斷層力學性質與其透水性的分析研究

摘 要：為了探究斷層的力學性質對透水性的影響，采用數據歸納對比方法，以潘一礦為研究區，探究井田內斷裂構造的基本特征，然后著重對斷層的力學性質進行研究，最后選取兩條主要的張扭性斷層和壓扭性斷層作為研究對象，對這兩條斷層處的抽放水試驗數據進行分析，得出張扭性斷層處的單位涌水量明顯比壓扭性斷層處的大，結果表明張扭性斷層的透水性要比壓扭性斷層好。

關鍵詞：力學性質;張扭性斷層;壓扭性斷層;透水性

0 引言

礦井充水條件是充水水源、導水通道及水量共同作用的結果，其中充水水源和導水通道是礦井充水的基本條件[1-2]，當通道導通煤層和含水層時就有可能發生礦井充水，至于充水的程度則取決于水量大小，而導水通道的分布具有不均一性和局部性，是三個充水條件里最難查清的一個因素[3]，也是最關鍵的，許多礦井水害的發生都是因為對導水通道認識不清導致的，因此對礦井導水通道的探究至關重要。

劇烈構造運動產生斷層，并導致斷層周圍巖體破碎產生大量裂隙并伴有次生斷裂的生成，使得多數斷裂構造具有較好的透水性，成為一種天然的充水通道[4-6]，在煤礦開采過程中由于采動面擾動破壞很容易導通這些斷層造成礦井充水事故的發生[7]，而斷裂構造能否被導通，有諸多影響因素，例如斷層的性質、規模、上下盤巖性、煤層開采強度等等[9-10]。因此，本文對淮南煤田潘一礦區落差20m以上斷層進行歸納總結分析，針對斷層不同的力學性質對含導水性的影響，依據抽放水實驗結果的單位涌水量數據，研究不同力學性質的斷層對透水性的控制作用。

1 研究區概況

潘一礦位于淮南煤田潘謝礦區，東西長約14.6 km，南北傾斜寬約4.0 km，總面積約為54.67 km2，礦井邊界東起0勘探線，西邊為人定界線，北部以F2、F5、F4、F5-1斷層及潘集背斜軸作為邊界，南邊以13-1煤層-800m底板等高線地面投影線為界。本區處于淮河沖積平原，地勢較為平坦，總體呈現西北高、東南低的趨勢，屬于暖溫帶半濕潤性氣候，四季分明，年平均降雨量926.3mm。

2 斷裂構造基本特征

潘一礦內斷裂構造大部分集中分布在井田的北部（圖1），以斜切張扭性斷層為主，其次是壓扭性斷層。張扭性斷層按走向可劃分為兩組，一組為NEE及EW向，另一組為NW及NWW向，傾角都為50～75°，但NEE及EW向的斷層，傾向為SE及S，規模不等，落差大小相差較大;而NW及NWW向的斷層，傾向為SW及NE，多為小型斷裂，有些僅呈裂隙發育。井田內的壓扭性斷層，多數為走向和背斜軸向基本一致或二者交角為小于30°的逆斷層，落差較大，一般作為井田邊界及采區邊界的劃分依據。

3 斷層的力學性質

地層受構造應力作用形成斷層，構造應力的大小和方向控制斷層的地質構造特征，根據巖石所受地應力的不同將斷層分為張性、壓性、張扭性和壓扭性[11]，自然界中只受一種應力作用的斷層很少，常見的是兩種應力共同作用的結果，即張扭性和壓扭性斷層。

據井田內實測地質資料分析，潘一礦中落差大于等于煤厚的斷層共有75條，其中落差大于20m的斷層僅有14條，對礦井水文地質構造以及煤礦開采影響較大，是本文研究的主要對象。目前揭露的75條斷層中，張扭性斷層54條，壓扭性斷層21條，如圖2為落差大于20m斷層的走向玫瑰花圖，NW及NWW向的斷層數目較多，圖3為傾向圖，從圖上可看出斷層傾向主要在SSE～SSW之間。井田內張扭性正斷層有F4、F4-1、F4-3、Fe1、Fe2、Fe8等;壓扭性逆斷層有F5、F5-1、F3、F3-2等斷層。下面介紹潘一礦幾個主要的張扭性和壓扭性斷層。

3.1 壓扭性逆斷層

（1）F5逆斷層：為潘一礦西北部的邊界斷層，走向自東向西為SE～EW～SW，傾向由SW漸變為SSE，傾角40～65°，落差20～80m，井田內平面延展長度約8000m，整體略呈弧形。斷層特征為走向變化較大，斷層面有扭曲現象，斷層落差大小中間往兩端逐漸變小，并消失，斷層破碎帶寬3～5m，充填物多為粘土巖屑及煤屑。由鉆探工程、地震測線、巷道揭露等控制，屬可靠斷層。

（2）F3逆斷層：位于井田北部，跨潘一、潘二井田，斷層走向NW～SE，傾向S～SW，傾角40～65°，落差20～60m，井田內平面延展長度約4500m，平面形態呈反“S”型彎曲，表現為兩頭傾角較陡，扭曲部位傾角較緩，斷層落差中部大、東部次之、西部小。

3.2 張扭性正斷層

（1）F8正斷層：位于井田北部、F5斷層上盤，其走向近EW，傾向SSW，傾角55～60°，井田內平面延展長度約2500m。由鉆探工程、巷道揭露控制，屬可靠斷層。

（2）F4正斷層：是斜切平移正斷層，位于井田中西部、Ⅵ勘探線以西。其走向為NE～SW，傾向SE，傾角從上往下逐漸增大，范圍在35～55°之間，落差60～110m并由深到淺逐漸減小，平面延展長度6000m，平面形態略呈“S”型，斷層帶寬度一般2～4m，且多為粘土巖屑及煤屑充填，巖石糜棱化明顯。斷層帶巖體破碎嚴重，伴生次級斷層較多，小斷層和裂隙也較發育，但抽放水實驗證明并無明顯導水現象。

4 斷層的透水性

斷層的力學性質影響其透水性，一般來說，張扭性斷層巖體較破碎，斷層影響帶中裂隙較發育，導水性較好，而壓扭性斷層恰恰相反，孔隙裂隙不甚發育，斷層兩盤受應力擠壓巖性較致密，透水性差。

以潘一礦張扭性斷層F4-1和壓扭性斷層F5為例，研究斷層的力學性質對導阻水性的影響。選取F4-1斷層處的六個水文觀測孔的單位涌水量，分別為1.493 L/s·m，1.517 L/s·m，0.3989 L/s·m，0.274 L/s·m，1.002 L/s·m，6.18 L/s·m，F5斷層處的五個水文觀測孔的單位涌水量分別為0.0019 L/s·m，0.02474 L/s·m，0.00029 L/s·m，0.0086 L/s·m，0.124 L/s·m，由圖4可明顯看出張扭性斷層涌水量大于壓扭性斷層的涌水量，即正斷層的透水性與逆斷層相比較好，結果與實際理論依據相符。

5 結論

（1）潘一礦斷層的力學性質主要是壓扭性和張扭性兩種，張扭性斷層多于壓扭性斷層，是潘一礦的主要斷層，影響煤礦開采工作進展，而壓扭性斷層落差和規模較大，作為井田邊界劃分依據。

（2）F4-1為張扭性斷層，抽放水試驗結果顯示單位涌水量較大，透水性較好，而F5壓扭性斷層單位涌水量明顯較小，幾乎沒有水，說明由于應力擠壓，結構面較致密不易透水，富水性較弱，兩者比較結果表明，張扭性斷層的透水性較好。

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作者簡介：王修波（1987-），男，山東聊城人，本科，助理工程師，主要從事水工環地質工作。