杨河井田边界正断层与瓦斯赋存关系研究

任沁元

(郑煤集团 杨河煤业，河南 新密 452382)

煤与瓦斯突出是煤炭开采过程中极其复杂的动力现象，与构造有直接关系[1-3]，它主要发生在地质构造破坏带[4],特别是受断层的影响[5-6]。断裂构造对煤体结构、瓦斯封闭条件、煤岩显微特征以及煤的渗透率等均有不同程度的影响[7-10]。煤层瓦斯含量受到地质条件的明显控制，煤层瓦斯赋存具有分区分带性[11-12]。因此，查明断层对煤层赋存的影响，熟悉矿井瓦斯赋存规律对矿井瓦斯防治有重要意义[13-16]。

1 矿井概况

杨河煤业隶属郑煤集团，由裴沟井田、杨河井田、樊寨井田组成，3个井田以大的断层构造进行井田划分，自北向南分布。矿井核定生产能力180万t/a，为煤与瓦斯突出矿井。矿井位于荥密背斜的南翼东部、新密复向斜中段向斜轴部，总体构造形态为一向斜构造，走向NW-SE，向SE倾伏。区内发育大小规模不等的断层多条，均为高角度正断层。杨河井田位于油坊沟断层和浮山寨断层之间(表1),浮山寨断层和油坊沟断层为张性或张剪性走向正断层。

表1 断层特征

2 断层对煤与瓦斯突出的控制

断层破坏了煤层的整体连续性，对煤层瓦斯赋存的控制主要取决于其开放性和封闭性，开放型断层有利于瓦斯的排放，封闭型断层不利于瓦斯的排放[6,17]。浮山寨断层和油坊沟断层为张性或张剪性走向正断层，属于开放性断层，有利于瓦斯排放。断层在形成过程中，断层带内的煤层受到断层两盘的强烈剪切作用，构造煤宽度一般与煤层的规模成正比[12]。根据断层作用下构造煤形成机理的研究，断层上盘应当最有利于突出[18]，在离开断层一定距离处断层上盘是最有利于煤与瓦斯突出的构造部位[4,18,19]。

2.1 油坊沟断层对煤层瓦斯含量的影响

油坊沟断层西南起于浮山寨断层，走向近NEE向，断层倾向NNW，伸展长度10.5 km，倾角60～70°，落差0～80 m.在油坊沟附近有出露，西部由井巷工程控制，区内有多个钻孔直接控制，控制程度较高。根据钻孔资料分析，浅部油坊沟断层主要是煤层与对盘煤层上部山西组含煤地层对接，断层的导气性较差。

研究数据选取油坊沟断层下盘550 m范围内的实测煤层瓦斯含量(见表2)，标高在0～-150 m.

表2 油坊沟断层550 m范围瓦斯含量数据

油坊沟断层断层下盘550 m范围内瓦斯含量分布如图1所示。

图1 油坊沟断层550 m范围内瓦斯含量分布关系

从图1可以看出，煤层瓦斯含量与距断层的距离两者的一次线性回归方程为y=0.008 4x+2.624 5，复相关系数为0.676 3，复相关系数较高，可知，煤层瓦斯含量有随着距断层距离的增加而增大的趋势。虽然油坊沟断层与煤层瓦斯含量复相关系数较高，但对其影响还需通过对浮山寨断层分析后进行确定。

2.2 浮山寨断层对煤层瓦斯含量的影响

浮山寨断层在西部界外与油坊沟断层相交，伸展方向为近EW向，伸展长度大于12.0 km.断层倾向N，倾角70°左右，落差东部大、西部小，落差为50～360 m.区内有多个钻孔直接控制，控制程度较高。深部浮山寨断层主要是煤层与对盘寒武系、奥陶系和太原组透气性较好的地层对接，有利于瓦斯排放。

研究数据选取距离浮山寨断层上盘650 m范围内煤层瓦斯含量(见表3)，标高为-150～-300 m.

表3 浮山寨断层650 m范围内实测瓦斯含量数据

浮山寨断层650 m范围内瓦斯含量分布如图2所示。

图2 浮山寨断层650 m范围内瓦斯含量分布关系

从图2可以看出，煤层瓦斯含量实测值与距断层的距离两者线性回归方程为y=0.010 6x+0.962 6，复相关系数为0.850 5，复相关系数高，说明煤层瓦斯含量随着距断层距离的增加而增大。

根据杨河井田实测煤层瓦斯含量，统计距离浮山寨断层1 100 m范围内煤层瓦斯含量，瓦斯含量分布图如图3所示。

图3 浮山寨断层1 100 m范围内瓦斯含量分布关系

由图3可以看出，煤层瓦斯含量在井田的中部最大，随着靠近断层，煤层瓦斯含量逐渐减小，最大瓦斯含量值出现在距离浮山寨断层620 m左右。

可推断，在一定范围内，距断层越近，越有利于瓦斯逸散，瓦斯含量值越小；距离断层越远，瓦斯含量值越大。

2.3 断层规模对煤层瓦斯含量的影响

断层的规模主要影响断层带的宽度、构造岩特征及与地表的连通性[20]。断层规模的大小影响着断层带宽度，破碎带内构造岩粒度越细，连通性越差，但在断层形成过程中，断层两盘伴生的断裂构造越发育，可以为瓦斯逸散提供更好的条件。浮山寨断层比大于油坊沟断层规模要大得多，前者对杨河井田煤层瓦斯含量的影响范围要大于后者。可推断，落差较大的断层对煤层瓦斯含量的控制距离较大。

3 地下水对煤层瓦斯含量的影响

地下水与瓦斯共存于含煤岩系及围岩之中，由于两者均呈流体状态，因此，其运移和赋存都与煤(岩)层的孔隙、裂隙通道有关。根据浮山寨断层附近的10个勘探钻孔水样化验结果分析，在距断层300 m范围内，由矿化度分析可知，太灰通过断层破碎带与下部奥灰水、寒灰水或上部顶板砂岩水存在水力联系；由水样阳离子含量变化可知，断层两盘不同含水层间通过断层破碎带发生水力联系。两者表现出在距断层300 m范围之外影响程度较小，规律不明显。

断层的水文地质分析表明，浮山寨断层为一条导水断层，其下盘影响宽度约300 m，按照断层成因机理分析，上盘影响宽度应该更大。显然，该断层对水的影响尚且如此，对瓦斯来说，断层应属开放性质，其影响范围也应当更大。

4 结 语

通过对杨河井田内断层特征的描述、煤层瓦斯含量与断层的距离相关性分析及地下水对煤层瓦斯含量的影响，得出以下结论：

1) 杨河井田内瓦斯赋存未随着煤层埋深的增加而增大，而因受边界断层的影响，特别是深部浮山寨断层的影响较大，具有中部大，向深部和浅部边界断层减小的特点。

2) 浮山寨断层对杨河井田煤层瓦斯赋存影响较大，距离断层越近，瓦斯逸散越多，煤层瓦斯含量越小。

3) 分析了断层对煤层瓦斯赋存规律的影响，断层规模越大对煤层瓦斯赋存的影响距离越大。