贵州煤矿区大、中型断层对瓦斯赋存的影响*

 康付如1，2  马  曙1，2  韩真理1，2  罗  勇1，2

 （1．贵州省矿山安全科学研究院，贵州省贵阳市，550025；2．贵州省煤矿瓦斯防治工程技术研究中心，贵州省贵阳市，550025）

摘  要  为探明贵州煤矿区大、中型断层对瓦斯赋存的影响规律，研究了贵州典型矿井同一煤层埋深相近情况下大、中型断层对附近100 m范围内瓦斯含量的影响情况。研究结果表明：距大、中型封闭性断层100 m范围内，断层使瓦斯含量平均增加42%，距断层越近，断层落差越大，断层对瓦斯含量的影响越明显。开放性断层使瓦斯含量平均降低31%，多半断层可使瓦斯含量降低50%以上。复合断层对附近瓦斯含量的影响较为复杂，对同一钻孔不同煤层或受同一断层控制的不同钻孔的影响差别很大。

关键词  贵州煤矿区  大、中型断层  瓦斯含量  影响系数中图分类号  TD712.2  

 煤层中瓦斯的保存状况主要取决于瓦斯向地表的运移条件和煤层储存瓦斯的性能，而这方面的主要影响因素是煤层的埋藏地质条件，即地质构造。封闭性地质构造有利于封存瓦斯，开放性地质构造有利于瓦斯逸散。国内外研究表明，煤与瓦斯突出多发生在沿着断层强烈变形的区域。断层力学性质不同，对瓦斯赋存的控制作用也不同，封闭性断层（压性、压扭性和不导水性断层）与煤层接触的对盘岩层透气性低时，可以阻止煤层瓦斯的排放，在这种条件下，煤层具有较高的瓦斯含量。开放型断层（张性、张扭性和导水性断层）不论是否与地表连通，都会使断层两盘一定范围内的煤层瓦斯含量降低，如果与煤层接触的对盘岩层透气性较好，煤层瓦斯含量降低幅度会更大。瓦斯赋存规律认识不清，是导致瓦斯突出灾害频发的根本原因。因此，研究断层带内煤层瓦斯赋存特征对于开展矿井瓦斯综合防治，保障煤矿安全高效生产具有重要意义。

 贵州煤田地质构造复杂，断层多，如水城矿区汪家寨煤矿井田内断层密度达到188条/km2。由于断层形态和地层条件各异，其对瓦斯的控制也各有不同。统计贵州典型矿区11个井田576组钻孔的地勘瓦斯含量、埋深、与附近大中型断层距离及断层的基本性质，通过分析大型断层(落差大于30 m)和中型断层（落差大于煤厚且小于30 m）与附近瓦斯含量的关系，研究贵州煤矿区大、中型断层对附近瓦斯赋存的影响规律。本文中断层对瓦斯含量的影响系数指在煤层、构造单元、埋深相同或相近的情况下断层因素对瓦斯含量的影响系数，用断层附近（100 m范围内）某一瓦斯含量与平均瓦斯含量的比值表示，其中平均瓦斯含量为不受断层影响的瓦斯含量平均值。

1  封闭性断层对瓦斯含量的影响

 贵州煤层顶底板岩性多以含泥性较高的岩性为主，瓦斯封存条件较好，据统计，贵州地区分布的断层多为封闭性断层。封闭性断层对附近瓦斯含量的影响如图1和图2所示。

 由图1和图2可知，统计数据中有59组封闭性断层对附近瓦斯含量的影响系数，其中断层使附近瓦斯含量增加的数据占90%。封闭性断层使附近瓦斯含量增加的数据中，断层对附近瓦斯含量的影响系数在1. 01~2.12范围内，平均影响系数为1. 42。研究发现，距断层100 m以内，大型断层对瓦斯含量的平均影响系数为1. 51，中型断层对瓦斯含量的平均影响系数为1. 38，大、中型断层对瓦斯含量的影响差异明显。距离断层0～50 m内断层对瓦斯含量的平均影响系数为1. 49，距离断层50～100 m内的平均影响系数为1.33。断层对附近50 m以内瓦斯含量的影响系数明显比对附近50～100 m大。这是因为封闭性断层落差越大，破碎带构造岩粒度越细，孔隙连通性越差，越有利于瓦斯的保存。距离断层越近，应力集中越明显，越不利于瓦斯的运移，容易引起瓦斯的富集。

 由于煤层瓦斯含量与煤层围岩条件、煤质、煤厚等其他因素有关，剔除个别偏差较大的数据，断层落差与影响系数的关系和断层距钻孔距离与影响系数的关系分别如图3和图4所示。其中，断层落差相同时，取同一落差影响系数的平均值。落差为某一范围时，落差取该范围的平均值。钻孔与断层距离相同时，取同一距离影响系数的平均值。

由图3可知，断层对瓦斯含量影响系数具有随落差增加而增大的趋势，两者之间相关系数R2为0. 86，相关性较好，符合线性规律y=0.007r+1. 193。由图4断层距钻孔距离与影响系数的关系可知，断层距钻孔距离与影响系数呈负相关，相关系数R2为0. 75，相关程度较大，符合线性规律y=-0. 002x+1. 5247。

2  开放性断层对瓦斯含量的影响

 开放性断层带内岩石透气性良好，是瓦斯运移的良好通道，不利于瓦斯的保存，其附近瓦斯含量通常低于平均瓦斯含量。开放性断层对附近瓦斯含量的影响情况如表1所示。

 由表1可知，开放性断层使附近瓦斯含量降低的比例为96%，断层对附近100 m范围内瓦斯含量的影响系数为0. 32～0.98，平均影响系数为0. 69，即断层使瓦斯含量平均降低31%。多数开放性断层可使断层附近瓦斯含量降低到原来的50%以下，降低幅度明显。以青龙煤田为例，表1中青龙煤田距离F4断层40 m、60 m、100 m处的钻孔分别为ZK302、ZK602和ZK402。F4断层浅部将ZK302、ZK602、ZK402钻孔连续控制，除造成地层重复外，ZK302、ZK602、ZK402钻孔在该断层附近上下段表现出岩芯轴夹角发生大角度的变异及众多擦痕面，瓦斯沿裂隙逸散，引起瓦斯含量降低。其中，18#煤层ZK602钻孔的瓦斯含量降低到原来的35%。 、

从表1分析可知，开放性断层距钻孔距离、断层落差与影响系数的关系不明显。之所以造成这种现象，一方面是因为开放性断层对附近瓦斯含量影响的数据偏少，不具有普遍性；另一方面，煤层瓦斯含量除了与断层距离、断层落差、埋深有关外，还受到断层两盘岩性、煤层围岩条件、煤质、煤厚等其它因素的影响，而且有些地质因素对瓦斯含量的影响较大。

3  复合断层对瓦斯含量的影响

 以往的研究表明，复合断层的应力场与单一断层相差甚远，在断层间形成了影响区，影响区内梯度大，分布复杂，且应力集中的范围和程度远大于断层的外端。

 由表2可知，复合断层对附近瓦斯含量的影响系数为0. 49～1. 83，平均影响系数为1.07。使附近瓦斯含量增加和降低的比例分别为60%、40%，分别使瓦斯含量平均增加和降低35%和32%。复合断层对附近瓦斯含量的影响较为复杂，比如文家坝煤矿F16 -1、F16断层与1035钻孔的距离分别为2m、20 m，复合断层对6#、16#、27#和30#煤层1035钻孔瓦斯含量的影响系数分别为1. 37、0. 52、1.73和0.88，对同一钻孔不同煤层的影响系数差别较大，对瓦斯含量的影响既有封闭作用也有开放作用。F16 -1，F16断层与1064钻孔和1035钻孔的距离分别为2 m、40 m和2m、20 m，对30#煤层1064钻孔和1035钻孔瓦斯含量的影响系数分别为1. 15和0.88，受相同复合断层的影响，两钻孔瓦斯含量一个增加一个减少。在复合断层影响区内，复合断层的相互作用与单一断层应力场相比产生了很大的变化。

 复合断层对附近瓦斯含量的影响还要综合考虑各断层力学性质、各断层两盘岩性、断层埋深，煤层围岩条件、煤厚等因素，进行具体分析。

4  结语

 (1)封闭性断层和开放性断层对附近瓦斯含量起到封闭作用和开放作用的概率分别为90%和96%。距大、中型封闭型断层100 m范围内，断层使瓦斯含量平均增加42%，个别增加100%以上，断层距钻孔距离与影响系数呈负相关，断层落差与影响系数呈正相关。开放型断层使附近瓦斯含量平均降低31%，但多数断层可使瓦斯含量降低到原来的一半以下，降低幅度较大。  

  (2)复合断层对附近瓦斯含量的影响较为复杂，对同一钻孔不同煤层或受同一断层控制的不同钻孔的影响既有封闭作用又有开放作用，影响差别较大，与单一断层影响相比产生了很大的变化。

 (3)分类研究了断层对附近瓦斯含量的影响，可以为断层附近瓦斯含量预测及瓦斯防治提供依据。此次研究未能综合考虑断层力学性质、断层两盘岩性、煤层围岩条件、煤厚等因素，有待在今后的研究中进一步完善。