長平井田斷層對3號煤層瓦斯賦存影響效應

栗海滔

(山西長平煤業有限責任公司,山西 晉城 048000)

瓦斯是地質作用的產物,是生于煤層、儲存于煤層或圍巖中的氣體地質體[1],它的生成條件、運移規律、賦存和分布規律都受著極其復雜的地質作用控制,存在著瓦斯地質規律[2]。國內外研究表明,煤層瓦斯賦存主要受構造控制,斷層有利于瓦斯放散[3-6],但由于斷層兩盤形成一定厚度的構造煤并有應力集中,因此又常常是容易發生瓦斯事故的構造部位等[7-9]。瓦斯分布是不均衡的,具有分區分帶的特點,其分區分帶性與地質因素有密切關系[10-16]。但由于對瓦斯賦存機理研究不深,以致找不到治本的技術措施,災害得不到有效根治。

山西長平煤礦瓦斯地質條件復雜,斷層數量多,分布區域廣,斷層兩盤瓦斯含量高、壓力大,嚴重威脅著礦井的安全生產。在煤礦當前高產高效高安全保障系統中,煤層瓦斯賦存是生產中的重大安全隱患,所以準確掌握瓦斯地質規律,對保證安全高效開采具有重要意義。

本文以瓦斯地質理論為指導,以煤層瓦斯賦存規律研究、煤層瓦斯參數測試為基礎,采用現場跟蹤測試考察和理論分析相結合的方式,研究長平井田內斷層對3號煤層瓦斯賦存的影響效應,測試瓦斯含量、煤的堅固性系數、瓦斯放散初速度等瓦斯參數,確定斷層瓦斯防治重點。

1 礦井概況

山西長平煤礦位于太行山西緣南段,沁水煤盆地之東緣。山西組地層煤層總厚度平均6.76 m,可采煤層平均總厚度6.41 m,原組地層煤層平均總厚度8.03 m,可采煤層平均總厚度5.40 m,生產能力500 Mt/a。礦井生產中共揭露斷層169條,其中絕大多數為正斷層,正斷層163條,占96.5%,逆斷層6條,占3.5%。斷層走向主要呈SN、NNE等,其他方向也有發育;斷層傾向以SEE和E為主,其他方向次之,反映了礦井斷層具有反傾向特點;斷層傾角大,大部分在40°以上,一般在70°,屬于高角度正斷層。生產揭露的斷層落差絕大多數集中在5 m以下,少部分在5～10 m,大于10 m的大斷層較少。礦井構造綱要如圖1所示。

2 斷層對瓦斯賦存影響效應

2.1 斷層的形成及性質

長平礦區的構造演化主要受燕山期運動控制,長平礦區的斷裂構造主要受燕山晚期—喜山期的影響,主壓應力方向為北東—南西向,礦區內呈近SN向、NNE向的斷層受擠壓作用容易形成封閉性斷層,有利于瓦斯賦存。近東西向斷層在燕山早期易形成開放性斷層,有利于瓦斯釋放;在燕山中晚期時,主應力方向改為北西西—南東東方向,后又為北東—南西向,張拉力變為壓扭力,形成封閉性斷層,不利于瓦斯逸散。

在不受瓦斯抽采及采掘生產影響下,共選擇2條斷層,編號為SF250、SF353。其中,SF250正斷層落差1.3 m,產狀0°∠45°;SF353正斷層落差1.9 m,產狀180°∠55°。2條典型斷層走向均為NNE,傾向均為E。

2.2 斷層對瓦斯含量賦存影響效應

通過對斷層兩盤布置測點,測量斷層周圍瓦斯含量,測點布置如圖2所示。SF250/SF353斷層兩盤實測瓦斯含量分布散點如圖3所示。根據測量結果,SF250斷層上盤平均瓦斯含量為5.41 m3/t,下盤平均瓦斯含量為9.75 m3/t,上盤平均瓦斯含量比下盤低4.34 m3/t;SF353斷層上盤平均瓦斯含量為6.97 m3/t,下盤平均瓦斯含量為9.47 m3/t,上盤平均瓦斯含量比下盤低2.50 m3/t。分析對比可知,斷層兩盤瓦斯含量有較大差異,斷層下盤瓦斯含量明顯大于上盤;隨著距斷層距離增大,瓦斯含量具有先減小后逐漸增大的特點,近斷層面區域瓦斯含量小于正常值。其影響范圍在7 m之內;斷層兩盤的影響范圍為15～30 m,其中,前者代表斷層上盤的影響范圍,后者代表下盤的影響范圍。

圖2 斷層兩盤鉆孔及采樣點布置示意Fig.2 Schematic diagram of drilling and sampling point arrangement in two plates of fault

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

在斷層形成過程中,斷面周圍呈現張性破壞,使得巖層裂隙增大,透氣性增加,煤層中瓦斯得到逸散。但斷層形成后,斷層面在凈巖壓力和構造應力作用下逐漸趨于閉合,構造巖被凈巖壓力和構造應力所壓實,透氣性變低,近斷層兩盤區域瓦斯逸散被抑制,逐漸達到新的平衡。

2.3 斷層對瓦斯放散初速度及煤的堅固性系數影響

根據測量結果,SF250斷層上盤平均煤的堅固性系數為0.63,下盤平均煤的堅固性系數為0.74,上盤平均煤的堅固性系數比下盤低0.11;SF353斷層上盤平均煤的堅固性系數為0.66,下盤平均煤的堅固性系數為0.81,上盤平均煤的堅固性系數比下盤低0.15。

SF250、SF353斷層上下盤煤的堅固性系數如圖4所示。SF250斷層上盤平均瓦斯放散初速度為16.8,下盤平均瓦斯放散初速度為16.2,上盤平均瓦斯放散初速度比下盤高0.6;SF353斷層上盤平均瓦斯放散初速度為17.6,下盤平均瓦斯放散初速度為15.2,上盤平均瓦斯放散初速度比下盤高2.4。

圖4 SF250、SF353斷層上下盤煤的堅固性系數Fig.4 Firmness coefficient of footwall coal in SF250 、SF353 fault

SF250、SF353斷層上下盤煤的瓦斯放散初速度如圖5所示。

圖5 SF250/SF353斷層上下盤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

分析對比可知,斷層上盤煤的堅固性系數普遍小于下盤,瓦斯放散初速度普遍大于下盤。理論上,距斷層面越近,煤的堅固性系數越小,瓦斯放散初速度越大,但實際上變化很小,幾乎可以忽略不計,僅在斷層面處有數厘米厚的構造煤,可以認為屬于構造巖的范疇。綜合分析,影響范圍在3 m以內。

2.4 斷層對煤的透氣性系數及瓦斯衰減系數影響

煤層透氣性是評價煤層瓦斯流動難易程度的指標,對于礦井開采保護層和預抽煤層瓦斯、評價煤層卸壓程度、分析井下各處瓦斯流動和涌出規律等都有一定的指導意義。影響煤層透氣性的因素主要包括構造、埋深、煤體結構等,研究分析煤層透氣性的控制因素對于評價井下煤層瓦斯抽放具有重要意義。

SF353斷層兩盤煤層透氣性系數及瓦斯流量衰減系數見表1。測試結果表明,斷層兩盤煤層透氣性系數大于不受斷層影響區域,其中,近斷層區域煤層透氣性系數平均為0.261 6 m2/(MPa2·d),不受斷層影響區域煤層透氣性系數0.027 7 m2/(MPa2·d)。

表1 SF353斷層兩盤煤層透氣性系數及瓦斯流量衰減系數Tab.1 Permeability coefficient and gas flow attenuation coefficient of two coal seams in SF353 fault

綜上分析可知,遠離斷層面煤層透氣性系數呈現先增大后減小的趨勢,據此可推斷上盤的影響范圍在20 m以內;瓦斯流量衰減系數與趨勢值基本一致,斷層對煤層透氣性影響不大;斷層上盤距斷層面9 m左右,衰減系數明顯增大,說明該處為斷層的應力集中部位。SF353斷層上盤煤層透氣性系數、瓦斯流量衰減系數如圖6所示。

圖6 SF353正斷層上盤煤層透氣性系數及鉆孔瓦斯流量衰減系數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 斷層兩盤瓦斯地質特征分析

結合長平礦區斷層演化及實測數據,對斷層兩盤瓦斯地質特征進行分析。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,也有利于瓦斯逸散,因而上盤瓦斯含量總是小于下盤;而受力作用越大,煤體結構破壞越嚴重,因而上盤煤體結構破壞也越嚴重。故現場實測的SF250、SF353斷層瓦斯賦存規律表現為下盤瓦斯含量大于上盤,下盤的堅固性系數大于上盤。

大量研究表明,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,在地應力集中區域煤層透氣性降低,而在卸壓區煤層透氣性增加。SF353斷層具體規律表現為:隨著至斷層面距離增大煤層透氣性系數呈先增大后減小的趨勢。生產揭露的SF353斷層規模較小,僅能溝通一定范圍的透氣性巖層,因此影響范圍較小。

3 斷層對瓦斯賦存影響效應

瓦斯異常涌出是斷層兩盤應力不均導致,應力增高區域煤層破化較為嚴重,破壞后煤體被重新壓實,煤層透氣性差,抑制瓦斯逸散,瓦斯含量增大;應力較小區域煤層破壞程度一般,煤層透氣性增大,促進瓦斯逸散,瓦斯含量降低。綜合考慮瓦斯含量、煤的堅固性系數、煤層透氣性系數等參數,將斷層兩盤劃分為3個區域。

距斷層面一定范圍內大體上可再劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個帶,如圖7所示。

圖7 煤層斷層的形成與瓦斯逸散演化示意Fig.7 Schematic diagram of formation of coal seam faults and evolution of gas escape

Ⅰ帶:近斷層面1～3 m區域,煤層應力較大,煤層破壞嚴重,瓦斯逸散被抑制,瓦斯含量較大,有利于瓦斯異常涌出;由于瓦斯異常涌出需要提供大量能量,此區域能量較小,此區域可能會發生小型瓦斯異常涌出。

Ⅱ帶:距斷層面3～15 m區域,煤體受斷層影響較小,煤層應力變化較大,瓦斯含量變化較大,但總體瓦斯含量較小,此區域不利于瓦斯異常涌出。

Ⅲ帶:距斷層面15～25 m區域,煤體受斷層影響較小,為煤層應力增高區域,煤層透氣性差,瓦斯逸散被抑制,瓦斯含量大,且能提供較大能量,此區域較易發生中型瓦斯異常涌出。

綜上所述,距小斷層15～25 m,此區域為煤層應力增高區域,煤層透氣性差,瓦斯含量較大,瓦斯突出能較大,發生瓦斯異常涌出危險性最大,是生產中消突的重點。

4 斷層兩盤防突措施

礦井區域防突措施較少考慮小斷層區域,需要根據斷層兩盤煤層瓦斯突出區域劃分,對專項區域進行專項預防,主要措施應重點考慮以下問題。

(1)地質勘探和預測。在礦井設計和開采前,應進行詳細的地質勘探和斷層預測工作,識別出可能存在斷層的區域,并預測斷層的活動性和瓦斯賦存情況,制定相應的預防和控制措施。

(2)斷層區域開采管理。對于已知存在斷層的礦井,需要采取一系列的管理措施。例如,選擇合適的開采方法和支護方式,減少斷層的破壞和活動。同時,加強斷層區域的瓦斯抽采和通風系統,及時排出斷層區域的瓦斯,降低瓦斯積聚的可能性。

(3)斷層水封措施。對于已知活動的斷層,可以采用斷層水封的方法來減少斷層活動對瓦斯突出的影響。通過注入適當的密封材料或進行巖層注水,封堵斷層裂隙,阻止瓦斯在斷層帶中的運移和積聚。

(4)定期監測和預警。對于存在斷層的礦井,需要進行定期的斷層活動監測和瓦斯監測,及時發現異常情況。建立預警機制,當斷層活動或者瓦斯濃度超過安全閾值時,及時采取措施進行應急處理和疏散。

(5)培訓和安全意識提高。加強礦工的安全培訓,提高他們對斷層兩盤瓦斯突出危險性的認識,掌握相應的防范知識和技能。加強安全意識,遵守安全操作規程,確保在礦井生產過程中能夠及時發現并報告異常情況。

5 結論

(1)斷層兩盤瓦斯含量有較大差異,斷層下盤瓦斯含量明顯大于上盤;隨著距斷層距離增大,瓦斯含量具有先減小后逐漸增大的特點,近斷層面區域瓦斯含量小于正常值。斷層兩盤影響范圍為15～30 m。

(2)斷層上盤煤的堅固性系數普遍略小于下盤,距斷層面越近,煤的堅固性系數越小;相反,瓦斯放散初速度是增大的,影響范圍在3 m以內。

(3)斷層上盤遠離斷層面煤層透氣性系數呈先增大后減小的趨勢,影響范圍在20 m以內。斷層兩盤15～25 m區域發生瓦斯異常涌出的危險性最大,是生產中瓦斯防治的重點。