２０１１年第１２期 中州煤炭 总第１９２期 小断层对煤与瓦斯突出的影响分析 周海洋 ，任沁元 ，王恩营 （１．郑煤集团公司裴沟煤矿，河南新密４５２３８２；２．河南理工大学资源环境学院，河南焦作４５４０００） 摘要：描述了矿井生产实践中实际揭露的小断层的构造特征，经测量统计，分析了裴沟煤矿小型断层影响范 围、瓦斯涌出量峰值与断层落差的关系。研究表明，断层落差与瓦斯异常涌出范围、瓦斯涌出量峰值均呈现 出良好的线性相关性，峰值多出现在小断层的上盘，是煤与瓦斯突出的危险地带。 关键词：小断层；煤与瓦斯突出；数值分析 中图分类号：ＴＤ７１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—０５０６（２０１１）１２—０１０８—０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｓｍａｌｌ Ｆａｕｌｔｓ ｏｎ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｏｕｔｂｕｒｓｔ Ｚｈｏｕ Ｈａｉｙａｎｇ ，Ｒｅｎ Ｑｉｎｙｕａｎ ，Ｗａｎｇ Ｅｎｙｉｎｇ （１．ＰｅｉｇＯＵ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｌｔｄ．，Ｘｉｎｍｉ ４５２３８２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ．Ｂａｓｅｄ Ｏ１＇１ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｐｈｅｒｅ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｆａｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅａｋ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｔｈｒｏｗ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ，ｆａｕｌｔ ｔｈｒｏｗ，ｇａｓ ａｂｎｏｒｍａｌ ｅｆｆｕｓｉｎｇ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｅａｋ ｓｈｏｗｅｄ ｇｏｏｄ ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｇａｓ ｅｍｉｓ－ ｓｉｏｎ ｐｅａｋ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｔｈｅ ｈａｎｇｉｎｇ ｗａｌｌ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｆａｕｌｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｂｅｌｏｎｇｓ ｔｏ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｒｅｇｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｔｈｒｅａｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｌｌ ｆａｕｌｔ；ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ；ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ 煤与瓦斯突出是采煤生产中一种严重的地质灾 害，它主要发生在地质构造破坏带…。在煤矿开采 过程中煤巷掘进时经常会遇到几条甚至几十条断 层 。在断层形成过程中，断层两盘一定范围内伴 随着构造煤发育。根据煤与瓦斯突出综合假说观 点，构造煤是发生煤与瓦斯突出的重要条件和必要 条件 。煤体的形变会改变煤对瓦斯吸附与解吸 的状态，也会直接影响瓦斯的赋存与运移，造成煤层 在开采过程中瓦斯涌出量的不均衡性。 普遍发育，平均厚０．９５ ｍ，且大面积可采；山西组含 煤２层，二，煤为主要开采煤层，平均厚８．４ ｍ，下石 盒子组含煤１层，上石盒子组含煤１５层，多极不稳 定，且不可采。 ２矿井地质构造 新密煤田位于华北板块南缘嵩箕构造区嵩箕断 隆的西南部，主要经历了印支、早燕山、早喜山三期 构造运动，其构造运动形成的构造形迹依次叠加，构 成该区当今的构造格架。新密煤田的基本构造形态 １ 矿井概况 裴沟煤矿隶属郑煤集团，由裴沟、杨河、樊寨３ 个井田组成，均以大的断层构造进行井田划分，为自 北向南分布。井田总面积４８．７６ ｋｍ ，设计生产能 力２１０万ｔ／ａ。含煤地层为太原组、山西组、下石盒 子组，共２６层，其中太原组含煤８层，仅底部一 煤 收稿日期：２０１１—０８—１０ 为一西窄东宽、轴向近东西，西端仰起、东端倾伏的 复向斜——新密向斜。煤田内构造形迹以断层为 主，多为近东西向、阶梯状，落差几十米到上千米，另 外，还有北东东向、北西西向２组断层。裴沟井田位 于荥密大背斜的南翼东部、新密复向斜中段向斜轴 部，总体构造形态为煤层走向近东西向、倾向南的单 斜构造，倾角４。～２６。，一般为８。～１７。；在单斜构造 发育背景上主要形成近东西向断层，根据分析，裴沟 矿断裂构造主要为近东西向张扭性阶梯状正断层 作者简介：周海洋（１９６５一），男，河南新密人，工程师，现任郑煤集团 裴沟煤矿总工程师。 ・１０８・ ２０１１年第１２期 周海洋。等：小断层对煤与瓦斯突出的影响分析 总第１９２期 （表１）。 表１断层特征 ３矿井内小断层特征 （１）井田内生产中共揭露小断层５０条，全部为 正断层，没有逆断层。 （２）小断层走向主要为ＮＥＥ向，其次为ＮＥ向 和ＮＷ向两组；断层倾向优势方位不明显，倾向ＳＥＥ 和Ｎｗｗ两个方向的概率大体相等（图１）；断层倾 角一般大于４５。，占８４％，少数小于４５。，占１２％，平 均倾角５４。。 ０ １１（条） Ｏ １８０。８（条） （ａ）走向 （ｂ）倾向 图１小断层玫瑰花图 （３）断层落差一般小于４．０ ｍ，多在２．０～３．０ ｍ 之间，平均２．７ ｍ。 （４）断层密度１２．５条／ｋｍ。。 ４断层对煤与瓦斯突出的控制 研究表明，在断层形成过程中，断层带内的煤层 会受到断层两盘相对运动的强烈剪切作用，形成鳞 片状构造煤，其宽度一般与断层的规模成正比 。 一般认为，正断层上盘为运动盘或主动盘，因此，上 盘岩石的破坏程度较下盘强烈。根据断层作用下构 造煤形成机理的研究，构造煤主要形成在断层上盘 一定范围内，断层下盘发育较弱，因此，断层上盘应 当最有利于突出 。但是，突出的发生也与断层的 瓦斯封闭性有关，如果断层封闭性好，则距离断层越 近突出危险性越大，距离断层越远，突出危险性越 小；另一方面，断层的形成使得地应力在断层位置得 到释放，形成应力降低区，离开断层一定距离形成应 力增高区，又使得在断层位置不利于突出等。因此。 包括构造煤、地应力和瓦斯含量等因素，在离开断层 一定距离处断层上盘是最有利于煤与瓦斯突出的构 造部位 ， 。 ５ 断层落差与煤层瓦斯涌出的数值分析 断层落差是构造应力作用下两盘发生相对位移 的产物。相反，断层落差的大小又反映了断层作用 的影响区间…。为了研究断层与瓦斯异常涌出量 之间的关系，选用裴沟煤矿煤巷掘进过程中瓦斯异 常涌出具有明显特征的断层（表２）。 表２瓦斯异常涌出具有明显特征的断层 断层落差 ｛峰值距断峰值距断影响 ｍ 层上盘的层下盘的范围／ 距离／ｍ 距离／ｍ ｍ Ｆ１５５。 ６Ｏ。３．２ ０ ４３ ２ １５ ０．７７ Ｆ２１０。 ４３。 １．５ ０．６３ ２．Ｏ３ ０．９０ Ｆ３８。 ５０。 ２ ５ ０ ３８ １．８２ ０．５７ Ｆ３８。 ５Ｏ。 ２．５ ０．４９ １．９６ ０．７８ Ｆｌ５５。 ６０。５．０ ０．８７ ２．２５ １．１５ Ｆ２００。／６５。６．０ ０．５６ ２．５９ ０．８９ Ｆ１４５。 ５５。４．１ ０．６０ １．７２ ０．９０ Ｆ２ｌ０。 ５５。３．０ ０．４７ １．５５ ０ ７３ 根据裴沟煤矿杨河井田小断层发育区瓦斯涌出 情况统计表及断层落差与影响范围关系（图２、图 ３）可以看出，瓦斯异常涌出范围随断层落差的增大 也相应增大，两者之间的相关性为０．８７６ ６；同时，可 知瓦斯涌出量的峰值大部分出现在断层的上盘，与 断层落差也有一定关系，瓦斯异常涌出峰值出现的 距离随断层落差的增大而增大，两者之间的相关性 ∞” 加∞跎 为０．７１５。 １４０ １２０ １ｏｏ ８Ｏ ６０ ４０ ２０ ０ 图２ 断层落差与瓦斯异常涌出范围关系 －ｑ ８０ 辩 ２ ４ ６ 断层落差，ｍ 图３ 瓦斯涌出异常峰值处距断层上盘距离与断层落差关系 ・ｌ０９・ ２０１１年第１２期 中州煤炭 总第１９２期 及其地质成因浅析［Ｊ］．煤炭学报，２０００，２５（６）：５７１－５７５． ６ 结论 通对裴沟煤矿小型断层特征的描述和断层影响 范围内瓦斯异常涌出的相关性分析，得出以下结论： （１）在断层附近瓦斯涌出量较大，且瓦斯异常 季明，高峰，朱金艳，等．煤岩正断层处的力学分析与数值模拟 ［Ｊ］．煤矿安全，２００８，２５（３）：４８－５０． 何学秋，周世宁．煤和瓦斯突出机理的流变假说［Ｊ］．煤矿安 全，１９９１（１０）：１－７ 王恩营，邵强，韩松林．正断层形成的力学分析及其对构造煤 涌出具有一定的规律性，峰值多出现在小断层的上 盘，是煤与瓦斯突出的危险地带。 （２）断层落差与瓦斯异常涌出范围、瓦斯涌出 量峰值均呈现出良好的线性相关性，瓦斯异常涌出 范围为断层落差的ｌ５～２５倍。 参考文献： ［１］刘成卫，曹运兴，刘瑞旬。等．正断层两盘的瓦斯突出分布特征 的控制［Ｊ］ 煤炭科学技术，２００９，３７（９）：１０４．１０６． 邵强，王恩营，王红卫，等．构造煤分布规律对煤与瓦斯突出的 控制［Ｊ］．煤炭学报，２０１０，３５（２）：２５０－２５４． 张铁岗．平顶山矿区煤与瓦斯突出的预测及防治［Ｊ］．煤炭学 报，２００１，２６（２）：１７２－１７７， 严家平，姚金林，童宏树，等．任楼煤矿小断层对瓦斯涌出的控 制作用［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００７，３５（４）：１９ ２２． （责任编辑：梁郁鑫） （上接第８６页）形量总体小于方案２的巷道变形 下巷道底板无涌水，巷道掘进工作面无水影响，施工 进度较以往得到了较大提高，巷道掘进工作面进度 提高至１１０～１２０ ｍ／月。目前考虑采用掘进机进行 掘进施工，以进一步提高施工进度。 量，方案１的支护效果略优于方案２的支护效果。 ２ ３ ４ ５ ６ ７ 但考虑到两者模拟对比悬殊并不大，且方案２巷道 高度小于方案１巷道，施工中要破顶板Ｌ 灰岩，部 分拱顶位于软岩内，巷道爆破成型控制难度大，方案 ２巷道掘进中以Ｌ 灰岩为顶板，沿庚，。煤层上部的 煤线施工断面内为煤层和软岩层，利于破岩，对围岩 的稳定性破坏相对较小，决定采用方案２矩形锚喷 支护巷道方案。 随着庚三胶带下山的逐步施工，巷道埋深加大， 巷道布置在庚 。煤层中，瓦斯治理问题也随之显现， 而庚 煤层较薄，不足１ ｍ，煤层瓦斯治理也相对容 易 ５ 结论 （１）复杂水文地质条件下，掘进施工必须坚持 “预测预报，物探先行，钻探验证，有疑必探，先探后 ４效果分析 通过对庚三胶带下山底板注浆加固和改变优化 层位后巷道掘进施工的现场效果进行比较，防治水 效果均明显。但注浆加固施工工程量大，工期长，费 用高，下山巷道掘进工作面受水影响，施工进度难以 提高，从开口施工至改变优化层位掘进前，月进度保 持在４０—６０ ｍ。 掘，先治后采”的原则。 （２）采区准备巷道在底板涌水量较小时，采用 疏排水等防治水手段 。 （３）底板涌水量较大、威胁掘进安全时，采用注 浆加固封堵措施。 巷道层位布置改变优化设计，穿层至水文地质 条件影响小的岩石层位进行掘进，加大了与含水岩 层的距离，减少底板涌水现象乃至小量涌水现象的 （４）在条件允许的情况下，考虑进行巷道层位 布置优化设计，以避开复杂水文地质条件的影响，加 快掘进施工进度。 参考文献： ［１］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿防治 水规定［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２００９． ［２］ 马利军，孙波，孙立辉．基于ＡＮＳＹＳ的煤巷锚杆支护优化设计 ［Ｊ］．煤炭工程，２０１０，１（４）：７３－７５ 【３］ 吴征亮，王云基，凡鹏．复杂水文地质条件下工作面开采的水 害防治［Ｊ］．煤炭技术，２００８，２７（３）：８６—８８． 发生。施工如同正常掘进，工程费用成本低，基本解 除水患威胁，施工速度大大提高。 在巷道施工中，庚 煤层顶板平整起伏小，围岩 稳定，底板为石灰岩坚硬稳固，巷道底鼓及变形量 小。巷道顶板Ｌ 灰岩下部有一层稳定的、厚３００ ｍｍ薄煤线，且施工断面内为煤层和软岩层，爆破破 岩对围岩的稳定性破坏相对较小，利于巷道掘进和 成型控制。 经施工验证，在再次遇小断层构造影响的情况 ・（责任编辑：秦爱新） １ １ ０・