栗海滔

(山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048000)

瓦斯是地質(zhì)作用的產(chǎn)物,是生于煤層、儲(chǔ)存于煤層或圍巖中的氣體地質(zhì)體[1],它的生成條件、運(yùn)移規(guī)律、賦存和分布規(guī)律都受著極其復(fù)雜的地質(zhì)作用控制,存在著瓦斯地質(zhì)規(guī)律[2]。國(guó)內(nèi)外研究表明,煤層瓦斯賦存主要受構(gòu)造控制,斷層有利于瓦斯放散[3-6],但由于斷層兩盤形成一定厚度的構(gòu)造煤并有應(yīng)力集中,因此又常常是容易發(fā)生瓦斯事故的構(gòu)造部位等[7-9]。瓦斯分布是不均衡的,具有分區(qū)分帶的特點(diǎn),其分區(qū)分帶性與地質(zhì)因素有密切關(guān)系[10-16]。但由于對(duì)瓦斯賦存機(jī)理研究不深,以致找不到治本的技術(shù)措施,災(zāi)害得不到有效根治。

山西長(zhǎng)平煤礦瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜,斷層數(shù)量多,分布區(qū)域廣,斷層兩盤瓦斯含量高、壓力大,嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。在煤礦當(dāng)前高產(chǎn)高效高安全保障系統(tǒng)中,煤層瓦斯賦存是生產(chǎn)中的重大安全隱患,所以準(zhǔn)確掌握瓦斯地質(zhì)規(guī)律,對(duì)保證安全高效開(kāi)采具有重要意義。

本文以瓦斯地質(zhì)理論為指導(dǎo),以煤層瓦斯賦存規(guī)律研究、煤層瓦斯參數(shù)測(cè)試為基礎(chǔ),采用現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試考察和理論分析相結(jié)合的方式,研究長(zhǎng)平井田內(nèi)斷層對(duì)3號(hào)煤層瓦斯賦存的影響效應(yīng),測(cè)試瓦斯含量、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、瓦斯放散初速度等瓦斯參數(shù),確定斷層瓦斯防治重點(diǎn)。

1 礦井概況

山西長(zhǎng)平煤礦位于太行山西緣南段,沁水煤盆地之東緣。山西組地層煤層總厚度平均6.76 m,可采煤層平均總厚度6.41 m,原組地層煤層平均總厚度8.03 m,可采煤層平均總厚度5.40 m,生產(chǎn)能力500 Mt/a。礦井生產(chǎn)中共揭露斷層169條,其中絕大多數(shù)為正斷層,正斷層163條,占96.5%,逆斷層6條,占3.5%。斷層走向主要呈SN、NNE等,其他方向也有發(fā)育;斷層傾向以SEE和E為主,其他方向次之,反映了礦井?dāng)鄬泳哂蟹磧A向特點(diǎn);斷層傾角大,大部分在40°以上,一般在70°,屬于高角度正斷層。生產(chǎn)揭露的斷層落差絕大多數(shù)集中在5 m以下,少部分在5～10 m,大于10 m的大斷層較少。礦井構(gòu)造綱要如圖1所示。

2 斷層對(duì)瓦斯賦存影響效應(yīng)

2.1 斷層的形成及性質(zhì)

長(zhǎng)平礦區(qū)的構(gòu)造演化主要受燕山期運(yùn)動(dòng)控制,長(zhǎng)平礦區(qū)的斷裂構(gòu)造主要受燕山晚期—喜山期的影響,主壓應(yīng)力方向?yàn)楸睎|—南西向,礦區(qū)內(nèi)呈近SN向、NNE向的斷層受擠壓作用容易形成封閉性斷層,有利于瓦斯賦存。近東西向斷層在燕山早期易形成開(kāi)放性斷層,有利于瓦斯釋放;在燕山中晚期時(shí),主應(yīng)力方向改為北西西—南東東方向,后又為北東—南西向,張拉力變?yōu)閴号ち?形成封閉性斷層,不利于瓦斯逸散。

在不受瓦斯抽采及采掘生產(chǎn)影響下,共選擇2條斷層,編號(hào)為SF250、SF353。其中,SF250正斷層落差1.3 m,產(chǎn)狀0°∠45°;SF353正斷層落差1.9 m,產(chǎn)狀180°∠55°。2條典型斷層走向均為NNE,傾向均為E。

2.2 斷層對(duì)瓦斯含量賦存影響效應(yīng)

通過(guò)對(duì)斷層兩盤布置測(cè)點(diǎn),測(cè)量斷層周圍瓦斯含量,測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。SF250/SF353斷層兩盤實(shí)測(cè)瓦斯含量分布散點(diǎn)如圖3所示。根據(jù)測(cè)量結(jié)果,SF250斷層上盤平均瓦斯含量為5.41 m3/t,下盤平均瓦斯含量為9.75 m3/t,上盤平均瓦斯含量比下盤低4.34 m3/t;SF353斷層上盤平均瓦斯含量為6.97 m3/t,下盤平均瓦斯含量為9.47 m3/t,上盤平均瓦斯含量比下盤低2.50 m3/t。分析對(duì)比可知,斷層兩盤瓦斯含量有較大差異,斷層下盤瓦斯含量明顯大于上盤;隨著距斷層距離增大,瓦斯含量具有先減小后逐漸增大的特點(diǎn),近斷層面區(qū)域瓦斯含量小于正常值。其影響范圍在7 m之內(nèi);斷層兩盤的影響范圍為15～30 m,其中,前者代表斷層上盤的影響范圍,后者代表下盤的影響范圍。

圖2 斷層兩盤鉆孔及采樣點(diǎn)布置示意Fig.2 Schematic diagram of drilling and sampling point arrangement in two plates of fault

圖3 SF250、SF353瓦斯含量分布Fig.3 SF250、SF353 gas content distribution

在斷層形成過(guò)程中,斷面周圍呈現(xiàn)張性破壞,使得巖層裂隙增大,透氣性增加,煤層中瓦斯得到逸散。但斷層形成后,斷層面在凈巖壓力和構(gòu)造應(yīng)力作用下逐漸趨于閉合,構(gòu)造巖被凈巖壓力和構(gòu)造應(yīng)力所壓實(shí),透氣性變低,近斷層兩盤區(qū)域瓦斯逸散被抑制,逐漸達(dá)到新的平衡。

2.3 斷層對(duì)瓦斯放散初速度及煤的堅(jiān)固性系數(shù)影響

根據(jù)測(cè)量結(jié)果,SF250斷層上盤平均煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.63,下盤平均煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.74,上盤平均煤的堅(jiān)固性系數(shù)比下盤低0.11;SF353斷層上盤平均煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.66,下盤平均煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.81,上盤平均煤的堅(jiān)固性系數(shù)比下盤低0.15。

SF250、SF353斷層上下盤煤的堅(jiān)固性系數(shù)如圖4所示。SF250斷層上盤平均瓦斯放散初速度為16.8,下盤平均瓦斯放散初速度為16.2,上盤平均瓦斯放散初速度比下盤高0.6;SF353斷層上盤平均瓦斯放散初速度為17.6,下盤平均瓦斯放散初速度為15.2,上盤平均瓦斯放散初速度比下盤高2.4。

圖4 SF250、SF353斷層上下盤煤的堅(jiān)固性系數(shù)Fig.4 Firmness coefficient of footwall coal in SF250 、SF353 fault

SF250、SF353斷層上下盤煤的瓦斯放散初速度如圖5所示。

圖5 SF250/SF353斷層上下盤煤的瓦斯放散初速度Fig.5 Initial gas release velocity of coal in the upper and lower walls of the SF250/SF353 fault

分析對(duì)比可知,斷層上盤煤的堅(jiān)固性系數(shù)普遍小于下盤,瓦斯放散初速度普遍大于下盤。理論上,距斷層面越近,煤的堅(jiān)固性系數(shù)越小,瓦斯放散初速度越大,但實(shí)際上變化很小,幾乎可以忽略不計(jì),僅在斷層面處有數(shù)厘米厚的構(gòu)造煤,可以認(rèn)為屬于構(gòu)造巖的范疇。綜合分析,影響范圍在3 m以內(nèi)。

2.4 斷層對(duì)煤的透氣性系數(shù)及瓦斯衰減系數(shù)影響

煤層透氣性是評(píng)價(jià)煤層瓦斯流動(dòng)難易程度的指標(biāo),對(duì)于礦井開(kāi)采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯、評(píng)價(jià)煤層卸壓程度、分析井下各處瓦斯流動(dòng)和涌出規(guī)律等都有一定的指導(dǎo)意義。影響煤層透氣性的因素主要包括構(gòu)造、埋深、煤體結(jié)構(gòu)等,研究分析煤層透氣性的控制因素對(duì)于評(píng)價(jià)井下煤層瓦斯抽放具有重要意義。

SF353斷層兩盤煤層透氣性系數(shù)及瓦斯流量衰減系數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果表明,斷層兩盤煤層透氣性系數(shù)大于不受斷層影響區(qū)域,其中,近斷層區(qū)域煤層透氣性系數(shù)平均為0.261 6 m2/(MPa2·d),不受斷層影響區(qū)域煤層透氣性系數(shù)0.027 7 m2/(MPa2·d)。

表1 SF353斷層兩盤煤層透氣性系數(shù)及瓦斯流量衰減系數(shù)Tab.1 Permeability coefficient and gas flow attenuation coefficient of two coal seams in SF353 fault

綜上分析可知,遠(yuǎn)離斷層面煤層透氣性系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),據(jù)此可推斷上盤的影響范圍在20 m以內(nèi);瓦斯流量衰減系數(shù)與趨勢(shì)值基本一致,斷層對(duì)煤層透氣性影響不大;斷層上盤距斷層面9 m左右,衰減系數(shù)明顯增大,說(shuō)明該處為斷層的應(yīng)力集中部位。SF353斷層上盤煤層透氣性系數(shù)、瓦斯流量衰減系數(shù)如圖6所示。

圖6 SF353正斷層上盤煤層透氣性系數(shù)及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)Fig.6 Variation of permeability coefficient of coal seam and attenuation coefficient of gas flow of boreholes on the hanging wall of SF353 normal fault

2.5 斷層兩盤瓦斯地質(zhì)特征分析

結(jié)合長(zhǎng)平礦區(qū)斷層演化及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)斷層兩盤瓦斯地質(zhì)特征進(jìn)行分析。斷層形成過(guò)程中,一般上盤為主動(dòng)盤,下盤為被動(dòng)盤,上盤受力較下盤大,煤巖層變形更強(qiáng)烈,也有利于瓦斯逸散,因而上盤瓦斯含量總是小于下盤;而受力作用越大,煤體結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重,因而上盤煤體結(jié)構(gòu)破壞也越嚴(yán)重。故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的SF250、SF353斷層瓦斯賦存規(guī)律表現(xiàn)為下盤瓦斯含量大于上盤,下盤的堅(jiān)固性系數(shù)大于上盤。

大量研究表明,斷層兩盤近斷層面一定范圍內(nèi)應(yīng)力是減小的,而遠(yuǎn)離斷層面一定范圍內(nèi)應(yīng)力是增加的,在地應(yīng)力集中區(qū)域煤層透氣性降低,而在卸壓區(qū)煤層透氣性增加。SF353斷層具體規(guī)律表現(xiàn)為:隨著至斷層面距離增大煤層透氣性系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。生產(chǎn)揭露的SF353斷層規(guī)模較小,僅能溝通一定范圍的透氣性巖層,因此影響范圍較小。

3 斷層對(duì)瓦斯賦存影響效應(yīng)

瓦斯異常涌出是斷層兩盤應(yīng)力不均導(dǎo)致,應(yīng)力增高區(qū)域煤層破化較為嚴(yán)重,破壞后煤體被重新壓實(shí),煤層透氣性差,抑制瓦斯逸散,瓦斯含量增大;應(yīng)力較小區(qū)域煤層破壞程度一般,煤層透氣性增大,促進(jìn)瓦斯逸散,瓦斯含量降低。綜合考慮瓦斯含量、煤的堅(jiān)固性系數(shù)、煤層透氣性系數(shù)等參數(shù),將斷層兩盤劃分為3個(gè)區(qū)域。

距斷層面一定范圍內(nèi)大體上可再劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)帶,如圖7所示。

圖7 煤層斷層的形成與瓦斯逸散演化示意Fig.7 Schematic diagram of formation of coal seam faults and evolution of gas escape

Ⅰ帶:近斷層面1～3 m區(qū)域,煤層應(yīng)力較大,煤層破壞嚴(yán)重,瓦斯逸散被抑制,瓦斯含量較大,有利于瓦斯異常涌出;由于瓦斯異常涌出需要提供大量能量,此區(qū)域能量較小,此區(qū)域可能會(huì)發(fā)生小型瓦斯異常涌出。

Ⅱ帶:距斷層面3～15 m區(qū)域,煤體受斷層影響較小,煤層應(yīng)力變化較大,瓦斯含量變化較大,但總體瓦斯含量較小,此區(qū)域不利于瓦斯異常涌出。

Ⅲ帶:距斷層面15～25 m區(qū)域,煤體受斷層影響較小,為煤層應(yīng)力增高區(qū)域,煤層透氣性差,瓦斯逸散被抑制,瓦斯含量大,且能提供較大能量,此區(qū)域較易發(fā)生中型瓦斯異常涌出。

綜上所述,距小斷層15～25 m,此區(qū)域?yàn)槊簩討?yīng)力增高區(qū)域,煤層透氣性差,瓦斯含量較大,瓦斯突出能較大,發(fā)生瓦斯異常涌出危險(xiǎn)性最大,是生產(chǎn)中消突的重點(diǎn)。

4 斷層兩盤防突措施

礦井區(qū)域防突措施較少考慮小斷層區(qū)域,需要根據(jù)斷層兩盤煤層瓦斯突出區(qū)域劃分,對(duì)專項(xiàng)區(qū)域進(jìn)行專項(xiàng)預(yù)防,主要措施應(yīng)重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題。

(1)地質(zhì)勘探和預(yù)測(cè)。在礦井設(shè)計(jì)和開(kāi)采前,應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探和斷層預(yù)測(cè)工作,識(shí)別出可能存在斷層的區(qū)域,并預(yù)測(cè)斷層的活動(dòng)性和瓦斯賦存情況,制定相應(yīng)的預(yù)防和控制措施。

(2)斷層區(qū)域開(kāi)采管理。對(duì)于已知存在斷層的礦井,需要采取一系列的管理措施。例如,選擇合適的開(kāi)采方法和支護(hù)方式,減少斷層的破壞和活動(dòng)。同時(shí),加強(qiáng)斷層區(qū)域的瓦斯抽采和通風(fēng)系統(tǒng),及時(shí)排出斷層區(qū)域的瓦斯,降低瓦斯積聚的可能性。

(3)斷層水封措施。對(duì)于已知活動(dòng)的斷層,可以采用斷層水封的方法來(lái)減少斷層活動(dòng)對(duì)瓦斯突出的影響。通過(guò)注入適當(dāng)?shù)拿芊獠牧匣蜻M(jìn)行巖層注水,封堵斷層裂隙,阻止瓦斯在斷層帶中的運(yùn)移和積聚。

(4)定期監(jiān)測(cè)和預(yù)警。對(duì)于存在斷層的礦井,需要進(jìn)行定期的斷層活動(dòng)監(jiān)測(cè)和瓦斯監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。建立預(yù)警機(jī)制,當(dāng)斷層活動(dòng)或者瓦斯?jié)舛瘸^(guò)安全閾值時(shí),及時(shí)采取措施進(jìn)行應(yīng)急處理和疏散。

(5)培訓(xùn)和安全意識(shí)提高。加強(qiáng)礦工的安全培訓(xùn),提高他們對(duì)斷層兩盤瓦斯突出危險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí),掌握相應(yīng)的防范知識(shí)和技能。加強(qiáng)安全意識(shí),遵守安全操作規(guī)程,確保在礦井生產(chǎn)過(guò)程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)告異常情況。

5 結(jié)論

(1)斷層兩盤瓦斯含量有較大差異,斷層下盤瓦斯含量明顯大于上盤;隨著距斷層距離增大,瓦斯含量具有先減小后逐漸增大的特點(diǎn),近斷層面區(qū)域瓦斯含量小于正常值。斷層兩盤影響范圍為15～30 m。

(2)斷層上盤煤的堅(jiān)固性系數(shù)普遍略小于下盤,距斷層面越近,煤的堅(jiān)固性系數(shù)越小;相反,瓦斯放散初速度是增大的,影響范圍在3 m以內(nèi)。

(3)斷層上盤遠(yuǎn)離斷層面煤層透氣性系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì),影響范圍在20 m以內(nèi)。斷層兩盤15～25 m區(qū)域發(fā)生瓦斯異常涌出的危險(xiǎn)性最大,是生產(chǎn)中瓦斯防治的重點(diǎn)。