采面陷落柱及斷層發育特征對瓦斯賦存的影響

段偉杰

（長治三元中能煤業有限公司，山西 長治 046000）

陷落柱、斷層等是華北地區煤炭開采時常見構造，陷落柱發育多呈現圓錐狀或者柱狀，隱伏性好、探測難度大[1-2]。眾多的研究學者對陷落柱以及斷層對煤炭開采、煤層瓦斯賦存影響等進行廣泛研究，并取得豐碩研究成果，但研究多是集中在單一陷落柱或斷層影響[3-5]。在地質構造復雜區域進行煤炭開采時地質構造多是伴生發育，在一些陷落柱周邊往往伴生有大量的斷層，陷落柱、斷層伴生發育會給煤層賦存穩定性以及瓦斯賦存等造成影響[6-8]。下霍煤礦1306 工作面開采范圍內斷層、陷落柱發育，為了確保采面開采安全，對陷落柱、斷層構造發育特征以及對瓦斯賦存造成影響進行分析，為礦井煤炭開采安全措施制定以及瓦斯治理提供參考依據。

1 工程概況

1306 工作面可采長度1 015.6 m、斜長249.8 m，開采的3#煤層結構簡單，煤厚平均5.3 m，傾角0°～12°，3#煤為貧煤、貧瘦煤，該工作面地質構造較多，且延伸長度較長。3#煤頂底板均為致密的泥巖、砂質泥巖。1306 工作面內探測到的主要斷層、陷落柱參數見表1，發育位置見圖1。

表1 1306 工作面主要斷層、陷落柱參數

圖1 1306 工作面陷落柱發育位置

2 陷落柱、斷層發育特征

2.1 陷落柱及伴生斷層構造形成機理

在陷落柱形成過程中陷落柱頂部煤巖體垮落后充填陷落柱內自由空間，從而造成陷落柱周邊圍巖應力重新分布，在陷落柱周邊由近及遠會形成塑性區、彈性區及原巖應力區。在彈性區內應力較高當應力大于煤巖體極限抗壓強度時圍巖內會出現裂隙并向陷落柱方向傾斜、滑移，在陷落柱周邊形成環形裂隙。在陷落柱周邊不同位置處應力峰值分布范圍各有差異，在集中應力作用下煤巖體出現一定程破斷，后在區域地質構造應力影響下發育成布局伴生斷層或者環繞式斷層。具體陷落柱及伴生斷層構造形成見圖2。

圖2 陷落柱及伴生斷層構造形成

2.2 陷落柱及伴生斷層構造分布特征

根據下霍煤礦已經揭露的陷落柱、斷層分布資料以及地勘資料，下霍煤礦已探明陷落柱數量為58個，陷落柱分布狀態多呈現橢圓形、圓形或者不規則形。現階段已經揭露的陷落柱內部自由空間范圍大，在陷落柱周邊應力集中明顯，容易引起陷落柱圍巖滑移出現伴生小斷層。

通過分析礦井區域陷落柱分布及發育特征，結合1306 探測到的X6 陷落柱發育情況，歸結起來，采面內陷落柱、斷層構造分布具有以下特征：

（1）陷落柱、斷層構造分布受區域地質構造影響，在褶曲發育位置陷落柱伴生斷層構造更為發育，斷層走向與煤層走向通常為大角度斜交。由于1306 工作面整體為一向斜背部，在采面內發育有大量的次生斷層，在X6 陷落柱旁就發育有2 個正斷層，斷層走向與煤層走向夾角分別為86°、65°。

（2）陷落柱周邊伴生斷層落差較小，一般均在5 m以內。在X6 陷落柱周邊已探明的DC72、DC12 斷層落差分別為1.0 m、1.4 m，落差均較小。

（3）在陷落柱周邊由于受到斷層影響煤層分布呈現階梯狀，且向陷落柱傾斜、滑移一盤煤巖較為破碎、強度較低。

3 陷落柱、斷層構造對瓦斯賦存影響

煤層瓦斯受到埋深、煤質、頂底板巖性以及水文地質條件、區域構造等因素影響，在局部范圍內煤層瓦斯賦存受到陷落柱、斷層構造影響。

3.1 煤層瓦斯賦存總體規律

下霍煤礦開采的3#煤層變質程度高，在煤化作用各階段均產生有大量瓦斯，隨變質程度增加煤層吸附能力增強、滲透性降低，從而使得煤層瓦斯含量增加。在井田開采范圍內煤層瓦斯含量隨著埋深而增加，具體變化曲線見圖3。同時由于3#煤層頂底板巖層以致密的砂質泥巖、泥巖，密閉效果較好，有利于煤層瓦斯保存。

圖3 3#煤層瓦斯含量與埋深變化曲線

3.2 構造對煤層瓦斯賦存影響

（1）煤層瓦斯含量降低

構造形成煤層瓦斯逸散通道，從而降低構造影響附近煤層中瓦斯含量。陷落柱、斷層在形成過程中會破壞煤層連續性，打破煤系地層原有的封閉性，當附近有含水層時煤層瓦斯會通過地下水流動而運移。在構造周邊發育的裂隙，增加煤巖透氣性從而有利于煤層瓦斯解吸，從而降低構造周邊煤層瓦斯含量。

（2）煤層瓦斯集聚

陷落柱、斷層構造可能導致煤層中瓦斯集聚，陷落柱存在可能會導通附近的其他煤層，當構造頂底板巖層封閉性較好且附近地下水運動較弱時，附近煤層解析的瓦斯可能通過構造裂隙向上部集聚，從而形成瓦斯富集區。此外若斷層上下盤在滑移時產生的斷層面封閉，也可能會降低煤層瓦斯透氣性，從而增加煤層瓦斯含量。

X6 陷落柱在衰退階段附近地下水沖刷、運移以及侵蝕巖層能力弱化，陷落柱內部逐漸被砂質泥巖、泥巖以及黏土等充填，并在地應力作用下逐漸膠結，形成相對封閉的瓦斯集聚條件，從而導致附近煤體內瓦斯含量有所增加。在1306 回風順槽掘進時探測到有X6 陷落柱，該陷落柱短軸、長軸長度分別為60.7 m、87.8 m，周邊發育有已探明的DC72、DC12 斷層，預計還有其他未探明的隱伏小斷層。在1306 回風順槽掘進接近陷落柱期間對迎頭煤層瓦斯含量、鉆屑指標K1值進行測定，結果見圖4、圖5。

圖4 煤層瓦斯含量與陷落柱距離關系曲線

圖5 K1 值與陷落柱距離關系曲線

從現場實測發現，隨著與陷落柱、斷層構造距離縮短，煤層瓦斯含量、鉆屑指標K1值均呈增加趨勢，表明在煤層瓦斯含量與距構造距離間有較好的擬合函數且擬合度高。表明在1306 工作面開采范圍內，陷落柱、斷層構造對煤層瓦斯有一定的富集作用。

4 結語

1）陷落柱在發育形成過程中在地應力作用下陷落柱周邊煤巖體會出現滑移、斷裂從而有助于伴生小斷層形成，陷落柱周邊形成的斷層受區域地質構造控制，在褶曲發育區伴生斷層更為發育。

2）在陷落柱、斷層構造發育區煤層瓦斯賦存較地質構造不發育區有顯著差異。就1306 工作面探測到的X6 陷落柱而言，在陷落柱周邊煤層瓦斯含量富集。預測在1306 工作面附近的其他工作面回采過程中揭露的陷落柱周邊煤層瓦斯也呈集聚狀態。

3）采面過陷落柱周邊瓦斯富集區時應強化瓦斯預抽，加強通風、瓦斯檢測等工作，降低瓦斯富集對采面回采安全威脅。