斷層封閉能力評價及其對煤層瓦斯賦存的影響

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0021-09

Abstract：Inordertostudythesealingabilityoffaultstocoalseamgasanddeeplyunderstandtherelationshipbetween faultsandcoal seamgasstorage，onthe basisofsummarizing the faultsealing mechanismproposedbypredecesors，a quantitativeevaluationmethodoffaultsealingabilityisproposedfromtheperspectivesofinteralstructureoffaultzoneand stressstateof section.Basedonengineering examples，theinfluenceoffaultsealingabilityongasocurrenceincoalmining faceisanalyzed.Theresearchshowsthatthefaultsealinghasacontrollingefectonthestorageandmigrationofcoal seam gas.Thegasemissonincreasedsignificantlyduringtheroadwayexcavationthroughtheclosedfault，andthegasemissionduring theopenfaultwassignificantlylowerthanthenormallevel.Thestudyoffaultsealingcapacityisofgreatsignificancefordeply understandingtheoccurenceandmigrationlawsofcoal seamgasandrefinedgasmanagementinfaultareas，andreducing the frequency of gas dynamic disasters.

Keywords：faultsealingablit;evaluationmethod;coalseamgasoccurrencelaw;gasdisasterpreventionandcontrol;faultstre

斷層是煤礦采掘工作面揭露過程中最常見的地質構造之一。受構造應力作用，斷層兩盤煤巖體發生相對位移，破壞了煤巖層結構的連續性。煤層作為瓦斯生成及賦存的主要場所，煤層中的斷層對瓦斯的賦存及運移具有重要的影響作用。實踐表明，當煤層中的斷層封閉能力好時，斷層對煤層瓦斯起阻礙作用，反之，當斷層封閉能力差時，斷層成為瓦斯運移的優勢通道。科學準確地評價斷層的封閉能力對于深刻把握斷層區煤層瓦斯賦存規律，防范化解瓦斯事故具有重要的指導意義。

斷層封閉性的提出始自20世紀60年代初期2，此后眾多學者對此進行了深入研究，并在油氣的勘探與開發領域開展了大量的工程實踐。呂延防等3-5研究認為斷層帶巖石壓實作用及成巖時間是影響斷層封閉能力的主要因素之一。童亨茂在構造應力與流體力學相結合的基礎上，提出了封閉系數的概念，肯定了地層中流體壓力對斷層封閉性的影響。趙密福等研究表明，斷層兩盤對接巖層的流體滲透性差異對斷層封閉能力具有重要的控制作用。付曉飛等[8、陳偉等從斷裂帶的內部結構出發評價斷層的封閉能力。根據前人的研究成果，影響斷層封閉能力的因素眾多，主要包括地層流體壓力、構造應力、兩盤巖石物性、泥巖涂抹、斷裂帶物理性質、斷裂帶充填物膠結成巖作用和斷層賦存狀態等[6，10-13]，在生產實踐中主要通過計算斷層封閉系數斷層巖排替壓力[12]、斷層泥質含量[14-15]、斷層連通概率[16-17等對斷層封閉能力做定量或者半定量的評價分析以上的斷層封閉能力評價方法，研究主要是針對常規油氣領域，而煤礦采掘活動中的斷層對瓦斯的封閉能力分析以及斷層封閉能力對煤層瓦斯賦存影響的研究較少。因此，建立符合生產實際的斷層封閉性定量評價方法，深入認識斷層區瓦斯賦存及運移規律，對斷層區瓦斯的精細化管理，降低瓦斯動力災害的發生頻率具有重要意義。筆者借鑒前人的研究成果，總結分析斷層封閉機理，提出一種斷層封閉煤層瓦斯的評價方法，并結合工程實例探討了采煤工作面斷層封閉性對瓦斯賦存的影響。

1斷層封閉機理

1.1 斷層結構分析

根據野外實際揭露的斷層結構，斷層不只是一個簡單的二維斷層平面，而由復雜三維結構體組成的斷裂帶。從斷裂帶中心向遠離斷層方向觀察，可以看到斷裂帶包括破碎帶和誘導裂隙帶，之后逐漸過渡到原巖，如圖1所示。破碎帶直接承受了斷層形成期間，兩盤巖層相對位移過程中產生的巨大剪切、切削、研磨作用，宏觀上主要以糜棱巖、角礫巖的形式存在。誘導裂隙帶受到破碎帶應力傳遞作用，產生大量的裂隙，宏觀上結構較為完整，通常為碎裂形式的原巖，滲透性較好，容易形成流體運移的通道8。然而，受斷層活動強度以及斷層兩盤巖性差異的影響，斷層破碎帶和誘導裂隙帶發育的尺度不同，根據優勢發育結構，可將斷裂帶劃分為一元型、二元型以及三元型[8]。如圖2所示[18]。誘導裂隙帶一元型常見于脆性地層發育初期，斷距較小，斷層兩盤以脆性斷裂滑移為主。破碎帶一元型常見于塑性、半塑性地層，斷層兩盤巖石強度較低，兩盤拖曳作用明顯，誘導裂隙帶不發育或者發育較小。二元型和三元型常見于脆性斷層發育成熟期，常見于較大的斷裂帶。

1.2 斷層封閉機理

以煤層中的瓦斯為研究對象，斷層的封閉能力即指斷層對瓦斯的阻滯能力。根據瓦斯運移方向，可將斷層封閉能力分為側向封閉及垂向封閉。側向封閉即阻滯瓦斯從上盤或者下盤的煤層向同一標高的對側巖層的流動；垂向封閉即阻滯煤層瓦斯通過斷裂帶向垂向不同標高巖層的流動。

1.2.1 側向封閉機理

當斷層為誘導裂隙帶一元型時，由于誘導裂隙帶通常滲透性較好，斷層側向封閉能力主要與斷層兩盤巖層的對接關系有關，如圖3所示，當與煤層對接的為滲透性差的巖層時，斷層側向封閉；當與斷層對接的為滲透性好的巖層時，斷層側向開啟，煤層瓦斯向對接盤運移。當斷層為破碎帶一元型或者發育有斷層破碎帶的二元型、三元型時，斷層側向封閉能力與斷裂帶的排替壓力有關。排替壓力指瓦斯氣體通過斷裂帶運移的最小壓力，當煤層瓦斯壓力大于斷裂帶排替壓力時，斷層側向開放，反之斷層側向封閉，如圖4所示。

1.2.2 垂向封閉機理

斷層垂向封閉能力與斷裂帶垂向排替壓力有關，斷裂帶垂向排替壓力受斷裂帶應力、膠結充填等因素影響。當斷層為壓性斷層時，斷層滑動破碎帶在擠壓作用下伴生裂隙緊密閉合，此時斷層垂向封閉能力受到誘導裂隙帶控制，當誘導裂隙帶未被壓實、充填或者膠結時，誘導裂隙帶滲透性好，成為瓦斯運移的通道，反之，當誘導裂隙長期靜止時，受到壓實作用和膠結成巖作用，誘導裂隙帶垂向排替壓力逐漸增大，斷層垂向封閉能力也逐漸增強，如圖5所示。

2 斷層封閉性評價方法

根據前文可知，斷層封閉能力評價的本質因素在于判斷煤層與斷裂帶巖石的排替壓力大小[19]。而斷裂帶的排替壓力主要與斷裂帶結構以及斷層的受力狀態有關。因此從斷裂帶內部結構與斷面受力狀態2個角度出發，可以較為全面地對工作面斷層的封閉能力進行綜合評價。具體評價過程如圖6所示。

2.1斷裂帶結構封閉參數計算

2.1.1 對接封閉分析

根據上述分析，當斷裂帶較薄且斷裂帶內部結構對斷層封閉性影響可以忽略不計時，斷層的封閉能力主要取決于側向封閉能力，而側向封閉能力受煤層對接盤的巖層性質控制。當煤層對接盤巖層為滲透率低、排替壓力高的巖層時，瓦斯橫向運移受阻，具有良好的側向封閉性；當煤層對接盤巖層為滲透率高、排替壓力低的巖層時，斷層不具有封閉性。目前分析斷層兩盤對接關系的方法主要是通過繪制“AIlan斷面圖”來較為直觀地表示斷層兩盤的巖層對接情況，進而根據不同巖性的排替壓力來判斷斷層封閉能力[20]。對于煤礦采掘工作面揭露的較小斷層，如圖7所示，在走向和傾向上沒有較大變化，使用煤層對接系數 κ 來定量描述斷層兩盤煤層對接封閉程度。

式中： H 為斷層附近煤層厚度， m;D 為斷層斷距， m 0

當 κgt;0 時，其值越小，斷層側向封閉性越好。 κlt;0 時，煤層被完全斷開，此時應結合煤層兩盤對接巖石的滲透率與排替壓力來評價其側向封閉能力。

2.1.2 斷層泥質含量計算

斷層活動過程中，斷層兩盤切削、拖曳軟塑性泥巖，在破碎帶形成一個具有一定長度和厚度的泥巖隔層，并在擠壓應力及巖層重力作用下，泥質顆粒侵入周圍的砂質顆粒中，在斷層非活化期間，泥巖隔層發生動力變質及重結晶作用，滲透性降低，顯著增加斷層側向封閉能力[2]。斷層泥比SGR是描述斷層泥質體積分數的物理量，常用于表征斷層封閉能力，SGR值越大，說明斷層泥質含量越高，斷層封閉能力越好[19.22]

式中： SGR 為斷層泥巖比率， %?Z_i 為第 χ_i 個斷開地層的厚度， m;R_i 為第 i 個斷開地層內泥巖含量， %;T 為斷層斷距， m 。

2.1.3 誘導裂隙帶封閉性分析

當斷裂帶所受載荷不能使誘導裂隙閉合而形成封閉時，誘導裂隙帶的封閉主要來自成巖膠結作用。地下流體在運移過程中由于溫、壓條件改變，所攜帶的大量成巖物質發生過飽和沉淀，黏結于各種孔縫中，之后經成巖作用，充填物與斷層巖再度固結成巖形成封閉。當誘導裂隙帶位于二氧化硅和碳酸鈣沉淀區時，誘導裂隙帶巖石鏡質體含量增多，可通過測試斷層附近巖石鏡質體反射率值的大小來判斷斷層封閉能力[23]。

2.1.4地下水動力條件

水動力條件對煤層瓦斯的保存具有重要的控制作用。瓦斯的水溶作用使得煤層瓦斯隨著地下水的運移而散失[24]。水動力較弱的地區或者滯流區對煤層瓦斯的保存有利，水動力較強的地區或者徑流區對煤層瓦斯的保存具有破壞作用2。對于開放性斷層，當其位于地下水補給區時，地下水通過斷層向斷層兩盤的煤層或者含水層流動，水流方向與瓦斯散失方向相反，對瓦斯運移起阻礙作用；當開放性斷層位于地下水排泄區時，地下水向斷層開放方向流動，瓦斯易隨水流散失[26]。

2.2 斷層面應力封閉參數計算

2.2.1 斷層面受力分析

斷層面所承受的應力是斷層面封閉性評價的關鍵參數，為此我們建立如圖8所示的直角坐標系。假定 P 為斷層面上任一點，平面 ABC 為平行于斷層面的任一平面，平面 PAB，PBC，PAC 分別平行于坐標軸 xy 平面 平面 ?yz 平面。當平面 ABC 無限接近 P 點時，平面 ABC 上的正應力 σ_N 和切應力 τ_N 即為斷層面上的應力。為方便分析，令 x 軸 ?y 軸 ?z 軸分別與最大水平主應力 σ₂ 最小水平主應力 σ₃ 、垂直主應力 σ₁ 平行。 N 為平面 ABC 的外法線，與 x 軸 ?^y 軸 ?z 軸夾角分別為 α β_?γ 。

三角形 ABC 上的全應力 q 在坐標軸方向的分量用 表示。根據四面體的平衡條件得

設斜面ABC上得正應力為 σ_N ，則由投影可得

從而有

垂直主應力 σ₁ 主要與埋深有關

式中： u 為巖石容重， N/m³;ρ 為上覆地層平均密度，kg/m³;H 為地層埋深， m;g 為重力加速度， 9.8m/s² 。

考慮到巖石為有空隙的多孔介質，流體存在于孔 隙中對巖石產生孔隙壓力 p 。水平主應力可由水平構 造應力（ σ_x 和 σ_y ）垂向應力的水平分量 σ_h 和孔隙壓 力 p 相加求取[27]。

式中： σ_h 為垂直主應力的水平分量， MPa;σ_x，σ_y 分別 為構造應力沿 x，y 軸方向的分力， MPa;μ 為巖石的泊 松比； δ 為Biot系數； σ_h 可由下式求得

式中： n 為 p 與抗壓強度 σ_n 的比值[28]，為常數。

此外斷層面傾角 θ 、斷面走向與最大水平主應力所夾銳角 ω 之間的關系如下

結合工程中的地應力測試數據與斷層地測資料，將式（6）—式（9）帶入式（4）一（5）則可求得斷層面的正應力與切應力。

2.2.2 斷層緊閉系數 I_b

當斷層巖被壓實時，斷層緊閉形成垂向封閉。斷層緊閉系數 I_b 是衡量斷層巖被壓實程度的物理量，在數值上表示為斷層面有效應力于斷裂帶巖石抗壓強度的比值。

式中： p 為流體壓力， MPa 。 σ_c 為斷層巖抗壓強度，MPa ，可由下式求得[29]

σ_c=SGR?σ_CM+（1-SGR）σ_CS，

式中： σ_CM 為泥巖抗壓強度， MPa;σ_CS 為煤的抗壓強度，MPa 。

為方便表述，取斷層正應力 σ_N 壓為正拉為負。當I_blt;0 時，分有2種情況：一是斷層面受張拉應力（ （σlt;0） 0時，斷層開啟；二是斷層面受到一定的壓應力 （σgt;0） ！但壓應力小于流體壓力 （σb?1 時，斷層面有效應力小于斷裂帶巖石的抗壓強度，斷裂帶巖石不能被壓實，斷層的封閉能力較差。當 I_bgt;1 時，斷層面有效用力大于斷裂帶巖石的抗壓強度，斷裂帶巖石被壓實，斷層處于封閉狀態，同 I_b 時值越大，說明斷層封閉能力越好。

2.2.3 斷層剪切系數 I_c

在油氣領域，斷層切應力對封閉性的研究很少提及，或者認為切應力與封閉性沒有直接關系[3。然而與油氣開采不同，煤層地下開采過程中采掘活動勢必會對斷層造成擾動，采動應力疊加引起斷層面正應力與切應力的變化。當擾動達到一定強度時，斷層滑移失穩[31-32]，斷層巖物性發生變化，斷層封閉性可能發生改變，使得斷層兩盤煤層瓦斯賦存及運移規律受到影響也隨之改變。因此，引入斷層剪切系數 I_c 來評價斷層穩定性對封閉性的影響。斷層剪切系數 I_c 定義為斷層面所受剪應力與斷層帶抗剪強度的比值，即

式中： τ_c 為斷層帶巖石抗剪強度， MPa 。根據庫倫摩擦 準則，任一弱面極限剪切強度 τ_c 可由下式求得

τ_c=tanφ（σ-p）+c

式中： φ 為斷層內摩擦角， c 為斷層黏結力， MPa 。

當 I_c?1 時，僅有錯動的趨勢，不發生滑移，斷裂帶充填物的物性不發生顯著改變，對于封閉性的影響可以忽略。當 I_cgt;1 且斷面承受拉應力（ （σlt;0） 時，斷層兩盤發生張拉型剪切錯動，斷裂充填物原有的裂隙在張拉作用下進一步擴展并產生新的裂隙，斷層封閉程度降低。當 I_cgt;1 且斷面承受壓應力 （σgt;0） 時，斷層發生擠壓型滑移失穩，斷裂充填物受到擠壓剪切發生破壞、粉化和流變，摩擦系數減小，滲透率降低，斷層封閉程度增強。需要引起重視的是擠壓剪切作用使得斷層附近的構造煤進一步發育，煤體強度降低，瓦斯吸附能力增強，所需破壞功減小，斷層滑移失穩又使得煤體彈性能增加，當斷層封閉性較好時，斷層附近積累有較高的瓦斯內能，當二者疊加的能量大于煤與瓦斯突出的啟動能量時，斷層成為煤與瓦斯突出發生的通道。

3 實例分析

斷層附近瓦斯的賦存與斷層的封閉能力密切相關。以平煤六礦戊9-1032020工作面為例。32020工作面位于位于三水平戊二上山采區的西翼，西側為鍋底山斷層。工作面內地質構造簡單，為一向北西緩傾斜的單斜構造，煤層厚度變化較為穩定，煤層平均傾角為 8^° 。受西側鍋底山斷層的影響，工作面內小斷層發育。根據掘進工作面揭露情況，巷道共揭露小斷層17個，其中大于lm 的小斷層9個，且皆為正斷層，分布情況如圖9所示。

3.1 斷層形成及演化

平煤六礦井田位于李口向斜西南翼，鍋底山正斷層的北東盤。鍋底山斷層為礦井主干構造，控制著礦井瓦斯的賦存分布。鍋底山斷層的形成主要經歷兩次構造運動。四川運動期間，位于后陸區的秦嶺造山帶北緣邊界斷裂豫西浥池-義馬-宜陽-魯山-平頂山-舞陽區段，發生了由南向北指向造山帶外側的逆沖推覆構造[33]。平頂山礦區受來自南西側強大擠推力作用，發生大規模褶皺斷裂活動，形成了鍋底山斷裂等一系列NW-NWW向構造。此時的鍋底山斷裂是一個由SW向NW逆沖的壓扭性斷裂。華北運動期間，受NWW-

SEE向近水平擠壓作用和NNE-SSW向的水平伸展作用影響，鍋底山斷層反轉為正斷層34]。鍋底山斷層經歷多期構造活動，并受其影響，井田整體表現為北東傾斜的單斜構造，井田內部構造簡單，僅發育一條小型褶曲，斷層以小型正斷層為主，大中型斷裂稀少，且主要分布在礦井東南部。

3.2 斷層封閉性分析

由圖9可知，該工作面斷層皆為斷距小于 3m 的小斷層，工作面內斷層活動強度弱。根據煤層頂底板巖層巖性，見表1，斷層斷移地層為塑性-半塑性地層，誘導裂隙帶不發育。結合井下小斷層揭露情況確定斷層斷裂帶結構類型為一元型（滑動破碎帶型）。其封閉性可以依據斷層兩盤巖層對接關系，斷層泥比和斷層緊閉程度綜合分析。

1）巖性對接封閉分析。由于煤層厚度與斷層斷距相差較小，且煤層頂底板為具有較高排替壓力的砂質泥巖，采用煤層對接系數 κ 來定量描述斷層兩盤煤層對接封閉程度。

2）泥巖含量分析。綜合考慮斷層兩盤錯開的泥巖厚度和砂巖所含泥質體積分數，采用斷層泥比法（式2）可以求取斷層的泥質體積分數。

3）斷層緊閉系數分析。根據32020風巷圍巖應力測試報告，工作面內現今地應力測量結果見表2。

將表2數據帶入式（10）—式（13）計算得到斷層緊閉系數與剪切系數。

斷層封閉性定量評價參數計算結果匯總見表3。

4）地下水動力條件。工作面煤層頂板以砂質泥巖為主，局部為細粒砂巖，厚 5～13m ，局部地段裂隙發育，裂隙連通性較差，含水性較弱，無補給水源。煤層底板距細粒砂巖處為 4.8～10.3m ，砂巖厚度為 5.2～

10.3m ，裂隙總體上不發育，連通性差，含水性較弱，以凈儲量為主，無外來補給水源。掘進期間揭露斷層時也未發現導水現象。地下水動力條件評價為弱，對斷層封閉性影響不大。

3.3 斷層封閉能力與煤層瓦斯賦存的關系

巷道掘進期間的絕對瓦斯涌出量是衡量工作面瓦斯賦存情況的關鍵指標。通過分析工作面巷道掘進揭露斷層期間巷道絕對瓦斯涌出量的變化規律，結合上述斷層封閉能力評價結果，研究斷層封閉能力對煤層瓦斯賦存的影響。圖10—圖13繪制了32020工作面機巷、中間巷、風巷和切眼在掘進通過斷層時的巷道絕對瓦斯涌出量。

1）32020風巷掘進期間，掘進工作面絕對瓦斯涌出量如圖10所示。正常掘進過程中，絕對瓦斯涌出量在 2.6m³/min 左右波動，穿過F7斷層（累計掘進 1203～ 1263m ）與斷層F4（累計掘進 1522～1582m 期間，絕對瓦斯涌出量明顯減小，平均值僅為 1.9m³/min ，穿過斷層之后又逐漸恢復到正常水平。說明F4與F7為開放性斷層。根據表3計算結果，F4與F7斷層對接系數值較大，泥質體積分數較小，導致斷層側向封閉能力差，同時其緊閉系數 I_blt;1 ，斷面所受正應力不能使滑動破碎帶伴生裂隙閉合，斷層影響范圍內的煤層瓦斯從斷層面逸散，瓦斯含量降低。

2）32020中間巷掘進期間，掘進工作面絕對瓦斯涌出量如圖11所示。正常掘進過程中，絕對瓦斯涌出量較為穩定，平均值為 1.7m³/min ，穿過F6斷層（累計掘進 1233～1293m ）與斷層F5（累計掘進 1507～1537m ）期間，絕對瓦斯涌出量相對減小，在 1.3m³/min 左右，穿過斷層之后又逐漸恢復到正常水平。說明F5與F6斷層封閉性較差，距離斷層 50～100m 內為低瓦斯區。

3）32020機巷掘進期間，掘進工作面絕對瓦斯涌出量如圖12所示。正常掘進過程中，絕對瓦斯涌出量較為穩定，平均值為 1.7m³/min ，但累計掘進到997～1 047m 揭露F8斷層期間，絕對瓦斯涌出量達到2.4m³/min ，穿過斷層后又逐漸減少至正常波動范圍。說明F8斷層封閉性較好。根據前文計算結果，斷層緊閉系數 I_bgt;1 ，斷面所受應力使得伴生裂隙閉合，阻礙煤層瓦斯運移，造成斷層帶附近瓦斯富集。

4）32020切眼掘進期間，掘進工作面絕對瓦斯涌出量如圖13所示。正常掘進過程中，絕對瓦斯涌出量在 1.5m³/min 左右波動，累計掘進到 65～85m 揭露F3斷層期間，絕對瓦斯涌出量達到 1.9m³/min ，穿過斷層后又逐漸減少至正常波動范圍。根據表3可知，F3斷層對接系數小，斷層兩盤巖性阻止瓦斯橫向運移。同時斷層走向與最大水平主應力方向近于垂直，為壓性斷層面逸散。因此，F3斷層具有良好得封閉性。斷層，斷層緊閉系數 I_bgt;1 ，伴生裂隙閉合，阻礙瓦斯從

4結論

1）斷層對瓦斯的封閉性主要與斷裂帶內部結構與斷面受力狀態有關。根據斷裂帶的不同結構類型，選擇恰當的定量評價參數可以較為全面地表征斷層的封閉性。

2）原巖應力狀態下呈封閉狀態的斷層在采動擾動影響下斷層面應力狀態發生改變，可能使得斷層由封閉轉為開啟，若此時斷層附近煤體積累的彈性能與瓦斯內能剛好滿足煤與瓦斯突出啟動條件，斷層成為煤與瓦斯突出的導流通道。

3）斷層封閉性對煤層瓦斯的賦存及運移具有控制作用。封閉性斷層阻礙煤層瓦斯的運移，斷層附近具有更高的瓦斯涌出量；開放性斷層有利于瓦斯的運移，斷層附近瓦斯涌出量降低。

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