车集煤矿大中型主控正断层与瓦斯赋存关系研究

姚春雨

(永城永安矿山安全技术工程有限公司，河南 永城 476600)

断裂构造对瓦斯赋存的影响是多方面的，对煤体结构、瓦斯封闭条件、煤岩显微特征以及煤的渗透率均有不同程度的影响[1-5]。此外，大量生产科研实践表明，断裂构造对煤层瓦斯含量影响重大。断层对瓦斯赋存的影响程度与断层的性质及规模有关。从断层性质与瓦斯赋存的关系来看，压性断层(包括逆断层、发生反转的正断层或压性走滑断层)断层面表现为密闭性，断层面附近形成构造应力集中带，加大了瓦斯压力，煤层吸附瓦斯量增多，煤层瓦斯含量相对增高，同时瓦斯不易通过断层面运移散失，有利于瓦斯封存[6-10]。车集煤矿主要有近SN向、NNE向和NE向3组断裂，其中，NNE向为井田内大断裂，而近SN向和NE向主要为小断层。上述断裂都经过了多次的构造演化及区域应力场的改变，使得断层力学性质发生改变，控制了井田压扭裂隙延展方向总体为NNE向，对瓦斯释放不利。本文选取了几条有代表性的大中型主控正断层，分析其与附近瓦斯含量的关系，得出瓦斯赋存规律。

1 F5断层与瓦斯赋存关系

F5断层位于井田中深部9线—16线，延展长度3 000 m，走向近南北，倾向西，倾角70°，最大落差35 m，由1028、1228、1306、1427、143钻孔控制，1527与1528钻孔间接控制；首采区地震补充勘探对该断层也进行了严密控制。二水平三维地震勘探有44个断点对该断层进行了控制，控制可靠，同时该断层在26轨道下山、26胶带下山、2602回风巷均有揭露，实际揭露断层落差与物探成果相符。该断层为控制可靠断层。本文中的统计数据为F5断层附近400 m范围内的实测原始瓦斯含量数据，主要集中在标高-750～-820 m。F5断层两侧400 m内瓦斯含量数据见表1。

表1 F5断层两侧400 m内瓦斯含量数据Tab.1 Gas content data within 400 m on both sides of F5 fault

F5断层两侧400 m范围内瓦斯含量分布如图1所示。

图1 F5断层两侧400 m范围内瓦斯含量分布Fig.1 Distribution of gas content within 400 m on both sides of fault F5

从图1可以看出，瓦斯含量与距断层的距离两者一次线性回归方程为y=-0.002 5x+3.921 4，复相关系数R2=0.017 1，复相关系数很小，两者几乎无线性相关关系。分析认为，F5断层两侧400 m范围内瓦斯含量分布整体上无明显随距断层的距离增加而增大的趋势。但从图1中可以看出，在距F5断层150 m范围内(不足150 m)瓦斯含量有随距断层的距离增加而增大的趋势，但仅有3组数据。笔者将这3组数据筛选后，得F5断层两侧150 m范围内瓦斯含量分布(图2)。

图2 F5断层两侧150 m范围内瓦斯含量分布Fig.2 Distribution of gas content within 150 m on both sides of fault F5

从图2中可以看出，瓦斯含量与距断层的距离两者一次线性回归方程为y=0.021 4x+2.934 7，复相关系数R2=0.877 9，复相关系数较高，瓦斯含量有随距断层的距离增加而增大的趋势。但因数据少，说服力较弱，需通过对其他断层分析后进行印证。

2 F2断层与瓦斯赋存关系

F2断层位于10线以南的深部边界断层，北端到10线附近消失，南端延至区外，由511、730、813钻孔控制，627与628钻孔间接控制，又由首采区地震补充勘探7条测线控制。27采区三维地震和二水平三维地震勘探也均对其进行了控制，该断层走向北北东，倾向南东东，倾角65°～70°，三维地震控制的断层最大落差为60 m左右，向北逐渐减小。该断层三维地震控制可靠。本文的统计数据为F2断层附近500 m范围内的实测原始瓦斯含量数据，主要集中在标高-670～-900 m。F2断层两侧500 m范围内瓦斯含量分布如图3所示。

图3 F2断层两侧500 m范围内瓦斯含量分布Fig.3 Distribution of gas content within 500 m on both sides of fault F2

从图3中可以看出，瓦斯含量与距断层的距离两者一次线性关系式为y=0.003 1x+4.476 2，复相关系数R2=0.008 8，复相关系数很小，两者几乎无线性相关关系。分析认为，F2断层两侧500 m范围内瓦斯含量分布整体上无明显随距断层的距离增加而增大的趋势。但从图3中可以看出，在距F2断层150 m范围内瓦斯含量有明显随距断层的距离增加而增大的趋势。笔者将上述数据筛选后重新分析，F2断层两侧150 m范围内瓦斯含量分布如图4所示。

图4 F2断层两侧150 m范围内瓦斯含量分布Fig.4 Distribution of gas content within 150 m on both sides of F2 fault

从图4中可以看出，瓦斯含量与距断层的距离两者一次线性回归方程为y=0.065 9x-2.006 2，复相关系数R2=0.427 8，复相关系数中等，两者线性相关关系较明显，可见F2断层两侧150 m范围内瓦斯含量分布有随距断层的距离增加而增大的趋势。分析认为，F2断层对两侧煤层中的瓦斯逸散控制作用较明显，但距离超过150 m后控制作用失效。

从上述分析中可以看出，断层对瓦斯含量的影响有距离限制，或者说断层对瓦斯赋存的影响有范围限制。在一定范围内，距断层越近，瓦斯逸散越多，瓦斯含量越小。F5断层落差(35m)小于F2断层落差(60 m)，F5断层对两侧瓦斯含量的控制距离不足150 m，F2断层对两侧瓦斯含量的控制距离达到了150 m，推断，断层落差较大、规模较大的断层对两侧瓦斯含量的控制距离较远。

3 瓦斯含量与大中型正断层的控制作用

目前，-900 m水平以深采掘工程较少，煤层揭露面积小，瓦斯含量整体较高，但数据点少，且分布不均衡，对该区域内进行深入分析很有必要。

本小节分析的-900 m水平大型主控断层主要指落差超过30 m的正断层，因-900 m水平以深瓦斯含量的统计数据本身较少，分布不均衡，为避免局部区域内数据权重过大，造成数据失真，必须对数据进行认真筛选。

-900 m以深区域实测原始瓦斯含量主要集中在2个区域，暂称Ⅰ区域和Ⅱ区域：Ⅰ区域为2311工作面下边界、23采区下部车场及2316工作面下边界与DF023断层之间，标高-900～-925 m；Ⅱ区域为26辅助采区3条下山附近，标高为-900～-1 000 m。因为-900 m以深区域面积相对较大，但瓦斯含量数据过度集中在Ⅰ区和Ⅱ区，为避免两区域内数据权重过大，数据分析失真，只取两区域内各自的实测瓦斯含量最大值代表本区域。Ⅰ区域内最大实测原始瓦斯含量为5.73 m3/t，距DF023断层63 m。Ⅱ区域内有2处实测原始瓦斯含量最大值超过10 m3/t的地点，一处数值为10.36 m3/t，位于26辅助水仓周边，附近有一F28-25逆断层；另一处数值为10.88 m3/t，位于26辅助轨道下山穿煤段周边，附近有一F28-24逆断层。剩余较大瓦斯含量点均位于F28-24逆断层附近。分析认为，Ⅱ区域内实测原始瓦斯含量数据均不具有代表性。筛选后的瓦斯含量数据见表2。

表2 -900 m水平以深瓦斯含量与大中型主控正断层数据Tab.2 -900 m level with deep gas content and large and medium-sized master normal fault data

-900 m水平以深瓦斯含量与大中型主控正断层关系如图5所示。从图5可以看出，-900 m水平以深部分瓦斯含量点与大中型主控正断层的一次线性回归方程为y=0.035 5x+7.075 1，复相关系数R2=0.847 6，可见两者线性相关性较高，瓦斯含量梯度为3.55 m3/(t·hm)，图5中显示符合线性相关的最远控制距离为450～500 m。

图5 -900 m水平以深瓦斯含量与大中型 主控正断层关系Fig.5 -900 m level with deep gas content and the relationship between large and medium-sized main control normal faults

本文分析认为，-900 m水平以深距大中型主控正断层越远则瓦斯含量越高，且断层落差越大，表现的控制距离越远，深部水平煤层中瓦斯的逸散应主要依靠大中型主控正断层的开放作用。

4 结论

(1)分析了矿井具有代表性的大中型主控正断层对瓦斯赋存规律的影响，断层对瓦斯含量的影响有距离限制，或者说断层对瓦斯赋存的影响有范围限制。在一定范围内，距断层越近，瓦斯逸散越多，瓦斯含量越小。

(2)断层落差较大、规模较大的正断层对两侧瓦斯赋存的控制作用较明显。

(3)-900 m水平以深距大中型主控正断层越远则瓦斯含量越高，断层落差越大，表现的控制距离越远且瓦斯含量梯度明显，可见深部煤层中瓦斯的逸散主要依靠大中型主控正断层的开放作用。