逆斷層疊加控制區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律研究

趙 翼

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司瓦斯研究分院, 重慶 400037)

煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯壓力及煤的物理性質(zhì)綜合作用下發(fā)生的一種復雜動力災害現(xiàn)象[1-3]，突出的發(fā)生很大程度上取決于煤層中瓦斯賦存的地質(zhì)條件。地質(zhì)作用是控制著瓦斯的生成、運移及煤層儲存瓦斯性能的主要因素[4]，張性斷層有利于瓦斯釋放，壓性斷層則有利于瓦斯的儲存[5]. 于文龍等[6]認為開放性斷層與煤層接觸對盤巖性的透氣性越好，越有利于瓦斯逸散；劉義生等[7]認為同一瓦斯單元，由于局部構(gòu)造的不同，瓦斯賦存狀態(tài)也存在明顯的差異，構(gòu)造對瓦斯生成、保存與礦井瓦斯涌出起著重要的控制作用；賈永勇等[8]認為構(gòu)造煤和煤層埋藏深度是影響煤層瓦斯賦存的主控因素；孔勝利等[9]認為地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯涌出有著明顯的控制作用；周鑫隆[10]等認為構(gòu)造軟煤的不均勻分布在一定程度上增大了瓦斯突出危險性；魏國營等[11]認為井田構(gòu)造控制著礦井突出煤層的瓦斯賦存和構(gòu)造煤分布，造成煤層瓦斯突出危險呈條帶分布；宋占全等[12]按構(gòu)造大小類型研究了構(gòu)造對瓦斯的賦存和突出的控制作用。綜上所述，前人從地質(zhì)構(gòu)造的角度對煤層瓦斯賦存規(guī)律進行了大量的研究，并取得了豐富的研究成果。本文在前人研究的基礎上，研究了局部復合構(gòu)造對于瓦斯賦存規(guī)律的影響。

1 礦井構(gòu)造特征

1.1 區(qū)域構(gòu)造

皖北某煤礦屬淮北煤田中的地層類型，淮北煤田位于華北板塊東南緣，豫淮坳陷的東部，東以郯廬斷裂為界與楊子板塊相接，西以夏邑—阜陽斷裂為界與淮河沉降帶為鄰；北以豐(縣)沛(縣)斷裂為界與豐沛隆起相接，南以太和—固鎮(zhèn)斷裂為界與蚌埠隆起相鄰。煤田構(gòu)造的形成、發(fā)展與板內(nèi)構(gòu)造和板緣構(gòu)造的演化密切相關。區(qū)內(nèi)構(gòu)造受東西向構(gòu)造、北東向構(gòu)造、徐宿弧形構(gòu)造所控制，東西向和北東向構(gòu)造為主要格局，主要表現(xiàn)為北北東向構(gòu)造改造早期的東西向構(gòu)造。

1.2 礦井構(gòu)造

皖北某煤礦總體構(gòu)造形態(tài)為一較寬緩向南仰起的向斜，并被一系列南北向、北北東向斷層切割。發(fā)育有次級褶曲，斷層較發(fā)育。地層傾角3°～23°，一般都在8°～16°，沿走向和傾向變化不大。

該礦可采煤層賦存于二疊系的山西組、下石盒子組和上石盒子組。含1、2、3、4、5、6、7、8、10等10個煤層組。二疊系含煤地層厚度1 267 m，含煤平均總厚為23.61 m，含煤系數(shù)為1.86%. 可采煤層有32、51、52、53、62、72、82和10等8層，其中32、82煤層為主采煤層。

2 瓦斯參數(shù)測試方案及結(jié)果分析

2.1 測試區(qū)域概況

為考察復合疊加斷層區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律，本次測試區(qū)域選取西一采區(qū)3211工作面F15逆斷層及DF66逆斷層所圍成的“三角區(qū)”及DF66逆斷層上盤所在的W3211工作面外段。區(qū)內(nèi)煤層厚0.58～8.22 m，平均2.89 m；煤層傾角13°～15°. 煤層結(jié)構(gòu)較復雜，具夾矸，夾矸以泥巖和炭質(zhì)泥巖為主，少數(shù)為含炭泥巖。頂板、底板巖性以泥巖為主，次為粉砂巖和細砂巖。采掘平面圖見圖1.

圖1 測試區(qū)域采掘平面圖

2.2 參數(shù)測試方案

根據(jù)礦井已有的開拓工程,分別在W3211工作面W3211改造風巷鉆場及西翼軌道石門布置一組鉆孔進行煤層瓦斯壓力測定，考察逆斷層疊加應力區(qū)附近瓦斯賦存規(guī)律，鉆孔布置見圖2. 鉆孔設計參數(shù)見表1.

圖2 鉆孔布置平面圖

表1 測壓鉆孔設計參數(shù)表

在測壓鉆孔施工完畢后，應立即封孔，封孔24 h后，按要求裝壓力表，定期進行瓦斯壓力觀測，直到瓦斯壓力達到某一數(shù)值并穩(wěn)定5～7 d為止。觀測過程中若發(fā)現(xiàn)瓦斯壓力值在短時間內(nèi)變化較大，則應增加觀測次數(shù)。

2.3 參數(shù)測試結(jié)果

鉆孔參數(shù)測試結(jié)果表見表2. 由表2可知，“三角區(qū)”內(nèi)實測瓦斯壓力最大值為0.57 MPa，控制標高為-676 m，最小值為0.20 MPa，控制標高為-661 m；W3211工作面外段實測瓦斯壓力最大值為0.38 MPa，控制標高為-707 m，最小值為0.20 MPa，控制標高為-680 m. 根據(jù)實測數(shù)據(jù)可知，“三角區(qū)”及W3211工作面外段瓦斯壓力賦存都基本符合沿傾向瓦斯壓力隨埋深增加而增大的規(guī)律，但埋深較淺的“三角區(qū)域”實測瓦斯壓力值總體高于W3211工作面外段，在標高(埋深)相差不大的情況下，“三角區(qū)”內(nèi)實測瓦斯壓力值(0.57 MPa，標高-676 m)比“三角區(qū)”外實測瓦斯壓力值(0.20 MPa，標高-680 m)高0.37 MPa.

表2 鉆孔參數(shù)測試結(jié)果表

2.4 測試區(qū)域煤層瓦斯賦存的影響因素分析

1) 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響。

“三角區(qū)”處于F15逆斷層與DF66逆斷層中間單元，位于逆斷層組合疊加控制區(qū)域，逆斷層主要發(fā)育為擠壓構(gòu)造環(huán)境中，因此“三角區(qū)”所在單元受到DF66上盤與F15下盤的擠壓作用，在產(chǎn)生較高的地應力的同時，提高了圍巖的封閉性，進而形成了煤與瓦斯聚集的優(yōu)勢區(qū)域，故此區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力略高于W3211工作面外段。斷層疊加控制示意圖見圖3.

圖3 斷層疊加控制示意圖

實測瓦斯壓力隨埋深變化的關系曲線見圖4. 由圖4a)可知，“三角區(qū)”內(nèi)實測瓦斯壓力為0.2～0.57 MPa，煤層埋深在684～699 m，瓦斯壓力隨著埋深的增加總體呈增大趨勢，但瓦斯壓力梯度變化較大，說明逆斷層疊加控制作用下煤巖介質(zhì)應力分布不均勻，導致局部瓦斯賦存差異性較大，在煤層埋深程度變化不大的情況下，實測瓦斯壓力極差達到0.37 MPa.

由圖4b)可知，W3211工作面外段實測瓦斯壓力為0.20～0.38 MPa，煤層埋深在703～733 m，瓦斯壓力亦隨著埋深的增加總體呈增大趨勢,瓦斯壓力梯度變化較小，瓦斯賦存規(guī)律優(yōu)于“三角區(qū)”，說明單一逆斷層控制區(qū)域地質(zhì)作用小于疊加控制區(qū)域。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，埋深基本相同條件下，“三角區(qū)”實測瓦斯壓力值大于W3211工作面外段實測瓦斯壓力值，其原因在于“三角區(qū)”內(nèi)同時受到F15逆斷層與DF66逆斷層擠壓作用，局部產(chǎn)生較高應力的同時，使圍巖孔裂隙閉合，提高了圍巖封閉性，形成了瓦斯聚集的有利條件，故在局部范圍內(nèi)形成一個高瓦斯區(qū)域，使得局部區(qū)域在埋深較淺情況下，瓦斯壓力仍高于埋深較深的單一逆斷層控制區(qū)域。

圖4 實測瓦斯壓力隨埋深變化的關系曲線圖

2) 頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響。

“三角區(qū)域”內(nèi)32煤層同時受到DF66逆斷層上盤和F15逆斷層下盤的擠壓作用，煤層頂板上方除常規(guī)頂板賦存外，還覆蓋有斷層上盤的推覆體(即32煤層的底板)。32煤層直接底為厚度0.05～0.90 m的泥巖、炭質(zhì)泥巖，基本底為厚度0.58～11.52 m的泥巖，底板巖層整體透氣性較差，再加上該區(qū)域構(gòu)造應力較集中，更不利于瓦斯的逸散，對瓦斯的保存提供了有利條件，故該區(qū)域相同標高處實測瓦斯壓力則略高于測試區(qū)域北部。

W3211工作面外段32煤層位于DF66逆斷層(落差0～40 m)的上盤(即上升盤)，32煤層偽頂為平均0.51 m的泥巖、炭質(zhì)泥巖，直接頂為平均15.50 m的泥巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、31煤及薄層細砂巖、中砂巖，基本頂為平均6.1 m的粗砂巖、中砂巖、細砂巖及厚層粉砂巖，頂板巖層整體透氣性較好。因此，雖然該區(qū)域32煤層受到一定的擠壓作用，但基本不影響瓦斯的正常逸散。

3 結(jié) 論

1) 逆斷層疊加控制區(qū)域(三角區(qū)域)在產(chǎn)生較高地應力的同時，提高了圍巖的封閉性，進而形成了煤與瓦斯突出發(fā)生的優(yōu)勢區(qū)。

2) 疊加控制區(qū)域內(nèi)與單一斷層控制區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力隨著埋深的增加總體均呈增大趨勢，在標高(埋深)基本相同條件下疊加控制區(qū)域內(nèi)實測瓦斯壓力值大于單一斷層控制區(qū)域，兩者實測瓦斯壓力值相差0.37 MPa.

3) 逆斷層的相互疊加作用改變了煤層頂?shù)装宓耐笟庑裕瑒?chuàng)造了瓦斯聚集的有利條件，在局部形成高瓦斯聚集區(qū)。