煤系正断层带影响下的煤层瓦斯赋存规律

肖鹏，吴铭川，双海清，韩 凯，高 振，程玥颖

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心，陕西 西安 710054)

瓦斯是复杂的气体地质体，其生成、运移和赋存受地质构造条件影响[1]。瓦斯赋存受地质构造逐级控制[2-3]，区域地质构造影响矿区总体瓦斯赋存特征，矿井构造控制瓦斯分区分带特性，工作面构造决定局部瓦斯富集区和突出危险区域。煤系断层为采掘工作面广泛发育的小型构造[4]，主要指煤矿生产中揭露落差小于5 m 的小型断层，其作为逐级地质构造的最后一环，与瓦斯灾害预测和矿井瓦斯防治息息相关。

断层作为煤炭生产过程中最常见的地质构造之一，对煤层瓦斯赋存和分布起到重要作用。孔胜利等[5]通过理论分析和现场实测对山西屯兰煤矿瓦斯赋存规律进行研究，认为断层是控制屯兰煤矿瓦斯赋存的关键因素，断层及其组合方式使煤层局部瓦斯含量出现异常，在靠近断层时瓦斯涌出量显著增加。蔺亚兵等[6]研究彬长矿区低阶煤高瓦斯矿区瓦斯地质时发现，煤巷掘进过断层带时,瓦斯涌出会出现明显差异，当断层落差越大,瓦斯涌出量变化幅度越大，瓦斯涌出峰值位置与小断层距离相关。Chen Xiangjun 等[7]对山西高平长平井田 3 号煤层瓦斯含量的主控制因素进行分析，发现断层区域煤层瓦斯含量为同一深度正常地区的1.6 倍，正断层上盘含气量比下盘高 21.6 %。宋占全等[8]基于构造逐级控制理论分析了河南永城薛湖矿的小断层分布特点和性质，认为研究区域小断层呈现压扭性，断层面透气性较差,断层区域裂隙发育,使得瓦斯储集空间增大，有利于瓦斯富集，且瓦斯含量和瓦斯压力普遍高于其他区域。倪小明等[9]以山西晋城寺河矿某工作面正断层为地质背景，通过数值模拟、渗透实验和现场瓦斯参数测定发现，应力、应变和渗透率具有较好的一致性，正断层的断层面处瓦斯涌出量较小，随与断层面距离增大，瓦斯涌出量逐渐增大，达到峰值后开始降低，最终恢复到正常值。崔洪庆等[10]通过煤与瓦斯突出实例和瓦斯抽采数值模拟实验分析了断层对瓦斯的影响，认为低渗透性煤层中压性或压扭性断层可能形成不渗透断裂带，使得断层两盘煤层间存在高瓦斯压差和高瓦斯含量差的现象。刘咸卫等[11]基于平顶山东部矿区的正断层的统计分析，发现正断层上盘的瓦斯突出占比高、强度大，正断层上盘对瓦斯突出的控制作用较下盘更为显著。韩松林等[12]运用数理统计和瓦斯地质理论，分析了顺和煤矿构造演化与瓦斯赋存的地质特征，发现靠近逆断层和区内小断层附近瓦斯含量明显增大，大中型正断层附近瓦斯含量减小。

学者们对断层与煤层瓦斯赋存关系展开大量研究，取得了许多有价值的成果。但是目前研究对象主要集中于单一断层，研究方法多从瓦斯含量、瓦斯涌出量等观测数据来推断分析断层对瓦斯赋存影响。而实际地质背景下的煤系断层受多期构造运动影响往往成组出现[13-14]，距离近、规模小、产状相似，通过相互组合延绵成带，容易形成复杂的煤系断层带，且断层带内的煤层瓦斯分布存在动态演化的运移过程，从而使得断层带区域煤层瓦斯赋存更加复杂多变。因此，本文基于渭北煤田中段某矿煤系正断层广泛发育的地质背景，以其揭露的一组典型的煤系正断层带为研究对象，建立多物理场数值模型，通过模拟断层形成后的力学环境和瓦斯运移规律分析瓦斯赋存特征，基于现场瓦斯参数测定结果对瓦斯赋存规律进行验证。研究结果以期能为矿井瓦斯灾害防治和安全生产提供理论依据和实践基础。

1 地质背景及构造特征

渭北煤田位于鄂尔多斯地块渭北隆起的东南部，受印支、燕山及喜马拉雅运动形成期的影响，尤其在燕山末期发生以断层为主的强烈运动形成渭北断裂带[15]，多期变形和多组构造的复合叠加，使得渭北煤田由单一构造体系向多级构造体系演化发育，同时也孕育出多且复杂的中、小型地质构造。

渭北煤田中部澄合矿区某矿规划井田被NEE 走向的县西河正断层和NNE 走向的杨庄正断层所围限，受渭北煤田地质因素和井田边界条件制约，井田内部发育出较多中、小型断裂构造，其多为NE 走向，张性或张扭性质的煤系正断层。张扭性断层分布范围广、构造强度大、延展性好，在井田内部发育形成多组断续式断裂组合，每组由多条走向相同、倾向类似的小型断层在水平方向上延续，容易形成连续组合的煤系正断层带，研究区域断层构造分布如图1 所示。

图1 研究区域地质构造Fig.1 Geological structure of the study area

研究对象位于矿井北翼50132 回采工作面回风巷180～320 m 的位置，该工作面主采石炭-二叠纪下统山西组5 号煤层，在巷道掘进过程中揭露出4 条距离近、规模类似的煤系正断层，且在煤巷掘进期间瓦斯涌出量出现明显异常。

断层产状及所在煤系地层综合柱状如图2 所示，4 条断层倾角类似，断距h均小于5 m，断层破碎带宽度小，且断层并未完全切断煤层，但由于煤层、岩层和断层力学性质的差异，使得局部区域的煤储层物性特征变化，从而影响瓦斯赋存条件。将4 条断层相互组合，其中F1、F2 组合为地堑，F2、F3 组合为地垒，F3、F4 组合为阶梯状断层，F1、F2、F3、F4 四条断层在巷道水平方向延续，成为一组典型的煤系正断层带。

图2 煤系正断层带煤层剖面及地层综合柱状图Fig.2 Coal seam profile and comprehensive stratigraphic histogram of normal fault zone of coal measures

2 多物理场数值模型建立

2.1 基本假设

数值模拟主要分析煤系正断层带形成后，煤岩中原始瓦斯在孔隙压力及断层裂隙边界条件控制影响下的运移情况。考虑上覆岩层重力及水平侧向压力对煤岩的力学作用，基于研究区域煤系正断层带的实际产状，按照1∶1 的原始比例进行简化建模，同时以研究区域煤岩层及瓦斯相关物性参数为基础做作简化调整。

由于煤层瓦斯模拟较为复杂，为突出研究目标，本模型基于以下假设：

(1)煤层及围岩是均匀连续介质，且为各向同性的线弹性材料，服从Mohr-Coulomb 准则。

(2)将煤层顶、底板岩层设为单一性质，忽略顶、底围岩中各级地层岩石的力学性质差异。

(3)瓦斯以扩散和对流状态在煤层中进行基于Fick 定律的多孔介质传递。

(4)煤层瓦斯通过煤系断层边界逸散，在断层裂隙中的瓦斯运移基于Darcy 定律。

基于COMSOL Multiphysics 多物理场数值模拟软件，在同一模型基础上使用固体力学、流体力学和多孔介质稀物质流动接口，通过多孔弹性耦合和流动耦合，最终模拟得到煤系正断层带内部煤层瓦斯运移规律及特征。

2.2 煤岩固体力学设定

模型尺寸长×宽×高设为200 m×40 m×60 m，煤层厚度5 m，顶底板厚度均为30 m，断层产状参数与2.1 节中地质案例保持一致，模型共计44 701 个网格节点，19 363 个三角形单元，模型及网格划分如图3 所示。参考临近区域地应力测定结果，模型顶部施加厚450 m 的覆岩压力，即12 MPa，左右两侧边界施加4.5 MPa 的水平侧向应力，前后两侧边界设为对称约束，底部边界设为固定约束，限制模型的平移和转动，满足有限元分析要求。

图3 划分网格后的模型Fig.3 Meshing model

研究区域属于典型的“三软”煤层，其煤坚固性系数为0.23，煤体强度为7.3 MPa，煤层顶板以砂质泥岩、粉砂岩为主，底板以粉砂岩、石英砂岩为主，顶底板岩层抗压强度均小于25 MPa。煤系断层力学参数相对薄弱，可塑性较强，参照已有模拟经验[16-17]，将具有裂隙存在的断层视为等效连续介质，取临近煤岩弹性模量的45%、泊松比增加0.02 作为断层面等效岩石力学参数。基于研究区域矿井地质调查及“三软”煤层煤岩力学性质得到模型煤岩力学参数见表1。

表1 煤岩力学模型参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock in model

2.3 瓦斯流场耦合设定

煤层及断层面在流体力学接口中设为多孔介质材料，并给定煤基质的初始孔隙率，将孔隙率ε、渗透率k及扩散系数D设置为固体场体应变evol的函数(下式)，从而将固体场和流体场进行多物理场耦合：

式中：ε0为初始孔隙率，%；k0为初始渗透率，m2；D0为初始扩散系数，m2·s。

设瓦斯流体在煤系断层面上流动基于达西渗流场，上下煤岩接触边界设为壁面，煤层按照实测值给定初始瓦斯压力，断层边界面设为出口压力为零，同时加入基于达西定律的裂隙流公式：

式中：t为模拟时间，s；ρ为多孔介质中流体密度，kg/m3；μ为流体动态黏度，Pa·s；∇为哈密顿算子；p为裂隙中游离流体自由压力，Pa；Qm为质量源，(kg·m)3/s。

考虑瓦斯扩散和煤层对瓦斯吸附的影响，设瓦斯在多孔介质中以稀物质进行传递，并服从基于Langmuir 吸附平衡的质量守恒方程式：

式中：c为稀物质浓度，mol/kg；Langmuir 常数kPL为多孔介质在参考压力下单位摩尔质量内的极限吸附体积，m3/mol；cmax为多孔介质在单位质量内对稀物质的最大吸附浓度，mol/kg。

当裂隙渗流速度大于孔隙扩散速度，孔隙与裂隙间将发生质量交换，根据质量守恒原理，瓦斯从孔隙系统流出，断层裂隙系统流入，最终由裂隙边界逸散，单位时间模型煤层内部气体与断层裂隙系统交换相当于内质量源。

瓦斯气体浓度初始值选取基于勘探时期瓦斯含量，其测量值可以反映原始状态下煤层瓦斯含量，考虑到瓦斯一般在构造区域富集[18]，因此，以矿区勘探时期瓦斯含量最大测点值换算取得。模型左右两侧边界设为包含对流的通量条件，按照勘探时期瓦斯含量测点平均值换算，各断层面设为裂隙边界，以此模拟煤系正断层带的产生对煤层瓦斯逸散与赋存的双重控制作用。煤基质及瓦斯气体模型参数见表2。

表2 煤基质及瓦斯模型参数Table 2 Parameters of coal matrix and gas model

3 煤系正断层带力学环境变化特征

3.1 断层区域煤岩应力分布特征

断层较为发育的区域，尤其针对于小型煤系断层带，其实际测量难度大、成本高，并且应力实测值受地质构造影响将变得非常分散[19]，难以得到有效应力分布规律。基于研究区域地质原型，将研究区域划分为紧密连接的单元格，结合实际情况预设边界条件，加入物理场函数，求得各单元格应力近似解，从而获得研究区域煤系断层带的应力分布特征，如图4 所示。

图4 煤系正断层带应力分布Fig.4 Principal stress distribution of fault zone

通过煤系断层带应力模拟结果(图4)可知，断层带分割了煤岩应力在空间分布的连续性，4 条正断层应力相互影响叠加，产生了局部构造应力集中区，主要在断层带内部煤层断层面出现显著的应力集中现象，集中范围由大到小依次为F4、F1、F3、F2。

水平构造应力致使煤岩发生断裂，垂直应力剪切煤岩，使得煤层和岩层之间产生相对位移，由于煤层和岩层固有力学性质的差异，使得应力主要集中在相对软弱岩层(煤层)上。煤系断层带内各条断层埋深有所差异，但差值远远小于断层距离地表的深度，可认为煤系断层带内各断层的竖直方向的静岩压力相同，因此，断层面上的应力集中主要取决于断层角和断距，以及临近断层之间的相互影响作用。

以断层面中心为基准点，沿各断层面倾向方向取全局应力进行分析，为纵向对比，取顶板到断层中心点距离取负值，底板到断层中心点距离取正值，应力曲线如图5 所示。

图5 断层面倾斜方向应力曲线Fig.5 Stress curves of fault in inclined direction

由图5 可知，应力峰值主要位于断层面中心点及其临近两侧位置，在断层中心点两端5 m 处(岩层、煤层及各断层面交汇点处)发生应力降现象，远离断层后煤岩应力趋于稳定，4 条断层的应力最大值处于9.7～10.8 MPa，应力最小值处于5.6～6.5 MPa。

为探究断层带内各断层之间的相互影响，将4 条断层分别组合，逐一分析如下：

(1) F1、F2 组合形成地堑构造，2 条断层面延长线将顶板围岩割裂成类似于“倒梯形”的围岩断块，在梯形2 个底角出现应力集中，断层面水平应力相互叠加，进一步加剧应力集中现象。

(2) F2、F3 断层的应力曲线相似，在应力峰值过后出现应力值的波动，其组合形成的地垒构造将煤层割裂为“正梯形”，且处于断层带内部，分散了应力的集中程度。

(3) F3、F4 直接组成阶梯状断层，两者断层角接近，但F4 应力峰值大于F3，这是因为F3 处于正断层带内部，受到左右临近断层的影响而应力减小，由于F4 的断距较大，加剧其应力集中程度。

(4) F1、F4 断层面在空间位置上近似平行，也可认为两者在水平方向间接组成不连续的阶梯状断层，其断层断距相当，且处于断层带的两侧边界，两者应力曲线相似，但F4 断层角小于F3 断层角，导致F4 的应力峰值大于F3。

3.2 断层区域煤层渗透率变化特征

煤层渗透率是煤体裂隙发育程度定量表征参数之一，也反映煤层瓦斯运移的难易程度[20]。基于前文分析得到断层带应力分布特征，将其结果作用于具有孔隙结构的煤岩基质，通过多孔弹性接口耦合固体力学与多孔介质流动，从而解算得到煤系断层带渗透率数值分布特征，如图6 所示。

图6 断层带渗透率分布特征Fig.6 Permeability distribution characteristics of fault zone

根据断层带渗透率分布特征(图6)可知，断层周边煤层渗透率变化具有高度相似的特点，即断层接触面煤层渗透率减小，断层面两侧上下盘煤层渗透率增大，远离断层面一定距离后的煤层渗透率趋于一致。煤系正断层带内各断层产状不同，使得其煤层渗透率的最大、最小值也出现变化。

基于模拟结果，取4 条断层面及临近上下盘煤层的渗透率进行分析，如图7 所示。

图7 煤系正断层带煤层渗透率分布Fig.7 Permeability distribution in fault zone

由图7 可知，煤系断层带渗透率总体变化处于4.59×10-17～5.87×10-17m2之间，结合模型中4 条正断层物理几何特性，各断层下盘渗透率增量均大于上盘(F2 断层角为负，上盘在左，下盘在右)，断层带内煤层渗透率变化受有效应力控制：即有效应力大，煤层渗透率低；有效应力低，煤层渗透率大。

由于煤层渗透率受有效应力控制作用，根据应力分布特征模拟结果，断层应力峰值均集中在断层接触面，较高的应力致使煤体挤压，改变其孔隙分布，导致孔隙率减小，进而致使煤层渗透性降低。同时，断层面的应力集中导致其他区域应力重新分布，尤其是在断层面临近上下盘煤层的端点区域出现应力降，有效应力的减小致使断层上下盘区域煤层渗透率增大。

4 煤系正断层带瓦斯运移规律

4.1 正断层带瓦斯浓度分布特征

瓦斯作为一种特殊流体，通常以游离和吸附状态存在于煤岩中[21]。煤体作为具有双重孔裂隙结构的多孔介质，其内部固体骨架为瓦斯分子吸附、附着源，孔裂隙结构提供给瓦斯运移通道。由于煤系正断层带区域力学环境发生变化以及断层裂隙的逸散作用为原本均匀赋存的煤层瓦斯提供扩散空间，不均匀瓦斯浓度成为驱动力促使煤层瓦斯进行二次运移和重新聚集。通过多孔介质稀物质传递和达西定律的流动耦合，模拟煤层瓦斯在正断层带形成后瓦斯运移状态和浓度分布情况，为避免赘述，选取瓦斯浓度梯度变化较大的时间节点(以年为单位)瓦斯浓度分布云图作以展示，如图8 所示。

如图8a 所示，瓦斯分子在初始条件设定下呈现自由分布状态，受断层应力集中影响，断层带内部煤层孔隙率发生大幅度改变，瓦斯气体基于煤基质孔隙变化呈现不均匀分布状态，左右边界断块受到通量边界浓度控制，瓦斯分子可与外界进行质量交换，瓦斯浓度分布较为均匀。

图8 断层带内煤层瓦斯运移浓度分布Fig.8 Concentration distribution of coal seam gas migration in fault zone

时间为1 年时(图8b)，总体瓦斯浓度变化较大，模型内部测点的瓦斯浓度最大值由5.13 mol/m3降低到3.65 mol/m3，各区域瓦斯浓度呈下降趋势，但瓦斯浓度分布出现明显聚集特征，并且断层带内部各断块的瓦斯浓度大于外部边界断块。

时间为2 年时(图8c)，模型内部测点的瓦斯浓度最大值降低到3.28 mol/m3，降低速度减缓，断层带内部瓦斯分布规律不变，但瓦斯浓度集中区域范围出现明显的缩小。

此后，随时间增加断层带区域瓦斯浓度不断降低，但总体降低幅度减小，当时间为20 年时(图8f)，各区域的瓦斯浓度分布不再变化，可认为煤系断层影响下的瓦斯运移重新达到二次平衡，煤层瓦斯最终分布为断层带内部瓦斯浓度显著低于断层带外部，但在断块内部仍有部分瓦斯聚集。

4.2 断块内部瓦斯浓度变化规律

对煤系断层带切割形成的5 组断块的平均浓度变化进行取值分析，如图9 所示。

由图9 可知，左右边界断块初始瓦斯浓度平均值为1.98 mol/m3，降低速度较缓，瓦斯浓度平均值降低0.45 mol/m3。这是由于断层带内部断块受两侧组合断层的多重控制作用，加强瓦斯在垂直方向的逸散能力，而边界断块仅有一侧受到断层控制作用，加之浓度边界条件的设定，使其具备相对较好的瓦斯富集条件。

图9 正断层断块内瓦斯平均浓度变化Fig.9 Average concentration variation of coal seam gas

地堑、地垒和阶梯状断层内部的瓦斯浓度降低速率相对较快，平均降低1.73 mol/m3。其中，地垒构造瓦斯浓度降低速率略小于其他断块，这是由于地垒构造处于断层带内部，受集中应力作用相对较小，F2、F3 断层对瓦斯运移阻隔作用小，加之地垒构造垂直方向略高，有利于升浮的瓦斯运移补充。经历20 年的瓦斯运移后，各断块瓦斯浓度相对稳定，断层带内部断块(地堑、地垒、阶梯状断层)瓦斯浓度小于两侧边界断块。

4.3 断层面瓦斯浓度变化规律

对前5 年模拟时间内断层面的瓦斯浓度变化情况进一步分析，如图10 所示。

图10 断层面瓦斯浓度变化Fig.10 Gas concentration change on fault plane

由图10 可知，4 条断层面的初始瓦斯浓度大小依次为：F3、F4、F1、F2，随时间增加瓦斯浓度逐渐减小。其中，F2 断层面瓦斯浓度变化值小于其他3 组断层面，时间为1 年时，地堑和地垒内部瓦斯浓度较高，如图8b 所示，F2 断层面上瓦斯浓度也达到1.75 mol/m3，表明瓦斯可以通过F2 断层面在两组断块之间运移，说明断层面对瓦斯运移的影响程度具有相对性。

随时间增加，瓦斯通过断层裂隙通道向外逸散，各断层面瓦斯浓度出现不同程度的降低，此时各断块内部的瓦斯难以运移通过断层面，如图8c—图8f 所示。模拟结果表明，断层对瓦斯在水平方向运移产生一定的阻隔作用，其受煤岩自身物理性质和煤层瓦斯浓度梯度影响。

5 现场瓦斯分布验证

5.1 煤层瓦斯含量分布特征

根据GB/T 23250-2009《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》进行现场瓦斯含量测定[22]，基于巷道掘进时期瓦斯涌出量监测，在距离终采线150～400 m 的区域(煤系断层带所处区域)布置8 组井下瓦斯地质钻孔，其钻孔方向垂直于煤壁，孔深超过20 m，孔径42 mm，1-3 号钻孔位于断层带左侧，4-6 号钻孔位于断层带内部，7-8 号钻孔位于断层带右侧。采用DGC 型瓦斯含量直接测定装置，对研究区域的煤层原始瓦斯含量进行测定，结果见表3。

由表3 可知，研究区域的煤层瓦斯含量处于2.376 8～4.680 6 m3/t，煤系断层带影响下的煤层瓦斯含量表现出明显的不均衡性。根据魏国营等[23]提出的瓦斯富集区定义：同高程同一煤层瓦斯含量高于周边20%以上的局部区域，也认为是煤层瓦斯富集区。研究区域的煤系断层带左右两侧瓦斯含量分别高于断层带内部临近测点51.1%和96.9%，形成2 处瓦斯富集区域。

表3 煤层瓦斯含量测定结果Table 3 Gas content measurement results of coal seam

为将实测瓦斯含量与模拟瓦斯浓度结合对比，以4 条断层实际位置为控制点，分别选取断层面、断块中心及边界断层对应点的瓦斯浓度，综合绘制煤系断层带瓦斯分布曲线，如图11 所示。

由图11 可知，瓦斯在煤系断层带外部两侧形成瓦斯富集区域，且呈现为“驼峰状”。煤系断层带内各断层之间瓦斯含量低，但随着临近两断层之间距离的增加而增大，断层带内瓦斯含量平均值为2.592 1 m3/t；断层带外部两侧10～20 m 范围内出现瓦斯含量峰值，其瓦斯含量平均值为4.480 2 m3/t；但随着测点与断层带距离增加，瓦斯含量呈下降趋势。

由图11 中模拟瓦斯浓度分布曲线可看出，断层面的瓦斯浓度为局部最小值，断块之间的瓦斯浓度为局部峰值，煤系断层带两侧瓦斯浓度最大。整体而言，断层带内部测点瓦斯浓度最大、最小值依次增加，与实测数据在不同断层断块内部变化趋势相同，表明了数值模拟的可行性。

图11 煤系断层带瓦斯分布曲线Fig.11 Gas distribution curves of coal measure fault zone

断层面出现瓦斯浓度局部最小值，是由于断层裂隙在竖直方向为煤层瓦斯逸散提供了有利条件，当整体瓦斯浓度降低时，断层在水平方向对瓦斯阻隔作用增强，其他区域瓦斯难以运移到裂隙出口向外逸散，断层面与断块中心的瓦斯体积分数差值均高于20 %，可认为断层之间形成小型瓦斯富集区域。总体而言，煤系正断层带的形成增大了瓦斯在断层带内部的逸散能力，但多条正断层在局部区域的组合又增强了对煤层瓦斯在水平方向的阻隔作用，从而在煤系正断层带两侧形成瓦斯含量差值更高的瓦斯富集区域。

5.2 回采时期工作面瓦斯涌出特征

收集了回采期间过断层带区域回风巷道瓦斯体积分数及工作面配风量数据，绘制过煤系断层带瓦斯涌出曲线，如图12 所示。回采期间巷道瓦斯涌出呈现出“两高一低”的规律，即回采断层带前和过断层带后瓦斯涌出量相对较高，其平均瓦斯体积分数为0.454 9%，在回采断层带内部期间瓦斯涌出量相对较低，其平均瓦斯体积分数为0.224 0%，在断层带内部随断层之间距离的增加，瓦斯涌出也呈上升趋势。

图12 回采期间工作面瓦斯涌出量特征曲线Fig.12 Gas emission characteristic curve of working face during mining

在F4 断层之前，煤层回采的瓦斯涌出量监测曲线出现了骤降，这是由于矿方根据井下瓦斯含量测定结果及规律，在煤系断层带左侧的瓦斯富集区域预先布置了抽采钻孔，在断层带左侧前50 m 的范围内布置顺层钻孔和高位钻孔，对煤层瓦斯进行预防性的局部抽采。

通过对比煤系断层带两侧瓦斯富集区回采期间的瓦斯涌出量，可以明显看出预抽区域瓦斯涌出量低于未抽采区域，表明针对煤系断层带瓦斯富集区域的精准抽采可以有效降低回采期间的瓦斯涌出量，抑制瓦斯灾害风险。除此之外，回采过煤系断层带期间的瓦斯涌出规律，与瓦斯含量、瓦斯浓度曲线变化规律基本一致。

5.3 结果与讨论

基于渭北煤田区域地质构造演化、正断层带构造特征、数值模拟结果及现场监测等理论数据的分析研究，认为煤系正断层带受区域构造条件以及大中型拉张构造逐级控制，煤岩复合的物理力学性质使其更易受到构造应力破坏，从而在局部发育出多条正断层，组合形成煤系正断层带。煤岩断裂之初，由于正断层受水平张力和剪切应力作用，断层封闭程度较低，且煤系断层带内部各断层相互影响，致使断层带内煤岩裂隙较为发育，成为瓦斯运移优势通道，原始煤层中聚集的瓦斯在浓度梯度驱使下大量逸散，极大降低瓦斯含量。

同时，重新分布的应力致使煤层渗透特性发生改变，尤其是煤层断层面上应力集中、渗透率降低，一定程度阻隔瓦斯在断层带内部水平方向上的运移。多条断层阻隔作用的叠加使得外部瓦斯难以补充到断层带内，导致断层带内部瓦斯含量低于断层带外部。煤系正断层带形成之后，受上覆岩层沉积作用，发育的裂隙逐渐被压实，蚀变矿物组成的断层泥沉积在断层带内，固结成岩的断层泥一定程度上提高断层垂向封闭性。

断层一般与褶曲相互关联，煤系正断层带常易出现在背斜的轴部，受瓦斯气体上浮和背斜高差影响，其他区域产生的瓦斯沿煤层向背斜顶部运移，而煤系断层带发育稳定后封闭性提高，拒绝新鲜瓦斯的补充，从而使得瓦斯容易积聚在断层带外部两侧，形成两个新的瓦斯富集区域。虽然研究区域整体瓦斯含量较低，但当开采强度变大时，煤系断层带两侧发育的瓦斯富集区域就有可能成为煤矿瓦斯灾害易发、高发地区。

6 结论

a.煤系正断层带内部煤层断层面上出现应力集中，岩层、煤层及各断层面交汇点处产生应力降，断层之间应力相互叠加，断层产状和断层角为主要控制因素，断层面渗透率相对减小，上下盘煤层渗透率相对增大，远离煤系断层带后煤层渗透率趋于一致。

b.煤系正断层在水平方向对煤层瓦斯运移产生阻隔作用，随着时间增加，断层带区域整体瓦斯浓度降低，但瓦斯在断层断块中部及正断层带外侧边界表现出明显的积聚特性。

c.煤系正断层带内部煤层瓦斯分布表现出明显的不均衡性，主要表现为断层带内部瓦斯含量相对较低，断层带外部瓦斯含量增加，在煤系正断层带两侧形成瓦斯富集区域。

d.回采煤系正断层带前瓦斯涌出量高、回采期间瓦斯涌出量降低、回采过后瓦斯涌出量升高，通过预防性抽采可有效降低瓦斯涌出量，可以保证工作面安全高效生产。