0 引 言
煤与瓦斯突出通常与煤田的地质构造有关，主要发生在构造复杂区和构造煤发育区。只有明确了煤层瓦斯地质情况，才能对瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯综合治理等工作做到有的放矢[1]。煤层瓦斯的形成、运移、赋存和瓦斯灾害的发生一般与地质构造的复杂程度相关[2]。高原认为一般距地质构造带越近，瓦斯赋存越异常、构造应力越集中[3]。地质构造不仅控制瓦斯赋存区域的形成而且影响瓦斯的富集和运移[4-5]，这也是导致煤与瓦斯突出的主要原因，其中断层对瓦斯赋存的影响较大。雷东记等[6]通过对断层的上盘、下盘分析，认为断层上盘作为主动盘，瓦斯富集程度高于下盘。杨治国等[7]认为断层的开放性与封闭性对煤与瓦斯突出具有控制作用，开放性断层有利于瓦斯逸散，封闭性断层加剧断层附近瓦斯积聚，且封闭性断层带附近瓦斯涌出量异常增大。柯善斌[8]认为断层破坏了煤层的连续性，为煤与瓦斯突出创造了地质条件。魏国营等[9]通过研究地质构造逐级控制特征得出在断层尖灭端及构造复合处，煤体破坏严重，容易造成瓦斯积聚。聂凤祥等[10]对断层的规模分析得出，当利用分形理论对断层构造进行定量化后，分形维数越大，断层构造越复杂，瓦斯含量越高。关金峰等[11]认为工作面在进行采掘时,小断层附近可能存在瓦斯突出危险部位。冉小勇等[12]认为矿井煤与瓦斯突出事故点多分布在构造叠加区及断层尖灭端等区域，研究断层对瓦斯赋存规律影响能够为矿井的高效开采提供技术支撑。笔者以西山煤田的屯兰煤矿为例，研究了井田煤层的瓦斯赋存规律、断层及其组合方式、局部地质构造对屯兰煤矿瓦斯赋存的影响，结果可用以指导矿井的安全生产。
1 矿井地质概况及影响瓦斯赋存地质因素
屯兰煤矿位于山西省西山煤田，核定生产能力500万t/a。矿井内褶皱、断层相对比较发育。矿井煤层埋深由北向南逐渐增加，井田范围内煤层分为上下2组，山西组含有7层煤层，煤层平均厚度为7.70 m；太原组含有6层煤层，平均厚度为8.04 m；开采煤层为2煤、4煤、8煤、9煤，如图1所示。
图1 屯兰煤矿地质构造
Fig.1 Geological structure of Tunlan Coal Mine
煤层瓦斯赋存规律主要受控于埋藏深度、围岩条件、水文地质、煤的变质程度、地质构造等因素。在一定范围内，随着煤层埋深的增加，地应力逐渐增大，煤层瓦斯压力和瓦斯含量也随之增加。当煤层顶底板为孔隙率小、隔气好、致密完整的岩石时，有利于瓦斯的赋存[13]；水文地质条件等主要影响煤层中瓦斯的运移与封存[14]；煤的变质程度主要影响瓦斯的生成量和煤的吸附及储气能力；瓦斯的生成、转运、赋存则受地质构造的控制，地质构造不均衡区域往往是煤与瓦斯突出的区域[15]。
1.1 煤层埋深对瓦斯赋存的影响
屯兰井田煤层埋深由东北向南部加深，东北部煤层埋深较浅平均小于100 m，南部埋深可达700 m。通过实测，井田内2、4、 8、9煤在不同的埋深下的瓦斯压力，如图2所示。
图2 煤层瓦斯压力随埋深变化关系
Fig.2 Relationship between gas pressure and buried depth
经过线性回归分析，各煤层瓦斯含量与埋藏深度具有良好的线性关系,瓦斯压力P随埋藏深度H增大而加大。2、4、8、9煤瓦斯压力与埋深梯度为0.43、0.19、0.77、0.34 MPa/hm，梯度主要表现与埋深相关。2、4煤属于一个煤系且同为上组煤(山西组)，8、9煤属于一个煤系且同为下组煤(太原组)。上组煤与下组煤相比，瓦斯压力相对较小。随着煤层埋深的增加，上组煤与下组煤煤层的瓦斯压力均逐渐升高。
1.2 煤的变质程度对煤层瓦斯赋存影响
为了研究不同煤系内煤体在物性参数和吸附性能上的差异，取得各煤层的煤样测定镜质组反射率、煤的吸附常数，见表1。
表1 煤样的镜质组反射率与吸附常数测定值
Table 1 Results of vitrinite reflectance and adsorption constants
煤层镜质组反射率Ro/%吸附常数2煤2.13a=14.687 2b=1.565 14煤1.44a=18.978 6b=1.105 08煤1.42a=23.122 4b=1.084 69煤1.85a=24.167 1b=0.932 9
注：a的单位为m3/t；b的单位为MPa-1。
各煤样测得的镜质组反射率Ro在1.42%～2.13%，整体差异不大，2煤变质程度稍高。吸附常数a、b表明下组煤的煤体极限吸附瓦斯能力比上组煤稍强，这与煤层瓦斯含量表现出的趋势一致。
1.3 围岩对煤层瓦斯赋存的影响
2、4煤顶板以砂质泥岩和泥岩为主，底板以炭质泥岩、砂质泥岩为主，8煤顶板以L1灰岩为主，9煤顶板以粉砂质泥岩为主，煤层底板均以粉砂质泥岩、粉砂岩为主。整体来看，各煤层的顶底板岩层的透气性较差，瓦斯逸散条件差，有利于对瓦斯的储存。
1.4 水文地质煤层瓦斯赋存的影响
井田自上而下有4个含水层组，即第四系砂砾含水层组、石盒子组砂岩含水层组、太原组薄层灰岩含水层组和奥陶系灰岩含水层组，含水层富水性弱，补给条件较差。山西组含水层主要是K3砂岩和2、4煤之间砂岩；太原组由L1、K2、L4三层石灰岩组成。矿井的主要隔水层有：山西组由2煤底板至奥灰顶界面；太原组由8煤底板至奥灰顶界面。煤层与奥灰顶界面存在多层隔水层，使得含水层对煤层瓦斯赋存影响较小。
1.5 地质构造对煤层瓦斯赋存的影响
1)褶皱对煤层瓦斯赋存的影响。屯兰矿区发育有4条较大的褶曲：鲜则沟背斜、元家山向斜、阴家沟背斜、东大岭向斜。其中，鲜则沟背斜、元家山向斜、阴家沟背斜位于矿井北翼，倾角在4°～13°。北翼采区的瓦斯赋存主要受揭露于地表的风坪岭断层控制，形成瓦斯逸散通道，使得鲜则沟背斜、元家山向斜、阴家沟背斜对整个北翼采区瓦斯赋存影响不大。东大岭向斜位于井田东南部南四采区，在头南峁断层下方的西南方向，轴部向NE30°方向延伸，部分轴向变为NE60°，两翼倾角4°～10°。结合煤层底板等高线和地形等高线分析，可得向斜两翼上覆地层厚度在390～515 m，轴部地层厚度在460～520 m，轴部区域煤层顶板岩层主要以低透气性砂岩、粉砂岩为主，形成相对较好的盖层条件，有利于瓦斯储存。轴向变为NE60°时，接近头南峁断层的尖点处，该区域构造应力集中，区域瓦斯赋存存在异常。
2)断层对煤层瓦斯赋存的影响。屯兰矿井地表控制与井下揭露断层共计233条，结合煤矿采掘工程地质资料、三维地震解释数据进行断层走向统计，如图3所示。
图3 断层走向分布
Fig.3 Distribution map of fault trend
屯兰矿井断层走向以北东为主，占92%；走向为N20°—65°E的断层有160条，占68%；矿井以走向为N40°—50°E的断层最多，占22%。断裂方向比较明显，主要以NE方向为主。井田内断层分布如图1所示，北翼风坪岭断层(F110)揭露于地表，形成瓦斯逸散通道，使得整个北翼采区瓦斯压力偏小。古交断层(F23)为南二采区和南四采区的分界，南四采区中部有头南峁断层(F22)，南部有土地沟断层(F21)，形成与南六、南七采区的分界，王芝茂断层(F17)位于井田最南侧。矿井南翼平行展布的大断层对煤层的破坏作用强烈，断层多为高角度压扭性正断层，断层阻塞了瓦斯的运移通道，造成断层附近局部瓦斯赋存出现异常。在位于矿井内断层F22和F23之间的2煤的12503工作面在回采前巷道施工过程中，多次出现瓦斯超限及小型突出现象，见表2。
表2 2号煤层突出动力现象情况
Table 2 Gas dynamic phenomenon in No.2 coal seam
地点抛出煤量/t瓦斯涌出量/(m3·min-1)12503回风巷840 m0.8939.5312503回风巷848 m0.4143.4112503回风巷1 090 m0.5710.4412503轨道巷840 m3.4125.8212503运输巷840 m0.4948.57
在断层组合形式上，大断层多成组出现，主要表现为3种：由断层F21、F22、F23、F42组成的地垒组合及阶梯状组合，如图4a所示；由断层F17、F21组成地堑形式，如图4b所示。此外，在大断层附近还发育有大量小断层，这些小断层的尖灭端处往往会出现瓦斯富集，形成瓦斯异常区域。
k1、k3、k4为砂岩岩层编号
图4 断层的不同组合形式
Fig.4 Different combinations of faults
综上所述，在屯兰煤矿众多地质因素中，断层是作为控制煤层瓦斯赋存的关键地质因素。
2 区域地质构造对瓦斯赋存的控制作用
2.1 地质单元的划分
屯兰矿井瓦斯赋存分布主要受断层控制，因此，依据断层将矿井划分为4个地质单元：①地质单元Ⅰ为北翼的3个采区，其瓦斯赋存主要受F110断层以及伴生小断层的影响；②地质单元Ⅱ为南一、南二和南三采区，地质条件较为简单；③地质单元Ⅲ为南四、南五采区，主要受F21、F22、F23组合的地垒形式影响；④地质区域Ⅳ为南六、南七采区，其瓦斯赋存主要受F17、F21组合的地堑形式影响。
2.2 各地质单元的瓦斯赋存规律
根据现场压力测定结果及实验室分析，分别对各地质单元内瓦斯压力与埋深的关系进行线性回归分析，由于地质单元Ⅳ还未进行采掘活动，所以仅对其他3个地质单元进行计算，如图5所示，线性拟合关系见表3。
图5 各地质单元煤层瓦斯压力与埋深的关系
Fig.5 Relationship between coal seam gas pressure and buried depth in each geological unit
表3 煤层瓦斯压力与埋深线性关系
Table 3 Linear relationship between gas pressure and buried depth of coal seam
地质单元煤系线性相关式相关系数R2Ⅰ上组煤y=0.001 1x+0.716 00.012 9下组煤y=0.002 6x-0.286 80.221 5Ⅱ上组煤——下组煤y=0.004 1x-0.356 80.709 4Ⅲ上组煤y=0.002 4x-0.286 80.505 2下组煤y=0.005 0x-0.550 50.927 3
地质单元Ⅰ的瓦斯赋存情况主要受开放型断层F110的影响，构成的瓦斯易散通道使得整个北翼采区瓦斯含量较低，靠近断层，瓦斯压力相对偏小，测点6、7的瓦斯压力低于0.50 MPa，其上组煤和下组煤瓦斯压力梯度分别为0.11、0.26 MPa/hm。
地质单元Ⅱ内，结合瓦斯风化带高度确定下组煤瓦斯压力梯度为0.41 MPa/hm，地质单元Ⅱ内下组煤瓦斯压力高于地质单元Ⅰ内下组煤瓦斯压力，该区域主要受本局部小断层群的影响，如测点8、9的瓦斯压力分别为1.70、1.80 MPa，表明小断层附近较易出现瓦斯异常赋存。
地质单元Ⅲ由于受到断层F21、F22、F23的影响以及位于东大岭向斜轴部区域，煤层瓦斯压力明显高于其他2个地质单元，其上组煤和下组煤煤层瓦斯压力梯度分别为0.24、0.50 MPa/hm。
3 小断层群对瓦斯赋存的影响
局部小断层群的存在对瓦斯赋存影响的作用不可忽视。以地质单元Ⅲ中南五采区12503工作面为例，该工作面横贯F21与F23断层，煤层标高为+700—+720 m，工作面上发育有一组落差为1～5 m的小断层(图6)，工作面相对瓦斯涌出量随开采距离的关系如图7所示。
图6 12503工作面位置
Fig.6 Position of No.12503 Working Face
图7 12503工作面相对瓦斯涌出量变化
Fig.7 Change of relative gas emission in No.12503 Working Face
12503工作面相对瓦斯涌出量的变化特征可分为4个阶段。第1阶段为工作面从开切眼处到450m处，平均相对瓦斯涌出量为5.08 m3/t，因为受F21的影响，使得其相对瓦斯涌出量相对较高；第2阶段为工作面推进450～700 m处，受派生小断层组影响，过断层处平均相对瓦斯涌出量可达12.48 m3/t；第3阶段为工作面推进700～900 m，构造发育较少，平均相对瓦斯涌出量为2.77 m3/t，相对瓦斯涌出量处于整体偏低阶段；第4阶段为工作面推进900～1 270 m处，主要受F23断层影响，平均相对瓦斯涌出量达11.27 m3/t。
4 结 论
1)屯兰煤矿煤层瓦斯赋存主要受断层和煤层埋深的控制，断层为关键地质因素，井田内断层主要以NE方向压扭性断层为主，易形成瓦斯异常区；井田内煤层瓦斯压力随埋深的增加逐渐增大。
2)屯兰矿井煤层瓦斯受F17、F2l、F23、F110控制明显，大致可分为4个地质单元。断层F110所构成的逸散通道，使其控制范围内的瓦斯压力偏低；断层F17、F2l、F23形成的地垒式组合区域，瓦斯呈现富集状态，煤与瓦斯突出危险性严重。
3)工作面瓦斯涌出量受断层组合形式及派生的小断层群影响明显，在过断层或接近区域性大断层时，瓦斯涌出量显著增加。
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