长平井田断层对3号煤层瓦斯赋存影响效应

栗海滔

(山西长平煤业有限责任公司,山西 晋城 048000)

瓦斯是地质作用的产物,是生于煤层、储存于煤层或围岩中的气体地质体[1],它的生成条件、运移规律、赋存和分布规律都受着极其复杂的地质作用控制,存在着瓦斯地质规律[2]。国内外研究表明,煤层瓦斯赋存主要受构造控制,断层有利于瓦斯放散[3-6],但由于断层两盘形成一定厚度的构造煤并有应力集中,因此又常常是容易发生瓦斯事故的构造部位等[7-9]。瓦斯分布是不均衡的,具有分区分带的特点,其分区分带性与地质因素有密切关系[10-16]。但由于对瓦斯赋存机理研究不深,以致找不到治本的技术措施,灾害得不到有效根治。

山西长平煤矿瓦斯地质条件复杂,断层数量多,分布区域广,断层两盘瓦斯含量高、压力大,严重威胁着矿井的安全生产。在煤矿当前高产高效高安全保障系统中,煤层瓦斯赋存是生产中的重大安全隐患,所以准确掌握瓦斯地质规律,对保证安全高效开采具有重要意义。

本文以瓦斯地质理论为指导,以煤层瓦斯赋存规律研究、煤层瓦斯参数测试为基础,采用现场跟踪测试考察和理论分析相结合的方式,研究长平井田内断层对3号煤层瓦斯赋存的影响效应,测试瓦斯含量、煤的坚固性系数、瓦斯放散初速度等瓦斯参数,确定断层瓦斯防治重点。

1 矿井概况

山西长平煤矿位于太行山西缘南段,沁水煤盆地之东缘。山西组地层煤层总厚度平均6.76 m,可采煤层平均总厚度6.41 m,原组地层煤层平均总厚度8.03 m,可采煤层平均总厚度5.40 m,生产能力500 Mt/a。矿井生产中共揭露断层169条,其中绝大多数为正断层,正断层163条,占96.5%,逆断层6条,占3.5%。断层走向主要呈SN、NNE等,其他方向也有发育;断层倾向以SEE和E为主,其他方向次之,反映了矿井断层具有反倾向特点;断层倾角大,大部分在40°以上,一般在70°,属于高角度正断层。生产揭露的断层落差绝大多数集中在5 m以下,少部分在5～10 m,大于10 m的大断层较少。矿井构造纲要如图1所示。

2 断层对瓦斯赋存影响效应

2.1 断层的形成及性质

长平矿区的构造演化主要受燕山期运动控制,长平矿区的断裂构造主要受燕山晚期—喜山期的影响,主压应力方向为北东—南西向,矿区内呈近SN向、NNE向的断层受挤压作用容易形成封闭性断层,有利于瓦斯赋存。近东西向断层在燕山早期易形成开放性断层,有利于瓦斯释放;在燕山中晚期时,主应力方向改为北西西—南东东方向,后又为北东—南西向,张拉力变为压扭力,形成封闭性断层,不利于瓦斯逸散。

在不受瓦斯抽采及采掘生产影响下,共选择2条断层,编号为SF250、SF353。其中,SF250正断层落差1.3 m,产状0°∠45°;SF353正断层落差1.9 m,产状180°∠55°。2条典型断层走向均为NNE,倾向均为E。

2.2 断层对瓦斯含量赋存影响效应

通过对断层两盘布置测点,测量断层周围瓦斯含量,测点布置如图2所示。SF250/SF353断层两盘实测瓦斯含量分布散点如图3所示。根据测量结果,SF250断层上盘平均瓦斯含量为5.41 m3/t,下盘平均瓦斯含量为9.75 m3/t,上盘平均瓦斯含量比下盘低4.34 m3/t;SF353断层上盘平均瓦斯含量为6.97 m3/t,下盘平均瓦斯含量为9.47 m3/t,上盘平均瓦斯含量比下盘低2.50 m3/t。分析对比可知,断层两盘瓦斯含量有较大差异,断层下盘瓦斯含量明显大于上盘;随着距断层距离增大,瓦斯含量具有先减小后逐渐增大的特点,近断层面区域瓦斯含量小于正常值。其影响范围在7 m之内;断层两盘的影响范围为15～30 m,其中,前者代表断层上盘的影响范围,后者代表下盘的影响范围。

图2 断层两盘钻孔及采样点布置示意Fig.2 Schematic diagram of drilling and sampling point arrangement in two plates of fault

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

在断层形成过程中,断面周围呈现张性破坏,使得岩层裂隙增大,透气性增加,煤层中瓦斯得到逸散。但断层形成后,断层面在净岩压力和构造应力作用下逐渐趋于闭合,构造岩被净岩压力和构造应力所压实,透气性变低,近断层两盘区域瓦斯逸散被抑制,逐渐达到新的平衡。

2.3 断层对瓦斯放散初速度及煤的坚固性系数影响

根据测量结果,SF250断层上盘平均煤的坚固性系数为0.63,下盘平均煤的坚固性系数为0.74,上盘平均煤的坚固性系数比下盘低0.11;SF353断层上盘平均煤的坚固性系数为0.66,下盘平均煤的坚固性系数为0.81,上盘平均煤的坚固性系数比下盘低0.15。

SF250、SF353断层上下盘煤的坚固性系数如图4所示。SF250断层上盘平均瓦斯放散初速度为16.8,下盘平均瓦斯放散初速度为16.2,上盘平均瓦斯放散初速度比下盘高0.6;SF353断层上盘平均瓦斯放散初速度为17.6,下盘平均瓦斯放散初速度为15.2,上盘平均瓦斯放散初速度比下盘高2.4。

图4 SF250、SF353断层上下盘煤的坚固性系数Fig.4 Firmness coefficient of footwall coal in SF250 、SF353 fault

SF250、SF353断层上下盘煤的瓦斯放散初速度如图5所示。

图5 SF250/SF353断层上下盘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

分析对比可知,断层上盘煤的坚固性系数普遍小于下盘,瓦斯放散初速度普遍大于下盘。理论上,距断层面越近,煤的坚固性系数越小,瓦斯放散初速度越大,但实际上变化很小,几乎可以忽略不计,仅在断层面处有数厘米厚的构造煤,可以认为属于构造岩的范畴。综合分析,影响范围在3 m以内。

2.4 断层对煤的透气性系数及瓦斯衰减系数影响

煤层透气性是评价煤层瓦斯流动难易程度的指标,对于矿井开采保护层和预抽煤层瓦斯、评价煤层卸压程度、分析井下各处瓦斯流动和涌出规律等都有一定的指导意义。影响煤层透气性的因素主要包括构造、埋深、煤体结构等,研究分析煤层透气性的控制因素对于评价井下煤层瓦斯抽放具有重要意义。

SF353断层两盘煤层透气性系数及瓦斯流量衰减系数见表1。测试结果表明,断层两盘煤层透气性系数大于不受断层影响区域,其中,近断层区域煤层透气性系数平均为0.261 6 m2/(MPa2·d),不受断层影响区域煤层透气性系数0.027 7 m2/(MPa2·d)。

表1 SF353断层两盘煤层透气性系数及瓦斯流量衰减系数Tab.1 Permeability coefficient and gas flow attenuation coefficient of two coal seams in SF353 fault

综上分析可知,远离断层面煤层透气性系数呈现先增大后减小的趋势,据此可推断上盘的影响范围在20 m以内;瓦斯流量衰减系数与趋势值基本一致,断层对煤层透气性影响不大;断层上盘距断层面9 m左右,衰减系数明显增大,说明该处为断层的应力集中部位。SF353断层上盘煤层透气性系数、瓦斯流量衰减系数如图6所示。

图6 SF353正断层上盘煤层透气性系数及钻孔瓦斯流量衰减系数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 断层两盘瓦斯地质特征分析

结合长平矿区断层演化及实测数据,对断层两盘瓦斯地质特征进行分析。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,也有利于瓦斯逸散,因而上盘瓦斯含量总是小于下盘;而受力作用越大,煤体结构破坏越严重,因而上盘煤体结构破坏也越严重。故现场实测的SF250、SF353断层瓦斯赋存规律表现为下盘瓦斯含量大于上盘,下盘的坚固性系数大于上盘。

大量研究表明,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,在地应力集中区域煤层透气性降低,而在卸压区煤层透气性增加。SF353断层具体规律表现为:随着至断层面距离增大煤层透气性系数呈先增大后减小的趋势。生产揭露的SF353断层规模较小,仅能沟通一定范围的透气性岩层,因此影响范围较小。

3 断层对瓦斯赋存影响效应

瓦斯异常涌出是断层两盘应力不均导致,应力增高区域煤层破化较为严重,破坏后煤体被重新压实,煤层透气性差,抑制瓦斯逸散,瓦斯含量增大;应力较小区域煤层破坏程度一般,煤层透气性增大,促进瓦斯逸散,瓦斯含量降低。综合考虑瓦斯含量、煤的坚固性系数、煤层透气性系数等参数,将断层两盘划分为3个区域。

距断层面一定范围内大体上可再划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个带,如图7所示。

图7 煤层断层的形成与瓦斯逸散演化示意Fig.7 Schematic diagram of formation of coal seam faults and evolution of gas escape

Ⅰ带:近断层面1～3 m区域,煤层应力较大,煤层破坏严重,瓦斯逸散被抑制,瓦斯含量较大,有利于瓦斯异常涌出;由于瓦斯异常涌出需要提供大量能量,此区域能量较小,此区域可能会发生小型瓦斯异常涌出。

Ⅱ带:距断层面3～15 m区域,煤体受断层影响较小,煤层应力变化较大,瓦斯含量变化较大,但总体瓦斯含量较小,此区域不利于瓦斯异常涌出。

Ⅲ带:距断层面15～25 m区域,煤体受断层影响较小,为煤层应力增高区域,煤层透气性差,瓦斯逸散被抑制,瓦斯含量大,且能提供较大能量,此区域较易发生中型瓦斯异常涌出。

综上所述,距小断层15～25 m,此区域为煤层应力增高区域,煤层透气性差,瓦斯含量较大,瓦斯突出能较大,发生瓦斯异常涌出危险性最大,是生产中消突的重点。

4 断层两盘防突措施

矿井区域防突措施较少考虑小断层区域,需要根据断层两盘煤层瓦斯突出区域划分,对专项区域进行专项预防,主要措施应重点考虑以下问题。

(1)地质勘探和预测。在矿井设计和开采前,应进行详细的地质勘探和断层预测工作,识别出可能存在断层的区域,并预测断层的活动性和瓦斯赋存情况,制定相应的预防和控制措施。

(2)断层区域开采管理。对于已知存在断层的矿井,需要采取一系列的管理措施。例如,选择合适的开采方法和支护方式,减少断层的破坏和活动。同时,加强断层区域的瓦斯抽采和通风系统,及时排出断层区域的瓦斯,降低瓦斯积聚的可能性。

(3)断层水封措施。对于已知活动的断层,可以采用断层水封的方法来减少断层活动对瓦斯突出的影响。通过注入适当的密封材料或进行岩层注水,封堵断层裂隙,阻止瓦斯在断层带中的运移和积聚。

(4)定期监测和预警。对于存在断层的矿井,需要进行定期的断层活动监测和瓦斯监测,及时发现异常情况。建立预警机制,当断层活动或者瓦斯浓度超过安全阈值时,及时采取措施进行应急处理和疏散。

(5)培训和安全意识提高。加强矿工的安全培训,提高他们对断层两盘瓦斯突出危险性的认识,掌握相应的防范知识和技能。加强安全意识,遵守安全操作规程,确保在矿井生产过程中能够及时发现并报告异常情况。

5 结论

(1)断层两盘瓦斯含量有较大差异,断层下盘瓦斯含量明显大于上盘;随着距断层距离增大,瓦斯含量具有先减小后逐渐增大的特点,近断层面区域瓦斯含量小于正常值。断层两盘影响范围为15～30 m。

(2)断层上盘煤的坚固性系数普遍略小于下盘,距断层面越近,煤的坚固性系数越小;相反,瓦斯放散初速度是增大的,影响范围在3 m以内。

(3)断层上盘远离断层面煤层透气性系数呈先增大后减小的趋势,影响范围在20 m以内。断层两盘15～25 m区域发生瓦斯异常涌出的危险性最大,是生产中瓦斯防治的重点。