九里山矿马坊泉断层对煤与瓦斯突出的影响

王　飞

(中国矿业大学安全工程学院)



九里山矿马坊泉断层对煤与瓦斯突出的影响

王飞

(中国矿业大学安全工程学院)

摘要为了研究断层构造对煤与瓦斯突出的影响，以九里山矿马坊泉断层为例，选取了距离断层不同位置的6个煤样进行了瓦斯含量、瓦斯压力的现场测定及工业分析、吸附常数、瓦斯放散初速度、真密度、视密度、坚固性系数的实验室测定。结果显示，随着与断层的靠近，6个煤样的变质程度和水分逐渐降低，而灰分却先急剧升高后逐渐降低，此外，断层构造导致煤样坚固性系数的变化无规律且幅度大；6个煤样的真密度和视密度均是先急剧增加后逐渐减小，且与灰分表现出明显的正相关，同时孔隙率也表现出了相同的规律；断层构造附近瓦斯压力和含量并不太大且无规律性，但朗格缪尔体积和瓦斯放散初速度却比较大，也无规律性。结果表明，马坊泉断层是一个开放性断层，释放了煤层瓦斯，但是断层构造改变了煤体成分，造成了部分煤体强度降低以及地应力非均匀分布，总体上增加了区域煤与瓦斯突出的危险性。

关键词断层瓦斯压力瓦斯含量朗格缪尔体积坚固性系数孔隙率工业分析

我国的煤矿地质条件复杂，在煤矿生产过程中，经常会发生煤与瓦斯突出等灾害，多数灾害的发生与地质条件有着直接或间接的关系，其中断层构造是对煤矿安全生产影响最为显著的地质条件之一[1-7]。断层构造不仅破坏了煤层的连续性和完整性，还会造成断层带煤岩破碎，煤体强度降低，改变煤体特性，而且在局部位置会引起煤岩应力集中，瓦斯聚集，从而增加了煤与瓦斯突出的危险性[8-11]。

一般认为断层的产生是地应力释放的过程，因而在一定程度上减少了突出的危险性，但在很多时候由于断层对煤岩结构的破坏和应力分布的非均匀性，断层附近反而又成为煤与瓦斯突出的多发区域[8,12-14]。不同性质的断层对突出的作用及影响截然不同，通常压性或压扭性断层为封闭性构造，瓦斯含量高，瓦斯压力大，突出危险性也大；张性断层属开放性构造，突出危险性小。在封闭的边界条件下，小断层密集发育的地带特别是低级别压扭性断裂发育地段、压性或压扭性结构面间所夹的块段、地堑式构造的中间块断等均易发生突出。断层构造复合、组合部位属应力集中地带，易造成封闭条件，导致瓦斯富集[3,15-16]。为了研究断层构造对煤与瓦斯突出的影响，本文以九里山矿马坊泉断层为例，从煤体的工业分析、坚固性系数、密度、孔隙率和瓦斯赋存规律等几个方面进行分析。

1矿井概况

九里山矿位于河南省焦作市，井田内主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，主要含煤地层总厚158.96 m，煤层总厚7.67 m，含煤系数为4.83%。其中二叠系山西组的二1煤普遍发育，层位稳定，结构简单，为主要可采煤层。此外，九里山矿井田内断层发育，其中马坊泉断层是最大的断层，位于井田中部，横贯全区，向西北延出井田，逐渐尖灭，向东南延出井田，被北碑村断层切割错开;走向N45°E～N55°E，倾向NW，南盘上升，北盘下降，为高角度正断层;井田内落差为45～165 m，由东向西落差逐渐减少。2011年10月27日在马坊泉断层附近发生一起煤与瓦斯突出事故，18人死亡。由于断层构造破坏了煤层结构，在局部位置引起了煤体应力集中和瓦斯富集，在采动的影响下，发生了这起煤与瓦斯突出事故。

2实验方案

为了研究马坊泉断层对本次事故的具体影响，在事故地点附近依据到断层不同的距离选取了6个位置(图1)，施工穿层钻孔，进行煤层瓦斯压力和瓦斯含量的现场测定，并带回相应的煤样进行进一步实验分析。6个煤样均取自新鲜裸露钻孔，为防止煤样氧化，直接将煤样装入密封罐中保存，然后进行实验。所有煤样在真空条件下，以60 ℃干燥24 h，然后被筛分成6种粒径：<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，以同样的方式再次进行干燥处理。6个煤样分别进行了工业分析、吸附常数、瓦斯放散初速度、真密度、视密度和坚固性系数的实验分析，具体的实验参数及仪器见表1。

图1　取样地点位置

试验种类标准仪器及材料煤样粒径/mm工业分析GB/T212—20085E-MAG6600全自动工业分析仪<0.2吸附常数GB/T19560—2008HCA高压吸附容量法0.18～0.25瓦斯放散初速度AQ1080—2009WT-I瓦斯扩散速度测定仪0.2～0.25真密度GB/T217—2008UltraPYC1200e密度分析仪<0.2视密度GB/T6949—2010石蜡、UltraPYC1200e密度分析仪10～13坚固性系数GB/T23561.12—2010捣碎筒、计量筒、天平20～30瓦斯压力AQ1047—2007压力表、测压管、注浆泵-瓦斯含量GB/T23250—2009真空脱气装置、井下和常压解吸装置-

3实验结果及分析

3.1断层构造对煤体特性的影响

在漫长的地质年代中，断层构造的不断演化往往会造成煤体结构的破坏，继而在周围岩体和地下水甚至地热等因素影响下进入一个不同的演化路径，从而形成了不同的煤体特性。从图2(a)中可以看出6个煤样的挥发分均在7%左右，且随着与断层的靠近，整体上逐渐递增，即变质程度是逐渐降低的，但变化幅度不大，同时6组煤样随着与断层的靠近，水分含量却逐渐减少，这或许是由于靠近断层位置，空气流通相对顺畅，带走了部分水分；此外，从图2(b)中可以看出6个煤样的灰分随着与断层的靠近，先急速增加，后逐渐降低，这应该与断层形成的过程及强度有关，在形成的过程中，大量的矿物质会随着地下水流动进入煤体内部，从而导致煤体灰分的增加，此外6个煤样的固定碳含量与灰分含量表现出相反的规律，说明其变化应该是由于灰分含量的变化造成的。

煤层是含煤岩系中的相对软弱层，在构造应力作用下，煤层比周围岩石更容易遭到破坏。首先原生煤产生密集的裂隙，使煤体破裂；随后进一步破碎，碎粒在构造过程中由于粒间的摩擦、挤压和揉搓，使煤体形成更小的碎粒和细粉。从表2可以看出，随着与断层的靠近，6个煤样的坚固性系数变化并不规律且变化幅度大，这说明在断层构造形成过程中，其应力的分布并不规律，从而对煤体结构的破坏也不规律，而煤的坚固性系数反映了煤体的破坏类型，这显示了断层构造导致煤体破坏类型的非均质性，因此，断层构造大大增加了煤与瓦斯突出的危险性。

图2　煤样的工业分析结果

3.2断层构造对煤体密度和孔隙的影响

作为一种复杂的多孔性有机岩石，煤体具有天然的裂隙系统，包含有各种孔隙范围的孔和裂隙。孔隙和裂隙构成了煤层中气体吸附和储存的空间以及扩散和渗透的通道，决定着煤层中气体的储存与运移[17-19]。断层构造导致大量的原生煤演变成构造煤，同时往往也会改变煤体的孔隙特征，从而对煤层气的开发和煤矿的安全生产产生影响。从表3、图3、图4中可以看出6个煤样的真密度和视密度随着与断层的靠近先急剧增加，后逐渐减小，且与煤体内灰分的含量具有明显的正相关性，同时孔隙率也表现出相同的规律，这应该跟地应力的分布有关，5#煤样应该是处于地应力最小的，且随着与断层距离的靠近，地应力逐渐增加，这也就造成了5#煤样的位置所受应力较小，压缩较小，孔隙率也就越大，矿物质的流动也就越密集，沉淀在5#煤样位置的矿物质也就越多，从而增加了其灰分以及真密度和视密度。

表2　煤样的工业分析和坚固性系数结果

表3　煤样的密度和孔隙率结果

图3　密度实验结果

3.3断层构造对瓦斯赋存的影响

断层对瓦斯赋存的影响比较复杂，一方面要看断层(带)的封闭性，另一方面还要看与煤层接触的对盘岩层的透气性。不论张性、张扭性或导水等开放性断层是否与地表直接相通，都会引起断层附近的煤层瓦斯含量降低，当与煤层接触的对盘岩层透气性大时，瓦斯含量降低的幅度更大。压性、压扭性、不导水等封闭性断层并且与煤层接触的对盘岩层透气性低时，会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和瓦斯压力。由于大断层的规模很大，断距很长，一般与煤层接触的对盘密不透气的概率较小，所以大断层往往会存在一定宽度的低瓦斯带[20]。

图4　孔隙率实验结果

从表4中可以看6个煤样的朗格缪尔体积和瓦斯放散初速度分别为26～56 m3/t和19～44 mmHg，变化幅度较大，且远超煤与瓦斯突出的临界值，说明该区域煤体对甲烷的吸附解吸能力很强；同时其瓦斯含量和压力分别为3～9 m3/t和0.2～0.9 MPa，说明该区域瓦斯并不太多，这是由于断层构造形成了大量裂隙，为瓦斯气体的流动提供了通道，排出瓦斯气体。此外，以上参数随着与断层距离的靠近，表现出无规律性，说明断层构造导致了该区域煤体性质和瓦斯赋存的非均质性，为断层附近煤体煤与瓦斯突出危险性的预测增加了难度。虽然该区域煤体瓦斯含量和瓦斯压力不是太大，但是其吸附解吸能力很强，同时考虑到断层构造引起的非均质性，在局部位置会形成应力集中和瓦斯积聚，因此，断层构造还是增加了煤与瓦斯突出的危险性。

表4　煤层瓦斯参数结果

此外，在断层附近通常会出现煤层厚度突变，一些正断层由于引张拖拽作用导致断层附近煤层变薄，而一些逆断层两侧可能出现煤层的重叠和聚集而导致煤层变厚，而煤与瓦斯突出通常发生于煤层厚度大或者煤厚突变的位置。

4结论

(1)随着与断层的靠近，煤样的变质程度逐渐降低，同时断层构造形成了大量裂隙，为煤岩中水分的挥发和矿物质的流动提供了通道，但由于其形成的过程不同，最终导致6个煤样的水分随着与断层距离的靠近，逐渐减少；而灰分却先急剧增加,后逐渐减少。此外，6个煤样的坚固性系数却毫无规律，这也反映了在断层构造的形成过程中应力分布的非均质性，最终造成了煤体破坏程度的非均质性。

(2)6个煤样的真密度和视密度与灰分具有明显的正相关性，均是先急剧增加，后逐渐减小，同时孔隙率也表现出了相同的规律，这跟地应力的分布有关，5#煤样应该处在地应力最小的位置，其所受到的应力最小，压缩也就最小。

(3)断层构造形成了大量的裂隙，为瓦斯气体的流动提供了通道，所以该区域煤体瓦斯含量和压力并不太大且无规律，同时该区域煤样的朗格缪尔体积和瓦斯放散初速度变化幅度大，且超过煤与瓦斯突出的临界值，说明该区域煤体对甲烷的吸附解吸能力很强，同时考虑到断层构造区域瓦斯和应力分布的非均质性，因此，断层构造增加煤与瓦斯突出的危险性。

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(收稿日期2016-02-29)

王飞(1989—)，男，博士研究生，221116 江苏省徐州市。