小斷層兩盤瓦斯地質特征及防突措施強化研究

劉淑紅

(鄭州市世紀公園,河南 鄭州 450000)

研究表明,煤與瓦斯突出主要受構造控制[1-5],煤層小斷層是生產中常見的一種構造類型[6],斷層兩盤也是最容易突出的地方[7-9]。因此,研究煤層小斷層兩盤瓦斯地質特征,準確判識煤與瓦斯突出危險性,并采取強化防突措施具有重要的意義。

斷層形成過程中一般上盤為主動盤[10],煤與瓦斯突出也主要發生在斷層上盤,斷層主要通過控制兩盤瓦斯含量、煤體結構、地應力等,進而控制煤與瓦斯突出。一般認為,正斷層為開放型斷層,斷層兩盤瓦斯含量是減小的,不利于瓦斯突出,但逆斷層相反[11]；越靠近斷層,煤體結構破壞越嚴重,越有利于瓦斯突出[10]；斷層附近地應力是減小的,但遠離斷層逐漸增大,然后再減小至正常值,應力集中區域有利于煤與瓦斯突出等[12-14]。

目前,針對斷層對煤與瓦斯突出的控制機理還存在一些不同的認識[15-18],相關研究也比較薄弱,本文以晉煤集團長平礦為例進行研究,取得了較好的研究結果。

1 長平礦小斷層特征

長平礦總體上為一向西傾斜的單斜構造,傾角2°～5°。1957年以來,礦井歷經數次預查、普查、詳查、勘探、補充勘探及三維地震勘探,均未發現規模較大的控制性斷層,但采掘生產中經常揭露小斷層。根據統計,生產中共揭露落差≥5 m的小斷層51條(正斷層50條,逆斷層1條),斷層走向主要呈北東向和北西向,傾向南東和北東,傾角一般在±70°,屬于高角度正斷層。

2 斷層兩盤瓦斯地質特征

(1)斷層兩盤瓦斯賦存特征。以五盤區SF353正斷層為例,該斷層落差1.9 m,產狀180°∠55°。測試結果表明,斷層兩盤瓦斯含量明顯不同,其中,斷層上盤明顯小于下盤,離開斷層,兩盤瓦斯含量均具有先減小再增大的趨勢,但靠近斷層面瓦斯含量略小于正常值(圖1)。根據分析,斷層下盤影響范圍約15 m,斷層上盤影響范圍約30 m。

圖1 斷層兩盤實測瓦斯含量分布散點圖Fig.1 Scatter diagram of measured gas content distribution in two walls of fault

(2)斷層兩盤煤體結構特征。現場觀測表明,主采煤層3號煤總體上為Ⅰ—Ⅱ類煤,斷層兩盤煤體受到一定程度的破壞,但影響范圍較小,而且變化較快,一般緊鄰斷層面數厘米范圍內,煤體結構破壞可達Ⅲ類煤以上。為了定量表達斷層兩盤煤體結構變化,現場實測了煤的堅固性系數,同瓦斯含量一樣,上盤也明顯小于下盤(圖2)。根據分析,斷層上盤影響范圍在1～3 m以內,下盤不明顯。

圖2 斷層上/下盤煤的堅固性系數對比Fig.2 Comparison of firmness coefficient of coal in the upper/lower wall of fault

(3)斷層兩盤地應力特征。根據研究,地應力對煤體的透氣性影響較大,隨著地應力增大,煤層透氣性迅速減小,因此,煤層透氣性系數大小也間接反映了地應力的變化。SF353斷層上盤煤層透氣性系數變化如圖3所示,很明顯,靠近斷層面,煤層透氣性極差,遠離斷層急劇增大,然后又迅速減小,顯示先增大后減小的趨勢。斷層兩盤煤層透氣性系數平均0.261 6 m2/(MPa2·d),不受斷層影響的煤體平均透氣性系數0.027 7 m2/(MPa2·d),也就是說,斷層兩盤煤體的透氣性平均提高了約10倍。根據分析,斷層上盤/下盤的應力增高區大約在距斷層20 m/6 m位置。

圖3 SF353上盤煤層透氣性系數變化Fig.3 Permeability coefficient change of SF353 hanging wall coal seam

3 斷層成因與瓦斯地質特征關系分析

根據分析,斷層形成過程中及形成后瓦斯逸散/補償的機理是：斷層的形成是地應力集中到一定程度的突然釋放,具有階段性和不連續性特點,斷層活動階段一般呈張性狀態,同時溝通一定范圍的透氣性巖層,兩個活動階段之間主要處于相對壓性狀態,前者有利于瓦斯逸散,后者不利于瓦斯逸散；斷層形成過程中,一般上盤為主動盤,下盤為被動盤,上盤受力較下盤大,煤巖層變形更強烈[19],也較有利于瓦斯逸散。因此,上盤瓦斯含量總是小于下盤；生產揭露的斷層規模一般較小,僅能溝通煤層頂底板一定范圍內的透氣性巖層,因此,影響范圍也較小；斷層形成后,斷層面(帶)受凈巖壓力和構造應力雙重作用,一般具有壓剪性或張剪性特點,為非完全張性,斷層面與構造巖緊密接觸,透氣性變低,一般不利于瓦斯逸散,同時,斷層兩盤附近煤層瓦斯還會得到一定補償,并與后期逸散達到新的平衡(圖4)。斷層對煤體結構的控制主要表現為斷層活動使煤層發生激烈的交變應力損傷,不僅發生宏觀破裂,而且還一直浸透到超顯微范圍中的細小裂隙和間隙中,斷裂的煤強度低、穩定性差,影響煤體的滲透性。另外,距斷層面越近,受力作用越大,煤體結構破壞越嚴重；同時,由于上盤一般作為主動盤受力要大于下盤,因此,上盤煤體結構破壞也更嚴重一些,影響范圍也更大[10]。

圖4 斷層的形成及瓦斯地質特征逸散演化示意Fig.4 Formation of fault and evolution of gas emission

斷層對地應力的控制主要表現為同一斷層的不同構造部位還會出現應力集中程度不同的地段,造成了相對的高壓區和低壓區[20-21],在這個過程中煤體的透氣性也隨著發生變化。研究表明,斷層兩盤近斷層面一定范圍內應力是減小的,而遠離斷層面一定范圍內應力是增加的,在地應力集中區煤層透氣性降低,而在卸壓區透氣性增加,現場實測煤層透氣性較好地反映了斷層兩盤的應力變化特點。

4 斷層兩盤煤與瓦斯突出危險性分析

按照綜合假說的觀點,煤與瓦斯突出是地應力、煤層瓦斯和煤的物理力學性質綜合作用的結果,其中,地應力和煤層瓦斯為突出提供動力和能量,煤的物理力學性質是阻止突出發生的因素。對比斷層兩盤一定范圍內,影響突出的瓦斯地質條件均是變量,靠近斷層面地應力、瓦斯含量和瓦斯壓力總體上是減小的,不利于煤與瓦斯突出,相反,煤體的破壞程度是不斷增加的,有利于瓦斯突出,實際上最有利的突出部位應該綜合考慮以上3個條件的變化。根據分析,距斷層面一定范圍內大體上可劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個帶(圖4)：①Ⅰ帶。靠近斷層面1～3 m內,煤體結構破壞最嚴重,有利于突出；地應力、瓦斯含量和瓦斯壓力較大,較有利于突出；總體評價該區較易突出,但由于為突出提供的能量較小,因此,發生小型或中小型突出的概率可能偏大。②Ⅱ帶。距斷層面3～15 m,范圍較大,煤體結構幾乎不受斷層影響,不利于突出；地應力、瓦斯含量和瓦斯壓力變化較大,但相對最小,不利于突出；總體評價該區不易突出或者可能發生一些小型的突出。③Ⅲ帶。距斷層面15～25 m,范圍較大,煤體結構受斷層影響較小,不利于突出；但地應力、瓦斯含量和瓦斯壓力達到最大值,有利于突出；總體評價該區易突出,且發生大型或中型突出的概率可能偏多。

綜上所述,距小斷層一定距離處發生煤與瓦斯突出的危險性最大,該處瓦斯含量高、瓦斯壓力大、地應力集中,是生產中采取強化防突措施的重點。

5 強化防突措施

區域防突措施一般不考慮小斷層等瓦斯地質條件局部變化引起的煤體結構、地應力和瓦斯賦存的不均一性,針對這些不均一性,還應當制定強化防突措施。以切層小斷層為例,強化防突措施應重點考慮以下幾個問題。

(1)斷層兩盤瓦斯含量和地應力變化最大范圍的臨界值。研究表明,小斷層上/下盤瓦斯含量和地應力變化范圍一般為30 m/15 m,但是生產中揭露的斷層落差變化較大,缺少系統的統計分析,根據以往定性認識,其上/下盤影響范圍可暫按斷層落差的10倍/5倍考慮,其中,上盤最大—最小范圍可控制在50～10 m,下盤最大/最小范圍可控制在25～5 m。強化防突措施的范圍是其影響邊界兩側各1/2影響范圍的距離(圖5)。除了斷層兩盤寬度范圍界定之外,同樣在斷層走向方向上也應當嚴格控制,一般在斷層尖滅端方向上再外延50 m即可。

(2)如何強化防突措施。根據研究,斷層兩盤瓦斯含量和地應力變化較大,特別是地應力變化更大,可以通過加密抽采鉆孔間距的強化措施實現區域消突目標,其孔間距可以通過實驗考察的方法確定,在確定前可暫按原設計孔間距的60%執行。對于穿層沖孔/割縫卸壓抽采鉆孔也可以通過增大卸煤量的強化措施進行消突。

圖5 斷層兩盤強化措施范圍示意Fig.5 Scope of strengthening measures for two walls of fault

(3)強化防突措施的管理。在設計斷層條件下的強化區域措施之前,斷層的發育一般在施工底板巖巷或煤巷時已經揭露。因此,強化區域防突措施只需要修改原設計或制定斷層專項防突設計即可。

6 結論

(1)斷層上盤瓦斯含量明顯小于下盤,離開斷層,兩盤瓦斯含量均具有先減小再增大的變化趨勢,斷層下盤影響范圍約15 m,斷層上盤影響范圍約30 m。

(2)斷層兩盤煤體結構受到一定程度的破壞,而且斷層上盤破壞程度較大,但影響范圍較小,在近斷層面1～3 m以內,下盤影響范圍不明顯。

(3)斷層兩盤煤層透氣性總體較正常的煤體透氣性顯著變好,但靠近斷層面,煤層透氣性極差,遠離斷層急劇增大,然后又迅速減小,推斷斷層上/下盤的應力增高區在距斷層20 m/6 m左右。

(4)斷層兩盤瓦斯地質特征受斷層成因控制,距小斷層一定距離處發生煤與瓦斯突出的危險性最大,可以通過加密抽采鉆孔或增大卸煤量的強化防突措施進行消突。