开放性断层对煤层瓦斯赋存的影响

应承静，王 亮

(中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116)

矿山压力与灾害控制

开放性断层对煤层瓦斯赋存的影响

应承静，王 亮

(中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116)

根据现场实测到的瓦斯涌出量值、瓦斯含量值以及瓦斯压力值，归纳、分析出瓦斯的赋存规律。将赋存规律和断层构造对瓦斯赋存基础地质的影响相结合，得出童亭煤矿8煤层在赵口断层控制下的瓦斯赋存规律。赵口断层属于开放性的地质构造，开放性断层的存在造成地应力的释放，增大了岩、煤层的孔隙－裂隙，使得瓦斯赋存条件较差;赵口断层的落差很大，其对煤层的影响范围也较大;在深部，同一区域内，随着离赵口断层的距离减小，瓦斯也越小;不同的区域，离赵口断层越近，则受到赵口断层的控制作用也越大。

开放性断层;瓦斯赋存;瓦斯涌出量;瓦斯含量;瓦斯压力

为了实现煤炭行业的安全生产，减少生产过程中的事故损失，必须在开采前分析清楚煤层的瓦斯赋存以预防瓦斯灾害的发生［1］。瓦斯赋存与煤的形成密切相关，又与煤层形成之后的各种地质变化和构造变动密切相关 ，因此影响瓦斯赋存主要是各种自然地质因素，包括煤层厚度、煤体结构、地质构造、煤田围岩透气性和煤质变质程度等［2］。本文基于童亭矿井8煤层瓦斯赋存规律，研究其在赵口断层的影响下，处于赵口断层一定范围内的瓦斯赋存出现的反常情况。

1 赵口断层概况

组成地壳的岩层或岩体因地壳运动而产生断裂面，断裂面两侧的岩层或岩体沿着断裂面发生显著的位移时，则为断层。

赵口断层属于规模较大的正断层，对井田的影响范围比较大。正断层的上下盘存在落差，这样在上下盘之间就形成了一个敞开的空间，这便成为了瓦斯运移的通道。结合矿井实际可知，赵口断层从力学的角度讲为张性断层，断层剖面及围岩都受到剪切应力的作用，所以赵口断层成为瓦斯运移通道的同时也对瓦斯赋存的围岩条件产生影响。赵口断裂附近的应力场同时受到断裂本身和两侧的岩体物理力学性质的影响。若将地应力分为静岩压应力及构造应力两部分，在这两部分应力共同作用下，当达到岩体强度时，即将产生破裂。所以赵口断层使两侧附近的岩石破碎，岩层本身的地应力得到释放，即赵口断层对附近煤、岩层有卸压作用，增加煤层及围岩的孔隙－裂隙［3］。

2 8煤层瓦斯参数的测定与分析

矿井瓦斯参数主要包括瓦斯压力、瓦斯涌出量及瓦斯含量。为了能更好地反映断层对瓦斯的影响，本文对3个参数均做了充分的测定与收集。

2.1 煤层瓦斯涌出量

运用矿山统计的方法对8煤层进行瓦斯涌出量统计，得出了瓦斯涌出量值见表1。矿井先开采7煤层，后开采8煤层，两煤层间距为30m，由于7煤层开采后对8煤层的保护作用，使得8煤回采工作面的瓦斯涌出量总体更小。

表1 8210回采工作面瓦斯涌出情况

由表1可知，8210工作面 (标高－525～－592m)回采期间平均回风瓦斯浓度为0.11%，工作面绝对瓦斯涌出量为0.84m3/min，通过走向高位钻孔的抽放，合计绝对瓦斯涌出量为3.15m3/ min。由于先开采7煤层作为8煤层的上保护层，虽然没有对8煤层的卸压瓦斯进行抽放，由于7，8煤层间距较小，8煤层的部分卸压瓦斯通过7煤层回采工作面得到释放，由于随着向深部的延伸，8煤的瓦斯赋存同样受到赵口断层的控制，使得8煤层的瓦斯含量降低，回采工作面瓦斯涌出量减小。这两个方面是导致8煤层的瓦斯含量以及回风瓦斯浓度较小的主要原因。

2.2 煤层瓦斯压力

82采区及82下采区实测瓦斯压力点有11个，主要是通过自然回复法测定煤层瓦斯压力，瓦斯压力测点从采区的浅部 (标高－330m)至采区的深部 (－709m)都有测压点分布，以便更好地反映煤层瓦斯压力的分布和煤层埋深之间的关系。西翼8煤层瓦斯赋存规律，如表2所示。

根据表2中所测定的8煤层瓦斯压力，作散点坐标图，如图1所示。

从图1可知，西翼8煤层实测瓦斯压力明显的分为2种情况:在埋深330～586m范围内，实测瓦斯压力随着埋深的增加而增大;埋深620.7～709m标高范围内，实测原始瓦斯压力变小，远小于浅部实测的瓦斯压力值。

2.3 煤层瓦斯含量

表2 8煤层实测原始瓦斯压力情况

图1 西翼8煤层实测瓦斯压力随埋深的变化关系

通过计算游离瓦斯含量以及吸附瓦斯含量，得出两者之和即为煤层瓦斯含量。煤层瓦斯含量计算公式［5］如下:

式中，V为单位质量煤的孔隙容积，m3/t;P为煤层绝对瓦斯压力，MPa;P0为标准状况下的压力，0.1013MPa;ξ为甲烷压缩系数，取1.06;T0为标准状况下的绝对温度，T0=273K;T为煤层的绝对温度，取T=273+t，K;a为吸附常数，m3/t;b为吸附常数，MPa－1;t0为吸附试验温度;t为煤层温度;n为经验系数;Ad，Mad为煤中灰分和水分，%。

8煤工业分析及吸附常数等资料测定如表3，运用公式法计算煤层瓦斯含量，将计算结果和其对应的瓦斯压力整理得表4。

根据表4中的数据，绘制的瓦斯含量随煤层埋深变化的散点图，如图2所示。

图2 8煤层瓦斯含量随煤层埋深的变化关系

由图2可知，8煤层的瓦斯含量变化分为2个阶段:第1阶段刚开始瓦斯含量随着埋深的增加而 增加;第2阶段则为在一定深度内(620m左右)瓦斯含量显著减少，之后随埋深增加而小幅增加。

表3 8煤工业分析及瓦斯吸附参数试验测定结果

表4 8煤层不同压力时的瓦斯含量计算值

3 结论

根据对童亭矿井8煤实测瓦斯参数 (包括瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯涌出量)的研究与分析，可以得出各瓦斯物理参数值在深浅部存在不同的赋存规律。即在浅部瓦斯参数随着煤层埋深的增加，基本都成线性增加的趋势;而在深部 (620m左右)瓦斯含量显著减少，之后随埋深增加而小幅增加，并不符合用浅部规律推出的瓦斯参数值。主要原因是，在距离赵口断层较远处，煤层瓦斯赋存受控于煤层的埋深，在距离赵口断层较近处的瓦斯赋存主要受控于赵口断层。

由于煤层深部瓦斯受到了赵口断层的影响，瓦斯通过赵口断层向上部运移，而赵口断层仅在一定范围内改变了煤、岩层的孔隙－裂隙，瓦斯在这段范围内可以通过煤、岩层的孔隙－裂隙向上部运移。在中部由于离赵口断层较远，煤、岩层没有受到断层作用，当瓦斯运移至此时，由于受到煤、岩层的阻碍，瓦斯逸散速度较慢，瓦斯在中部形成了聚集状态，所以在中部的瓦斯最大。

［1］范启炜，等.我国煤矿瓦斯灾害事故频发的原因分析［J］.中国煤炭，2003.

［2］谢仁海，渠天祥，钱光谟.构造地质学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007.

［3］王大曾.瓦斯地质［M］.北京:煤炭工业出版社，1992.

［4］俞启香.矿井瓦斯防治［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1990.

［5］王晓磊.三家子矿煤层瓦斯赋存及涌出规律研究［D］.阜新:辽宁工程技术大学，2009.

［责任编辑:施红霞］

Influence of Open Fault on Methane Occurrence in Coal-seam

YING Cheng-jing， WANG Liang

(Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China)

This paper has analyzed and derived the law of methane occurrence in coal seams，based on field observations of methane emission，methane content and methane pressure.Combining the effects of faults on the methane occurrence with the existing law of methane occurrence，the paper derived the law of methane occurrence in No.8 coal seam，Tongting Coal Mine under the impact of Zhaokou fault.Zhaokou fault belongs to an opening geological structure，which will cause the release of stress，and the opening of pores or fractures in the coal and rock mass，and be unfavorable to the methane occurrence.The throw of Zhaokou fault is great and has a great influence on a large scope of the coal seam.At depth，in the same area，the methane content decreases with the increasing distance from the Zhaokou fault;in the different areas，the closer to Zhaokou fault the area is，the bigger the influence of Zhaokou fault on methane occurrence is.

open fault;methane occurrence;methane emission;methane content;methane pressure

TD712.2

A

1006-6225(2012)04-0087-03

2012－03－14

国家自然科学基金青年基金 (51004106)

应承静 (1987－)，男，江苏淮安人，在读硕士研究生，研究方向为矿井瓦斯防治。