礦井瓦斯單元劃分及其應(yīng)用

何 鑫，崔洪慶，2，3*，何 峰，王澤華

（1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454000；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室，河南焦作 454000；3.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層（頁巖）氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作 454000；4.河南能源集團(tuán)大眾煤礦，河南安陽 455000）

井工煤礦瓦斯災(zāi)害事故頻發(fā)，危害嚴(yán)重，瓦斯治理工作任重道遠(yuǎn)。不同地域、不同區(qū)塊，瓦斯賦存情況各異，其生成、逸散也呈現(xiàn)不同的特征。因此，傳統(tǒng)的瓦斯治理方法很難做到“放之四海而皆準(zhǔn)”，只有根據(jù)各區(qū)域?qū)嶋H的瓦斯賦存條件及特征來制定相應(yīng)的最優(yōu)措施。由此可見，采區(qū)瓦斯單元劃分是開展煤層瓦斯參數(shù)觀測點合理布設(shè)、突出危險性預(yù)測和瓦斯抽采工程以及一切瓦斯災(zāi)害防治工作的先決條件。

1 現(xiàn)行區(qū)劃方法及存在的問題

瓦斯依存于煤體，瓦斯賦存條件與煤體沉積環(huán)境的探究密不可分。研究表明，煤層中瓦斯富集程度以及突出危險區(qū)域的分布主要受地質(zhì)條件尤其是構(gòu)造控制［1］。

為預(yù)防和控制煤與瓦斯突出及其他事故的發(fā)生，我國相繼頒布實施了《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》等一系列行業(yè)法規(guī)，明確提出，“在開拓新水平、新采區(qū)或者采深增加超過50m，或者進(jìn)入新的地質(zhì)單元時，應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行突出煤層危險性鑒定”；“同一地質(zhì)單元內(nèi)，突出點和具有明顯突出預(yù)兆的位置以上20m（垂深）及以下的范圍為突出危險區(qū)”；“測定煤層瓦斯壓力、瓦斯含量等參數(shù)的測試點在不同地質(zhì)單元內(nèi)根據(jù)其范圍、地質(zhì)復(fù)雜程度等實際情況和條件分別布置；同一地質(zhì)單元內(nèi)沿煤層走向布置測試點不少于2 個，沿傾向不少于3 個，并確保在預(yù)測范圍內(nèi)埋深最大及標(biāo)高最低的部位有測試點”［2］。

法規(guī)中屢次提及的“地質(zhì)單元”，是指同一層位瓦斯地質(zhì)條件相同或者相似的區(qū)域（塊段）。生產(chǎn)實際中，通常將斷層的同盤或褶曲同翼而煤層賦存、煤質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造特點相近的區(qū)域作為同一地質(zhì)單元來考慮［3］。

目前常用的區(qū)域劃分方法包括地質(zhì)單元法和瓦斯地質(zhì)單元法。

（1）地質(zhì)單元法

就煤田地質(zhì)研究而言，有時依據(jù)地層進(jìn)行地質(zhì)單元劃分，例如將連續(xù)沉積的一層煤或一組煤層及其頂?shù)装鍘r層統(tǒng)一劃分為一個地質(zhì)單元，稱為某煤層、某煤組等；有時以構(gòu)造為主要因素來劃分，稱為某單斜構(gòu)造、某向斜構(gòu)造或某斷裂構(gòu)造等。

在同一對礦井中，即使開采同一煤層，也可能包含具有不同突出危險程度的多個特殊區(qū)域；不同的采區(qū)或工作面，瓦斯致災(zāi)危險性既可能相近，也可能差異明顯。因此，單純地從地質(zhì)學(xué)角度進(jìn)行區(qū)域劃分對于突出危險性預(yù)測和瓦斯災(zāi)害防治等工作指導(dǎo)意義十分有限。

（2）瓦斯地質(zhì)單元法

在瓦斯地質(zhì)研究中，一般是通過分析影響煤層瓦斯賦存的地質(zhì)因素，預(yù)測煤層瓦斯災(zāi)害危險性，并把具有不同突出危險性的區(qū)域稱為瓦斯地質(zhì)單元，所以瓦斯地質(zhì)單元也可以稱為突出危險性單元。而三級瓦斯地質(zhì)研究指礦區(qū)級、礦井級、工作面級，并未對采區(qū)級瓦斯地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析和區(qū)劃。

1995 年，曹運興首次提出依據(jù)構(gòu)造煤和瓦斯分布劃分瓦斯地質(zhì)單元［4］。在瓦斯地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，彭立世等人建立瓦斯地質(zhì)區(qū)劃論，認(rèn)為突出區(qū)、帶、點的控制條件是有區(qū)別的，即瓦斯突出具有分級控制的特點，并提出瓦斯地質(zhì)單元法作為瓦斯地質(zhì)研究的工作方法［5］。楊陸武等將地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯和構(gòu)造煤等定量指標(biāo)組合，劃出具有突出危險性的區(qū)、帶、點［6］。2013 年，湯海林等人提出將4 項單項指標(biāo)作為點數(shù)據(jù)，結(jié)合瓦斯地質(zhì)理論進(jìn)行區(qū)域劃分［7］。

由此可見，采區(qū)瓦斯地質(zhì)單元區(qū)劃的重點是瓦斯參數(shù)和構(gòu)造煤，瓦斯參數(shù)反映了瓦斯含量和瓦斯壓力的分布情況，而構(gòu)造煤的分布特征則可以反映地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等因素（表1）。

表1 瓦斯地質(zhì)單元類型Table 1 Types of gas geological units

瓦斯地質(zhì)單元的劃分有單因素法、多因素綜合法等。單因素法是依據(jù)瓦斯壓力、瓦斯含量、煤厚等單一瓦斯或地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行單元劃分，適用于煤層厚度較小、局部構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域；多因素綜合法則是依據(jù)多個瓦斯地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行綜合性的單元劃分，適合在煤與瓦斯突出嚴(yán)重及高瓦斯礦井中應(yīng)用。

在前人的研究中，一般認(rèn)為突出是地應(yīng)力、瓦斯及煤的物理力學(xué)性質(zhì)共同作用的結(jié)果，瓦斯地質(zhì)單元法僅從構(gòu)造煤類型和瓦斯?jié)舛葋砗饬恳粋€區(qū)域是否具有突出危險性則有失偏頗。其次，單因素和多因素綜合劃分法都基于大量的瓦斯地質(zhì)參數(shù)。而對只有少量數(shù)據(jù)或缺少瓦斯地質(zhì)資料的新建礦井和新開拓采區(qū)，此類方法難以滿足瓦斯治理工程要求。單元劃分特別是采區(qū)級瓦斯地質(zhì)單元劃分，缺乏可靠的模式和固定的指標(biāo)［8］，一定程度上制約了瓦斯地質(zhì)單元劃分原則的建立。

無論是地質(zhì)單元法或瓦斯地質(zhì)單元法，都側(cè)重于地質(zhì)構(gòu)造上的差異性，對開展瓦斯治理工作適用性有限；在采區(qū)突出危險性預(yù)測中，可能存在未消突的區(qū)域評價為消突區(qū)域而造成安全隱患，也可能無意義地增加防突工程量、延長抽采周期，造成采掘接替緊張。

采區(qū)瓦斯地質(zhì)單元區(qū)劃的目的不應(yīng)局限于突出危險性的預(yù)測，而是要從瓦斯的生、儲、運等方面進(jìn)行分析，即同一單元中的瓦斯賦存條件要一致或接近。為滿足突出預(yù)測中瓦斯參數(shù)測量點的合理布設(shè)、瓦斯災(zāi)害防治措施的準(zhǔn)確有效的要求，基于瓦斯賦存構(gòu)造逐級控制論和瓦斯地質(zhì)區(qū)劃論，將礦井（采區(qū)）中地層地質(zhì)條件相同、瓦斯賦存影響因素相近、瓦斯分布特征相似的區(qū)域劃分為一個“瓦斯單元”。

2 瓦斯單元劃分

2.1 瓦斯賦存的影響因素

瓦斯是地質(zhì)作用下的產(chǎn)物，煤層瓦斯的賦存狀態(tài)是含煤地層在經(jīng)歷了復(fù)雜地質(zhì)作用后演化而成［9］，其生成、存儲、運移、逸散條件受地質(zhì)作用的綜合控制。影響瓦斯賦存的因素可分為地質(zhì)因素與煤體物理特性，前者決定瓦斯的存儲規(guī)律和逸散條件，后者則影響瓦斯的生成和在煤體內(nèi)運移的能力。

2.1.1 地質(zhì)因素

（1）地質(zhì)構(gòu)造

構(gòu)造對含煤盆地演化具有控制作用，進(jìn)而影響瓦斯的生成和分布［10］。褶皺、節(jié)理及斷層等構(gòu)造對瓦斯賦存特征有著重要影響。如處于褶曲軸部與兩翼的煤層瓦斯差異明顯；褶曲傾角不同也會對瓦斯賦存產(chǎn)生很大影響；斷層上盤與下盤瓦斯參數(shù)差別很大；部分?jǐn)鄬蛹鉁缍嗣簩悠茐?，煤體強(qiáng)度變低，瓦斯含量變化顯著。因而，不同構(gòu)造類型、不同構(gòu)造尺度、不同構(gòu)造部位，對瓦斯賦存的控制范圍和影響程度也不相同［11］。即地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存具有逐級控制的特征。

不同的構(gòu)造形態(tài)對瓦斯的集聚和儲存起著關(guān)鍵作用，其構(gòu)造形式大致可分為以下三類：

1）封閉型構(gòu)造：壓性或扭性構(gòu)造，容易形成構(gòu)造軟煤封閉區(qū)，有很大的瓦斯?jié)撃?，是瓦斯賦存的主要場所。

2）開放型構(gòu)造：在張應(yīng)力作用下形成的構(gòu)造，利于瓦斯的排放作用。

3）半開放半封閉構(gòu)造：同時受到壓性和張應(yīng)力作用形成的構(gòu)造，具有一定的瓦斯?jié)撃埽钟幸欢ǖ膶?dǎo)水性。

由于開采程度的不斷變化，構(gòu)造的開放性或封閉性也并非絕對，隨著煤層的揭露或巷道的掘進(jìn)，其構(gòu)造形態(tài)也會發(fā)生轉(zhuǎn)化，甚至?xí)虿蓜佑绊懺跀鄬拥膬杀P發(fā)生突變。

構(gòu)造類型是區(qū)域劃分的首要因素［12］，斷層走向的不同表征了各構(gòu)造期構(gòu)造強(qiáng)度和應(yīng)力方向的差異［13］。我國煤礦區(qū)斷層分布廣泛且多為封閉性斷層，其壓性、壓扭性和不導(dǎo)水性斷層與煤層接觸的對盤巖層透氣性差，能夠有效隔絕瓦斯逸散，瓦斯封存條件整體較好。

如：鶴崗煤田19次煤與瓦斯突出均發(fā)生在斷層構(gòu)造附近［14］，最大一次突出發(fā)生在新興煤礦，為NW向斷層與巖漿活動綜合作用所致。根據(jù)鶴崗煤田區(qū)域構(gòu)造演化、瓦斯賦存特征以及地應(yīng)力分布規(guī)律，將鶴崗煤田劃分為3 個高突瓦斯區(qū)和1 個低突瓦斯區(qū)［15］。

（2）地應(yīng)力

地應(yīng)力對瓦斯賦存影響顯著，瓦斯在地層中的運移受控于地應(yīng)力（表2）。2010 年，蘭天偉等人基于地質(zhì)動力區(qū)劃法和板塊構(gòu)造學(xué)說，采用多因素模式識別概率預(yù)測法劃分研究范圍內(nèi)的危險區(qū)域，地質(zhì)動力區(qū)劃論開始廣泛應(yīng)用于礦井瓦斯地質(zhì)分析中來［16］。如淮南煤田處于板塊交匯的凹地區(qū)域，地應(yīng)力對瓦斯賦存控制作用顯著，郯廬斷裂帶和大別山弧形構(gòu)造帶組成了應(yīng)力集中區(qū)，直接造成淮南礦區(qū)瓦斯含量高、煤與瓦斯突出事故頻發(fā)［17-18］。

表2 全國典型煤礦區(qū)地應(yīng)力統(tǒng)計Table 2 Geostress statistics of typical coal mining areas in China

表3 古漢山礦主要斷層統(tǒng)計Table 3 Statistics of major faults in Guhanshan mine

我國煤礦區(qū)地應(yīng)力普遍較高，且隨著煤炭開采向深部延伸，地應(yīng)力也越來越大；雖然受高應(yīng)力的擠壓剪切作用而產(chǎn)生大量新的節(jié)理和裂隙，但在煤層應(yīng)力集中區(qū)域會有更多的裂隙被封閉，引起瓦斯的集聚。

（3）埋深（上覆基巖厚度）

埋深是影響瓦斯的主要因素。隨著上覆基巖厚度的增加，瓦斯向地表運移的距離增大，阻隔作用增強(qiáng)，有利于瓦斯封存。通常情況下，瓦斯風(fēng)化帶下方瓦斯含量會隨著上覆基巖厚度的增大而增大。如長虹礦二1煤層瓦斯分布受煤層露頭、斷層等影響，造成不同區(qū)域瓦斯分布的差異性，由此劃分為3個瓦斯地質(zhì)單元［19］。新安礦依據(jù)埋深劃分為第一水平和第二水平兩大瓦斯地質(zhì)單元［20］。

（4）頂?shù)装鍘r性（圍巖透氣性）

頂?shù)装鍘r性在瓦斯封存中的作用是滲透性不同，圍巖的透氣性不僅體現(xiàn)在瓦斯向地表運移的阻隔性，也表現(xiàn)為不同傾向地層、構(gòu)造影響下瓦斯水平運移能力的差異。不同巖性地層力學(xué)性質(zhì)不同，在構(gòu)造應(yīng)力作用下裂隙發(fā)育程度大相徑庭［21］，以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主的頂?shù)装?，透氣性較差，對瓦斯封蓋能力較強(qiáng)。

（5）水文地質(zhì)

地下水對瓦斯的運移具有明顯的控制作用，主要體現(xiàn)在侵占作用、封閉作用或運移作用［22］。在實際工作中，須考慮地表徑流、地下水補(bǔ)給情況、各含水層之間的聯(lián)系、隔水層的滲透性等。通常情況下，富水性弱、流動性差或受構(gòu)造影響形成水封閉圈的，對瓦斯的封存效果較好。如韓城礦受斷層及花崗巖體的阻隔作用，以楊山莊、文家?guī)X為界，分為兩個水文地質(zhì)區(qū)［23］。

2.1.2 煤體物理特性

煤質(zhì)特征既體現(xiàn)了煤層中瓦斯的富集程度，也反映了煤體抵抗應(yīng)力破壞的難易程度。

（1）變質(zhì)程度

變質(zhì)程度主要通過煤體瓦斯生成量及煤吸附能力來影響煤層瓦斯含量。作為瓦斯吸附體，變質(zhì)程度越高其瓦斯生成量越多；其吸附甲烷能力也隨變質(zhì)程度增加而增強(qiáng)。我國煤的變質(zhì)程度多受深成變質(zhì)作用控制，即隨埋藏深度的增大而增加，揮發(fā)分在垂直方向上趨勢是向下變低［24］。

根據(jù)河南省和貴州省煤礦區(qū)同一埋深范圍內(nèi)（400～700m）煤層瓦斯含量統(tǒng)計可知，變質(zhì)程度整體與瓦斯含量呈正相關(guān)，中低變質(zhì)煤階段瓦斯含量隨變質(zhì)程度穩(wěn)定上升，高變質(zhì)煤瓦斯含量總體高于中低變質(zhì)煤，但高變質(zhì)煤階段瓦斯含量與變質(zhì)程度關(guān)系不明顯。

（2）煤厚

煤體屬于高密實低滲透性巖層，上下分層對中分層具有較強(qiáng)的封蓋作用，中分層瓦斯向頂?shù)装鍞U(kuò)散的路徑越長、阻力越大，越利于瓦斯封存。厚煤帶通常也是瓦斯富集帶，尤其是煤厚變化大的區(qū)域，極易造成瓦斯的局部不均衡分布，誘發(fā)瓦斯災(zāi)害。

（3）煤層傾角

瓦斯含量與煤層傾角具有一定的相關(guān)性。由于瓦斯沿垂直方向流動較水平方向容易，也就是說煤層傾角越小瓦斯含量越高［25］。

通過對河南省和貴州省煤礦瓦斯賦存規(guī)律的調(diào)研分析，認(rèn)為影響瓦斯富集程度的主導(dǎo)因素如下：

地質(zhì)因素（埋深＞地質(zhì)構(gòu)造＞地應(yīng)力＞頂?shù)装鍘r性＞水文地質(zhì)）對瓦斯賦存的影響總體高于煤體物理特性（變質(zhì)程度＞煤厚＞煤層傾角），采區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造越復(fù)雜，局部瓦斯變化也越大。然而，各煤礦區(qū)地質(zhì)背景不同，這些影響因素在同一采區(qū)不同區(qū)塊內(nèi)對瓦斯賦存的具體作用也不能一概而論。

2.2 瓦斯單元劃分方法

我國煤礦采區(qū)多在同一水平，區(qū)域內(nèi)開采深度變化不大，故在進(jìn)行單元劃分時，埋深不作為主要因素考量。其次，瓦斯單元的劃分一般在同一礦井中，研究范圍內(nèi)板塊交合較少、大型斷層有限、煤質(zhì)相近或相同。由此，將瓦斯賦存的影響因素調(diào)整為瓦斯逸散的影響因素，即構(gòu)造形態(tài)＞地應(yīng)力＞頂?shù)装鍘r性＞水文地質(zhì)＞煤厚＞煤層傾角。

礦井或采區(qū)范圍內(nèi)劃分瓦斯單元時應(yīng)以瓦斯地質(zhì)區(qū)劃論為依據(jù)，采用“主導(dǎo)因素”的分析手段探究礦區(qū)地質(zhì)條件，辨明瓦斯賦存特征［26］。綜合評判斷層、褶曲、傾角等基本構(gòu)造因素，采用“構(gòu)造復(fù)雜程度系數(shù)”衡量其對瓦斯分布趨勢的控制作用。以瓦斯逸散影響因素作為劃定瓦斯單元邊界的條件［27］。工作流程如下：

1）依據(jù)煤層埋藏深度等值線圈定人為邊界；

2）選取斷層線、褶曲軸等作為自然邊界；

3）識別區(qū)域內(nèi)斷層優(yōu)勢發(fā)育方位和宏觀裂隙特征；

4）探究構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力的方向；

5）確定區(qū)域內(nèi)頂?shù)装鍘r性有無異常變化，分析其透氣性，定性分析瓦斯運移方式及規(guī)律；

6）考察水文特征、巖漿巖侵入等情況；

7）考察煤厚、傾角局部有無異常變化。

各礦區(qū)構(gòu)造類型、性質(zhì)、規(guī)模及密集程度各不相同，影響程度不能一概而論，尤其是水文因素的影響［28］，對瓦斯單元劃分成功與否具有“一票否決權(quán)”。實際工作中瓦斯地質(zhì)單元區(qū)劃不能千篇一律，更不能避重就輕，要對各要素進(jìn)行細(xì)致的探查和全面的剖析，并將瓦斯單元的劃分與礦區(qū)瓦斯地質(zhì)圖相結(jié)合［29］。

隨著采掘生產(chǎn)的推進(jìn)，構(gòu)造揭露逐漸清晰、地質(zhì)探明程度不斷提高，單元區(qū)劃也應(yīng)結(jié)合三維地震勘探等手段循序漸進(jìn)，進(jìn)而預(yù)測區(qū)域突出危險性或?qū)Τ椴晒こ踢M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 瓦斯單元劃分及應(yīng)用實例

本文以古漢山礦二1煤層為例，論述礦井瓦斯單元的劃分及應(yīng)用。

3.1 古漢山礦概況

古漢山礦地處河南省焦作市東北端，太行山東南麓。井田北以位村斷層、小鳳凹斷層和-300m 煤層底板等高線為界，南至油坊斷層和-1 000 m 煤層底板等高線，西到界碑?dāng)鄬?，東止古漢山斷層（圖1）。長11 km，寬2.3 km，面積25.63 km2。古漢山礦主采二1煤層，原始瓦斯含量4.01 ～28.2 m3/t，原始瓦斯壓力0.2 ～2.42 MPa，具有煤與瓦斯突出危險性。

圖1 古漢山礦地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Figure 1 Outline map of geological structure of Guhanshan mine

3.2 古漢山礦瓦斯單元劃分

斷層是影響古漢山礦瓦斯賦存最主要的地質(zhì)因素，礦區(qū)內(nèi)斷層數(shù)量眾多，且均為正斷層，走向多為EW 向及NE 向，傾角30 °～75 °。斷層附近地層中垂直節(jié)理發(fā)育，煤層頂板多有揉皺現(xiàn)象，局部還有層間滑動構(gòu)造。井田內(nèi)煤層總體表現(xiàn)為單斜構(gòu)造形態(tài)，但也有寬緩的波浪起伏，局部出現(xiàn)小褶曲，褶曲規(guī)模較小，向、背斜軸間距150m 左右，煤層頂板滑動面發(fā)育，使煤巖層強(qiáng)度降低，煤層開采條件一般。

通過對構(gòu)造形態(tài)的分析，以團(tuán)相斷層為界初步將古漢山井田二1煤層劃分為Ⅰ和Ⅱ兩個地質(zhì)單元（圖2）。

圖2 古漢山礦地質(zhì)單元區(qū)劃圖Figure 2 Geological unit zoning map of Guhanshan mine

單元I 位于團(tuán)相斷層上盤。團(tuán)相斷層和油坊斷層具有共同的上盤且相對下降，實際構(gòu)成了二1煤層地塹式構(gòu)造控制形態(tài)，煤層整體呈走向NNE 的單斜構(gòu)造。東北部為團(tuán)相斷層，落差135 m；西北部發(fā)育有位村斷層，落差190 m；東南部發(fā)育有油坊斷層，最大落差350 m；西南部發(fā)育有界碑?dāng)鄬?，最大落?35 m，為古漢山礦和鄰礦的分界線。

單元II 位于團(tuán)相斷層下盤。團(tuán)相斷層和古漢山斷層具有共同的下盤且相對上升，實際構(gòu)成了二1煤層地壘式構(gòu)造控制形態(tài)，煤層整體呈走向NE的單斜構(gòu)造。北部發(fā)育有古漢山斷層；西北部發(fā)育有小鳳凹斷層，落差40 m；東南部以-1 000 m 煤層底板等高線為界；西南部為團(tuán)相斷層。

3.3 瓦斯單元宏觀裂隙特征

在初步劃分的兩個地質(zhì)單元中，二1煤層的宏觀裂隙形態(tài)、發(fā)育規(guī)模、優(yōu)勢方位及其對煤層的破壞程度均呈現(xiàn)不同特征。

3.3.1 單元I的宏觀裂隙特征

1）煤層經(jīng)多次破壞，結(jié)構(gòu)紊亂，宏觀煤巖類型條帶狀結(jié)構(gòu)和割理構(gòu)造等原生煤層結(jié)構(gòu)已很難見到。

2）靠近頂?shù)装宸謩e發(fā)育構(gòu)造軟煤分層，均屬于順層破壞的產(chǎn)物。未見大型宏觀裂隙，軟煤分層多以碎粒煤、粉煤或糜棱煤形態(tài)出現(xiàn)，屬于Ⅳ或Ⅴ類高破壞煤體（圖3）。

圖3 靠近底板的構(gòu)造軟煤分層Figure 3 Structural soft coal stratification near the bottom

3）煤層中部以碎裂煤為主，宏觀裂隙十分發(fā)育，多為中低傾角次生剪節(jié)理。裂縫緊閉或被粉煤密實填充，采動影響下也很少出現(xiàn)明顯的裂縫開啟現(xiàn)象（圖4）。

圖4 低傾角次生剪節(jié)理Figure 4 Low dip secondary shear joints

4）發(fā)育多組宏觀裂隙，且具有多個優(yōu)勢發(fā)育方位。走向以NNE 或NWW 居多，傾向以SE 或SW 為主（圖5）。

圖5 地質(zhì)單元Ⅰ中煤層宏觀裂隙產(chǎn)狀特征Figure 5 Characteristics of macro fracture production in coal seam in geological unit I

3.3.2 單元Ⅱ的宏觀裂隙特征

1）煤層破壞程度較輕，可見宏觀煤巖類型條帶狀分布和煤層割理等原生構(gòu)造（圖6）。

圖6 原生構(gòu)造及次生節(jié)理Figure 6 Primary structure and secondary joints

2）靠近頂板位置發(fā)育有構(gòu)造軟煤分層，無底部軟煤分層。軟煤分層多以碎粒煤形態(tài)出現(xiàn)，屬于Ⅳ類破壞煤體（圖7）。

圖7 頂部的構(gòu)造軟煤分層Figure 7 Top structural soft coal stratification

3）煤層中下部以碎裂煤為主，高角度宏觀裂隙十分發(fā)育，以次生剪節(jié)理或破劈理為主。裂縫開啟或被粉煤松散填充，采動影響下可見裂縫開啟現(xiàn)象（圖8）。

圖8 中下部高角度宏觀裂隙構(gòu)造Figure 8 High angle macro fracture structure in middle and lower part

4）宏觀裂隙分組和優(yōu)勢發(fā)育方位明顯。走向NE，傾向以SE或SW為主（圖9）。

圖9 地質(zhì)單元Ⅱ中煤層宏觀裂隙產(chǎn)狀特征Figure 9 Characteristics of macro fracture production in coal seam in geological unit Ⅱ

3.4 煤層瓦斯優(yōu)勢滲流方向

研究表明，煤層及圍巖裂隙對煤層的滲透率具有明顯的控制作用［30-31］。當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方向與煤層裂隙優(yōu)勢發(fā)育方位一致時，裂隙面受拉張作用，有利于裂隙壁距的增大和滲透率的增高；而在最大主應(yīng)力方向與巖層優(yōu)勢裂隙發(fā)育方向垂直時，裂隙面受擠壓作用，裂隙壁距減小甚至閉合，滲透率降低（圖10）。其中，箭頭方向代表現(xiàn)代應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力方向，當(dāng)兩者夾角＜30°時，呈張性，利于構(gòu)造發(fā)育，裂隙導(dǎo)氣性良好；兩者夾角＞60°時，呈壓扭性，不利于構(gòu)造發(fā)育，裂隙封閉導(dǎo)氣性差。根據(jù)地應(yīng)力構(gòu)造形跡觀測成果，古漢山礦現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力方向為NE-EW。

圖10 裂隙優(yōu)勢發(fā)育方位與最大主應(yīng)力方向交角關(guān)系Figure 10 Relation of the intersection of dominant development orientation and maximum principal stress direction of fracture

單元I 中，煤層宏觀裂隙以中低傾角次生剪節(jié)理為主，并以走向NNE 或NWW 居多，傾向以SE 或SW 為主。應(yīng)力條件對走向NNE 向裂隙組開啟作用明顯，此方位裂隙對煤層滲透率貢獻(xiàn)最大，瓦斯優(yōu)勢滲流方向為NNE。由于煤層的低傾角節(jié)理發(fā)育，故地質(zhì)單元I中煤層水平方向滲透率較高。

單元II 中，煤層宏觀裂隙主要是高傾角節(jié)理或破劈理，并以走向NE，傾向SE 或SW 的宏觀裂隙為主。應(yīng)力場與NE 向裂隙優(yōu)勢發(fā)育方位小角度相交，有利于裂隙開啟，瓦斯優(yōu)勢滲流方向為NE。由于煤層宏觀裂隙以高傾角裂隙為主，故地質(zhì)單元II中煤層豎直方向滲透率較高。

在兩個瓦斯地質(zhì)單元中，煤層滲透性不僅在優(yōu)勢方位上不同，且滲透率大小也有所差異。具體表現(xiàn)如下：

1）單元I水平方向的煤層滲透性較好；

2）單元II豎直方向的煤層滲透性較好；

3）單元II 中的煤層滲透性明顯好于單元I 的煤層滲透性。

煤層滲透性存在明顯差異，除煤層破壞程度不同外，低滲透構(gòu)造軟煤分層的發(fā)育程度及分布特征也不相同，煤層宏觀裂隙發(fā)育特征不同。

地質(zhì)單元II內(nèi)煤層宏觀裂隙多為高傾角的剪節(jié)理和破劈理，宏觀裂隙優(yōu)勢發(fā)育方位更加明顯，開啟的或松散填充的大型宏觀裂隙比較發(fā)育，在采動影響下，裂縫開啟現(xiàn)象也比較明顯，更有利于煤層運移；而地質(zhì)單元I 內(nèi)煤層宏觀裂隙多為中低傾角的剪節(jié)理，裂縫閉合緊密或填充密實，采動影響下也難以開啟，因而不利于煤層滲透率的增加。

3.5 瓦斯抽采優(yōu)化及成效

古漢山礦二1煤層劃分為Ⅰ和Ⅱ兩個不同的瓦斯地質(zhì)單元。煤層瓦斯參數(shù)的測定，應(yīng)對不同的單元分別進(jìn)行，瓦斯治理工程也應(yīng)依據(jù)各自的瓦斯參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)計。

1）瓦斯地質(zhì)單元Ⅰ中，穿層鉆孔可能連通較多的宏觀裂隙；同時應(yīng)加強(qiáng)煤層增透和瓦斯抽采力度，方能取得較好的抽采效果。

2）在瓦斯地質(zhì)單元II 中，垂直NE 方向，沿NW或SE方向?qū)嵤╉槍油咚钩椴摄@孔，能夠連通較多的宏觀裂隙；由于其煤質(zhì)滲透率較好，可適當(dāng)減少煤層瓦斯抽采工程，即可取得較好的煤層瓦斯抽采效果。

古漢山礦瓦斯抽采實踐表明，基于瓦斯地質(zhì)單元劃分所采取的抽采鉆孔優(yōu)化設(shè)計，使抽采濃度由11 %提高至19 %，抽采量由12 m3/t 提升至17 m3/t。減少工程量的同時大大提高了瓦斯抽采效率，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）煤礦（采區(qū)）瓦斯地質(zhì)單元的劃分是瓦斯災(zāi)害防治工作的基礎(chǔ)，同一礦區(qū)、同一地層中地質(zhì)條件相同、瓦斯賦存影響因素相近、瓦斯分布特征相似的區(qū)域可劃分為一個瓦斯地質(zhì)單元。依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)、煤厚、煤層傾角等因素劃分出的不同單元，能夠較好地反映煤層瓦斯賦存及逸散特征，可作為煤礦（采區(qū)）瓦斯抽采設(shè)計和煤與瓦斯突出危險性預(yù)測的基本單元。

2）不同的瓦斯地質(zhì)單元具有不同的宏觀裂隙發(fā)育特征，煤層瓦斯?jié)B透性以及煤層瓦斯優(yōu)勢滲流方向存在很大差異。因此，有必要對不同單元的瓦斯地質(zhì)參數(shù)分別測定，并開展分單元的瓦斯治理工程優(yōu)化設(shè)計，能夠取得較好的瓦斯治理效果。

瓦斯地質(zhì)單元區(qū)劃的研究和工程實踐表明，該方法理論依據(jù)扎實，防治瓦斯災(zāi)害成效顯著，在煤礦生產(chǎn)管理中具有很大的推廣應(yīng)用前景。