY[19]等提出了“泥巖涂抹因子SSF( Shale Smear Factor )”，認(rèn)為SSF與泥巖厚度呈負(fù)相關(guān)，與斷距呈正相關(guān)，但此方法一般用于壓入型的涂抹；基于CSP，SSF的研究，YIELDING[20]等提出了“斷層泥比率SGR( Shale Gouge Ratio )”，用斷層在運移過程中滑過某點泥巖層累加厚度與斷距的比值評價斷層的封閉性，其方法簡單實用，至今被廣泛應(yīng)用。此外，曹瑞成[21]等為解決勘探初期資料較少的情況，提出了邏輯信息法；呂延防[22]等通過斷層兩盤砂泥對接概率模擬，采用斷面正壓力來評價斷層垂向封閉性，并提出非線性映射分析法[23]、斷面正應(yīng)力判別法等；FAULKNER等( 2011 )通過分析過渡帶與斷層長度之間的關(guān)系，從斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析斷層的封閉性[24]；李亞輝[25]、呂延防[26]等對斷面正壓力與巖石抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了定性分析，采用斷層緊閉指數(shù)的概念評價斷層封閉性；王珂[27]等通過建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了三向地應(yīng)力狀態(tài)下斷面正壓力與剪應(yīng)力的計算公式，采用斷層封閉系數(shù)、斷層緊閉指數(shù)及斷層剪切指數(shù)來評價斷層封閉性。以上研究表明斷層封閉性研究的主要內(nèi)容包括斷層的幾何學(xué)、力學(xué)及運動學(xué)等，研究思路從定性向定量，從單一學(xué)科、單一手段向多學(xué)科、多手段方向發(fā)展[28]，整體呈現(xiàn)出從簡單向復(fù)雜，且趨于完善的一個過程。因此，斷層封閉性研究的逐漸完善，佐證了利用斷層封閉性研究來評價其導(dǎo)水性的可行性。筆者以祁東煤礦Ⅱ3采區(qū)邊界斷層為例評價斷層導(dǎo)水性問題，旨在為今后合理評價斷層導(dǎo)水性問題探索一條新路徑。

1 斷層封閉性分析

斷層封閉性研究的意義源于它能揭示油氣運移的方向和途徑，認(rèn)識烴源巖與儲集層、圈閉的溝通關(guān)系，其表現(xiàn)在儲集層砂巖與對盤巖石對接的情形[29]。斷層封閉程度是指斷層面或斷裂帶對地層流體封堵并阻止流體滲流的能力，斷層封閉可分為側(cè)向封閉與垂向封閉，如圖1所示。

圖1 斷層側(cè)向與垂向封閉示意Fig. 1 Schematic diagram of fault lateral and vertical sealing

1.1 定性分析

斷層兩盤巖性對接模型：當(dāng)砂巖層與對盤泥巖層對接時，斷層具有側(cè)向封閉性；當(dāng)砂巖層與對盤砂巖層對接時，斷層在側(cè)向上可能不具有封閉性。斷層兩盤砂、泥巖能否對接受斷層斷距和斷移地層巖性的影響，即斷層側(cè)向上能否封閉受斷層斷距和斷移地層巖性的影響。斷層兩盤巖性對接封閉示意如圖2所示。

圖2 斷層兩盤巖性對接封閉Fig. 2 Schematic diagram of lithologic joint sealingof two plates of fault

1.2 定量分析

1.2.1 側(cè)向封閉

關(guān)于斷層側(cè)向封閉性定量研究方法如下：

( 1 ) 泥巖涂抹能力CSP[18]評價法。當(dāng)CSP＜15時，斷層不封閉；當(dāng)15≤CSP≤30時，斷層可能封閉也可能不封閉；當(dāng)CSP＞30時，斷層封閉[30]。

( 2 ) 泥巖涂抹因子SSF[19]評價法。當(dāng)SSF＞7時，泥巖涂抹不連續(xù)，即斷層不封閉[30]。

( 3 ) 斷層泥比率SGR[20]評價法。當(dāng)SGR≤30%時，斷層不封閉；當(dāng)SGR＞30%時，斷層封閉[31]。

( 4 ) SSF，CSP，SGR綜合評價法。當(dāng)SGR＞20%，SSF＜4，CSP＞5時，斷層封閉[32]。

式中，T為斷距，m；L為泥巖厚度，m；S為涂抹距離，m；SSF為泥巖涂抹因子，即斷層斷距與滑過斷面某點最厚一層泥巖的比值；CSP為泥巖涂抹能力，即滑過斷面某點泥巖厚度的平方與泥巖涂抹距離的比值；SGR為斷層泥比率，即滑過斷面某點泥巖的累加厚度與斷層斷距的比值。

斷面泥巖涂抹示意如圖3所示[29]。

圖3 斷面泥巖涂抹定量計算示意Fig. 3 Schematic diagram of quantitative calculation of section mudstone smear

1.2.2 垂向封閉

斷層面緊閉程度為斷層垂向封閉的主要影響因素，如果斷層面緊閉，則斷層在垂向上封閉；否則，斷層將開啟[26]。斷層面的緊閉程度由斷面正壓力P的大小決定，其計算公式[13,26]為

式中，P為斷面正壓力，MPa；H為斷層埋深，m；ρwi為地層水密度，g/cm3；α為斷層面傾角，(° )；bρ為地層平均密度，g/cm3。

由式( 4 )可知，計算斷面正壓力還需要引入地層水密度(ρwi)的計算。康志勇[33]等通過對Schowalter諾謨圖的剖析，建立了取代Schowalter諾謨圖的系列計算地層水密度通用方程( 簡稱S-K方程 )，其計算公式[33]為

式中，it為地層溫度，℃；iP為地層壓力，MPa。

經(jīng)計算，F(xiàn)5，DF5-21斷層各觀測位置地層水密度與斷面正壓力大小見表1，表中地層埋深是指各觀測位置所對應(yīng)的斷層剖面在研究范圍內(nèi)的地層埋深情況。

表1 F5，DF5-21 斷層各觀測位置數(shù)值Table 1 F5，DF5-21 fault each observation position numerical table

由表1可知，斷面正壓力受地層埋深變化影響較大，隨地層埋深的增加而逐漸增大，變化范圍在3.91～9.45 MPa；地層水密度受地層埋深的影響較小，隨地層埋深的增加未有明顯規(guī)律性，一直處于一個小范圍的波動狀態(tài)，波動范圍在1.000 1 ～1.000 9 g/cm3。

2 斷層封閉性評價

斷層封閉性研究源于評價斷層對油氣的封堵能力，但由于斷層封閉性與導(dǎo)水性具有強(qiáng)相關(guān)性，因此基于斷層封閉性研究來評價其導(dǎo)水性。需要注意的是，基于斷層封閉性研究評價油氣封堵和導(dǎo)水性問題時，相同點在于都認(rèn)為泥巖具有低滲透性，擁有較大的排替壓力可以阻止流體的滲流；不同點在于油氣領(lǐng)域研究對象為一層或者幾層含有油氣的儲集層，而在煤炭領(lǐng)域研究對象則是除了泥巖以外的所有含水巖層。

2.1 工程背景

祁東煤礦隸屬安徽恒源煤電股份有限公司，位于淮北煤田宿縣礦區(qū)宿南向斜內(nèi)，礦井東西走向長9 km，南北寬3.5～5 km，地層傾角6°～27°，一般10°～20°，平均13°。祁東煤礦含煤地層為石炭系、二疊系。石炭系煤層因薄而不可采，不作為研究對象；二疊系為勘查開采對象。二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組為本礦主要含煤地層，其總厚約1 000 m，主采32，61，71，82，9煤層。該煤礦正常涌水量主要由新生界松散層四含水、工作面老空水、煤系砂巖水和施工用水等組成，涌水量的大小與斷層斷距大小、性質(zhì)、發(fā)育程度、導(dǎo)水性及富水性等密切相關(guān)。祁東煤礦Ⅱ3采區(qū)邊界斷層為F5，DF5-21兩條大斷層，F(xiàn)5斷層為逆斷層，位于礦井中部，走向NNE～SN，傾向SEE～E，傾角35°～60°，錯斷3煤～奧陶系灰?guī)r，斷距0～60 m，錯斷整個煤系地層，區(qū)內(nèi)延展長度4 100 m；DF5-21同為逆斷層，走向近NNE，傾向NWW，傾角40°～50°，斷距0～40 m，錯斷整個煤系地層，區(qū)內(nèi)延展長度2 190 m。

復(fù)雜的構(gòu)造演化過程將導(dǎo)致同一斷層在其走向及垂向方向上均有所差異，故將F5，DF5-21斷層分別在走向及垂向上進(jìn)行分段研究。在走向上，依據(jù)采煤工作面斜長進(jìn)行劃分，目的是為了研究特定斷距條件下斷層封閉性及導(dǎo)水性規(guī)律。在垂向上以煤層與含水層的空間位置關(guān)系進(jìn)行劃分，目的是為了研究不同埋深條件下斷層封閉性及導(dǎo)水性規(guī)律?；夭煞秶绊憛^(qū)域會存在一定的頂板砂巖裂隙水，其主要為導(dǎo)水裂隙帶直接波及的四含和頂板砂巖含水層，故第1段為主采煤層中最上層煤的導(dǎo)水裂隙帶高度范圍。主采煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層是礦井充水的直接充水含水層，故第2段為主采煤層最上層到最下層的范圍。以太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層與主采煤層的空間相對位置關(guān)系，第3段為主采煤層最下層煤到第1層灰?guī)r頂部的范圍，如圖4～6所示，其中，圖4中的點A～D，X～Z表示沿斷層走向依據(jù)采煤工作面斜長進(jìn)行劃分的點。

圖4 F5，DF5-21斷層走向劃分示意Fig. 4 Schematic diagram of fault strike division of F5 and DF5-21

2.2 斷層側(cè)向封閉性評價

筆者采用SSF，CSP，SGR綜合評價法對F5，DF5-21斷層側(cè)向封閉性進(jìn)行評價。首先將F5，DF5-21斷層分別在走向及垂向上進(jìn)行了劃分，然后分析斷層兩盤巖性對接情況，并在定性分析( 認(rèn)為砂泥對接時斷層在側(cè)向上處于封閉狀態(tài) )的基礎(chǔ)上，結(jié)合泥巖層厚度與斷距的關(guān)系，利用式( 1 )～( 3 )進(jìn)行定量計算并繪制了F5，DF5-21斷層SSF，CSP，SGR兩兩關(guān)系散點圖，如圖7～12所示。

圖5 F5斷層垂向三段劃分示意Fig. 5 Schematic diagram of the three vertical divisions of the F5 fault

圖6 DF5-21斷層垂向三段劃分示意Fig. 6 Schematic diagram of the three vertical divisions of the DF5-21 fault

圖7 F5斷層SSF與CSP關(guān)系Fig. 7 SSF and CSP relationship diagram of F5 fault

圖8 DF5-21斷層SSF與CSP關(guān)系Fig. 8 SSF and CSP relationship diagram of DF5-21 fault

圖9 F5斷層CSP與SGR關(guān)系Fig. 9 CSP and SGR relationship diagram of F5 fault

圖10 DF5-21斷層CSP與SGR關(guān)系Fig. 10 CSP and SGR relationship diagram of DF5-21 fault

圖11 F5斷層SSF與SGR關(guān)系Fig. 11 SSF and SGR relationship diagram of F5 fault

圖12 DF5-21斷層SSF與SGR關(guān)系Fig. 12 SSF and SGR relationship diagram of DF5-21 fault

由圖7，9，11可知SSF，CSP，SGR各點之間離散程度較大，距離擬合曲線距離較遠(yuǎn)，沒有明確的規(guī)律性，未能很好地體現(xiàn)出3者之間的相關(guān)性；由圖8，10，12擬合的曲線可知，大部分點落在曲線上或者靠近曲線的兩側(cè)，數(shù)值集中程度較好，SSF，CSP，SGR三者相關(guān)性較好。另外，可進(jìn)一步采用回歸方程決定系數(shù)來定量表征SSF，CSP，SGR三者之間的相關(guān)性，R2表示回歸方程的決定系數(shù)，是用來反映回歸方程中兩變量變化可靠程度的一個統(tǒng)計指標(biāo)，因此得到各回歸方程決定系數(shù)對比表，見表2。由相關(guān)系數(shù)R的性質(zhì)(R的絕對值越接近于1，說明兩變量之間的相關(guān)性越好 )可知，當(dāng)決定系數(shù)R2越接近于1時，則說明兩變量之間的相關(guān)性越好。由表2可知，DF5-21斷層各變量所對應(yīng)的回歸方程決定系數(shù)R2明顯大于F5斷層，故DF5-21斷層各變量之間的相關(guān)性較F5斷層好，但其決定系數(shù)并非都接近于1，如CSP，SGR與SSF，SGR變量間的決定系數(shù)僅為0.74左右，因此依舊不能采用單一的SSF，CSP或SGR評價方法對斷層側(cè)向封閉性進(jìn)行評價。經(jīng)分析可知，斷距為斷層側(cè)向封閉性的主要影響因素，斷距越小，斷層側(cè)向封閉程度越好，其導(dǎo)水性越差。DF5-21斷層側(cè)向?qū)哉w較F5斷層差，主要原因在于前者斷距明顯小于后者斷距，斷距越小，泥巖滑動距離越小，泥巖涂抹能力越大，斷層側(cè)向封閉性越好。F5斷層D處斷距相對于A，B，C三處明顯較小，基于上述規(guī)律可以推斷出，D處斷層側(cè)向?qū)郧闆r相對較差。另外，當(dāng)斷距相差不大時，由于斷距不同導(dǎo)致的斷層導(dǎo)水性差異將難以體現(xiàn)，其差異只能是由局部泥巖厚度的不同所引起，如F5斷層A，B，C處和DF5-21斷層X，Y，Z處。

表2 各回歸方程決定系數(shù)對比Table 2 Comparison table of determination coefficients of various regression equations

2.3 斷層垂向封閉性評價

斷層垂向封閉性可利用斷層面所受正壓力大小來評價斷層垂向封閉能力，當(dāng)斷面所承受正壓力大于被錯斷泥巖的變形強(qiáng)度( 5 MPa )時，泥巖便發(fā)生塑性變形并向滲漏空間流動，斷層在垂向上形成封閉[34]，導(dǎo)致斷層垂向?qū)宰儾睢5，DF5-21斷層沿走向方向地層埋深逐漸增加，斷面正應(yīng)力逐漸增大，斷層垂向?qū)灾饾u變差，即F5斷層沿A→B→C→D，DF5-21斷層沿Z→X→Y垂向?qū)灾饾u變差。

2.4 綜合評價

結(jié)合SSF，CSP，SGR綜合評價法和斷面正壓力判別法繪制了斷層封閉性示意，為使示意準(zhǔn)確直觀，采用4種顏色對F5，DF5-21斷層的封閉性加以區(qū)分。其中黃色表示斷層側(cè)向和垂向均不封閉；綠色表示斷層側(cè)向封閉而垂向不封閉；洋紅色表示斷層側(cè)向不封閉而垂向封閉；藍(lán)色表示斷層在側(cè)向和垂向上均封閉，如圖13～19所示。

圖13 F5斷層封閉性示意( A )Fig. 13 F5 fault closure schematic diagram( A )

圖14 F5斷層封閉性示意( B )Fig. 14 F5 fault closure schematic diagram( B )

圖15 F5斷層封閉性示意( C )Fig. 15 F5 fault closure schematic diagram( C )

圖16 F5斷層封閉性示意( D )Fig. 16 F5 fault closure schematic diagram( D )

圖17 DF5-21斷層封閉性示意( X )Fig. 17 DF5-21 fault closure schematic diagram( X )

圖18 DF5-21斷層封閉性示意( Y )Fig. 18 DF5-21 fault closure schematic diagram( Y )

圖19 DF5-21斷層封閉性示意( Z )Fig. 19 DF5-21 fault closure schematic diagram( Z )

由圖13～19可知，F(xiàn)5，DF5-21斷層在不同觀測位置及不同埋深條件下側(cè)向及垂向封閉情況均不相同。如F5斷層A，B處與DF5-21斷層X，Z處在第1段以斷層側(cè)向封閉垂向不封閉為主；在第2段中F5斷層A，B處依舊以斷層側(cè)向封閉垂向不封閉為主，而DF5-21斷層X，Z處則以斷層側(cè)向封閉垂向不封閉和斷層側(cè)向及垂向均封閉為主；第3段F5斷層A，B處與DF5-21斷層X，Z處以斷層垂向和側(cè)向均封閉為主。其余各觀測位置則在整個研究范圍內(nèi)均以側(cè)向及垂向均封閉為主。依據(jù)上述分析經(jīng)過量化處理后得到了斷層側(cè)向及垂向封閉情況占比，見表3。

由表3可知，F(xiàn)5，DF5-21斷層出現(xiàn)側(cè)向不封閉現(xiàn)象所占比重分別為7.05%～33.59%，19.89%～36.40%，并且F5斷層斷距明顯大于DF5-21斷層，因此可以整體判斷隨著斷距增大斷層側(cè)向封閉性逐漸變差、導(dǎo)水性逐漸變好，但同時也與泥巖厚度有關(guān)；如DF5-21斷層X，Y，Z處，斷層斷距雖然相差不大，但斷層側(cè)向封閉程度卻存在較大差異(X，Y，Z處出現(xiàn)側(cè)向不封閉現(xiàn)象占比分別為24.31%，19.89%和36.40% )，其原因在于Z處研究范圍內(nèi)的泥巖含量較少，泥巖層厚度較薄所導(dǎo)致。此外，F(xiàn)5，DF5-21斷層隨著地層埋深的增加斷層側(cè)向及垂向均封閉現(xiàn)象所占比重分別從33.97%，40.26%增大至85.37%，80.11%，主要原因在于隨地層埋深增加斷層垂向封閉性逐漸變好，導(dǎo)致F5，DF5-21斷層沿走向方向各觀測位置斷層整體封閉性逐漸變好，導(dǎo)水性逐漸變差。

表3 斷層側(cè)向及垂向封閉情況占比Table 3 Percentage table of lateral and vertical sealing of faults

3 結(jié) 論

( 1 ) 通過斷層封閉性研究發(fā)現(xiàn)，斷層封閉性與導(dǎo)水性聯(lián)系緊密，從而引入基于斷層封閉性研究( 側(cè)向封閉性采用SSF，CSP，SGR綜合評價法，垂向封閉性采用斷面正壓力判別法 )評價煤礦斷層導(dǎo)水性的一種新方法。

( 2 ) 斷距為斷層側(cè)向封閉性的主要影響因素。斷距越小，泥巖涂抹距離越短，斷層側(cè)向封閉程度越好，其導(dǎo)水性越差。DF5-21斷層斷距整體小于F5斷層，故DF5-21斷層側(cè)向?qū)韵鄬τ贔5斷層整體較差；當(dāng)斷距相差不大時，斷層側(cè)向?qū)缘暮脡某潭葘⑷Q于局部泥巖層厚度，局部泥巖層厚度越大，側(cè)向?qū)栽讲睢?/p>

( 3 ) 斷面正壓力為影響斷層垂向封閉性的決定性因素。斷面所承受正壓力大于被錯斷泥巖的變形強(qiáng)度( 5 MPa )時，泥巖便發(fā)生塑性變形向滲漏空間流動，斷層在垂向上形成封閉，導(dǎo)致斷層垂向?qū)宰儾?；隨著地層埋深增加，斷面正壓力增大，斷層垂向封閉性變好、導(dǎo)水性變差，即F5，DF5-21斷層沿走向垂向?qū)宰儾睢?/p>

( 4 ) 借鑒斷層封閉性研究的理論基礎(chǔ)，基于初始條件下( 未采動 )對斷層導(dǎo)水性的研究，未涉及采動影響，從側(cè)向及垂向兩個方向?qū)鄬訉?dǎo)水性能展開了研究，區(qū)別于以往的研究思路，并得到了一些直觀的數(shù)據(jù)與結(jié)論。此研究結(jié)論雖暫時沒有相應(yīng)的驗證信息，但將會在今后的分析研究中作進(jìn)一步論證并將另文加以闡述說明。

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