平煤十一矿瓦斯分布东西分异的动力学机制

刘见宝, 宋志敏, 任建刚, 曲艳伟

(1. 河南工程学院 环境与生物工程学院, 河南 郑州 451191;2. 煤产地土壤污染检测与治理河南省工程研究中心，河南 郑州 451191;3. 河南理工大学 资源环境学院, 河南 焦作 454000)

煤与瓦斯突出是煤矿安全生产的主要威胁之一，而煤与瓦斯突出在很大程度上是煤层瓦斯分布不均导致的。因此，在掌握矿井瓦斯分布规律的基础上，找出影响煤层瓦斯分布的主要地质因素，并进一步进行瓦斯地质单元划分是煤与瓦斯突出危险性预测的有效技术路线，可为煤矿瓦斯治理提供理论依据[1-2]。

平煤十一矿主采煤层为山西组下部二1煤，该煤层厚度平均为6.57 m，属基本全区可采的较稳定型厚煤层。已有学者[3-8]针对平顶山矿区的瓦斯地质特征做了大量研究工作，取得了丰硕的成果，认为李口向斜确定了平顶山矿区瓦斯东高西低、呈轴对称分布的总体规律，东区受控于褶皱构造，西区受锅底山断层影响[9-10]。李喜员等[11]将平煤十一矿划分为东翼的高瓦斯地质单元和西翼的低瓦斯地质单元，东翼受封闭性逆断层控制，西翼主要发育正断层。雷东记等[12]研究了平煤十一矿东部的艾山逆断层对瓦斯分布的影响，在断层尖灭端形成应力异常集中区，尖灭端 60 m 内为瓦斯异常区。十一矿煤层瓦斯存在东西分异的规律，即东部瓦斯含量、瓦斯压力、煤体破坏程度均高于西部。然而，其东西分异的地质边界有待进一步查明，且东西分异的构造机制有待进一步研究。本研究在厘清井田构造演化史的基础上，通过数值模拟和理论计算等手段，对平煤十一矿瓦斯分布东西分异的动力学机制进行了探索。

1 矿井地质构造特征

平顶山矿区在区域上位于秦岭北缘逆冲推覆构造系，区内主体构造为一宽缓复式向斜(李口向斜)，轴向N50°W，NW向倾伏，向斜两翼倾角为5°～15°，由两翼向轴部、由浅至深倾角逐渐变小。十一矿位于平顶山矿区西部，处于李口向斜西南翼，整体为走向NW到SE、倾向NE的单斜构造。浅部地层陡，倾角高达67°，局部倒转；深部缓，倾角一般为5°～12°。矿井内及附近发育大、中型断层7条，其中5条为NW走向的逆断层，均分布于矿井东部。矿井中部发育一系列NE向的雁列式正断层，将井田划分为东部和西部。东部以发育逆断层为主要特征，西部小型正断层发育(图1)。

图1 平煤十一矿构造纲要图Fig.1 Structural outline of Pingdingshan No.11 coal mine

2 瓦斯分布东西分异

平顶山矿区锅底山断层位于李口向斜西南翼，走向310°～320°，倾向SW。该断层位于平煤十一矿东北部，不但是平顶山矿区的主要构造，而且对十一矿的构造具有控制意义。锅底山断层在聚煤期就已经开始活动，属于同沉积断裂，聚煤期后又发生走滑活动[13]。矿井西部受同沉积作用的拖拽，而东部受锅底山断层左行走滑的影响，二者产生的剪切作用形成了十一矿中部NE向雁列式正断层构造转换带[14-16]，成为划分矿井瓦斯地质单元的天然边界。

以中央NE向雁列式正断层为界，十一矿煤层瓦斯含量和相对瓦斯涌出量东部高、西部低。收集到十一矿东部生产期间巷道瓦斯含量测试数据点102个，其中瓦斯含量超过6 m3/t的数据点有8个。紧邻张庄逆断层的瓦斯含量高达9.14 m3/t，相对瓦斯涌出量达到60 m3/t以上。在张庄逆断层和边庄逆断层之间的区域，煤层瓦斯含量也较高，相对瓦斯涌出量一般为15 m3/t以上。矿井西部生产期间巷道煤层瓦斯含量测试数据点有130个，瓦斯含量均在6 m3/t以下，平均为3.20 m3/t(表1、图2、图3)。矿井煤层瓦斯压力也存在东高西低的趋势。收集到十一矿东部煤层瓦斯压力测试数据点84个，其中瓦斯压力超过0.6 MPa的数据点有9个，最高值达2.1 MPa；矿井西部瓦斯压力测试数据点122个，瓦斯压力均在0.6 MPa以下(表1、图4)。

表1 平煤十一矿二1煤层瓦斯含量与瓦斯压力统计Tab.1 Statistical data of gas content and gas pressure in No.21 coal seam of Pingdingshan No.11 coal mine

图2 平煤十一矿瓦斯含量Fig.2 Gas content in Pingdingshan No.11 coal mine

图3 平煤十一矿瓦斯含量分布散点图Fig.3 Scatter diagram of gas content in Pingdingshan No.11 coal mine

图4 平煤十一矿瓦斯压力分布散点图Fig.4 Scatter diagram of gas pressure in Pingdingshan No.11 coal mine

平煤十一矿煤层瓦斯含量和瓦斯压力分布主要受锅底山断层影响。矿井西部受锅底山同沉积断层性质控制，形成拉张应力场，以正断层为主，正断层占断层总数的92.3%，逆断层占7.7%，利于瓦斯释放，故煤层瓦斯含量和相对瓦斯涌出量均较低。距锅底山断层较近的矿井东部逆断层发育，张庄逆断层、艾山逆断层、边庄逆断层均分布在此区，煤层破坏强烈，有利于瓦斯的吸附，煤层瓦斯含量和瓦斯压力均较高。

矿井东部艾山逆断层在锅底山断层的推挤作用下，上、下盘煤体被严重破坏，煤体变得松散易碎，致密性增加，煤层的透气性急剧下降，瓦斯向地表运移困难，艾山逆断层表现为封闭特性。断层附近形成瓦斯富集带，瓦斯含量和相对瓦斯涌出量随之增加，表现出距断层越近煤层瓦斯含量和相对瓦斯涌出量越大的趋势[12](图5)。

图5 二1煤层艾山逆断层对煤层瓦斯的控制作用Fig.5 Control effect of Aishan reverse fault in No.21coal seam on coal seam gas

3 矿井东部构造动力学机制

3.1 矿井东部走滑特性

图6 锅底山断裂旁侧煤层牵引形态平面图Fig.6 Plan of coal seam traction pattern on the side of Guodishan fault

3.2矿井东部构造模拟

锅底山断层的左旋运动主要发生在华北期，太平洋库拉板块向亚欧大陆的俯冲方向转为 NWW 向，产生NWW-SEE 向近水平挤压作用。此期构造运动使锅底山断裂在区域应力场作用下，表现为左行走滑性质。十一矿东部受锅底山断层左行走滑性质影响，其上盘七矿、五矿范围内发育郝堂向斜，在十一矿范围内则紧邻锅底山断层发育宽缓向斜，并发育了一系列北西向的逆断层，为矿井东部主要构造特征。利用 COMSOL 软件建立了锅底山断层上、下盘的平面地质模型，模拟锅底山断层走滑活动对矿井应力、应变的影响。在锅底山断层上盘南部边界和下盘北部边界，参考实测水平应力值[18-21]，设置水平挤压应力为15 MPa，将锅底山断层的上盘北部边界和下盘南部边界设置为固定约束，模型的东、西边界设置为滑动边界，断层设置为固定接触。模型中力学参数设置见表2。

表2 模型中力学参数设置Tab.2 Mechanical parameter setting in model

从锅底山断层模拟应力、应变分布(图7)可以看出：①锅底山断层上盘应力集中区位于十一矿东部，在应力集中区域，由于断层的拖拽作用，易形成构造煤，有利于瓦斯的吸附和保存；②锅底山断层上盘变形等值线形成一个与煤层底板等高线近似的向斜形状，在矿井西部还有一个类似于宽缓背斜的形状，与实际地质情况吻合。

图7 锅底山平移断层模拟应力、应变分布(单位：m)Fig.7 Simulated stress and strain distribution of Guodishan translational fault(unit：m)

3.3 拖拽向斜形成机制

锅底山断层上盘拖拽向斜可以简化成一个半无限薄板模型，其弹性基础常数为K，靠近锅底山断层的一端受轴向力P0和剪力Q0的共同作用。沿拖拽向斜轴向，岩性、岩层厚度及受载不均，导致岩层弯曲幅度和倾斜角度均是变化的。若将岩性和岩层厚度看作岩层形变的函数且沿向斜轴向变化，则很难获得解析解。若沿向斜轴向取一微元，则可认为岩性、岩层厚度和受载在该微元上是均匀的。那么，则把半无限空间薄板模型简化成半无限长梁模型，长梁端部受到轴向力P0、剪力Q0和横向弹性约束力Kw的共同作用(图8)。

图8 锅底山断层上盘拖拽向斜挠度半无限弹性梁简化模型Fig.8 Simplified model of semi-infinite elastic beam with deflection of syncline dragged by hanging wall of Guodishan fault

采用梁理论的基本假设，挠度仅是x的函数，即

w=w(x)。

(1)

那么，端部受轴向力和剪力共同作用的半无限弹性梁的挠度微分方程为

(2)

式中：E为岩层的弹性模量；Px为x处的中面力；J为转动惯量，且

(3)

边界条件为

x→-∞，w→0；x→0，M=0，Px=P0，Q=Q0。

由此，可以解得挠度方程和转角方程分别为

(4)

(5)

综上可知，挠度曲线是一条有阻尼的正弦曲线。在此曲线上，距离荷载作用端越远(x取负值)，挠度越小；当端部荷载Q0一定时，挠度将随x→-∞而趋于0。因此，在近锅底山断层处，褶皱规模较大；远离锅底山断层的十一矿西部，褶皱规模渐小，甚至不会形成褶皱。

4 矿井西部构造动力学机制

4.1 矿井西部同沉积特性

锅底山断层的断层面在剖面上呈犁式，浅部较陡，倾角为50°～60°，往深部倾角为25°～40°，有时呈波状起伏。比较四2煤和二1煤的断距，可看出二者存在很大差异。在同一剖面中，二1煤断距远远大于四2煤(图9)。在同沉积断裂的活动过程中，随着新的沉积物被错断，早期沉积物的断距不断加大。因此，断距随着深度的增大而增大，该断层在矿井西部更多表现为同沉积特性，而且越往矿井西部，断距越大，断层活动越强烈。

图9 锅底山断层剖面Fig.9 Cross-section of Guodishan fault

对勘探期间揭露的断层两侧地层厚度进行了统计分析(图10)，从四2煤至二1煤间距等值线可看出，上盘地层厚度明显大于下盘。在上盘存在一个条带状沉积中心，中心厚度超过300 m，比下盘厚度多出100 m左右，说明在这期间，断层两盘存在沉积差异。分层段研究表明：太原组沉积时，两盘尚未表现出明显差异，厚度差异从二1煤沉积开始表现出来。二1煤的厚煤带呈串珠状沿断层上盘分布，厚度可达十几米，而下盘相对较薄，为3～6 m。山西组表现尤为明显，至下石盒子组，两盘厚度差异达到顶峰，至四2煤差异趋于消失。由此证明，锅底山断层在形成期间对两盘地层沉积有明显控制作用，断裂形成于太原组沉积之后，主要活动于山西组至下石盒子组，而至四2煤以后，活动趋于停止。

图10 锅底山断层两侧地层厚度差异(单位：m)Fig.10 Difference of strata thickness on both sides of Guodishan fault(unit：m)

4.2 矿井西部构造模拟

根据锅底山断裂的发育史，在二叠系山西组-下石盒子组沉积时期，因重力拖拽作用，该断层为同沉积断层，且越往矿井西部锅底山断层的断距越大，其同沉积特性表现越明显。因此，以锅底山断层为研究对象，模拟过十一矿西部的57勘探线的地应力分布(勘探线位置见图1)，分析地应力分布及其变化规律、地应力与地质构造的关系。利用 COMSOL 软件建立了过己四采区的57勘探线剖面模型。模型分5层，由下至上分别为太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，其左边界为岩层地表露头，右边界为锅底山断层。模型受自重应力的作用，左边界为固定边界，右边界和底部为滑动边界，上部为自由边界。

从平煤十一矿57勘探线应力、应变模拟分布(图11)可以看出：①57勘探线米塞斯等效应力高值分布在勘探线中部；②57勘探线总位移高值也分布在勘探线中部。模拟结果显示，在重力拖拽作用下，勘探线中部岩层变形较大，易形成破裂构造，导致煤层上覆岩层产生裂隙，成为瓦斯逸散的通道，有利于瓦斯释放，导致瓦斯含量和瓦斯压力均较小。

图11 平煤十一矿57勘探线重力作用下的应力、应变分布(单位：m)Fig.11 Stress and strain distribution of 57 exploration line in Pingdingshan No.11 coal mine under gravity(unit：m)

5 结论

(1)平煤十一矿锅底山断层在聚煤期为同沉积断层，煤层形成之后，在区域构造应力的作用下，又发生了左行走滑，并且由于两侧构造应力方向的差异，在矿井中部形成构造转换带，发育了一系列NE向正断层。

(2)平煤十一矿以中央NE向雁列式正断层为界，瓦斯含量、相对瓦斯涌出量和瓦斯压力存在东高西低的规律。

(3) 锅底山断层的同沉积作用主要影响井田西部瓦斯赋存，在重力拖拽作用下，煤层上覆岩层受拉张作用的影响，发育了一系列正断层和裂缝，有利于瓦斯逸散；矿井东部受锅底山断层左行走滑作用的控制，发育了一系列NW向逆冲断层，煤体结构破坏严重，煤层透气性降低，有利于瓦斯保存。