断层对矿井煤与瓦斯突出的影响分析

崔 峥

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048214)

煤与瓦斯突出是一种强烈的动力灾害，同时也是煤矿常见的五大灾害之一。若对其疏于管理或防控措施实施后效果不佳，往往会酿成重大安全事故。据不完全统计，自1950年起，年均发生突出事故8 000余次，造成直接经济损失达1.4亿元[1].因此，为掌握瓦斯突出的形成、发生机制、瓦斯运移及应力分布规律、突出防控技术等，专家学者进行了大量分析研究，取得丰硕成果[2-5].以往大多数研究聚焦于煤与瓦斯的两相耦合、瓦斯运移理论及控制技术，对于断层控制构造对瓦斯的影响研究较少。鉴于此，近年来一些学者开始对构造对于瓦斯控制作用进行研究。闫宽亮[6]通过实测分析验证了断层处煤与瓦斯灾害发生的主控因素是瓦斯与应力共同出现集中现象，并通过实践验证了超前钻孔对于控制断层瓦斯有较好效果。屈争辉[7]运用扫描电镜、X射线衍射、电子顺共振、核磁共振和傅立叶红外光谱等结构分析手段对不同煤级、不同变形类型和程度构造煤超微和分子结构及瓦斯特性的演化特征进行了系统研究，结果表明不同应力-应变环境使得构造煤结构出现较大变化，即构造活动越剧烈煤裂隙越发育，其吸附瓦斯能力越强。张浪等[8]在建立断层面受力模型的基础上，通过断层面正应力和孔隙压力关系，重新定义了封闭系数，并依此引入剪切指数概念。这些研究成果被应用于现场后取得了良好效果，但断层对于煤与瓦斯突出影响及控制的研究成果尚不多见。玉溪煤矿4325工作面深度较大，揭露多条断层，且瓦斯浓度高，具有极大的突出风险，以其为工程背景，对断层对矿井煤与瓦斯突出的控制及影响进行分析，为该矿煤与瓦斯突出的治理提供理论支撑。

1 工程地质概况

1.1 工程地质基本情况

4325工作面位于3煤层，平均开采深度640.5 m，北距4324采空区21 m，南距4326工作面采空区5 m，正上方为2313面采空区，间距20 m.4325工作面与4324工作面间赋存A18-18断层，落差平均18 m，倾角平均60°.工作面布置情况见图1.4325工作面走向长度1 500 m，倾向长度约90 m，开采范围煤层结构简单，倾角为2°～9°，平均6°，煤层开采厚度0.8～2.95 m，平均2.3 m，单轴抗压强度9.8～22.5 MPa.工作面直接顶和基本顶均为中粒砂岩，厚度分别为9.0 m和19 m，直接顶岩石经取样测试得到其单轴抗压强度为70.5 MPa，抗拉强度5.9 MPa；基本顶单轴抗压强度为68.2 MPa，抗拉强度5.3 MPa.

图1 4325工作面布置图

1.2 研究区域断层分布特征

工作面内共发育断层达26条。其中，19条小于2 m落差的断层，占73.07%；2～5 m断层6条，占23.08%；大于15 m落差的断层1条，占比3.85%.

2 断层与瓦斯赋存之间影响关系分析

2.1 煤体破碎程度与瓦斯吸附能力之间关系分析

断层按其形成机理可分为正断层、逆断层及走滑断层等，按照安德森对于断层形成过程的力学假说，正断层是因为地层受板块张拉、褶皱错动等具有张拉作用的力形成的，在力学表现为σv>σH>σh，即垂直主应力为最大主应力；而逆断层的形成受构造挤压作用，地层受反复剪切搓动，在逆断层周围必然存在“弱地质结构体”，即常说的断层破碎带，此时的力学表现为σH>σh>σv，此时的最大主应力为水平最大主应力。

对4325工作面影响最大的断层F-15为逆断层，落差达18 m.通过研究表明[5]构造煤及其派生结构对于瓦斯的吸附及储存效果要大于原生煤，其主要原因是构造煤受挤压作用的反复剪切，内部裂隙发育，且其赋存应力较大。由上可知，受逆断层影响的构造煤既为瓦斯提供了运移通道、赋存条件，还为瓦斯运移提供了初始动能，并且高应力条件也为突出提供了初始高压坏境。

2.2 瓦斯压力分布与距断层距离之间关系分析

逆断层煤体虽然内部裂隙发育且派生结构较多，但受构造强烈挤压作用影响，易形成较为致密的封闭环境，而这种封闭结构对于瓦斯的赋存、富集又尤为有利。4325工作面距断层不同位置的瓦斯浓度、压力见图2，由图2可知，瓦斯浓度及压力都随距逆断层距离的减小而增大，在距断层最近的收集点瓦斯浓度高达9.73 m3/t，瓦斯压力0.25 MPa，而较远处瓦斯浓度为2.33 m3/t，瓦斯压力为0.148 MPa，且赋存状态较为稳定，这表明断层对于瓦斯赋存的影响具有局限性，在距断层300 m范围内瓦斯浓度及压力受断层影响。同时可知，瓦斯受内部高应力、超前支承压力及其自身赋存压力相互叠加影响，越靠近断层处就越容易诱发突出。

图2 瓦斯浓度、压力与断层距离关系图

3 开采扰动下断层与突出影响关系分析

在常规地质条件下，随工作面推采在其前方受超前支承压力影响，形成一个范围较小的破碎卸压区，Crosdale PJ.、Beamish B.等学者[9]也通过试验证明了这一点。当卸压区域达到某一范围后，工作面前方煤体赋存瓦斯开始活跃，瓦斯浓度及瓦斯压力逐步增大，见图3a).

而对于4325工作面而言，逆断层附近岩体较为破碎，强度较低，极适于瓦斯富集，因此当破碎带范围与断层控制范围发生交叠后，见图3b)，工作面前方瓦斯浓度及压力出现阶跃式升高，使得瓦斯的释放及解析发现了运移通道，构造应力形成的较为致密的封闭空间由此打破，突出风险程度成倍增加。当推采范围达到突出临界范围时，工作面前方发生大规模煤与瓦斯突出，且断层失稳活化。随着断层活化程度加重，瓦斯与其所吸附煤体大规模向巷道及工作面突出，此时巷道内瓦斯含量及压力均极低，见图3c).

图3 开采不同位置瓦斯压力与地应力分布曲线图

根据分析结果，建立受开采扰动的断层活化导致瓦斯突出的力学示意图，见图4.由图4可知，当工作面推采进入断层控制破碎带范围内时，煤层不仅受形成逆断层的水平挤压构造作用力还要受到工作面推采带来的超前支承压力，而4325工作面断层为落差18 m的逆断层，其周围岩体较为破碎难以承载叠加应力，当其强度到临界条件时(经测量单轴抗压σc=15.4 MPa，在破碎带处强度约为单轴强度的1/3，即5.1 MPa)，断层开始发生活化，断层周围岩体裂隙急剧扩张，派生结构继续发育，原较为致密的封闭结构被裂隙贯通，为瓦斯运移提供通道。而上述破碎岩体的临界强度也就可以被看作瓦斯突出的一个关键控制值，也就是防控突出事故的“闸门”。当到达这个临界状态时，未对其进行相应加固及补强措施而继续推采，此时关键块体难以抵抗瓦斯突出压力，应力平衡状态突然被打破，突出发生。

4 结 论

1)从理论层面分析了断层与瓦斯赋存之间的关系，主要包括：煤体破碎程度与瓦斯吸附能力、瓦斯压力分布与距断层距离。结果表明：构造煤对于瓦斯的吸附能力远强于原生煤；瓦斯浓度及压力都随距逆断层的距离减小而增大，瓦斯浓度及压力在距断层最近处最高，达9.73 m3/t，瓦斯压力0.25 MPa，而较远处最小，瓦斯浓度为2.33 m3/t，瓦斯压力为0.148 MPa，在距断层300 m后压力分布及瓦斯浓度变化均趋缓。

图4 突出前瓦斯压力及应力叠加影响示意图

2)通过分析开采扰动下断层对突出影响关系发现，断层的存在减小了能够突出瓦斯的临界卸压区长度，同时削弱了防突关键区域的强度，使瓦斯的富集及突出能量增强，该生产条件下将比无断层构造地区的突出危险性增加。