平煤十一礦瓦斯分布東西分異的動(dòng)力學(xué)機(jī)制

劉見(jiàn)寶, 宋志敏, 任建剛, 曲艷偉

(1. 河南工程學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191;2. 煤產(chǎn)地土壤污染檢測(cè)與治理河南省工程研究中心，河南 鄭州 451191;3. 河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 河南 焦作 454000)

煤與瓦斯突出是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一，而煤與瓦斯突出在很大程度上是煤層瓦斯分布不均導(dǎo)致的。因此，在掌握礦井瓦斯分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，找出影響煤層瓦斯分布的主要地質(zhì)因素，并進(jìn)一步進(jìn)行瓦斯地質(zhì)單元?jiǎng)澐质敲号c瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的有效技術(shù)路線，可為煤礦瓦斯治理提供理論依據(jù)[1-2]。

平煤十一礦主采煤層為山西組下部二1煤，該煤層厚度平均為6.57 m，屬基本全區(qū)可采的較穩(wěn)定型厚煤層。已有學(xué)者[3-8]針對(duì)平頂山礦區(qū)的瓦斯地質(zhì)特征做了大量研究工作，取得了豐碩的成果，認(rèn)為李口向斜確定了平頂山礦區(qū)瓦斯東高西低、呈軸對(duì)稱分布的總體規(guī)律，東區(qū)受控于褶皺構(gòu)造，西區(qū)受鍋底山斷層影響[9-10]。李喜員等[11]將平煤十一礦劃分為東翼的高瓦斯地質(zhì)單元和西翼的低瓦斯地質(zhì)單元，東翼受封閉性逆斷層控制，西翼主要發(fā)育正斷層。雷東記等[12]研究了平煤十一礦東部的艾山逆斷層對(duì)瓦斯分布的影響，在斷層尖滅端形成應(yīng)力異常集中區(qū)，尖滅端 60 m 內(nèi)為瓦斯異常區(qū)。十一礦煤層瓦斯存在東西分異的規(guī)律，即東部瓦斯含量、瓦斯壓力、煤體破壞程度均高于西部。然而，其東西分異的地質(zhì)邊界有待進(jìn)一步查明，且東西分異的構(gòu)造機(jī)制有待進(jìn)一步研究。本研究在厘清井田構(gòu)造演化史的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬和理論計(jì)算等手段，對(duì)平煤十一礦瓦斯分布東西分異的動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了探索。

1 礦井地質(zhì)構(gòu)造特征

平頂山礦區(qū)在區(qū)域上位于秦嶺北緣逆沖推覆構(gòu)造系，區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造為一寬緩復(fù)式向斜(李口向斜)，軸向N50°W，NW向傾伏，向斜兩翼傾角為5°～15°，由兩翼向軸部、由淺至深傾角逐漸變小。十一礦位于平頂山礦區(qū)西部，處于李口向斜西南翼，整體為走向NW到SE、傾向NE的單斜構(gòu)造。淺部地層陡，傾角高達(dá)67°，局部倒轉(zhuǎn)；深部緩，傾角一般為5°～12°。礦井內(nèi)及附近發(fā)育大、中型斷層7條，其中5條為NW走向的逆斷層，均分布于礦井東部。礦井中部發(fā)育一系列NE向的雁列式正斷層，將井田劃分為東部和西部。東部以發(fā)育逆斷層為主要特征，西部小型正斷層發(fā)育(圖1)。

圖1 平煤十一礦構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Pingdingshan No.11 coal mine

2 瓦斯分布東西分異

平頂山礦區(qū)鍋底山斷層位于李口向斜西南翼，走向310°～320°，傾向SW。該斷層位于平煤十一礦東北部，不但是平頂山礦區(qū)的主要構(gòu)造，而且對(duì)十一礦的構(gòu)造具有控制意義。鍋底山斷層在聚煤期就已經(jīng)開(kāi)始活動(dòng)，屬于同沉積斷裂，聚煤期后又發(fā)生走滑活動(dòng)[13]。礦井西部受同沉積作用的拖拽，而東部受鍋底山斷層左行走滑的影響，二者產(chǎn)生的剪切作用形成了十一礦中部NE向雁列式正斷層構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶[14-16]，成為劃分礦井瓦斯地質(zhì)單元的天然邊界。

以中央NE向雁列式正斷層為界，十一礦煤層瓦斯含量和相對(duì)瓦斯涌出量東部高、西部低。收集到十一礦東部生產(chǎn)期間巷道瓦斯含量測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)102個(gè)，其中瓦斯含量超過(guò)6 m3/t的數(shù)據(jù)點(diǎn)有8個(gè)。緊鄰張莊逆斷層的瓦斯含量高達(dá)9.14 m3/t，相對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到60 m3/t以上。在張莊逆斷層和邊莊逆斷層之間的區(qū)域，煤層瓦斯含量也較高，相對(duì)瓦斯涌出量一般為15 m3/t以上。礦井西部生產(chǎn)期間巷道煤層瓦斯含量測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)有130個(gè)，瓦斯含量均在6 m3/t以下，平均為3.20 m3/t(表1、圖2、圖3)。礦井煤層瓦斯壓力也存在東高西低的趨勢(shì)。收集到十一礦東部煤層瓦斯壓力測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)84個(gè)，其中瓦斯壓力超過(guò)0.6 MPa的數(shù)據(jù)點(diǎn)有9個(gè)，最高值達(dá)2.1 MPa；礦井西部瓦斯壓力測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)122個(gè)，瓦斯壓力均在0.6 MPa以下(表1、圖4)。

表1 平煤十一礦二1煤層瓦斯含量與瓦斯壓力統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical data of gas content and gas pressure in No.21 coal seam of Pingdingshan No.11 coal mine

圖2 平煤十一礦瓦斯含量Fig.2 Gas content in Pingdingshan No.11 coal mine

圖3 平煤十一礦瓦斯含量分布散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of gas content in Pingdingshan No.11 coal mine

圖4 平煤十一礦瓦斯壓力分布散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of gas pressure in Pingdingshan No.11 coal mine

平煤十一礦煤層瓦斯含量和瓦斯壓力分布主要受鍋底山斷層影響。礦井西部受鍋底山同沉積斷層性質(zhì)控制，形成拉張應(yīng)力場(chǎng)，以正斷層為主，正斷層占斷層總數(shù)的92.3%，逆斷層占7.7%，利于瓦斯釋放，故煤層瓦斯含量和相對(duì)瓦斯涌出量均較低。距鍋底山斷層較近的礦井東部逆斷層發(fā)育，張莊逆斷層、艾山逆斷層、邊莊逆斷層均分布在此區(qū)，煤層破壞強(qiáng)烈，有利于瓦斯的吸附，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力均較高。

礦井東部艾山逆斷層在鍋底山斷層的推擠作用下，上、下盤煤體被嚴(yán)重破壞，煤體變得松散易碎，致密性增加，煤層的透氣性急劇下降，瓦斯向地表運(yùn)移困難，艾山逆斷層表現(xiàn)為封閉特性。斷層附近形成瓦斯富集帶，瓦斯含量和相對(duì)瓦斯涌出量隨之增加，表現(xiàn)出距斷層越近煤層瓦斯含量和相對(duì)瓦斯涌出量越大的趨勢(shì)[12](圖5)。

圖5 二1煤層艾山逆斷層對(duì)煤層瓦斯的控制作用Fig.5 Control effect of Aishan reverse fault in No.21coal seam on coal seam gas

3 礦井東部構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制

3.1 礦井東部走滑特性

圖6 鍋底山斷裂旁側(cè)煤層牽引形態(tài)平面圖Fig.6 Plan of coal seam traction pattern on the side of Guodishan fault

3.2礦井東部構(gòu)造模擬

鍋底山斷層的左旋運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在華北期，太平洋庫(kù)拉板塊向亞歐大陸的俯沖方向轉(zhuǎn)為 NWW 向，產(chǎn)生NWW-SEE 向近水平擠壓作用。此期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使鍋底山斷裂在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下，表現(xiàn)為左行走滑性質(zhì)。十一礦東部受鍋底山斷層左行走滑性質(zhì)影響，其上盤七礦、五礦范圍內(nèi)發(fā)育郝堂向斜，在十一礦范圍內(nèi)則緊鄰鍋底山斷層發(fā)育寬緩向斜，并發(fā)育了一系列北西向的逆斷層，為礦井東部主要構(gòu)造特征。利用 COMSOL 軟件建立了鍋底山斷層上、下盤的平面地質(zhì)模型，模擬鍋底山斷層走滑活動(dòng)對(duì)礦井應(yīng)力、應(yīng)變的影響。在鍋底山斷層上盤南部邊界和下盤北部邊界，參考實(shí)測(cè)水平應(yīng)力值[18-21]，設(shè)置水平擠壓應(yīng)力為15 MPa，將鍋底山斷層的上盤北部邊界和下盤南部邊界設(shè)置為固定約束，模型的東、西邊界設(shè)置為滑動(dòng)邊界，斷層設(shè)置為固定接觸。模型中力學(xué)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 模型中力學(xué)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Mechanical parameter setting in model

從鍋底山斷層模擬應(yīng)力、應(yīng)變分布(圖7)可以看出：①鍋底山斷層上盤應(yīng)力集中區(qū)位于十一礦東部，在應(yīng)力集中區(qū)域，由于斷層的拖拽作用，易形成構(gòu)造煤，有利于瓦斯的吸附和保存；②鍋底山斷層上盤變形等值線形成一個(gè)與煤層底板等高線近似的向斜形狀，在礦井西部還有一個(gè)類似于寬緩背斜的形狀，與實(shí)際地質(zhì)情況吻合。

圖7 鍋底山平移斷層模擬應(yīng)力、應(yīng)變分布(單位：m)Fig.7 Simulated stress and strain distribution of Guodishan translational fault(unit：m)

3.3 拖拽向斜形成機(jī)制

鍋底山斷層上盤拖拽向斜可以簡(jiǎn)化成一個(gè)半無(wú)限薄板模型，其彈性基礎(chǔ)常數(shù)為K，靠近鍋底山斷層的一端受軸向力P0和剪力Q0的共同作用。沿拖拽向斜軸向，巖性、巖層厚度及受載不均，導(dǎo)致巖層彎曲幅度和傾斜角度均是變化的。若將巖性和巖層厚度看作巖層形變的函數(shù)且沿向斜軸向變化，則很難獲得解析解。若沿向斜軸向取一微元，則可認(rèn)為巖性、巖層厚度和受載在該微元上是均勻的。那么，則把半無(wú)限空間薄板模型簡(jiǎn)化成半無(wú)限長(zhǎng)梁模型，長(zhǎng)梁端部受到軸向力P0、剪力Q0和橫向彈性約束力Kw的共同作用(圖8)。

圖8 鍋底山斷層上盤拖拽向斜撓度半無(wú)限彈性梁簡(jiǎn)化模型Fig.8 Simplified model of semi-infinite elastic beam with deflection of syncline dragged by hanging wall of Guodishan fault

采用梁理論的基本假設(shè)，撓度僅是x的函數(shù)，即

w=w(x)。

(1)

那么，端部受軸向力和剪力共同作用的半無(wú)限彈性梁的撓度微分方程為

(2)

式中：E為巖層的彈性模量；Px為x處的中面力；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且

(3)

邊界條件為

x→-∞，w→0；x→0，M=0，Px=P0，Q=Q0。

由此，可以解得撓度方程和轉(zhuǎn)角方程分別為

(4)

(5)

綜上可知，撓度曲線是一條有阻尼的正弦曲線。在此曲線上，距離荷載作用端越遠(yuǎn)(x取負(fù)值)，撓度越??；當(dāng)端部荷載Q0一定時(shí)，撓度將隨x→-∞而趨于0。因此，在近鍋底山斷層處，褶皺規(guī)模較大；遠(yuǎn)離鍋底山斷層的十一礦西部，褶皺規(guī)模漸小，甚至不會(huì)形成褶皺。

4 礦井西部構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制

4.1 礦井西部同沉積特性

鍋底山斷層的斷層面在剖面上呈犁式，淺部較陡，傾角為50°～60°，往深部?jī)A角為25°～40°，有時(shí)呈波狀起伏。比較四2煤和二1煤的斷距，可看出二者存在很大差異。在同一剖面中，二1煤斷距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于四2煤(圖9)。在同沉積斷裂的活動(dòng)過(guò)程中，隨著新的沉積物被錯(cuò)斷，早期沉積物的斷距不斷加大。因此，斷距隨著深度的增大而增大，該斷層在礦井西部更多表現(xiàn)為同沉積特性，而且越往礦井西部，斷距越大，斷層活動(dòng)越強(qiáng)烈。

圖9 鍋底山斷層剖面Fig.9 Cross-section of Guodishan fault

對(duì)勘探期間揭露的斷層兩側(cè)地層厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖10)，從四2煤至二1煤間距等值線可看出，上盤地層厚度明顯大于下盤。在上盤存在一個(gè)條帶狀沉積中心，中心厚度超過(guò)300 m，比下盤厚度多出100 m左右，說(shuō)明在這期間，斷層兩盤存在沉積差異。分層段研究表明：太原組沉積時(shí)，兩盤尚未表現(xiàn)出明顯差異，厚度差異從二1煤沉積開(kāi)始表現(xiàn)出來(lái)。二1煤的厚煤帶呈串珠狀沿?cái)鄬由媳P分布，厚度可達(dá)十幾米，而下盤相對(duì)較薄，為3～6 m。山西組表現(xiàn)尤為明顯，至下石盒子組，兩盤厚度差異達(dá)到頂峰，至四2煤差異趨于消失。由此證明，鍋底山斷層在形成期間對(duì)兩盤地層沉積有明顯控制作用，斷裂形成于太原組沉積之后，主要活動(dòng)于山西組至下石盒子組，而至四2煤以后，活動(dòng)趨于停止。

圖10 鍋底山斷層兩側(cè)地層厚度差異(單位：m)Fig.10 Difference of strata thickness on both sides of Guodishan fault(unit：m)

4.2 礦井西部構(gòu)造模擬

根據(jù)鍋底山斷裂的發(fā)育史，在二疊系山西組-下石盒子組沉積時(shí)期，因重力拖拽作用，該斷層為同沉積斷層，且越往礦井西部鍋底山斷層的斷距越大，其同沉積特性表現(xiàn)越明顯。因此，以鍋底山斷層為研究對(duì)象，模擬過(guò)十一礦西部的57勘探線的地應(yīng)力分布(勘探線位置見(jiàn)圖1)，分析地應(yīng)力分布及其變化規(guī)律、地應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。利用 COMSOL 軟件建立了過(guò)己四采區(qū)的57勘探線剖面模型。模型分5層，由下至上分別為太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組，其左邊界為巖層地表露頭，右邊界為鍋底山斷層。模型受自重應(yīng)力的作用，左邊界為固定邊界，右邊界和底部為滑動(dòng)邊界，上部為自由邊界。

從平煤十一礦57勘探線應(yīng)力、應(yīng)變模擬分布(圖11)可以看出：①57勘探線米塞斯等效應(yīng)力高值分布在勘探線中部；②57勘探線總位移高值也分布在勘探線中部。模擬結(jié)果顯示，在重力拖拽作用下，勘探線中部巖層變形較大，易形成破裂構(gòu)造，導(dǎo)致煤層上覆巖層產(chǎn)生裂隙，成為瓦斯逸散的通道，有利于瓦斯釋放，導(dǎo)致瓦斯含量和瓦斯壓力均較小。

圖11 平煤十一礦57勘探線重力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布(單位：m)Fig.11 Stress and strain distribution of 57 exploration line in Pingdingshan No.11 coal mine under gravity(unit：m)

5 結(jié)論

(1)平煤十一礦鍋底山斷層在聚煤期為同沉積斷層，煤層形成之后，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用下，又發(fā)生了左行走滑，并且由于兩側(cè)構(gòu)造應(yīng)力方向的差異，在礦井中部形成構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，發(fā)育了一系列NE向正斷層。

(2)平煤十一礦以中央NE向雁列式正斷層為界，瓦斯含量、相對(duì)瓦斯涌出量和瓦斯壓力存在東高西低的規(guī)律。

(3) 鍋底山斷層的同沉積作用主要影響井田西部瓦斯賦存，在重力拖拽作用下，煤層上覆巖層受拉張作用的影響，發(fā)育了一系列正斷層和裂縫，有利于瓦斯逸散；礦井東部受鍋底山斷層左行走滑作用的控制，發(fā)育了一系列NW向逆沖斷層，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，煤層透氣性降低，有利于瓦斯保存。