斷層封閉能力評(píng)價(jià)及其對(duì)煤層瓦斯賦存的影響

中圖分類(lèi)號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）20-0021-09

Abstract：Inordertostudythesealingabilityoffaultstocoalseamgasanddeeplyunderstandtherelationshipbetween faultsandcoal seamgasstorage，onthe basisofsummarizing the faultsealing mechanismproposedbypredecesors，a quantitativeevaluationmethodoffaultsealingabilityisproposedfromtheperspectivesofinteralstructureoffaultzoneand stressstateof section.Basedonengineering examples，theinfluenceoffaultsealingabilityongasocurrenceincoalmining faceisanalyzed.Theresearchshowsthatthefaultsealinghasacontrollingefectonthestorageandmigrationofcoal seam gas.Thegasemissonincreasedsignificantlyduringtheroadwayexcavationthroughtheclosedfault，andthegasemissionduring theopenfaultwassignificantlylowerthanthenormallevel.Thestudyoffaultsealingcapacityisofgreatsignificancefordeply understandingtheoccurenceandmigrationlawsofcoal seamgasandrefinedgasmanagementinfaultareas，andreducing the frequency of gas dynamic disasters.

Keywords：faultsealingablit;evaluationmethod;coalseamgasoccurrencelaw;gasdisasterpreventionandcontrol;faultstre

斷層是煤礦采掘工作面揭露過(guò)程中最常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造之一。受構(gòu)造應(yīng)力作用，斷層兩盤(pán)煤巖體發(fā)生相對(duì)位移，破壞了煤巖層結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。煤層作為瓦斯生成及賦存的主要場(chǎng)所，煤層中的斷層對(duì)瓦斯的賦存及運(yùn)移具有重要的影響作用。實(shí)踐表明，當(dāng)煤層中的斷層封閉能力好時(shí)，斷層對(duì)煤層瓦斯起阻礙作用，反之，當(dāng)斷層封閉能力差時(shí)，斷層成為瓦斯運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道?？茖W(xué)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)斷層的封閉能力對(duì)于深刻把握斷層區(qū)煤層瓦斯賦存規(guī)律，防范化解瓦斯事故具有重要的指導(dǎo)意義。

斷層封閉性的提出始自20世紀(jì)60年代初期2，此后眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并在油氣的勘探與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域開(kāi)展了大量的工程實(shí)踐。呂延防等3-5研究認(rèn)為斷層帶巖石壓實(shí)作用及成巖時(shí)間是影響斷層封閉能力的主要因素之一。童亨茂在構(gòu)造應(yīng)力與流體力學(xué)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了封閉系數(shù)的概念，肯定了地層中流體壓力對(duì)斷層封閉性的影響。趙密福等研究表明，斷層兩盤(pán)對(duì)接巖層的流體滲透性差異對(duì)斷層封閉能力具有重要的控制作用。付曉飛等[8、陳偉等從斷裂帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)評(píng)價(jià)斷層的封閉能力。根據(jù)前人的研究成果，影響斷層封閉能力的因素眾多，主要包括地層流體壓力、構(gòu)造應(yīng)力、兩盤(pán)巖石物性、泥巖涂抹、斷裂帶物理性質(zhì)、斷裂帶充填物膠結(jié)成巖作用和斷層賦存狀態(tài)等[6，10-13]，在生產(chǎn)實(shí)踐中主要通過(guò)計(jì)算斷層封閉系數(shù)斷層巖排替壓力[12]、斷層泥質(zhì)含量[14-15]、斷層連通概率[16-17等對(duì)斷層封閉能力做定量或者半定量的評(píng)價(jià)分析以上的斷層封閉能力評(píng)價(jià)方法，研究主要是針對(duì)常規(guī)油氣領(lǐng)域，而煤礦采掘活動(dòng)中的斷層對(duì)瓦斯的封閉能力分析以及斷層封閉能力對(duì)煤層瓦斯賦存影響的研究較少。因此，建立符合生產(chǎn)實(shí)際的斷層封閉性定量評(píng)價(jià)方法，深入認(rèn)識(shí)斷層區(qū)瓦斯賦存及運(yùn)移規(guī)律，對(duì)斷層區(qū)瓦斯的精細(xì)化管理，降低瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生頻率具有重要意義。筆者借鑒前人的研究成果，總結(jié)分析斷層封閉機(jī)理，提出一種斷層封閉煤層瓦斯的評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合工程實(shí)例探討了采煤工作面斷層封閉性對(duì)瓦斯賦存的影響。

1斷層封閉機(jī)理

1.1 斷層結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)野外實(shí)際揭露的斷層結(jié)構(gòu)，斷層不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的二維斷層平面，而由復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)體組成的斷裂帶。從斷裂帶中心向遠(yuǎn)離斷層方向觀察，可以看到斷裂帶包括破碎帶和誘導(dǎo)裂隙帶，之后逐漸過(guò)渡到原巖，如圖1所示。破碎帶直接承受了斷層形成期間，兩盤(pán)巖層相對(duì)位移過(guò)程中產(chǎn)生的巨大剪切、切削、研磨作用，宏觀上主要以糜棱巖、角礫巖的形式存在。誘導(dǎo)裂隙帶受到破碎帶應(yīng)力傳遞作用，產(chǎn)生大量的裂隙，宏觀上結(jié)構(gòu)較為完整，通常為碎裂形式的原巖，滲透性較好，容易形成流體運(yùn)移的通道8。然而，受斷層活動(dòng)強(qiáng)度以及斷層兩盤(pán)巖性差異的影響，斷層破碎帶和誘導(dǎo)裂隙帶發(fā)育的尺度不同，根據(jù)優(yōu)勢(shì)發(fā)育結(jié)構(gòu)，可將斷裂帶劃分為一元型、二元型以及三元型[8]。如圖2所示[18]。誘導(dǎo)裂隙帶一元型常見(jiàn)于脆性地層發(fā)育初期，斷距較小，斷層兩盤(pán)以脆性斷裂滑移為主。破碎帶一元型常見(jiàn)于塑性、半塑性地層，斷層兩盤(pán)巖石強(qiáng)度較低，兩盤(pán)拖曳作用明顯，誘導(dǎo)裂隙帶不發(fā)育或者發(fā)育較小。二元型和三元型常見(jiàn)于脆性斷層發(fā)育成熟期，常見(jiàn)于較大的斷裂帶。

1.2 斷層封閉機(jī)理

以煤層中的瓦斯為研究對(duì)象，斷層的封閉能力即指斷層對(duì)瓦斯的阻滯能力。根據(jù)瓦斯運(yùn)移方向，可將斷層封閉能力分為側(cè)向封閉及垂向封閉。側(cè)向封閉即阻滯瓦斯從上盤(pán)或者下盤(pán)的煤層向同一標(biāo)高的對(duì)側(cè)巖層的流動(dòng)；垂向封閉即阻滯煤層瓦斯通過(guò)斷裂帶向垂向不同標(biāo)高巖層的流動(dòng)。

1.2.1 側(cè)向封閉機(jī)理

當(dāng)斷層為誘導(dǎo)裂隙帶一元型時(shí)，由于誘導(dǎo)裂隙帶通常滲透性較好，斷層側(cè)向封閉能力主要與斷層兩盤(pán)巖層的對(duì)接關(guān)系有關(guān)，如圖3所示，當(dāng)與煤層對(duì)接的為滲透性差的巖層時(shí)，斷層側(cè)向封閉；當(dāng)與斷層對(duì)接的為滲透性好的巖層時(shí)，斷層側(cè)向開(kāi)啟，煤層瓦斯向?qū)颖P(pán)運(yùn)移。當(dāng)斷層為破碎帶一元型或者發(fā)育有斷層破碎帶的二元型、三元型時(shí)，斷層側(cè)向封閉能力與斷裂帶的排替壓力有關(guān)。排替壓力指瓦斯氣體通過(guò)斷裂帶運(yùn)移的最小壓力，當(dāng)煤層瓦斯壓力大于斷裂帶排替壓力時(shí)，斷層側(cè)向開(kāi)放，反之?dāng)鄬觽?cè)向封閉，如圖4所示。

1.2.2 垂向封閉機(jī)理

斷層垂向封閉能力與斷裂帶垂向排替壓力有關(guān)，斷裂帶垂向排替壓力受斷裂帶應(yīng)力、膠結(jié)充填等因素影響。當(dāng)斷層為壓性斷層時(shí)，斷層滑動(dòng)破碎帶在擠壓作用下伴生裂隙緊密閉合，此時(shí)斷層垂向封閉能力受到誘導(dǎo)裂隙帶控制，當(dāng)誘導(dǎo)裂隙帶未被壓實(shí)、充填或者膠結(jié)時(shí)，誘導(dǎo)裂隙帶滲透性好，成為瓦斯運(yùn)移的通道，反之，當(dāng)誘導(dǎo)裂隙長(zhǎng)期靜止時(shí)，受到壓實(shí)作用和膠結(jié)成巖作用，誘導(dǎo)裂隙帶垂向排替壓力逐漸增大，斷層垂向封閉能力也逐漸增強(qiáng)，如圖5所示。

2 斷層封閉性評(píng)價(jià)方法

根據(jù)前文可知，斷層封閉能力評(píng)價(jià)的本質(zhì)因素在于判斷煤層與斷裂帶巖石的排替壓力大小[19]。而斷裂帶的排替壓力主要與斷裂帶結(jié)構(gòu)以及斷層的受力狀態(tài)有關(guān)。因此從斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與斷面受力狀態(tài)2個(gè)角度出發(fā)，可以較為全面地對(duì)工作面斷層的封閉能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。具體評(píng)價(jià)過(guò)程如圖6所示。

2.1斷裂帶結(jié)構(gòu)封閉參數(shù)計(jì)算

2.1.1 對(duì)接封閉分析

根據(jù)上述分析，當(dāng)斷裂帶較薄且斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)斷層封閉性影響可以忽略不計(jì)時(shí)，斷層的封閉能力主要取決于側(cè)向封閉能力，而側(cè)向封閉能力受煤層對(duì)接盤(pán)的巖層性質(zhì)控制。當(dāng)煤層對(duì)接盤(pán)巖層為滲透率低、排替壓力高的巖層時(shí)，瓦斯橫向運(yùn)移受阻，具有良好的側(cè)向封閉性；當(dāng)煤層對(duì)接盤(pán)巖層為滲透率高、排替壓力低的巖層時(shí)，斷層不具有封閉性。目前分析斷層兩盤(pán)對(duì)接關(guān)系的方法主要是通過(guò)繪制“AIlan斷面圖”來(lái)較為直觀地表示斷層兩盤(pán)的巖層對(duì)接情況，進(jìn)而根據(jù)不同巖性的排替壓力來(lái)判斷斷層封閉能力[20]。對(duì)于煤礦采掘工作面揭露的較小斷層，如圖7所示，在走向和傾向上沒(méi)有較大變化，使用煤層對(duì)接系數(shù) κ 來(lái)定量描述斷層兩盤(pán)煤層對(duì)接封閉程度。

式中： H 為斷層附近煤層厚度， m;D 為斷層斷距， m 0

當(dāng) κgt;0 時(shí)，其值越小，斷層側(cè)向封閉性越好。 κlt;0 時(shí)，煤層被完全斷開(kāi)，此時(shí)應(yīng)結(jié)合煤層兩盤(pán)對(duì)接巖石的滲透率與排替壓力來(lái)評(píng)價(jià)其側(cè)向封閉能力。

2.1.2 斷層泥質(zhì)含量計(jì)算

斷層活動(dòng)過(guò)程中，斷層兩盤(pán)切削、拖曳軟塑性泥巖，在破碎帶形成一個(gè)具有一定長(zhǎng)度和厚度的泥巖隔層，并在擠壓應(yīng)力及巖層重力作用下，泥質(zhì)顆粒侵入周?chē)纳百|(zhì)顆粒中，在斷層非活化期間，泥巖隔層發(fā)生動(dòng)力變質(zhì)及重結(jié)晶作用，滲透性降低，顯著增加斷層側(cè)向封閉能力[2]。斷層泥比SGR是描述斷層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的物理量，常用于表征斷層封閉能力，SGR值越大，說(shuō)明斷層泥質(zhì)含量越高，斷層封閉能力越好[19.22]

式中： SGR 為斷層泥巖比率， %?Z_i 為第 χ_i 個(gè)斷開(kāi)地層的厚度， m;R_i 為第 i 個(gè)斷開(kāi)地層內(nèi)泥巖含量， %;T 為斷層斷距， m 。

2.1.3 誘導(dǎo)裂隙帶封閉性分析

當(dāng)斷裂帶所受載荷不能使誘導(dǎo)裂隙閉合而形成封閉時(shí)，誘導(dǎo)裂隙帶的封閉主要來(lái)自成巖膠結(jié)作用。地下流體在運(yùn)移過(guò)程中由于溫、壓條件改變，所攜帶的大量成巖物質(zhì)發(fā)生過(guò)飽和沉淀，黏結(jié)于各種孔縫中，之后經(jīng)成巖作用，充填物與斷層巖再度固結(jié)成巖形成封閉。當(dāng)誘導(dǎo)裂隙帶位于二氧化硅和碳酸鈣沉淀區(qū)時(shí)，誘導(dǎo)裂隙帶巖石鏡質(zhì)體含量增多，可通過(guò)測(cè)試斷層附近巖石鏡質(zhì)體反射率值的大小來(lái)判斷斷層封閉能力[23]。

2.1.4地下水動(dòng)力條件

水動(dòng)力條件對(duì)煤層瓦斯的保存具有重要的控制作用。瓦斯的水溶作用使得煤層瓦斯隨著地下水的運(yùn)移而散失[24]。水動(dòng)力較弱的地區(qū)或者滯流區(qū)對(duì)煤層瓦斯的保存有利，水動(dòng)力較強(qiáng)的地區(qū)或者徑流區(qū)對(duì)煤層瓦斯的保存具有破壞作用2。對(duì)于開(kāi)放性斷層，當(dāng)其位于地下水補(bǔ)給區(qū)時(shí)，地下水通過(guò)斷層向斷層兩盤(pán)的煤層或者含水層流動(dòng)，水流方向與瓦斯散失方向相反，對(duì)瓦斯運(yùn)移起阻礙作用；當(dāng)開(kāi)放性斷層位于地下水排泄區(qū)時(shí)，地下水向斷層開(kāi)放方向流動(dòng)，瓦斯易隨水流散失[26]。

2.2 斷層面應(yīng)力封閉參數(shù)計(jì)算

2.2.1 斷層面受力分析

斷層面所承受的應(yīng)力是斷層面封閉性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，為此我們建立如圖8所示的直角坐標(biāo)系。假定 P 為斷層面上任一點(diǎn)，平面 ABC 為平行于斷層面的任一平面，平面 PAB，PBC，PAC 分別平行于坐標(biāo)軸 xy 平面 平面 ?yz 平面。當(dāng)平面 ABC 無(wú)限接近 P 點(diǎn)時(shí)，平面 ABC 上的正應(yīng)力 σ_N 和切應(yīng)力 τ_N 即為斷層面上的應(yīng)力。為方便分析，令 x 軸 ?y 軸 ?z 軸分別與最大水平主應(yīng)力 σ₂ 最小水平主應(yīng)力 σ₃ 、垂直主應(yīng)力 σ₁ 平行。 N 為平面 ABC 的外法線，與 x 軸 ?^y 軸 ?z 軸夾角分別為 α β_?γ 。

三角形 ABC 上的全應(yīng)力 q 在坐標(biāo)軸方向的分量用 表示。根據(jù)四面體的平衡條件得

設(shè)斜面ABC上得正應(yīng)力為 σ_N ，則由投影可得

從而有

垂直主應(yīng)力 σ₁ 主要與埋深有關(guān)

式中： u 為巖石容重， N/m³;ρ 為上覆地層平均密度，kg/m³;H 為地層埋深， m;g 為重力加速度， 9.8m/s² 。

考慮到巖石為有空隙的多孔介質(zhì)，流體存在于孔 隙中對(duì)巖石產(chǎn)生孔隙壓力 p 。水平主應(yīng)力可由水平構(gòu) 造應(yīng)力（ σ_x 和 σ_y ）垂向應(yīng)力的水平分量 σ_h 和孔隙壓 力 p 相加求取[27]。

式中： σ_h 為垂直主應(yīng)力的水平分量， MPa;σ_x，σ_y 分別 為構(gòu)造應(yīng)力沿 x，y 軸方向的分力， MPa;μ 為巖石的泊 松比； δ 為Biot系數(shù)； σ_h 可由下式求得

式中： n 為 p 與抗壓強(qiáng)度 σ_n 的比值[28]，為常數(shù)。

此外斷層面傾角 θ 、斷面走向與最大水平主應(yīng)力所夾銳角 ω 之間的關(guān)系如下

結(jié)合工程中的地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)與斷層地測(cè)資料，將式（6）—式（9）帶入式（4）一（5）則可求得斷層面的正應(yīng)力與切應(yīng)力。

2.2.2 斷層緊閉系數(shù) I_b

當(dāng)斷層巖被壓實(shí)時(shí)，斷層緊閉形成垂向封閉。斷層緊閉系數(shù) I_b 是衡量斷層巖被壓實(shí)程度的物理量，在數(shù)值上表示為斷層面有效應(yīng)力于斷裂帶巖石抗壓強(qiáng)度的比值。

式中： p 為流體壓力， MPa 。 σ_c 為斷層巖抗壓強(qiáng)度，MPa ，可由下式求得[29]

σ_c=SGR?σ_CM+（1-SGR）σ_CS，

式中： σ_CM 為泥巖抗壓強(qiáng)度， MPa;σ_CS 為煤的抗壓強(qiáng)度，MPa 。

為方便表述，取斷層正應(yīng)力 σ_N 壓為正拉為負(fù)。當(dāng)I_blt;0 時(shí)，分有2種情況：一是斷層面受張拉應(yīng)力（ （σlt;0） 0時(shí)，斷層開(kāi)啟；二是斷層面受到一定的壓應(yīng)力 （σgt;0） ！但壓應(yīng)力小于流體壓力 （σb?1 時(shí)，斷層面有效應(yīng)力小于斷裂帶巖石的抗壓強(qiáng)度，斷裂帶巖石不能被壓實(shí)，斷層的封閉能力較差。當(dāng) I_bgt;1 時(shí)，斷層面有效用力大于斷裂帶巖石的抗壓強(qiáng)度，斷裂帶巖石被壓實(shí)，斷層處于封閉狀態(tài)，同 I_b 時(shí)值越大，說(shuō)明斷層封閉能力越好。

2.2.3 斷層剪切系數(shù) I_c

在油氣領(lǐng)域，斷層切應(yīng)力對(duì)封閉性的研究很少提及，或者認(rèn)為切應(yīng)力與封閉性沒(méi)有直接關(guān)系[3。然而與油氣開(kāi)采不同，煤層地下開(kāi)采過(guò)程中采掘活動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)斷層造成擾動(dòng)，采動(dòng)應(yīng)力疊加引起斷層面正應(yīng)力與切應(yīng)力的變化。當(dāng)擾動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，斷層滑移失穩(wěn)[31-32]，斷層巖物性發(fā)生變化，斷層封閉性可能發(fā)生改變，使得斷層兩盤(pán)煤層瓦斯賦存及運(yùn)移規(guī)律受到影響也隨之改變。因此，引入斷層剪切系數(shù) I_c 來(lái)評(píng)價(jià)斷層穩(wěn)定性對(duì)封閉性的影響。斷層剪切系數(shù) I_c 定義為斷層面所受剪應(yīng)力與斷層帶抗剪強(qiáng)度的比值，即

式中： τ_c 為斷層帶巖石抗剪強(qiáng)度， MPa 。根據(jù)庫(kù)倫摩擦 準(zhǔn)則，任一弱面極限剪切強(qiáng)度 τ_c 可由下式求得

τ_c=tanφ（σ-p）+c

式中： φ 為斷層內(nèi)摩擦角， c 為斷層黏結(jié)力， MPa 。

當(dāng) I_c?1 時(shí)，僅有錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)，不發(fā)生滑移，斷裂帶充填物的物性不發(fā)生顯著改變，對(duì)于封閉性的影響可以忽略。當(dāng) I_cgt;1 且斷面承受拉應(yīng)力（ （σlt;0） 時(shí)，斷層兩盤(pán)發(fā)生張拉型剪切錯(cuò)動(dòng)，斷裂充填物原有的裂隙在張拉作用下進(jìn)一步擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂隙，斷層封閉程度降低。當(dāng) I_cgt;1 且斷面承受壓應(yīng)力 （σgt;0） 時(shí)，斷層發(fā)生擠壓型滑移失穩(wěn)，斷裂充填物受到擠壓剪切發(fā)生破壞、粉化和流變，摩擦系數(shù)減小，滲透率降低，斷層封閉程度增強(qiáng)。需要引起重視的是擠壓剪切作用使得斷層附近的構(gòu)造煤進(jìn)一步發(fā)育，煤體強(qiáng)度降低，瓦斯吸附能力增強(qiáng)，所需破壞功減小，斷層滑移失穩(wěn)又使得煤體彈性能增加，當(dāng)斷層封閉性較好時(shí)，斷層附近積累有較高的瓦斯內(nèi)能，當(dāng)二者疊加的能量大于煤與瓦斯突出的啟動(dòng)能量時(shí)，斷層成為煤與瓦斯突出發(fā)生的通道。

3 實(shí)例分析

斷層附近瓦斯的賦存與斷層的封閉能力密切相關(guān)。以平煤六礦戊9-1032020工作面為例。32020工作面位于位于三水平戊二上山采區(qū)的西翼，西側(cè)為鍋底山斷層。工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為一向北西緩傾斜的單斜構(gòu)造，煤層厚度變化較為穩(wěn)定，煤層平均傾角為 8^° 。受西側(cè)鍋底山斷層的影響，工作面內(nèi)小斷層發(fā)育。根據(jù)掘進(jìn)工作面揭露情況，巷道共揭露小斷層17個(gè)，其中大于lm 的小斷層9個(gè)，且皆為正斷層，分布情況如圖9所示。

3.1 斷層形成及演化

平煤六礦井田位于李口向斜西南翼，鍋底山正斷層的北東盤(pán)。鍋底山斷層為礦井主干構(gòu)造，控制著礦井瓦斯的賦存分布。鍋底山斷層的形成主要經(jīng)歷兩次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。四川運(yùn)動(dòng)期間，位于后陸區(qū)的秦嶺造山帶北緣邊界斷裂豫西浥池-義馬-宜陽(yáng)-魯山-平頂山-舞陽(yáng)區(qū)段，發(fā)生了由南向北指向造山帶外側(cè)的逆沖推覆構(gòu)造[33]。平頂山礦區(qū)受來(lái)自南西側(cè)強(qiáng)大擠推力作用，發(fā)生大規(guī)模褶皺斷裂活動(dòng)，形成了鍋底山斷裂等一系列NW-NWW向構(gòu)造。此時(shí)的鍋底山斷裂是一個(gè)由SW向NW逆沖的壓扭性斷裂。華北運(yùn)動(dòng)期間，受NWW-

SEE向近水平擠壓作用和NNE-SSW向的水平伸展作用影響，鍋底山斷層反轉(zhuǎn)為正斷層34]。鍋底山斷層經(jīng)歷多期構(gòu)造活動(dòng)，并受其影響，井田整體表現(xiàn)為北東傾斜的單斜構(gòu)造，井田內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，僅發(fā)育一條小型褶曲，斷層以小型正斷層為主，大中型斷裂稀少，且主要分布在礦井東南部。

3.2 斷層封閉性分析

由圖9可知，該工作面斷層皆為斷距小于 3m 的小斷層，工作面內(nèi)斷層活動(dòng)強(qiáng)度弱。根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r層巖性，見(jiàn)表1，斷層斷移地層為塑性-半塑性地層，誘導(dǎo)裂隙帶不發(fā)育。結(jié)合井下小斷層揭露情況確定斷層斷裂帶結(jié)構(gòu)類(lèi)型為一元型（滑動(dòng)破碎帶型）。其封閉性可以依據(jù)斷層兩盤(pán)巖層對(duì)接關(guān)系，斷層泥比和斷層緊閉程度綜合分析。

1）巖性對(duì)接封閉分析。由于煤層厚度與斷層斷距相差較小，且煤層頂?shù)装鍨榫哂休^高排替壓力的砂質(zhì)泥巖，采用煤層對(duì)接系數(shù) κ 來(lái)定量描述斷層兩盤(pán)煤層對(duì)接封閉程度。

2）泥巖含量分析。綜合考慮斷層兩盤(pán)錯(cuò)開(kāi)的泥巖厚度和砂巖所含泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，采用斷層泥比法（式2）可以求取斷層的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。

3）斷層緊閉系數(shù)分析。根據(jù)32020風(fēng)巷圍巖應(yīng)力測(cè)試報(bào)告，工作面內(nèi)現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

將表2數(shù)據(jù)帶入式（10）—式（13）計(jì)算得到斷層緊閉系數(shù)與剪切系數(shù)。

斷層封閉性定量評(píng)價(jià)參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

4）地下水動(dòng)力條件。工作面煤層頂板以砂質(zhì)泥巖為主，局部為細(xì)粒砂巖，厚 5～13m ，局部地段裂隙發(fā)育，裂隙連通性較差，含水性較弱，無(wú)補(bǔ)給水源。煤層底板距細(xì)粒砂巖處為 4.8～10.3m ，砂巖厚度為 5.2～

10.3m ，裂隙總體上不發(fā)育，連通性差，含水性較弱，以?xún)魞?chǔ)量為主，無(wú)外來(lái)補(bǔ)給水源。掘進(jìn)期間揭露斷層時(shí)也未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水現(xiàn)象。地下水動(dòng)力條件評(píng)價(jià)為弱，對(duì)斷層封閉性影響不大。

3.3 斷層封閉能力與煤層瓦斯賦存的關(guān)系

巷道掘進(jìn)期間的絕對(duì)瓦斯涌出量是衡量工作面瓦斯賦存情況的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)分析工作面巷道掘進(jìn)揭露斷層期間巷道絕對(duì)瓦斯涌出量的變化規(guī)律，結(jié)合上述斷層封閉能力評(píng)價(jià)結(jié)果，研究斷層封閉能力對(duì)煤層瓦斯賦存的影響。圖10—圖13繪制了32020工作面機(jī)巷、中間巷、風(fēng)巷和切眼在掘進(jìn)通過(guò)斷層時(shí)的巷道絕對(duì)瓦斯涌出量。

1）32020風(fēng)巷掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量如圖10所示。正常掘進(jìn)過(guò)程中，絕對(duì)瓦斯涌出量在 2.6m³/min 左右波動(dòng)，穿過(guò)F7斷層（累計(jì)掘進(jìn) 1203～ 1263m ）與斷層F4（累計(jì)掘進(jìn) 1522～1582m 期間，絕對(duì)瓦斯涌出量明顯減小，平均值僅為 1.9m³/min ，穿過(guò)斷層之后又逐漸恢復(fù)到正常水平。說(shuō)明F4與F7為開(kāi)放性斷層。根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，F(xiàn)4與F7斷層對(duì)接系數(shù)值較大，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較小，導(dǎo)致斷層側(cè)向封閉能力差，同時(shí)其緊閉系數(shù) I_blt;1 ，斷面所受正應(yīng)力不能使滑動(dòng)破碎帶伴生裂隙閉合，斷層影響范圍內(nèi)的煤層瓦斯從斷層面逸散，瓦斯含量降低。

2）32020中間巷掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量如圖11所示。正常掘進(jìn)過(guò)程中，絕對(duì)瓦斯涌出量較為穩(wěn)定，平均值為 1.7m³/min ，穿過(guò)F6斷層（累計(jì)掘進(jìn) 1233～1293m ）與斷層F5（累計(jì)掘進(jìn) 1507～1537m ）期間，絕對(duì)瓦斯涌出量相對(duì)減小，在 1.3m³/min 左右，穿過(guò)斷層之后又逐漸恢復(fù)到正常水平。說(shuō)明F5與F6斷層封閉性較差，距離斷層 50～100m 內(nèi)為低瓦斯區(qū)。

3）32020機(jī)巷掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量如圖12所示。正常掘進(jìn)過(guò)程中，絕對(duì)瓦斯涌出量較為穩(wěn)定，平均值為 1.7m³/min ，但累計(jì)掘進(jìn)到997～1 047m 揭露F8斷層期間，絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到2.4m³/min ，穿過(guò)斷層后又逐漸減少至正常波動(dòng)范圍。說(shuō)明F8斷層封閉性較好。根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果，斷層緊閉系數(shù) I_bgt;1 ，斷面所受應(yīng)力使得伴生裂隙閉合，阻礙煤層瓦斯運(yùn)移，造成斷層帶附近瓦斯富集。

4）32020切眼掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量如圖13所示。正常掘進(jìn)過(guò)程中，絕對(duì)瓦斯涌出量在 1.5m³/min 左右波動(dòng)，累計(jì)掘進(jìn)到 65～85m 揭露F3斷層期間，絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到 1.9m³/min ，穿過(guò)斷層后又逐漸減少至正常波動(dòng)范圍。根據(jù)表3可知，F(xiàn)3斷層對(duì)接系數(shù)小，斷層兩盤(pán)巖性阻止瓦斯橫向運(yùn)移。同時(shí)斷層走向與最大水平主應(yīng)力方向近于垂直，為壓性斷層面逸散。因此，F(xiàn)3斷層具有良好得封閉性。斷層，斷層緊閉系數(shù) I_bgt;1 ，伴生裂隙閉合，阻礙瓦斯從

4結(jié)論

1）斷層對(duì)瓦斯的封閉性主要與斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與斷面受力狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)斷裂帶的不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型，選擇恰當(dāng)?shù)亩吭u(píng)價(jià)參數(shù)可以較為全面地表征斷層的封閉性。

2）原巖應(yīng)力狀態(tài)下呈封閉狀態(tài)的斷層在采動(dòng)擾動(dòng)影響下斷層面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，可能使得斷層由封閉轉(zhuǎn)為開(kāi)啟，若此時(shí)斷層附近煤體積累的彈性能與瓦斯內(nèi)能剛好滿足煤與瓦斯突出啟動(dòng)條件，斷層成為煤與瓦斯突出的導(dǎo)流通道。

3）斷層封閉性對(duì)煤層瓦斯的賦存及運(yùn)移具有控制作用。封閉性斷層阻礙煤層瓦斯的運(yùn)移，斷層附近具有更高的瓦斯涌出量；開(kāi)放性斷層有利于瓦斯的運(yùn)移，斷層附近瓦斯涌出量降低。

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