煤系正斷層帶影響下的煤層瓦斯賦存規(guī)律

肖鵬，吳銘川，雙海清，韓 凱，高 振，程玥穎

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心，陜西 西安 710054)

瓦斯是復雜的氣體地質(zhì)體，其生成、運移和賦存受地質(zhì)構(gòu)造條件影響[1]。瓦斯賦存受地質(zhì)構(gòu)造逐級控制[2-3]，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響礦區(qū)總體瓦斯賦存特征，礦井構(gòu)造控制瓦斯分區(qū)分帶特性，工作面構(gòu)造決定局部瓦斯富集區(qū)和突出危險區(qū)域。煤系斷層為采掘工作面廣泛發(fā)育的小型構(gòu)造[4]，主要指煤礦生產(chǎn)中揭露落差小于5 m 的小型斷層，其作為逐級地質(zhì)構(gòu)造的最后一環(huán)，與瓦斯災(zāi)害預(yù)測和礦井瓦斯防治息息相關(guān)。

斷層作為煤炭生產(chǎn)過程中最常見的地質(zhì)構(gòu)造之一，對煤層瓦斯賦存和分布起到重要作用。孔勝利等[5]通過理論分析和現(xiàn)場實測對山西屯蘭煤礦瓦斯賦存規(guī)律進行研究，認為斷層是控制屯蘭煤礦瓦斯賦存的關(guān)鍵因素，斷層及其組合方式使煤層局部瓦斯含量出現(xiàn)異常，在靠近斷層時瓦斯涌出量顯著增加。藺亞兵等[6]研究彬長礦區(qū)低階煤高瓦斯礦區(qū)瓦斯地質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，煤巷掘進過斷層帶時,瓦斯涌出會出現(xiàn)明顯差異，當斷層落差越大,瓦斯涌出量變化幅度越大，瓦斯涌出峰值位置與小斷層距離相關(guān)。Chen Xiangjun 等[7]對山西高平長平井田 3 號煤層瓦斯含量的主控制因素進行分析，發(fā)現(xiàn)斷層區(qū)域煤層瓦斯含量為同一深度正常地區(qū)的1.6 倍，正斷層上盤含氣量比下盤高 21.6 %。宋占全等[8]基于構(gòu)造逐級控制理論分析了河南永城薛湖礦的小斷層分布特點和性質(zhì)，認為研究區(qū)域小斷層呈現(xiàn)壓扭性，斷層面透氣性較差,斷層區(qū)域裂隙發(fā)育,使得瓦斯儲集空間增大，有利于瓦斯富集，且瓦斯含量和瓦斯壓力普遍高于其他區(qū)域。倪小明等[9]以山西晉城寺河礦某工作面正斷層為地質(zhì)背景，通過數(shù)值模擬、滲透實驗和現(xiàn)場瓦斯參數(shù)測定發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力、應(yīng)變和滲透率具有較好的一致性，正斷層的斷層面處瓦斯涌出量較小，隨與斷層面距離增大，瓦斯涌出量逐漸增大，達到峰值后開始降低，最終恢復到正常值。崔洪慶等[10]通過煤與瓦斯突出實例和瓦斯抽采數(shù)值模擬實驗分析了斷層對瓦斯的影響，認為低滲透性煤層中壓性或壓扭性斷層可能形成不滲透斷裂帶，使得斷層兩盤煤層間存在高瓦斯壓差和高瓦斯含量差的現(xiàn)象。劉咸衛(wèi)等[11]基于平頂山東部礦區(qū)的正斷層的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)正斷層上盤的瓦斯突出占比高、強度大，正斷層上盤對瓦斯突出的控制作用較下盤更為顯著。韓松林等[12]運用數(shù)理統(tǒng)計和瓦斯地質(zhì)理論，分析了順和煤礦構(gòu)造演化與瓦斯賦存的地質(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)靠近逆斷層和區(qū)內(nèi)小斷層附近瓦斯含量明顯增大，大中型正斷層附近瓦斯含量減小。

學者們對斷層與煤層瓦斯賦存關(guān)系展開大量研究，取得了許多有價值的成果。但是目前研究對象主要集中于單一斷層，研究方法多從瓦斯含量、瓦斯涌出量等觀測數(shù)據(jù)來推斷分析斷層對瓦斯賦存影響。而實際地質(zhì)背景下的煤系斷層受多期構(gòu)造運動影響往往成組出現(xiàn)[13-14]，距離近、規(guī)模小、產(chǎn)狀相似，通過相互組合延綿成帶，容易形成復雜的煤系斷層帶，且斷層帶內(nèi)的煤層瓦斯分布存在動態(tài)演化的運移過程，從而使得斷層帶區(qū)域煤層瓦斯賦存更加復雜多變。因此，本文基于渭北煤田中段某礦煤系正斷層廣泛發(fā)育的地質(zhì)背景，以其揭露的一組典型的煤系正斷層帶為研究對象，建立多物理場數(shù)值模型，通過模擬斷層形成后的力學環(huán)境和瓦斯運移規(guī)律分析瓦斯賦存特征，基于現(xiàn)場瓦斯參數(shù)測定結(jié)果對瓦斯賦存規(guī)律進行驗證。研究結(jié)果以期能為礦井瓦斯災(zāi)害防治和安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景及構(gòu)造特征

渭北煤田位于鄂爾多斯地塊渭北隆起的東南部，受印支、燕山及喜馬拉雅運動形成期的影響，尤其在燕山末期發(fā)生以斷層為主的強烈運動形成渭北斷裂帶[15]，多期變形和多組構(gòu)造的復合疊加，使得渭北煤田由單一構(gòu)造體系向多級構(gòu)造體系演化發(fā)育，同時也孕育出多且復雜的中、小型地質(zhì)構(gòu)造。

渭北煤田中部澄合礦區(qū)某礦規(guī)劃井田被NEE 走向的縣西河正斷層和NNE 走向的楊莊正斷層所圍限，受渭北煤田地質(zhì)因素和井田邊界條件制約，井田內(nèi)部發(fā)育出較多中、小型斷裂構(gòu)造，其多為NE 走向，張性或張扭性質(zhì)的煤系正斷層。張扭性斷層分布范圍廣、構(gòu)造強度大、延展性好，在井田內(nèi)部發(fā)育形成多組斷續(xù)式斷裂組合，每組由多條走向相同、傾向類似的小型斷層在水平方向上延續(xù)，容易形成連續(xù)組合的煤系正斷層帶，研究區(qū)域斷層構(gòu)造分布如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure of the study area

研究對象位于礦井北翼50132 回采工作面回風巷180～320 m 的位置，該工作面主采石炭-二疊紀下統(tǒng)山西組5 號煤層，在巷道掘進過程中揭露出4 條距離近、規(guī)模類似的煤系正斷層，且在煤巷掘進期間瓦斯涌出量出現(xiàn)明顯異常。

斷層產(chǎn)狀及所在煤系地層綜合柱狀如圖2 所示，4 條斷層傾角類似，斷距h均小于5 m，斷層破碎帶寬度小，且斷層并未完全切斷煤層，但由于煤層、巖層和斷層力學性質(zhì)的差異，使得局部區(qū)域的煤儲層物性特征變化，從而影響瓦斯賦存條件。將4 條斷層相互組合，其中F1、F2 組合為地塹，F(xiàn)2、F3 組合為地壘，F(xiàn)3、F4 組合為階梯狀斷層，F(xiàn)1、F2、F3、F4 四條斷層在巷道水平方向延續(xù)，成為一組典型的煤系正斷層帶。

圖2 煤系正斷層帶煤層剖面及地層綜合柱狀圖Fig.2 Coal seam profile and comprehensive stratigraphic histogram of normal fault zone of coal measures

2 多物理場數(shù)值模型建立

2.1 基本假設(shè)

數(shù)值模擬主要分析煤系正斷層帶形成后，煤巖中原始瓦斯在孔隙壓力及斷層裂隙邊界條件控制影響下的運移情況?？紤]上覆巖層重力及水平側(cè)向壓力對煤巖的力學作用，基于研究區(qū)域煤系正斷層帶的實際產(chǎn)狀，按照1∶1 的原始比例進行簡化建模，同時以研究區(qū)域煤巖層及瓦斯相關(guān)物性參數(shù)為基礎(chǔ)做作簡化調(diào)整。

由于煤層瓦斯模擬較為復雜，為突出研究目標，本模型基于以下假設(shè)：

(1)煤層及圍巖是均勻連續(xù)介質(zhì)，且為各向同性的線彈性材料，服從Mohr-Coulomb 準則。

(2)將煤層頂、底板巖層設(shè)為單一性質(zhì)，忽略頂、底圍巖中各級地層巖石的力學性質(zhì)差異。

(3)瓦斯以擴散和對流狀態(tài)在煤層中進行基于Fick 定律的多孔介質(zhì)傳遞。

(4)煤層瓦斯通過煤系斷層邊界逸散，在斷層裂隙中的瓦斯運移基于Darcy 定律。

基于COMSOL Multiphysics 多物理場數(shù)值模擬軟件，在同一模型基礎(chǔ)上使用固體力學、流體力學和多孔介質(zhì)稀物質(zhì)流動接口，通過多孔彈性耦合和流動耦合，最終模擬得到煤系正斷層帶內(nèi)部煤層瓦斯運移規(guī)律及特征。

2.2 煤巖固體力學設(shè)定

模型尺寸長×寬×高設(shè)為200 m×40 m×60 m，煤層厚度5 m，頂?shù)装搴穸染鶠?0 m，斷層產(chǎn)狀參數(shù)與2.1 節(jié)中地質(zhì)案例保持一致，模型共計44 701 個網(wǎng)格節(jié)點，19 363 個三角形單元，模型及網(wǎng)格劃分如圖3 所示。參考臨近區(qū)域地應(yīng)力測定結(jié)果，模型頂部施加厚450 m 的覆巖壓力，即12 MPa，左右兩側(cè)邊界施加4.5 MPa 的水平側(cè)向應(yīng)力，前后兩側(cè)邊界設(shè)為對稱約束，底部邊界設(shè)為固定約束，限制模型的平移和轉(zhuǎn)動，滿足有限元分析要求。

圖3 劃分網(wǎng)格后的模型Fig.3 Meshing model

研究區(qū)域?qū)儆诘湫偷摹叭洝泵簩?，其煤堅固性系?shù)為0.23，煤體強度為7.3 MPa，煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，底板以粉砂巖、石英砂巖為主，頂?shù)装鍘r層抗壓強度均小于25 MPa。煤系斷層力學參數(shù)相對薄弱，可塑性較強，參照已有模擬經(jīng)驗[16-17]，將具有裂隙存在的斷層視為等效連續(xù)介質(zhì)，取臨近煤巖彈性模量的45%、泊松比增加0.02 作為斷層面等效巖石力學參數(shù)?；谘芯繀^(qū)域礦井地質(zhì)調(diào)查及“三軟”煤層煤巖力學性質(zhì)得到模型煤巖力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學模型參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock in model

2.3 瓦斯流場耦合設(shè)定

煤層及斷層面在流體力學接口中設(shè)為多孔介質(zhì)材料，并給定煤基質(zhì)的初始孔隙率，將孔隙率ε、滲透率k及擴散系數(shù)D設(shè)置為固體場體應(yīng)變evol的函數(shù)(下式)，從而將固體場和流體場進行多物理場耦合：

式中：ε0為初始孔隙率，%；k0為初始滲透率，m2；D0為初始擴散系數(shù)，m2·s。

設(shè)瓦斯流體在煤系斷層面上流動基于達西滲流場，上下煤巖接觸邊界設(shè)為壁面，煤層按照實測值給定初始瓦斯壓力，斷層邊界面設(shè)為出口壓力為零，同時加入基于達西定律的裂隙流公式：

式中：t為模擬時間，s；ρ為多孔介質(zhì)中流體密度，kg/m3；μ為流體動態(tài)黏度，Pa·s；?為哈密頓算子；p為裂隙中游離流體自由壓力，Pa；Qm為質(zhì)量源，(kg·m)3/s。

考慮瓦斯擴散和煤層對瓦斯吸附的影響，設(shè)瓦斯在多孔介質(zhì)中以稀物質(zhì)進行傳遞，并服從基于Langmuir 吸附平衡的質(zhì)量守恒方程式：

式中：c為稀物質(zhì)濃度，mol/kg；Langmuir 常數(shù)kPL為多孔介質(zhì)在參考壓力下單位摩爾質(zhì)量內(nèi)的極限吸附體積，m3/mol；cmax為多孔介質(zhì)在單位質(zhì)量內(nèi)對稀物質(zhì)的最大吸附濃度，mol/kg。

當裂隙滲流速度大于孔隙擴散速度，孔隙與裂隙間將發(fā)生質(zhì)量交換，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，瓦斯從孔隙系統(tǒng)流出，斷層裂隙系統(tǒng)流入，最終由裂隙邊界逸散，單位時間模型煤層內(nèi)部氣體與斷層裂隙系統(tǒng)交換相當于內(nèi)質(zhì)量源。

瓦斯氣體濃度初始值選取基于勘探時期瓦斯含量，其測量值可以反映原始狀態(tài)下煤層瓦斯含量，考慮到瓦斯一般在構(gòu)造區(qū)域富集[18]，因此，以礦區(qū)勘探時期瓦斯含量最大測點值換算取得。模型左右兩側(cè)邊界設(shè)為包含對流的通量條件，按照勘探時期瓦斯含量測點平均值換算，各斷層面設(shè)為裂隙邊界，以此模擬煤系正斷層帶的產(chǎn)生對煤層瓦斯逸散與賦存的雙重控制作用。煤基質(zhì)及瓦斯氣體模型參數(shù)見表2。

表2 煤基質(zhì)及瓦斯模型參數(shù)Table 2 Parameters of coal matrix and gas model

3 煤系正斷層帶力學環(huán)境變化特征

3.1 斷層區(qū)域煤巖應(yīng)力分布特征

斷層較為發(fā)育的區(qū)域，尤其針對于小型煤系斷層帶，其實際測量難度大、成本高，并且應(yīng)力實測值受地質(zhì)構(gòu)造影響將變得非常分散[19]，難以得到有效應(yīng)力分布規(guī)律?；谘芯繀^(qū)域地質(zhì)原型，將研究區(qū)域劃分為緊密連接的單元格，結(jié)合實際情況預(yù)設(shè)邊界條件，加入物理場函數(shù)，求得各單元格應(yīng)力近似解，從而獲得研究區(qū)域煤系斷層帶的應(yīng)力分布特征，如圖4 所示。

圖4 煤系正斷層帶應(yīng)力分布Fig.4 Principal stress distribution of fault zone

通過煤系斷層帶應(yīng)力模擬結(jié)果(圖4)可知，斷層帶分割了煤巖應(yīng)力在空間分布的連續(xù)性，4 條正斷層應(yīng)力相互影響疊加，產(chǎn)生了局部構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，主要在斷層帶內(nèi)部煤層斷層面出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，集中范圍由大到小依次為F4、F1、F3、F2。

水平構(gòu)造應(yīng)力致使煤巖發(fā)生斷裂，垂直應(yīng)力剪切煤巖，使得煤層和巖層之間產(chǎn)生相對位移，由于煤層和巖層固有力學性質(zhì)的差異，使得應(yīng)力主要集中在相對軟弱巖層(煤層)上。煤系斷層帶內(nèi)各條斷層埋深有所差異，但差值遠遠小于斷層距離地表的深度，可認為煤系斷層帶內(nèi)各斷層的豎直方向的靜巖壓力相同，因此，斷層面上的應(yīng)力集中主要取決于斷層角和斷距，以及臨近斷層之間的相互影響作用。

以斷層面中心為基準點，沿各斷層面傾向方向取全局應(yīng)力進行分析，為縱向?qū)Ρ?，取頂板到斷層中心點距離取負值，底板到斷層中心點距離取正值，應(yīng)力曲線如圖5 所示。

圖5 斷層面傾斜方向應(yīng)力曲線Fig.5 Stress curves of fault in inclined direction

由圖5 可知，應(yīng)力峰值主要位于斷層面中心點及其臨近兩側(cè)位置，在斷層中心點兩端5 m 處(巖層、煤層及各斷層面交匯點處)發(fā)生應(yīng)力降現(xiàn)象，遠離斷層后煤巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定，4 條斷層的應(yīng)力最大值處于9.7～10.8 MPa，應(yīng)力最小值處于5.6～6.5 MPa。

為探究斷層帶內(nèi)各斷層之間的相互影響，將4 條斷層分別組合，逐一分析如下：

(1) F1、F2 組合形成地塹構(gòu)造，2 條斷層面延長線將頂板圍巖割裂成類似于“倒梯形”的圍巖斷塊，在梯形2 個底角出現(xiàn)應(yīng)力集中，斷層面水平應(yīng)力相互疊加，進一步加劇應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) F2、F3 斷層的應(yīng)力曲線相似，在應(yīng)力峰值過后出現(xiàn)應(yīng)力值的波動，其組合形成的地壘構(gòu)造將煤層割裂為“正梯形”，且處于斷層帶內(nèi)部，分散了應(yīng)力的集中程度。

(3) F3、F4 直接組成階梯狀斷層，兩者斷層角接近，但F4 應(yīng)力峰值大于F3，這是因為F3 處于正斷層帶內(nèi)部，受到左右臨近斷層的影響而應(yīng)力減小，由于F4 的斷距較大，加劇其應(yīng)力集中程度。

(4) F1、F4 斷層面在空間位置上近似平行，也可認為兩者在水平方向間接組成不連續(xù)的階梯狀斷層，其斷層斷距相當，且處于斷層帶的兩側(cè)邊界，兩者應(yīng)力曲線相似，但F4 斷層角小于F3 斷層角，導致F4 的應(yīng)力峰值大于F3。

3.2 斷層區(qū)域煤層滲透率變化特征

煤層滲透率是煤體裂隙發(fā)育程度定量表征參數(shù)之一，也反映煤層瓦斯運移的難易程度[20]。基于前文分析得到斷層帶應(yīng)力分布特征，將其結(jié)果作用于具有孔隙結(jié)構(gòu)的煤巖基質(zhì)，通過多孔彈性接口耦合固體力學與多孔介質(zhì)流動，從而解算得到煤系斷層帶滲透率數(shù)值分布特征，如圖6 所示。

圖6 斷層帶滲透率分布特征Fig.6 Permeability distribution characteristics of fault zone

根據(jù)斷層帶滲透率分布特征(圖6)可知，斷層周邊煤層滲透率變化具有高度相似的特點，即斷層接觸面煤層滲透率減小，斷層面兩側(cè)上下盤煤層滲透率增大，遠離斷層面一定距離后的煤層滲透率趨于一致。煤系正斷層帶內(nèi)各斷層產(chǎn)狀不同，使得其煤層滲透率的最大、最小值也出現(xiàn)變化。

基于模擬結(jié)果，取4 條斷層面及臨近上下盤煤層的滲透率進行分析，如圖7 所示。

圖7 煤系正斷層帶煤層滲透率分布Fig.7 Permeability distribution in fault zone

由圖7 可知，煤系斷層帶滲透率總體變化處于4.59×10-17～5.87×10-17m2之間，結(jié)合模型中4 條正斷層物理幾何特性，各斷層下盤滲透率增量均大于上盤(F2 斷層角為負，上盤在左，下盤在右)，斷層帶內(nèi)煤層滲透率變化受有效應(yīng)力控制：即有效應(yīng)力大，煤層滲透率低；有效應(yīng)力低，煤層滲透率大。

由于煤層滲透率受有效應(yīng)力控制作用，根據(jù)應(yīng)力分布特征模擬結(jié)果，斷層應(yīng)力峰值均集中在斷層接觸面，較高的應(yīng)力致使煤體擠壓，改變其孔隙分布，導致孔隙率減小，進而致使煤層滲透性降低。同時，斷層面的應(yīng)力集中導致其他區(qū)域應(yīng)力重新分布，尤其是在斷層面臨近上下盤煤層的端點區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力降，有效應(yīng)力的減小致使斷層上下盤區(qū)域煤層滲透率增大。

4 煤系正斷層帶瓦斯運移規(guī)律

4.1 正斷層帶瓦斯?jié)舛确植继卣?/h3>

瓦斯作為一種特殊流體，通常以游離和吸附狀態(tài)存在于煤巖中[21]。煤體作為具有雙重孔裂隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)，其內(nèi)部固體骨架為瓦斯分子吸附、附著源，孔裂隙結(jié)構(gòu)提供給瓦斯運移通道。由于煤系正斷層帶區(qū)域力學環(huán)境發(fā)生變化以及斷層裂隙的逸散作用為原本均勻賦存的煤層瓦斯提供擴散空間，不均勻瓦斯?jié)舛瘸蔀轵?qū)動力促使煤層瓦斯進行二次運移和重新聚集。通過多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞和達西定律的流動耦合，模擬煤層瓦斯在正斷層帶形成后瓦斯運移狀態(tài)和濃度分布情況，為避免贅述，選取瓦斯?jié)舛忍荻茸兓^大的時間節(jié)點(以年為單位)瓦斯?jié)舛确植荚茍D作以展示，如圖8 所示。

如圖8a 所示，瓦斯分子在初始條件設(shè)定下呈現(xiàn)自由分布狀態(tài)，受斷層應(yīng)力集中影響，斷層帶內(nèi)部煤層孔隙率發(fā)生大幅度改變，瓦斯氣體基于煤基質(zhì)孔隙變化呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，左右邊界斷塊受到通量邊界濃度控制，瓦斯分子可與外界進行質(zhì)量交換，瓦斯?jié)舛确植驾^為均勻。

圖8 斷層帶內(nèi)煤層瓦斯運移濃度分布Fig.8 Concentration distribution of coal seam gas migration in fault zone

時間為1 年時(圖8b)，總體瓦斯?jié)舛茸兓^大，模型內(nèi)部測點的瓦斯?jié)舛茸畲笾涤?.13 mol/m3降低到3.65 mol/m3，各區(qū)域瓦斯?jié)舛瘸氏陆第厔荩咚節(jié)舛确植汲霈F(xiàn)明顯聚集特征，并且斷層帶內(nèi)部各斷塊的瓦斯?jié)舛却笥谕獠窟吔鐢鄩K。

時間為2 年時(圖8c)，模型內(nèi)部測點的瓦斯?jié)舛茸畲笾到档偷?.28 mol/m3，降低速度減緩，斷層帶內(nèi)部瓦斯分布規(guī)律不變，但瓦斯?jié)舛燃袇^(qū)域范圍出現(xiàn)明顯的縮小。

此后，隨時間增加斷層帶區(qū)域瓦斯?jié)舛炔粩嘟档停傮w降低幅度減小，當時間為20 年時(圖8f)，各區(qū)域的瓦斯?jié)舛确植疾辉僮兓烧J為煤系斷層影響下的瓦斯運移重新達到二次平衡，煤層瓦斯最終分布為斷層帶內(nèi)部瓦斯?jié)舛蕊@著低于斷層帶外部，但在斷塊內(nèi)部仍有部分瓦斯聚集。

4.2 斷塊內(nèi)部瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

對煤系斷層帶切割形成的5 組斷塊的平均濃度變化進行取值分析，如圖9 所示。

由圖9 可知，左右邊界斷塊初始瓦斯?jié)舛绕骄禐?.98 mol/m3，降低速度較緩，瓦斯?jié)舛绕骄到档?.45 mol/m3。這是由于斷層帶內(nèi)部斷塊受兩側(cè)組合斷層的多重控制作用，加強瓦斯在垂直方向的逸散能力，而邊界斷塊僅有一側(cè)受到斷層控制作用，加之濃度邊界條件的設(shè)定，使其具備相對較好的瓦斯富集條件。

圖9 正斷層斷塊內(nèi)瓦斯平均濃度變化Fig.9 Average concentration variation of coal seam gas

地塹、地壘和階梯狀斷層內(nèi)部的瓦斯?jié)舛冉档退俾氏鄬^快，平均降低1.73 mol/m3。其中，地壘構(gòu)造瓦斯?jié)舛冉档退俾事孕∮谄渌麛鄩K，這是由于地壘構(gòu)造處于斷層帶內(nèi)部，受集中應(yīng)力作用相對較小，F(xiàn)2、F3 斷層對瓦斯運移阻隔作用小，加之地壘構(gòu)造垂直方向略高，有利于升浮的瓦斯運移補充。經(jīng)歷20 年的瓦斯運移后，各斷塊瓦斯?jié)舛认鄬Ψ€(wěn)定，斷層帶內(nèi)部斷塊(地塹、地壘、階梯狀斷層)瓦斯?jié)舛刃∮趦蓚?cè)邊界斷塊。

4.3 斷層面瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

對前5 年模擬時間內(nèi)斷層面的瓦斯?jié)舛茸兓闆r進一步分析，如圖10 所示。

圖10 斷層面瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.10 Gas concentration change on fault plane

由圖10 可知，4 條斷層面的初始瓦斯?jié)舛却笮∫来螢椋篎3、F4、F1、F2，隨時間增加瓦斯?jié)舛戎饾u減小。其中，F(xiàn)2 斷層面瓦斯?jié)舛茸兓敌∮谄渌? 組斷層面，時間為1 年時，地塹和地壘內(nèi)部瓦斯?jié)舛容^高，如圖8b 所示，F(xiàn)2 斷層面上瓦斯?jié)舛纫策_到1.75 mol/m3，表明瓦斯可以通過F2 斷層面在兩組斷塊之間運移，說明斷層面對瓦斯運移的影響程度具有相對性。

隨時間增加，瓦斯通過斷層裂隙通道向外逸散，各斷層面瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)不同程度的降低，此時各斷塊內(nèi)部的瓦斯難以運移通過斷層面，如圖8c—圖8f 所示。模擬結(jié)果表明，斷層對瓦斯在水平方向運移產(chǎn)生一定的阻隔作用，其受煤巖自身物理性質(zhì)和煤層瓦斯?jié)舛忍荻扔绊憽?/p>

5 現(xiàn)場瓦斯分布驗證

5.1 煤層瓦斯含量分布特征

根據(jù)GB/T 23250-2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》進行現(xiàn)場瓦斯含量測定[22]，基于巷道掘進時期瓦斯涌出量監(jiān)測，在距離終采線150～400 m 的區(qū)域(煤系斷層帶所處區(qū)域)布置8 組井下瓦斯地質(zhì)鉆孔，其鉆孔方向垂直于煤壁，孔深超過20 m，孔徑42 mm，1-3 號鉆孔位于斷層帶左側(cè)，4-6 號鉆孔位于斷層帶內(nèi)部，7-8 號鉆孔位于斷層帶右側(cè)。采用DGC 型瓦斯含量直接測定裝置，對研究區(qū)域的煤層原始瓦斯含量進行測定，結(jié)果見表3。

由表3 可知，研究區(qū)域的煤層瓦斯含量處于2.376 8～4.680 6 m3/t，煤系斷層帶影響下的煤層瓦斯含量表現(xiàn)出明顯的不均衡性。根據(jù)魏國營等[23]提出的瓦斯富集區(qū)定義：同高程同一煤層瓦斯含量高于周邊20%以上的局部區(qū)域，也認為是煤層瓦斯富集區(qū)。研究區(qū)域的煤系斷層帶左右兩側(cè)瓦斯含量分別高于斷層帶內(nèi)部臨近測點51.1%和96.9%，形成2 處瓦斯富集區(qū)域。

表3 煤層瓦斯含量測定結(jié)果Table 3 Gas content measurement results of coal seam

為將實測瓦斯含量與模擬瓦斯?jié)舛冉Y(jié)合對比，以4 條斷層實際位置為控制點，分別選取斷層面、斷塊中心及邊界斷層對應(yīng)點的瓦斯?jié)舛?，綜合繪制煤系斷層帶瓦斯分布曲線，如圖11 所示。

由圖11 可知，瓦斯在煤系斷層帶外部兩側(cè)形成瓦斯富集區(qū)域，且呈現(xiàn)為“駝峰狀”。煤系斷層帶內(nèi)各斷層之間瓦斯含量低，但隨著臨近兩斷層之間距離的增加而增大，斷層帶內(nèi)瓦斯含量平均值為2.592 1 m3/t；斷層帶外部兩側(cè)10～20 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)瓦斯含量峰值，其瓦斯含量平均值為4.480 2 m3/t；但隨著測點與斷層帶距離增加，瓦斯含量呈下降趨勢。

由圖11 中模擬瓦斯?jié)舛确植记€可看出，斷層面的瓦斯?jié)舛葹榫植孔钚≈?，斷塊之間的瓦斯?jié)舛葹榫植糠逯?，煤系斷層帶兩?cè)瓦斯?jié)舛茸畲?。整體而言，斷層帶內(nèi)部測點瓦斯?jié)舛茸畲?、最小值依次增加，與實測數(shù)據(jù)在不同斷層斷塊內(nèi)部變化趨勢相同，表明了數(shù)值模擬的可行性。

圖11 煤系斷層帶瓦斯分布曲線Fig.11 Gas distribution curves of coal measure fault zone

斷層面出現(xiàn)瓦斯?jié)舛染植孔钚≈?，是由于斷層裂隙在豎直方向為煤層瓦斯逸散提供了有利條件，當整體瓦斯?jié)舛冉档蜁r，斷層在水平方向?qū)ν咚棺韪糇饔迷鰪?，其他區(qū)域瓦斯難以運移到裂隙出口向外逸散，斷層面與斷塊中心的瓦斯體積分數(shù)差值均高于20 %，可認為斷層之間形成小型瓦斯富集區(qū)域。總體而言，煤系正斷層帶的形成增大了瓦斯在斷層帶內(nèi)部的逸散能力，但多條正斷層在局部區(qū)域的組合又增強了對煤層瓦斯在水平方向的阻隔作用，從而在煤系正斷層帶兩側(cè)形成瓦斯含量差值更高的瓦斯富集區(qū)域。

5.2 回采時期工作面瓦斯涌出特征

收集了回采期間過斷層帶區(qū)域回風巷道瓦斯體積分數(shù)及工作面配風量數(shù)據(jù)，繪制過煤系斷層帶瓦斯涌出曲線，如圖12 所示。回采期間巷道瓦斯涌出呈現(xiàn)出“兩高一低”的規(guī)律，即回采斷層帶前和過斷層帶后瓦斯涌出量相對較高，其平均瓦斯體積分數(shù)為0.454 9%，在回采斷層帶內(nèi)部期間瓦斯涌出量相對較低，其平均瓦斯體積分數(shù)為0.224 0%，在斷層帶內(nèi)部隨斷層之間距離的增加，瓦斯涌出也呈上升趨勢。

圖12 回采期間工作面瓦斯涌出量特征曲線Fig.12 Gas emission characteristic curve of working face during mining

在F4 斷層之前，煤層回采的瓦斯涌出量監(jiān)測曲線出現(xiàn)了驟降，這是由于礦方根據(jù)井下瓦斯含量測定結(jié)果及規(guī)律，在煤系斷層帶左側(cè)的瓦斯富集區(qū)域預(yù)先布置了抽采鉆孔，在斷層帶左側(cè)前50 m 的范圍內(nèi)布置順層鉆孔和高位鉆孔，對煤層瓦斯進行預(yù)防性的局部抽采。

通過對比煤系斷層帶兩側(cè)瓦斯富集區(qū)回采期間的瓦斯涌出量，可以明顯看出預(yù)抽區(qū)域瓦斯涌出量低于未抽采區(qū)域，表明針對煤系斷層帶瓦斯富集區(qū)域的精準抽采可以有效降低回采期間的瓦斯涌出量，抑制瓦斯災(zāi)害風險。除此之外，回采過煤系斷層帶期間的瓦斯涌出規(guī)律，與瓦斯含量、瓦斯?jié)舛惹€變化規(guī)律基本一致。

5.3 結(jié)果與討論

基于渭北煤田區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化、正斷層帶構(gòu)造特征、數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測等理論數(shù)據(jù)的分析研究，認為煤系正斷層帶受區(qū)域構(gòu)造條件以及大中型拉張構(gòu)造逐級控制，煤巖復合的物理力學性質(zhì)使其更易受到構(gòu)造應(yīng)力破壞，從而在局部發(fā)育出多條正斷層，組合形成煤系正斷層帶。煤巖斷裂之初，由于正斷層受水平張力和剪切應(yīng)力作用，斷層封閉程度較低，且煤系斷層帶內(nèi)部各斷層相互影響，致使斷層帶內(nèi)煤巖裂隙較為發(fā)育，成為瓦斯運移優(yōu)勢通道，原始煤層中聚集的瓦斯在濃度梯度驅(qū)使下大量逸散，極大降低瓦斯含量。

同時，重新分布的應(yīng)力致使煤層滲透特性發(fā)生改變，尤其是煤層斷層面上應(yīng)力集中、滲透率降低，一定程度阻隔瓦斯在斷層帶內(nèi)部水平方向上的運移。多條斷層阻隔作用的疊加使得外部瓦斯難以補充到斷層帶內(nèi)，導致斷層帶內(nèi)部瓦斯含量低于斷層帶外部。煤系正斷層帶形成之后，受上覆巖層沉積作用，發(fā)育的裂隙逐漸被壓實，蝕變礦物組成的斷層泥沉積在斷層帶內(nèi)，固結(jié)成巖的斷層泥一定程度上提高斷層垂向封閉性。

斷層一般與褶曲相互關(guān)聯(lián)，煤系正斷層帶常易出現(xiàn)在背斜的軸部，受瓦斯氣體上浮和背斜高差影響，其他區(qū)域產(chǎn)生的瓦斯沿煤層向背斜頂部運移，而煤系斷層帶發(fā)育穩(wěn)定后封閉性提高，拒絕新鮮瓦斯的補充，從而使得瓦斯容易積聚在斷層帶外部兩側(cè)，形成兩個新的瓦斯富集區(qū)域。雖然研究區(qū)域整體瓦斯含量較低，但當開采強度變大時，煤系斷層帶兩側(cè)發(fā)育的瓦斯富集區(qū)域就有可能成為煤礦瓦斯災(zāi)害易發(fā)、高發(fā)地區(qū)。

6 結(jié)論

a.煤系正斷層帶內(nèi)部煤層斷層面上出現(xiàn)應(yīng)力集中，巖層、煤層及各斷層面交匯點處產(chǎn)生應(yīng)力降，斷層之間應(yīng)力相互疊加，斷層產(chǎn)狀和斷層角為主要控制因素，斷層面滲透率相對減小，上下盤煤層滲透率相對增大，遠離煤系斷層帶后煤層滲透率趨于一致。

b.煤系正斷層在水平方向?qū)γ簩油咚惯\移產(chǎn)生阻隔作用，隨著時間增加，斷層帶區(qū)域整體瓦斯?jié)舛冉档?，但瓦斯在斷層斷塊中部及正斷層帶外側(cè)邊界表現(xiàn)出明顯的積聚特性。

c.煤系正斷層帶內(nèi)部煤層瓦斯分布表現(xiàn)出明顯的不均衡性，主要表現(xiàn)為斷層帶內(nèi)部瓦斯含量相對較低，斷層帶外部瓦斯含量增加，在煤系正斷層帶兩側(cè)形成瓦斯富集區(qū)域。

d.回采煤系正斷層帶前瓦斯涌出量高、回采期間瓦斯涌出量降低、回采過后瓦斯涌出量升高，通過預(yù)防性抽采可有效降低瓦斯涌出量，可以保證工作面安全高效生產(chǎn)。