王　飛

(中國礦業(yè)大學安全工程學院)

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九里山礦馬坊泉斷層對煤與瓦斯突出的影響

王飛

(中國礦業(yè)大學安全工程學院)

摘要為了研究斷層構造對煤與瓦斯突出的影響，以九里山礦馬坊泉斷層為例，選取了距離斷層不同位置的6個煤樣進行了瓦斯含量、瓦斯壓力的現場測定及工業(yè)分析、吸附常數、瓦斯放散初速度、真密度、視密度、堅固性系數的實驗室測定。結果顯示，隨著與斷層的靠近，6個煤樣的變質程度和水分逐漸降低，而灰分卻先急劇升高后逐漸降低，此外，斷層構造導致煤樣堅固性系數的變化無規(guī)律且幅度大；6個煤樣的真密度和視密度均是先急劇增加后逐漸減小，且與灰分表現出明顯的正相關，同時孔隙率也表現出了相同的規(guī)律；斷層構造附近瓦斯壓力和含量并不太大且無規(guī)律性，但朗格繆爾體積和瓦斯放散初速度卻比較大，也無規(guī)律性。結果表明，馬坊泉斷層是一個開放性斷層，釋放了煤層瓦斯，但是斷層構造改變了煤體成分，造成了部分煤體強度降低以及地應力非均勻分布，總體上增加了區(qū)域煤與瓦斯突出的危險性。

關鍵詞斷層瓦斯壓力瓦斯含量朗格繆爾體積堅固性系數孔隙率工業(yè)分析

我國的煤礦地質條件復雜，在煤礦生產過程中，經常會發(fā)生煤與瓦斯突出等災害，多數災害的發(fā)生與地質條件有著直接或間接的關系，其中斷層構造是對煤礦安全生產影響最為顯著的地質條件之一[1-7]。斷層構造不僅破壞了煤層的連續(xù)性和完整性，還會造成斷層帶煤巖破碎，煤體強度降低，改變煤體特性，而且在局部位置會引起煤巖應力集中，瓦斯聚集，從而增加了煤與瓦斯突出的危險性[8-11]。

一般認為斷層的產生是地應力釋放的過程，因而在一定程度上減少了突出的危險性，但在很多時候由于斷層對煤巖結構的破壞和應力分布的非均勻性，斷層附近反而又成為煤與瓦斯突出的多發(fā)區(qū)域[8,12-14]。不同性質的斷層對突出的作用及影響截然不同，通常壓性或壓扭性斷層為封閉性構造，瓦斯含量高，瓦斯壓力大，突出危險性也大；張性斷層屬開放性構造，突出危險性小。在封閉的邊界條件下，小斷層密集發(fā)育的地帶特別是低級別壓扭性斷裂發(fā)育地段、壓性或壓扭性結構面間所夾的塊段、地塹式構造的中間塊斷等均易發(fā)生突出。斷層構造復合、組合部位屬應力集中地帶，易造成封閉條件，導致瓦斯富集[3,15-16]。為了研究斷層構造對煤與瓦斯突出的影響，本文以九里山礦馬坊泉斷層為例，從煤體的工業(yè)分析、堅固性系數、密度、孔隙率和瓦斯賦存規(guī)律等幾個方面進行分析。

1礦井概況

九里山礦位于河南省焦作市，井田內主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，主要含煤地層總厚158.96 m，煤層總厚7.67 m，含煤系數為4.83%。其中二疊系山西組的二1煤普遍發(fā)育，層位穩(wěn)定，結構簡單，為主要可采煤層。此外，九里山礦井田內斷層發(fā)育，其中馬坊泉斷層是最大的斷層，位于井田中部，橫貫全區(qū)，向西北延出井田，逐漸尖滅，向東南延出井田，被北碑村斷層切割錯開;走向N45°E～N55°E，傾向NW，南盤上升，北盤下降，為高角度正斷層;井田內落差為45～165 m，由東向西落差逐漸減少。2011年10月27日在馬坊泉斷層附近發(fā)生一起煤與瓦斯突出事故，18人死亡。由于斷層構造破壞了煤層結構，在局部位置引起了煤體應力集中和瓦斯富集，在采動的影響下，發(fā)生了這起煤與瓦斯突出事故。

2實驗方案

為了研究馬坊泉斷層對本次事故的具體影響，在事故地點附近依據到斷層不同的距離選取了6個位置(圖1)，施工穿層鉆孔，進行煤層瓦斯壓力和瓦斯含量的現場測定，并帶回相應的煤樣進行進一步實驗分析。6個煤樣均取自新鮮裸露鉆孔，為防止煤樣氧化，直接將煤樣裝入密封罐中保存，然后進行實驗。所有煤樣在真空條件下，以60 ℃干燥24 h，然后被篩分成6種粒徑：<0.2 mm、0.074～0.2 mm、0.18～0.25 mm、0.2～0.25 mm、10～13 mm和20～30 mm，以同樣的方式再次進行干燥處理。6個煤樣分別進行了工業(yè)分析、吸附常數、瓦斯放散初速度、真密度、視密度和堅固性系數的實驗分析，具體的實驗參數及儀器見表1。

圖1　取樣地點位置

試驗種類標準儀器及材料煤樣粒徑/mm工業(yè)分析GB/T212—20085E-MAG6600全自動工業(yè)分析儀<0.2吸附常數GB/T19560—2008HCA高壓吸附容量法0.18～0.25瓦斯放散初速度AQ1080—2009WT-I瓦斯擴散速度測定儀0.2～0.25真密度GB/T217—2008UltraPYC1200e密度分析儀<0.2視密度GB/T6949—2010石蠟、UltraPYC1200e密度分析儀10～13堅固性系數GB/T23561.12—2010搗碎筒、計量筒、天平20～30瓦斯壓力AQ1047—2007壓力表、測壓管、注漿泵-瓦斯含量GB/T23250—2009真空脫氣裝置、井下和常壓解吸裝置-

3實驗結果及分析

3.1斷層構造對煤體特性的影響

在漫長的地質年代中，斷層構造的不斷演化往往會造成煤體結構的破壞，繼而在周圍巖體和地下水甚至地熱等因素影響下進入一個不同的演化路徑，從而形成了不同的煤體特性。從圖2(a)中可以看出6個煤樣的揮發(fā)分均在7%左右，且隨著與斷層的靠近，整體上逐漸遞增，即變質程度是逐漸降低的，但變化幅度不大，同時6組煤樣隨著與斷層的靠近，水分含量卻逐漸減少，這或許是由于靠近斷層位置，空氣流通相對順暢，帶走了部分水分；此外，從圖2(b)中可以看出6個煤樣的灰分隨著與斷層的靠近，先急速增加，后逐漸降低，這應該與斷層形成的過程及強度有關，在形成的過程中，大量的礦物質會隨著地下水流動進入煤體內部，從而導致煤體灰分的增加，此外6個煤樣的固定碳含量與灰分含量表現出相反的規(guī)律，說明其變化應該是由于灰分含量的變化造成的。

煤層是含煤巖系中的相對軟弱層，在構造應力作用下，煤層比周圍巖石更容易遭到破壞。首先原生煤產生密集的裂隙，使煤體破裂；隨后進一步破碎，碎粒在構造過程中由于粒間的摩擦、擠壓和揉搓，使煤體形成更小的碎粒和細粉。從表2可以看出，隨著與斷層的靠近，6個煤樣的堅固性系數變化并不規(guī)律且變化幅度大，這說明在斷層構造形成過程中，其應力的分布并不規(guī)律，從而對煤體結構的破壞也不規(guī)律，而煤的堅固性系數反映了煤體的破壞類型，這顯示了斷層構造導致煤體破壞類型的非均質性，因此，斷層構造大大增加了煤與瓦斯突出的危險性。

圖2　煤樣的工業(yè)分析結果

3.2斷層構造對煤體密度和孔隙的影響

作為一種復雜的多孔性有機巖石，煤體具有天然的裂隙系統(tǒng)，包含有各種孔隙范圍的孔和裂隙。孔隙和裂隙構成了煤層中氣體吸附和儲存的空間以及擴散和滲透的通道，決定著煤層中氣體的儲存與運移[17-19]。斷層構造導致大量的原生煤演變成構造煤，同時往往也會改變煤體的孔隙特征，從而對煤層氣的開發(fā)和煤礦的安全生產產生影響。從表3、圖3、圖4中可以看出6個煤樣的真密度和視密度隨著與斷層的靠近先急劇增加，后逐漸減小，且與煤體內灰分的含量具有明顯的正相關性，同時孔隙率也表現出相同的規(guī)律，這應該跟地應力的分布有關，5#煤樣應該是處于地應力最小的，且隨著與斷層距離的靠近，地應力逐漸增加，這也就造成了5#煤樣的位置所受應力較小，壓縮較小，孔隙率也就越大，礦物質的流動也就越密集，沉淀在5#煤樣位置的礦物質也就越多，從而增加了其灰分以及真密度和視密度。

表2　煤樣的工業(yè)分析和堅固性系數結果

表3　煤樣的密度和孔隙率結果

圖3　密度實驗結果

3.3斷層構造對瓦斯賦存的影響

斷層對瓦斯賦存的影響比較復雜，一方面要看斷層(帶)的封閉性，另一方面還要看與煤層接觸的對盤巖層的透氣性。不論張性、張扭性或導水等開放性斷層是否與地表直接相通，都會引起斷層附近的煤層瓦斯含量降低，當與煤層接觸的對盤巖層透氣性大時，瓦斯含量降低的幅度更大。壓性、壓扭性、不導水等封閉性斷層并且與煤層接觸的對盤巖層透氣性低時，會阻止煤層瓦斯的排放，在這種條件下，煤層具有較高的瓦斯含量和瓦斯壓力。由于大斷層的規(guī)模很大，斷距很長，一般與煤層接觸的對盤密不透氣的概率較小，所以大斷層往往會存在一定寬度的低瓦斯帶[20]。

圖4　孔隙率實驗結果

從表4中可以看6個煤樣的朗格繆爾體積和瓦斯放散初速度分別為26～56 m3/t和19～44 mmHg，變化幅度較大，且遠超煤與瓦斯突出的臨界值，說明該區(qū)域煤體對甲烷的吸附解吸能力很強；同時其瓦斯含量和壓力分別為3～9 m3/t和0.2～0.9 MPa，說明該區(qū)域瓦斯并不太多，這是由于斷層構造形成了大量裂隙，為瓦斯氣體的流動提供了通道，排出瓦斯氣體。此外，以上參數隨著與斷層距離的靠近，表現出無規(guī)律性，說明斷層構造導致了該區(qū)域煤體性質和瓦斯賦存的非均質性，為斷層附近煤體煤與瓦斯突出危險性的預測增加了難度。雖然該區(qū)域煤體瓦斯含量和瓦斯壓力不是太大，但是其吸附解吸能力很強，同時考慮到斷層構造引起的非均質性，在局部位置會形成應力集中和瓦斯積聚，因此，斷層構造還是增加了煤與瓦斯突出的危險性。

表4　煤層瓦斯參數結果

此外，在斷層附近通常會出現煤層厚度突變，一些正斷層由于引張拖拽作用導致斷層附近煤層變薄，而一些逆斷層兩側可能出現煤層的重疊和聚集而導致煤層變厚，而煤與瓦斯突出通常發(fā)生于煤層厚度大或者煤厚突變的位置。

4結論

(1)隨著與斷層的靠近，煤樣的變質程度逐漸降低，同時斷層構造形成了大量裂隙，為煤巖中水分的揮發(fā)和礦物質的流動提供了通道，但由于其形成的過程不同，最終導致6個煤樣的水分隨著與斷層距離的靠近，逐漸減少；而灰分卻先急劇增加,后逐漸減少。此外，6個煤樣的堅固性系數卻毫無規(guī)律，這也反映了在斷層構造的形成過程中應力分布的非均質性，最終造成了煤體破壞程度的非均質性。

(2)6個煤樣的真密度和視密度與灰分具有明顯的正相關性，均是先急劇增加，后逐漸減小，同時孔隙率也表現出了相同的規(guī)律，這跟地應力的分布有關，5#煤樣應該處在地應力最小的位置，其所受到的應力最小，壓縮也就最小。

(3)斷層構造形成了大量的裂隙，為瓦斯氣體的流動提供了通道，所以該區(qū)域煤體瓦斯含量和壓力并不太大且無規(guī)律，同時該區(qū)域煤樣的朗格繆爾體積和瓦斯放散初速度變化幅度大，且超過煤與瓦斯突出的臨界值，說明該區(qū)域煤體對甲烷的吸附解吸能力很強，同時考慮到斷層構造區(qū)域瓦斯和應力分布的非均質性，因此，斷層構造增加煤與瓦斯突出的危險性。

參考文獻

[1]何俊,陳新生.地質構造對煤與瓦斯突出控制作用的研究現狀與發(fā)展趨勢[J].河南理工大學學報：自然科學版,2009,28(1):1-7.

[2]徐學鋒.地質構造對煤與瓦斯突出的影響研究[D].阜新：遼寧工程技術大學,2004.

[3]王道成.煤與瓦斯突出的地質構造影響因素研究[J].煤炭工程,2007(10):78-79.

[4]蘇生瑞.斷裂構造對地應力場的影響及其工程意義 [D].成都：成都理工學院,2001.

[5]沈海超,程遠方,王京印,等.斷層擾動下地應力場三維有限元約束優(yōu)化反演[J].巖石力學,2007(S1):359-365.

[6]李伍,朱炎銘,王猛,等.河北省煤礦區(qū)瓦斯賦存構造控制[J].中國礦業(yè)大學學報,2012,41(4):582-588.

[7]劉明舉,劉希亮,何俊.煤與瓦斯突出分形預測研究[J].煤炭學報,1998,23(6):58-61.

[8]魏國營,姚念崗.斷層帶煤體瓦斯地質特征與瓦斯突出的關聯[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2012,31(5):604-608.

[9]邵強,王恩營,王紅衛(wèi),等.構造煤分布規(guī)律對煤與瓦斯突出的控制[J].煤炭學報,2010,35(2):250-254.

[10]段東.煤與瓦斯突出影響因素及微震前兆分析 [D].沈陽：東北大學,2009.

[11]徐學鋒.逆斷層區(qū)構造煤形成機制及分布規(guī)律的數值模擬[J].煤田地質與勘探,2012,40(2):6-8.

[12]阮彥晟.斷層附近應力分布的異常和對地下工程圍巖穩(wěn)定的影響 [D].濟南：山東大學,2008.

[13]劉美平.斷層附近地應力分布規(guī)律及巷道穩(wěn)定性分析[D].青島：山東科技大學,2009.

[14]孫宗頎,張景和.地應力在地質斷層構造發(fā)生前后的變化[J].巖石力學與工程學報,2004,23(23):3964-3969.

[15]崔洪慶,姚念崗.不滲透斷層與瓦斯災害防治[J].煤炭學報,2010,35(9):1486-1489.

[16]舒龍勇,程遠平,王亮,等.地質因素對煤層瓦斯賦存影響的研究[J].中國安全科學學報,2011,21(2):121-125.

[17]劉高峰,張子戌,張小東,等.氣肥煤與焦煤的孔隙分布規(guī)律及其吸附-解吸特征[J].巖石力學與工程學報,2009,28(8):1587-1592.

[18]鐘玲文,張慧,員爭榮,等.煤的比表面積孔體積及其對煤吸附能力的影響[J].煤田地質與勘探,2002,30(3):26-29.

[19]馬東民.煤層氣吸附解吸機理研究[D].西安：西安科技大學,2008.

[20]劉咸衛(wèi),曹運興,劉瑞,等.正斷層兩盤的瓦斯突出分布特征及其地質成因淺析[J].煤炭學報,2000,25(6):571-575.

(收稿日期2016-02-29)

王飛(1989—)，男，博士研究生，221116 江蘇省徐州市。