車集煤礦大中型主控正斷層與瓦斯賦存關系研究

姚春雨

(永城永安礦山安全技術工程有限公司，河南 永城 476600)

斷裂構造對瓦斯賦存的影響是多方面的，對煤體結構、瓦斯封閉條件、煤巖顯微特征以及煤的滲透率均有不同程度的影響[1-5]。此外，大量生產(chǎn)科研實踐表明，斷裂構造對煤層瓦斯含量影響重大。斷層對瓦斯賦存的影響程度與斷層的性質及規(guī)模有關。從斷層性質與瓦斯賦存的關系來看，壓性斷層(包括逆斷層、發(fā)生反轉的正斷層或壓性走滑斷層)斷層面表現(xiàn)為密閉性，斷層面附近形成構造應力集中帶，加大了瓦斯壓力，煤層吸附瓦斯量增多，煤層瓦斯含量相對增高，同時瓦斯不易通過斷層面運移散失，有利于瓦斯封存[6-10]。車集煤礦主要有近SN向、NNE向和NE向3組斷裂，其中，NNE向為井田內(nèi)大斷裂，而近SN向和NE向主要為小斷層。上述斷裂都經(jīng)過了多次的構造演化及區(qū)域應力場的改變，使得斷層力學性質發(fā)生改變，控制了井田壓扭裂隙延展方向總體為NNE向，對瓦斯釋放不利。本文選取了幾條有代表性的大中型主控正斷層，分析其與附近瓦斯含量的關系，得出瓦斯賦存規(guī)律。

1 F5斷層與瓦斯賦存關系

F5斷層位于井田中深部9線—16線，延展長度3 000 m，走向近南北，傾向西，傾角70°，最大落差35 m，由1028、1228、1306、1427、143鉆孔控制，1527與1528鉆孔間接控制；首采區(qū)地震補充勘探對該斷層也進行了嚴密控制。二水平三維地震勘探有44個斷點對該斷層進行了控制，控制可靠，同時該斷層在26軌道下山、26膠帶下山、2602回風巷均有揭露，實際揭露斷層落差與物探成果相符。該斷層為控制可靠斷層。本文中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為F5斷層附近400 m范圍內(nèi)的實測原始瓦斯含量數(shù)據(jù)，主要集中在標高-750～-820 m。F5斷層兩側400 m內(nèi)瓦斯含量數(shù)據(jù)見表1。

表1 F5斷層兩側400 m內(nèi)瓦斯含量數(shù)據(jù)Tab.1 Gas content data within 400 m on both sides of F5 fault

F5斷層兩側400 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布如圖1所示。

圖1 F5斷層兩側400 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布Fig.1 Distribution of gas content within 400 m on both sides of fault F5

從圖1可以看出，瓦斯含量與距斷層的距離兩者一次線性回歸方程為y=-0.002 5x+3.921 4，復相關系數(shù)R2=0.017 1，復相關系數(shù)很小，兩者幾乎無線性相關關系。分析認為，F(xiàn)5斷層兩側400 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布整體上無明顯隨距斷層的距離增加而增大的趨勢。但從圖1中可以看出，在距F5斷層150 m范圍內(nèi)(不足150 m)瓦斯含量有隨距斷層的距離增加而增大的趨勢，但僅有3組數(shù)據(jù)。筆者將這3組數(shù)據(jù)篩選后，得F5斷層兩側150 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布(圖2)。

圖2 F5斷層兩側150 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布Fig.2 Distribution of gas content within 150 m on both sides of fault F5

從圖2中可以看出，瓦斯含量與距斷層的距離兩者一次線性回歸方程為y=0.021 4x+2.934 7，復相關系數(shù)R2=0.877 9，復相關系數(shù)較高，瓦斯含量有隨距斷層的距離增加而增大的趨勢。但因數(shù)據(jù)少，說服力較弱，需通過對其他斷層分析后進行印證。

2 F2斷層與瓦斯賦存關系

F2斷層位于10線以南的深部邊界斷層，北端到10線附近消失，南端延至區(qū)外，由511、730、813鉆孔控制，627與628鉆孔間接控制，又由首采區(qū)地震補充勘探7條測線控制。27采區(qū)三維地震和二水平三維地震勘探也均對其進行了控制，該斷層走向北北東，傾向南東東，傾角65°～70°，三維地震控制的斷層最大落差為60 m左右，向北逐漸減小。該斷層三維地震控制可靠。本文的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為F2斷層附近500 m范圍內(nèi)的實測原始瓦斯含量數(shù)據(jù)，主要集中在標高-670～-900 m。F2斷層兩側500 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布如圖3所示。

圖3 F2斷層兩側500 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布Fig.3 Distribution of gas content within 500 m on both sides of fault F2

從圖3中可以看出，瓦斯含量與距斷層的距離兩者一次線性關系式為y=0.003 1x+4.476 2，復相關系數(shù)R2=0.008 8，復相關系數(shù)很小，兩者幾乎無線性相關關系。分析認為，F(xiàn)2斷層兩側500 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布整體上無明顯隨距斷層的距離增加而增大的趨勢。但從圖3中可以看出，在距F2斷層150 m范圍內(nèi)瓦斯含量有明顯隨距斷層的距離增加而增大的趨勢。筆者將上述數(shù)據(jù)篩選后重新分析，F(xiàn)2斷層兩側150 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布如圖4所示。

圖4 F2斷層兩側150 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布Fig.4 Distribution of gas content within 150 m on both sides of F2 fault

從圖4中可以看出，瓦斯含量與距斷層的距離兩者一次線性回歸方程為y=0.065 9x-2.006 2，復相關系數(shù)R2=0.427 8，復相關系數(shù)中等，兩者線性相關關系較明顯，可見F2斷層兩側150 m范圍內(nèi)瓦斯含量分布有隨距斷層的距離增加而增大的趨勢。分析認為，F(xiàn)2斷層對兩側煤層中的瓦斯逸散控制作用較明顯，但距離超過150 m后控制作用失效。

從上述分析中可以看出，斷層對瓦斯含量的影響有距離限制，或者說斷層對瓦斯賦存的影響有范圍限制。在一定范圍內(nèi)，距斷層越近，瓦斯逸散越多，瓦斯含量越小。F5斷層落差(35m)小于F2斷層落差(60 m)，F(xiàn)5斷層對兩側瓦斯含量的控制距離不足150 m，F(xiàn)2斷層對兩側瓦斯含量的控制距離達到了150 m，推斷，斷層落差較大、規(guī)模較大的斷層對兩側瓦斯含量的控制距離較遠。

3 瓦斯含量與大中型正斷層的控制作用

目前，-900 m水平以深采掘工程較少，煤層揭露面積小，瓦斯含量整體較高，但數(shù)據(jù)點少，且分布不均衡，對該區(qū)域內(nèi)進行深入分析很有必要。

本小節(jié)分析的-900 m水平大型主控斷層主要指落差超過30 m的正斷層，因-900 m水平以深瓦斯含量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)本身較少，分布不均衡，為避免局部區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)權重過大，造成數(shù)據(jù)失真，必須對數(shù)據(jù)進行認真篩選。

-900 m以深區(qū)域實測原始瓦斯含量主要集中在2個區(qū)域，暫稱Ⅰ區(qū)域和Ⅱ區(qū)域：Ⅰ區(qū)域為2311工作面下邊界、23采區(qū)下部車場及2316工作面下邊界與DF023斷層之間，標高-900～-925 m；Ⅱ區(qū)域為26輔助采區(qū)3條下山附近，標高為-900～-1 000 m。因為-900 m以深區(qū)域面積相對較大，但瓦斯含量數(shù)據(jù)過度集中在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，為避免兩區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)權重過大，數(shù)據(jù)分析失真，只取兩區(qū)域內(nèi)各自的實測瓦斯含量最大值代表本區(qū)域。Ⅰ區(qū)域內(nèi)最大實測原始瓦斯含量為5.73 m3/t，距DF023斷層63 m。Ⅱ區(qū)域內(nèi)有2處實測原始瓦斯含量最大值超過10 m3/t的地點，一處數(shù)值為10.36 m3/t，位于26輔助水倉周邊，附近有一F28-25逆斷層；另一處數(shù)值為10.88 m3/t，位于26輔助軌道下山穿煤段周邊，附近有一F28-24逆斷層。剩余較大瓦斯含量點均位于F28-24逆斷層附近。分析認為，Ⅱ區(qū)域內(nèi)實測原始瓦斯含量數(shù)據(jù)均不具有代表性。篩選后的瓦斯含量數(shù)據(jù)見表2。

表2 -900 m水平以深瓦斯含量與大中型主控正斷層數(shù)據(jù)Tab.2 -900 m level with deep gas content and large and medium-sized master normal fault data

-900 m水平以深瓦斯含量與大中型主控正斷層關系如圖5所示。從圖5可以看出，-900 m水平以深部分瓦斯含量點與大中型主控正斷層的一次線性回歸方程為y=0.035 5x+7.075 1，復相關系數(shù)R2=0.847 6，可見兩者線性相關性較高，瓦斯含量梯度為3.55 m3/(t·hm)，圖5中顯示符合線性相關的最遠控制距離為450～500 m。

圖5 -900 m水平以深瓦斯含量與大中型 主控正斷層關系Fig.5 -900 m level with deep gas content and the relationship between large and medium-sized main control normal faults

本文分析認為，-900 m水平以深距大中型主控正斷層越遠則瓦斯含量越高，且斷層落差越大，表現(xiàn)的控制距離越遠，深部水平煤層中瓦斯的逸散應主要依靠大中型主控正斷層的開放作用。

4 結論

(1)分析了礦井具有代表性的大中型主控正斷層對瓦斯賦存規(guī)律的影響，斷層對瓦斯含量的影響有距離限制，或者說斷層對瓦斯賦存的影響有范圍限制。在一定范圍內(nèi)，距斷層越近，瓦斯逸散越多，瓦斯含量越小。

(2)斷層落差較大、規(guī)模較大的正斷層對兩側瓦斯賦存的控制作用較明顯。

(3)-900 m水平以深距大中型主控正斷層越遠則瓦斯含量越高，斷層落差越大，表現(xiàn)的控制距離越遠且瓦斯含量梯度明顯，可見深部煤層中瓦斯的逸散主要依靠大中型主控正斷層的開放作用。