小斷層兩盤瓦斯地質(zhì)特征及防突措施強(qiáng)化研究

劉淑紅

(鄭州市世紀(jì)公園,河南 鄭州 450000)

研究表明,煤與瓦斯突出主要受構(gòu)造控制[1-5],煤層小斷層是生產(chǎn)中常見的一種構(gòu)造類型[6],斷層兩盤也是最容易突出的地方[7-9]。因此,研究煤層小斷層兩盤瓦斯地質(zhì)特征,準(zhǔn)確判識(shí)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性,并采取強(qiáng)化防突措施具有重要的意義。

斷層形成過程中一般上盤為主動(dòng)盤[10],煤與瓦斯突出也主要發(fā)生在斷層上盤,斷層主要通過控制兩盤瓦斯含量、煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力等,進(jìn)而控制煤與瓦斯突出。一般認(rèn)為,正斷層為開放型斷層,斷層兩盤瓦斯含量是減小的,不利于瓦斯突出,但逆斷層相反[11]；越靠近斷層,煤體結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重,越有利于瓦斯突出[10]；斷層附近地應(yīng)力是減小的,但遠(yuǎn)離斷層逐漸增大,然后再減小至正常值,應(yīng)力集中區(qū)域有利于煤與瓦斯突出等[12-14]。

目前,針對斷層對煤與瓦斯突出的控制機(jī)理還存在一些不同的認(rèn)識(shí)[15-18],相關(guān)研究也比較薄弱,本文以晉煤集團(tuán)長平礦為例進(jìn)行研究,取得了較好的研究結(jié)果。

1 長平礦小斷層特征

長平礦總體上為一向西傾斜的單斜構(gòu)造,傾角2°～5°。1957年以來,礦井歷經(jīng)數(shù)次預(yù)查、普查、詳查、勘探、補(bǔ)充勘探及三維地震勘探,均未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的控制性斷層,但采掘生產(chǎn)中經(jīng)常揭露小斷層。根據(jù)統(tǒng)計(jì),生產(chǎn)中共揭露落差≥5 m的小斷層51條(正斷層50條,逆斷層1條),斷層走向主要呈北東向和北西向,傾向南東和北東,傾角一般在±70°,屬于高角度正斷層。

2 斷層兩盤瓦斯地質(zhì)特征

(1)斷層兩盤瓦斯賦存特征。以五盤區(qū)SF353正斷層為例,該斷層落差1.9 m,產(chǎn)狀180°∠55°。測試結(jié)果表明,斷層兩盤瓦斯含量明顯不同,其中,斷層上盤明顯小于下盤,離開斷層,兩盤瓦斯含量均具有先減小再增大的趨勢,但靠近斷層面瓦斯含量略小于正常值(圖1)。根據(jù)分析,斷層下盤影響范圍約15 m,斷層上盤影響范圍約30 m。

圖1 斷層兩盤實(shí)測瓦斯含量分布散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram of measured gas content distribution in two walls of fault

(2)斷層兩盤煤體結(jié)構(gòu)特征?，F(xiàn)場觀測表明,主采煤層3號煤總體上為Ⅰ—Ⅱ類煤,斷層兩盤煤體受到一定程度的破壞,但影響范圍較小,而且變化較快,一般緊鄰斷層面數(shù)厘米范圍內(nèi),煤體結(jié)構(gòu)破壞可達(dá)Ⅲ類煤以上。為了定量表達(dá)斷層兩盤煤體結(jié)構(gòu)變化,現(xiàn)場實(shí)測了煤的堅(jiān)固性系數(shù),同瓦斯含量一樣,上盤也明顯小于下盤(圖2)。根據(jù)分析,斷層上盤影響范圍在1～3 m以內(nèi),下盤不明顯。

圖2 斷層上/下盤煤的堅(jiān)固性系數(shù)對比Fig.2 Comparison of firmness coefficient of coal in the upper/lower wall of fault

(3)斷層兩盤地應(yīng)力特征。根據(jù)研究,地應(yīng)力對煤體的透氣性影響較大,隨著地應(yīng)力增大,煤層透氣性迅速減小,因此,煤層透氣性系數(shù)大小也間接反映了地應(yīng)力的變化。SF353斷層上盤煤層透氣性系數(shù)變化如圖3所示,很明顯,靠近斷層面,煤層透氣性極差,遠(yuǎn)離斷層急劇增大,然后又迅速減小,顯示先增大后減小的趨勢。斷層兩盤煤層透氣性系數(shù)平均0.261 6 m2/(MPa2·d),不受斷層影響的煤體平均透氣性系數(shù)0.027 7 m2/(MPa2·d),也就是說,斷層兩盤煤體的透氣性平均提高了約10倍。根據(jù)分析,斷層上盤/下盤的應(yīng)力增高區(qū)大約在距斷層20 m/6 m位置。

圖3 SF353上盤煤層透氣性系數(shù)變化Fig.3 Permeability coefficient change of SF353 hanging wall coal seam

3 斷層成因與瓦斯地質(zhì)特征關(guān)系分析

根據(jù)分析,斷層形成過程中及形成后瓦斯逸散/補(bǔ)償?shù)臋C(jī)理是：斷層的形成是地應(yīng)力集中到一定程度的突然釋放,具有階段性和不連續(xù)性特點(diǎn),斷層活動(dòng)階段一般呈張性狀態(tài),同時(shí)溝通一定范圍的透氣性巖層,兩個(gè)活動(dòng)階段之間主要處于相對壓性狀態(tài),前者有利于瓦斯逸散,后者不利于瓦斯逸散；斷層形成過程中,一般上盤為主動(dòng)盤,下盤為被動(dòng)盤,上盤受力較下盤大,煤巖層變形更強(qiáng)烈[19],也較有利于瓦斯逸散。因此,上盤瓦斯含量總是小于下盤；生產(chǎn)揭露的斷層規(guī)模一般較小,僅能溝通煤層頂?shù)装逡欢ǚ秶鷥?nèi)的透氣性巖層,因此,影響范圍也較小；斷層形成后,斷層面(帶)受凈巖壓力和構(gòu)造應(yīng)力雙重作用,一般具有壓剪性或張剪性特點(diǎn),為非完全張性,斷層面與構(gòu)造巖緊密接觸,透氣性變低,一般不利于瓦斯逸散,同時(shí),斷層兩盤附近煤層瓦斯還會(huì)得到一定補(bǔ)償,并與后期逸散達(dá)到新的平衡(圖4)。斷層對煤體結(jié)構(gòu)的控制主要表現(xiàn)為斷層活動(dòng)使煤層發(fā)生激烈的交變應(yīng)力損傷,不僅發(fā)生宏觀破裂,而且還一直浸透到超顯微范圍中的細(xì)小裂隙和間隙中,斷裂的煤強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,影響煤體的滲透性。另外,距斷層面越近,受力作用越大,煤體結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重；同時(shí),由于上盤一般作為主動(dòng)盤受力要大于下盤,因此,上盤煤體結(jié)構(gòu)破壞也更嚴(yán)重一些,影響范圍也更大[10]。

圖4 斷層的形成及瓦斯地質(zhì)特征逸散演化示意Fig.4 Formation of fault and evolution of gas emission

斷層對地應(yīng)力的控制主要表現(xiàn)為同一斷層的不同構(gòu)造部位還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中程度不同的地段,造成了相對的高壓區(qū)和低壓區(qū)[20-21],在這個(gè)過程中煤體的透氣性也隨著發(fā)生變化。研究表明,斷層兩盤近斷層面一定范圍內(nèi)應(yīng)力是減小的,而遠(yuǎn)離斷層面一定范圍內(nèi)應(yīng)力是增加的,在地應(yīng)力集中區(qū)煤層透氣性降低,而在卸壓區(qū)透氣性增加,現(xiàn)場實(shí)測煤層透氣性較好地反映了斷層兩盤的應(yīng)力變化特點(diǎn)。

4 斷層兩盤煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性分析

按照綜合假說的觀點(diǎn),煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、煤層瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用的結(jié)果,其中,地應(yīng)力和煤層瓦斯為突出提供動(dòng)力和能量,煤的物理力學(xué)性質(zhì)是阻止突出發(fā)生的因素。對比斷層兩盤一定范圍內(nèi),影響突出的瓦斯地質(zhì)條件均是變量,靠近斷層面地應(yīng)力、瓦斯含量和瓦斯壓力總體上是減小的,不利于煤與瓦斯突出,相反,煤體的破壞程度是不斷增加的,有利于瓦斯突出,實(shí)際上最有利的突出部位應(yīng)該綜合考慮以上3個(gè)條件的變化。根據(jù)分析,距斷層面一定范圍內(nèi)大體上可劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)帶(圖4)：①Ⅰ帶?？拷鼣鄬用?～3 m內(nèi),煤體結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重,有利于突出；地應(yīng)力、瓦斯含量和瓦斯壓力較大,較有利于突出；總體評價(jià)該區(qū)較易突出,但由于為突出提供的能量較小,因此,發(fā)生小型或中小型突出的概率可能偏大。②Ⅱ帶。距斷層面3～15 m,范圍較大,煤體結(jié)構(gòu)幾乎不受斷層影響,不利于突出；地應(yīng)力、瓦斯含量和瓦斯壓力變化較大,但相對最小,不利于突出；總體評價(jià)該區(qū)不易突出或者可能發(fā)生一些小型的突出。③Ⅲ帶。距斷層面15～25 m,范圍較大,煤體結(jié)構(gòu)受斷層影響較小,不利于突出；但地應(yīng)力、瓦斯含量和瓦斯壓力達(dá)到最大值,有利于突出；總體評價(jià)該區(qū)易突出,且發(fā)生大型或中型突出的概率可能偏多。

綜上所述,距小斷層一定距離處發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性最大,該處瓦斯含量高、瓦斯壓力大、地應(yīng)力集中,是生產(chǎn)中采取強(qiáng)化防突措施的重點(diǎn)。

5 強(qiáng)化防突措施

區(qū)域防突措施一般不考慮小斷層等瓦斯地質(zhì)條件局部變化引起的煤體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力和瓦斯賦存的不均一性,針對這些不均一性,還應(yīng)當(dāng)制定強(qiáng)化防突措施。以切層小斷層為例,強(qiáng)化防突措施應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)問題。

(1)斷層兩盤瓦斯含量和地應(yīng)力變化最大范圍的臨界值。研究表明,小斷層上/下盤瓦斯含量和地應(yīng)力變化范圍一般為30 m/15 m,但是生產(chǎn)中揭露的斷層落差變化較大,缺少系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)以往定性認(rèn)識(shí),其上/下盤影響范圍可暫按斷層落差的10倍/5倍考慮,其中,上盤最大—最小范圍可控制在50～10 m,下盤最大/最小范圍可控制在25～5 m。強(qiáng)化防突措施的范圍是其影響邊界兩側(cè)各1/2影響范圍的距離(圖5)。除了斷層兩盤寬度范圍界定之外,同樣在斷層走向方向上也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制,一般在斷層尖滅端方向上再外延50 m即可。

(2)如何強(qiáng)化防突措施。根據(jù)研究,斷層兩盤瓦斯含量和地應(yīng)力變化較大,特別是地應(yīng)力變化更大,可以通過加密抽采鉆孔間距的強(qiáng)化措施實(shí)現(xiàn)區(qū)域消突目標(biāo),其孔間距可以通過實(shí)驗(yàn)考察的方法確定,在確定前可暫按原設(shè)計(jì)孔間距的60%執(zhí)行。對于穿層沖孔/割縫卸壓抽采鉆孔也可以通過增大卸煤量的強(qiáng)化措施進(jìn)行消突。

圖5 斷層兩盤強(qiáng)化措施范圍示意Fig.5 Scope of strengthening measures for two walls of fault

(3)強(qiáng)化防突措施的管理。在設(shè)計(jì)斷層條件下的強(qiáng)化區(qū)域措施之前,斷層的發(fā)育一般在施工底板巖巷或煤巷時(shí)已經(jīng)揭露。因此,強(qiáng)化區(qū)域防突措施只需要修改原設(shè)計(jì)或制定斷層專項(xiàng)防突設(shè)計(jì)即可。

6 結(jié)論

(1)斷層上盤瓦斯含量明顯小于下盤,離開斷層,兩盤瓦斯含量均具有先減小再增大的變化趨勢,斷層下盤影響范圍約15 m,斷層上盤影響范圍約30 m。

(2)斷層兩盤煤體結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞,而且斷層上盤破壞程度較大,但影響范圍較小,在近斷層面1～3 m以內(nèi),下盤影響范圍不明顯。

(3)斷層兩盤煤層透氣性總體較正常的煤體透氣性顯著變好,但靠近斷層面,煤層透氣性極差,遠(yuǎn)離斷層急劇增大,然后又迅速減小,推斷斷層上/下盤的應(yīng)力增高區(qū)在距斷層20 m/6 m左右。

(4)斷層兩盤瓦斯地質(zhì)特征受斷層成因控制,距小斷層一定距離處發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性最大,可以通過加密抽采鉆孔或增大卸煤量的強(qiáng)化防突措施進(jìn)行消突。