小断层两盘瓦斯地质特征及防突措施强化研究

刘淑红

(郑州市世纪公园,河南 郑州 450000)

研究表明,煤与瓦斯突出主要受构造控制[1-5],煤层小断层是生产中常见的一种构造类型[6],断层两盘也是最容易突出的地方[7-9]。因此,研究煤层小断层两盘瓦斯地质特征,准确判识煤与瓦斯突出危险性,并采取强化防突措施具有重要的意义。

断层形成过程中一般上盘为主动盘[10],煤与瓦斯突出也主要发生在断层上盘,断层主要通过控制两盘瓦斯含量、煤体结构、地应力等,进而控制煤与瓦斯突出。一般认为,正断层为开放型断层,断层两盘瓦斯含量是减小的,不利于瓦斯突出,但逆断层相反[11]；越靠近断层,煤体结构破坏越严重,越有利于瓦斯突出[10]；断层附近地应力是减小的,但远离断层逐渐增大,然后再减小至正常值,应力集中区域有利于煤与瓦斯突出等[12-14]。

目前,针对断层对煤与瓦斯突出的控制机理还存在一些不同的认识[15-18],相关研究也比较薄弱,本文以晋煤集团长平矿为例进行研究,取得了较好的研究结果。

1 长平矿小断层特征

长平矿总体上为一向西倾斜的单斜构造,倾角2°～5°。1957年以来,矿井历经数次预查、普查、详查、勘探、补充勘探及三维地震勘探,均未发现规模较大的控制性断层,但采掘生产中经常揭露小断层。根据统计,生产中共揭露落差≥5 m的小断层51条(正断层50条,逆断层1条),断层走向主要呈北东向和北西向,倾向南东和北东,倾角一般在±70°,属于高角度正断层。

2 断层两盘瓦斯地质特征

(1)断层两盘瓦斯赋存特征。以五盘区SF353正断层为例,该断层落差1.9 m,产状180°∠55°。测试结果表明,断层两盘瓦斯含量明显不同,其中,断层上盘明显小于下盘,离开断层,两盘瓦斯含量均具有先减小再增大的趋势,但靠近断层面瓦斯含量略小于正常值(图1)。根据分析,断层下盘影响范围约15 m,断层上盘影响范围约30 m。

图1 断层两盘实测瓦斯含量分布散点图Fig.1 Scatter diagram of measured gas content distribution in two walls of fault

(2)断层两盘煤体结构特征。现场观测表明,主采煤层3号煤总体上为Ⅰ—Ⅱ类煤,断层两盘煤体受到一定程度的破坏,但影响范围较小,而且变化较快,一般紧邻断层面数厘米范围内,煤体结构破坏可达Ⅲ类煤以上。为了定量表达断层两盘煤体结构变化,现场实测了煤的坚固性系数,同瓦斯含量一样,上盘也明显小于下盘(图2)。根据分析,断层上盘影响范围在1～3 m以内,下盘不明显。

图2 断层上/下盘煤的坚固性系数对比Fig.2 Comparison of firmness coefficient of coal in the upper/lower wall of fault

(3)断层两盘地应力特征。根据研究,地应力对煤体的透气性影响较大,随着地应力增大,煤层透气性迅速减小,因此,煤层透气性系数大小也间接反映了地应力的变化。SF353断层上盘煤层透气性系数变化如图3所示,很明显,靠近断层面,煤层透气性极差,远离断层急剧增大,然后又迅速减小,显示先增大后减小的趋势。断层两盘煤层透气性系数平均0.261 6 m2/(MPa2·d),不受断层影响的煤体平均透气性系数0.027 7 m2/(MPa2·d),也就是说,断层两盘煤体的透气性平均提高了约10倍。根据分析,断层上盘/下盘的应力增高区大约在距断层20 m/6 m位置。

图3 SF353上盘煤层透气性系数变化Fig.3 Permeability coefficient change of SF353 hanging wall coal seam

3 断层成因与瓦斯地质特征关系分析

根据分析,断层形成过程中及形成后瓦斯逸散/补偿的机理是：断层的形成是地应力集中到一定程度的突然释放,具有阶段性和不连续性特点,断层活动阶段一般呈张性状态,同时沟通一定范围的透气性岩层,两个活动阶段之间主要处于相对压性状态,前者有利于瓦斯逸散,后者不利于瓦斯逸散；断层形成过程中,一般上盘为主动盘,下盘为被动盘,上盘受力较下盘大,煤岩层变形更强烈[19],也较有利于瓦斯逸散。因此,上盘瓦斯含量总是小于下盘；生产揭露的断层规模一般较小,仅能沟通煤层顶底板一定范围内的透气性岩层,因此,影响范围也较小；断层形成后,断层面(带)受净岩压力和构造应力双重作用,一般具有压剪性或张剪性特点,为非完全张性,断层面与构造岩紧密接触,透气性变低,一般不利于瓦斯逸散,同时,断层两盘附近煤层瓦斯还会得到一定补偿,并与后期逸散达到新的平衡(图4)。断层对煤体结构的控制主要表现为断层活动使煤层发生激烈的交变应力损伤,不仅发生宏观破裂,而且还一直浸透到超显微范围中的细小裂隙和间隙中,断裂的煤强度低、稳定性差,影响煤体的渗透性。另外,距断层面越近,受力作用越大,煤体结构破坏越严重；同时,由于上盘一般作为主动盘受力要大于下盘,因此,上盘煤体结构破坏也更严重一些,影响范围也更大[10]。

图4 断层的形成及瓦斯地质特征逸散演化示意Fig.4 Formation of fault and evolution of gas emission

断层对地应力的控制主要表现为同一断层的不同构造部位还会出现应力集中程度不同的地段,造成了相对的高压区和低压区[20-21],在这个过程中煤体的透气性也随着发生变化。研究表明,断层两盘近断层面一定范围内应力是减小的,而远离断层面一定范围内应力是增加的,在地应力集中区煤层透气性降低,而在卸压区透气性增加,现场实测煤层透气性较好地反映了断层两盘的应力变化特点。

4 断层两盘煤与瓦斯突出危险性分析

按照综合假说的观点,煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯和煤的物理力学性质综合作用的结果,其中,地应力和煤层瓦斯为突出提供动力和能量,煤的物理力学性质是阻止突出发生的因素。对比断层两盘一定范围内,影响突出的瓦斯地质条件均是变量,靠近断层面地应力、瓦斯含量和瓦斯压力总体上是减小的,不利于煤与瓦斯突出,相反,煤体的破坏程度是不断增加的,有利于瓦斯突出,实际上最有利的突出部位应该综合考虑以上3个条件的变化。根据分析,距断层面一定范围内大体上可划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个带(图4)：①Ⅰ带。靠近断层面1～3 m内,煤体结构破坏最严重,有利于突出；地应力、瓦斯含量和瓦斯压力较大,较有利于突出；总体评价该区较易突出,但由于为突出提供的能量较小,因此,发生小型或中小型突出的概率可能偏大。②Ⅱ带。距断层面3～15 m,范围较大,煤体结构几乎不受断层影响,不利于突出；地应力、瓦斯含量和瓦斯压力变化较大,但相对最小,不利于突出；总体评价该区不易突出或者可能发生一些小型的突出。③Ⅲ带。距断层面15～25 m,范围较大,煤体结构受断层影响较小,不利于突出；但地应力、瓦斯含量和瓦斯压力达到最大值,有利于突出；总体评价该区易突出,且发生大型或中型突出的概率可能偏多。

综上所述,距小断层一定距离处发生煤与瓦斯突出的危险性最大,该处瓦斯含量高、瓦斯压力大、地应力集中,是生产中采取强化防突措施的重点。

5 强化防突措施

区域防突措施一般不考虑小断层等瓦斯地质条件局部变化引起的煤体结构、地应力和瓦斯赋存的不均一性,针对这些不均一性,还应当制定强化防突措施。以切层小断层为例,强化防突措施应重点考虑以下几个问题。

(1)断层两盘瓦斯含量和地应力变化最大范围的临界值。研究表明,小断层上/下盘瓦斯含量和地应力变化范围一般为30 m/15 m,但是生产中揭露的断层落差变化较大,缺少系统的统计分析,根据以往定性认识,其上/下盘影响范围可暂按断层落差的10倍/5倍考虑,其中,上盘最大—最小范围可控制在50～10 m,下盘最大/最小范围可控制在25～5 m。强化防突措施的范围是其影响边界两侧各1/2影响范围的距离(图5)。除了断层两盘宽度范围界定之外,同样在断层走向方向上也应当严格控制,一般在断层尖灭端方向上再外延50 m即可。

(2)如何强化防突措施。根据研究,断层两盘瓦斯含量和地应力变化较大,特别是地应力变化更大,可以通过加密抽采钻孔间距的强化措施实现区域消突目标,其孔间距可以通过实验考察的方法确定,在确定前可暂按原设计孔间距的60%执行。对于穿层冲孔/割缝卸压抽采钻孔也可以通过增大卸煤量的强化措施进行消突。

图5 断层两盘强化措施范围示意Fig.5 Scope of strengthening measures for two walls of fault

(3)强化防突措施的管理。在设计断层条件下的强化区域措施之前,断层的发育一般在施工底板岩巷或煤巷时已经揭露。因此,强化区域防突措施只需要修改原设计或制定断层专项防突设计即可。

6 结论

(1)断层上盘瓦斯含量明显小于下盘,离开断层,两盘瓦斯含量均具有先减小再增大的变化趋势,断层下盘影响范围约15 m,断层上盘影响范围约30 m。

(2)断层两盘煤体结构受到一定程度的破坏,而且断层上盘破坏程度较大,但影响范围较小,在近断层面1～3 m以内,下盘影响范围不明显。

(3)断层两盘煤层透气性总体较正常的煤体透气性显著变好,但靠近断层面,煤层透气性极差,远离断层急剧增大,然后又迅速减小,推断断层上/下盘的应力增高区在距断层20 m/6 m左右。

(4)断层两盘瓦斯地质特征受断层成因控制,距小断层一定距离处发生煤与瓦斯突出的危险性最大,可以通过加密抽采钻孔或增大卸煤量的强化防突措施进行消突。