第10 卷第10 期2014 年10 月
中国安全生产科学技术
Journal of Safety Science and T echnology
V o l．10N o．10真石漆工艺
Oct．2014
文章编号: 1673 －193X(2014) －10 －0131 －06
断层与瓦斯赋存分布规律的关系研究*
李辉 1 ，魏国营1，2，牛浩1
( 1. 河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454003;
2. 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室———省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作454003)
摘要：用地质的观点研究煤层瓦斯赋存已获得实践检验，瓦斯赋存与地质因素密切相关。通过
井下实测煤层原始瓦斯含量，选择各项煤层参数均达到要求的瓦斯含量数据，绘制瓦斯含量等值
线，分析了两条断层之间煤层的瓦斯含量分布规律。绘制研究区域特定位置的煤厚、瓦斯含量剖
面图，定性、定量地分析了断层对煤层产状、煤厚等煤层赋存条件的影响及其对瓦斯赋存规律的控制
作用。结果表明，研究区域内的煤层及瓦斯分布受断层影响较大: 沿煤层走向，煤厚呈现出“高
怎样提高成绩
－低－高－低”的变化，卸压带和应力集中带交互出现，瓦斯含量呈现“低－高－低－高－低”的分布规
律; 沿煤层倾向，随着埋深的增加，瓦斯含量呈现降低的趋势，小于8m / t 的区域不断减少。关键词：断层;
瓦斯赋存; 分布规律; 煤层埋深; 煤层厚度
中图分类号:X936 文献标志码:A d oi: 10． 11731 / j． issn． 1673-193x． 2014. 10． 022
Study on relationship between fault and distribution law of gas occurrence
LI Hui1 ，W E I G uo-ying1，2 ，N I U Hao1
( 1．S ch oo l of S a f et y S cience and En g ineerin g，Henan P o l y technic Uni v ersit y，Jia oz u o Henan 454003，China; 2．S tate Ke y Lab o rat o r y Culti v ati o n Ba fo r Gas Ge o l ogy and Gas C o ntr o l ( Henan P o l y technic Uni v ersit y)，Jia oz u o Henan 454003，China)
A b s t r a c t: T he stud y o n c o al am g as o ccurrence w ith the g e o l og ical v ie w has go t practice test，and g as o ccurrence is cl o l y related t o g e o l og ical f act o rs．T hr o u g h testin g the o ri g inal g as c o ntent in c o al am b y under g r o und o n-site measurement，the g as c o ntent data of c o al samples that all the c o al am parameters c o uld meet the requirements w ere lected t o dra w the c o nt o urs of g as c o ntent． T he distributi o n la w s of g as c o ntent in c o al am bet w een t w o f aults w ere anal yz ed．T he cr o ss-cti o nal v ie w s of c o al am thickness and g as c o ntent in particular l o cati o n of stud y area w ere dra w n，and the impact of the f ault o n the c o al am o ccurrence c o nditi o ns，such as c o al am attitude and c o al am thickness，and its c o ntr o l acti o n o n g as o ccurrence la w w ere anal yz ed qualitati v el y and quantitati v e- l y．T he results sh ow ed that c o al am and g as distributi o n in the stud y area w ere g reatl y in f luenced b y f aults．Al o n g the c o al am trend，the c o al am thickness sh ow ed a"hi g h-l ow-hi g h-l ow" v ariati o n la w，the pressure relie f zo ne and stress c o ncentrati o n zo ne o ccurred alternatel y．T he g as c o ntent prented
a"l ow-hi g h-l ow-hi g h-l ow"distribu- ti o n la w，and al o n g the c o al am tendenc y，the g as c o ntent sh ow ed decreasin g trend as the depth incread，and the area of less than8m3 /t w as reducin g．
Key words: fault; gas occurrence; distribution law; coal am depth; coal am thickness
收稿日期: 2014 －04 －28
作者简介: 李辉，硕士研究生。
* 基金项目: 国家科技重大专项资助项目( 2011ZX05040 －
对党忠诚方面005) ; 长江学者和创新团队发展计划项目
( IＲT1235) ; 河南理工大学博士基金项目
( B2010 －71) 0 引言
断层作为常见的地质构造对煤层瓦斯控制作用随断裂力学性质的不同而有显著的差异［1－2］，正断层一般为张性、开放型断层，有利于瓦斯的逸散，逆断层一般为扭性、压扭性、封闭性断层，对煤层瓦斯有一定的封闭作用［3］。矿井生产过程中，断层对煤
·132·中国安全生产科学技术第10 卷
矿安全生产造成严重威胁，甚至导致矿井突水、煤与瓦斯突出等事故。因此，研究断层的形成、运动对周围煤岩体的影响，掌握煤岩体的变化，对于断层附近煤层的采掘、瓦斯治理等有重要的意义。目前，对断层的研究主要集中在: 正逆断层的成因机理［4－5］，正断层的力学性质、正逆断层两盘构造煤的成因及分布［6 －8］，正断层附近煤的物理力学性质变化规律［9］，正断层附近煤层的孔隙、裂隙特征［10］、单一断层对瓦斯赋存的控制作用［1 1］、断层周边应力场的分布规律［1 2］、断层与煤与瓦斯突出的关联［1 3］等。但是对于处于两条断层之间的煤体及其瓦斯赋存情况的研究还不足。本文通过对两条正断层之间煤层、瓦斯分布规律的分析，研究断层与瓦斯赋存分布规律之间的关系。监护人证明模板
1 研究区域地质概况
研究区域位于矿井西南部，走向长254 ～ 213m，倾斜宽122m，主采煤层为山西组二叠系二1 煤，煤厚2. 7 ～ 8. 4m，平均厚度5. 6m，煤层赋存稳定，局部有夹矸。研究区域内地质构造、水文条件简单，整体为一单斜构造。井下左右两侧为两条开放性正断层，
小尔雅
左侧为F1 断层，倾向16°，倾角70°，落差10 ～ 15m; 右侧为F2 断层，倾向56°，倾角10 ～64°，落差2 ～ 8m。两条断层东南部与一条大型开放型正断层连通，这样的构造组合为瓦斯逸散提供了良好的通
道。
2 研究区域内瓦斯分布规律
为了分析研究区域内的瓦斯分布情况，根据《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》［1 4］对研究区域煤层进行原始瓦斯含量测定。测定过程中共施工16 个钻孔，布置58 个测点。在实际取样过程中，由于打钻时见矸、见水等原因，剔除9 个不合格样品，最终符合要求的样品共49 个，原煤瓦斯含量数据见表1。
利用surfer 绘图软件绘制研究区域瓦斯含量等值线，见图1。从图中可以看出，瓦斯分布规律为: 靠近断层的区域瓦斯含量较低，中部有两个瓦斯富集区和一个瓦斯含量降低区，从F1 断层到F2 断层总体呈现出“低－高－低－高－低”的分布规律。
表 1 测点煤样原始瓦斯含量
第10 期中国安全生产科学技术·133·
图 1 研究区域煤层原始瓦斯含量等值线
3 断层对瓦斯分布规律的影响分析
一般情况下，瓦斯含量的大小与煤层埋深、煤层厚度呈正比关系，就是随着埋深的增加、煤层厚度的增大，瓦斯含量也随之增大。但是对于受特殊地质构造影响的区域，煤层赋存条件遭到破坏，原始煤体中的瓦斯流动平衡被打破，重新分布，新的流动平衡建立后，瓦斯含量常常呈现异常分布。
3. 1 断层对沿煤层走向瓦斯分布的影响
在经典的Anderson 断层模式中，正断层是在垂向挤压条件下形成的，正断层一般为张性、开放型断层，断层上盘顺断层面倾斜向下滑动，上盘是运动盘或主动盘，下盘沿断层面倾斜向上运动，下盘为被动盘，上盘附近煤岩体的破坏较下盘严重。在正断层作用下，一般上盘的影响范围大于下盘，在其影响范围内孔隙、裂隙发育，而且上盘的孔隙裂隙发育程度大于下盘，孔隙、裂隙的发育不但为其影响范围的瓦斯逸散提供了通道，而且也为周围煤岩体中的瓦斯逸散打开了通道。随着时间的推移，造成距离断层面一定范围内的瓦斯含量降低，而且往往下盘一定范围内的瓦斯含量大于上盘。
在与走向平行、距离研究区域上风道36m 处做一个煤层剖面图，并绘制对应的煤厚、瓦斯含量剖面图，起点为剖面线与F1 断层的交点，终点为剖面线与F2 断层的交点，如图2 所示。从图2 中可以看出，在距离F1 断层右侧70m 左右范围内煤厚虽然比较大，但是由于靠近F1 断层的上盘，瓦斯含量比较低。研究区域右侧45m 左右范围内靠近F2 断层的下盘，此区域的瓦斯含量也较低，但整体上还是
大于
F
1
断层右侧70m 左右范围内的煤层瓦斯含量。
3. 2 断层对沿煤层倾向瓦斯分布的影响
煤层埋藏深度是指煤层上覆地层厚度，一般情况下，煤层埋深越大，煤层及顶底板岩层受到的静压力作用也越大，其孔隙度降低，透气性变差，再加上瓦斯向地表运移的距离增大，二者综合作用的结果是有利于煤层中瓦斯的保存，产生瓦斯富集现象。
将测点瓦斯含量和测点埋深进行曲线拟合，得到瓦斯含量和埋深的关系，如图3: 拟合曲线y = 0. 0406x － 5. 7128，拟合度Ｒ2 只有0. 0377，拟合度比
较低，可见研究区域内埋深不是瓦斯含量的主控
蕤仁的功效与作用因素。
为了分析瓦斯含量与埋深的关系，与煤层走向平行、距离研究区域上风道36m、71m、106m 处，在煤层瓦斯含量等值线的基础上做三个瓦斯含量剖面图，分别命名为A － A、B－ B、C－ C，其位置见图1，剖面图如图4 所示，A － A、B － B、C－ C 位置埋深依次增大。
从三个瓦斯含量剖面图的对比可以看出:
婴儿流口水>红楼梦贾府人物关系图1) 沿煤层走向，随着埋深的增加，瓦斯含量均
呈现出相同的变化趋势。
·134· 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 10 卷
图 2 煤厚及对应的煤厚、瓦斯含量剖面图
图 3 测点瓦斯含量和对应埋深的关系
2) 沿煤层倾向，随着埋深的增加，瓦斯含量整 体呈现出下降的趋势，并且靠近两条断层瓦斯含量 低于 8m / t 的区域逐渐增大。从图 4 可以看出，越往 深处，两条断层之间的煤体长度逐渐变短，又由于两 条断层均为张性正断层，裂隙孔隙发育，为其附近煤 层瓦斯的运移提供了通道，所以越往深处瓦斯含量 呈现下降的趋势，而且，瓦斯含量大于 8m / t 的区域 也在减少。
3. 3 断层对煤层厚度的影响
煤层相对于岩层来说，其硬度要小的多，在地质
构造运动过程中煤层最易发生变形。研究区域煤层
图
4 A － A 、B － B 、C － C 瓦斯含量剖面图
第10 期中国安全生产科学技术·135·
作为F1 断层的上盘沿断层面向下运动，作为F2 断层的
下盘向上运动。在研究区域煤层左侧向下运动、右
侧向上运动的过程中，煤层产状发生变化，最终形成如图2 所示的产状，煤厚呈现出“高－低－高－低”
的变化趋势。在距离F1 断层202 ～ 249m 的区域是整
个煤层厚度最大的区域，但此区域瓦斯含量反而小
于两边( 距离F1 断层142 ～ 202m、249 ～ 329m 的两
个区域) 煤厚稍微小的地方，出现了随着煤厚的增加
瓦斯含量降低的现象。分别对三个区域内的瓦斯抽
采量进行统计，计算得到三个区域内的百米钻孔瓦
斯抽采量分别为:0. 0752m / (100m ·d －1 ) 、0.
2057m / ( 100m·d －1 ) 、0.054m / ( 100m·d －1 ) ，可以
看出中间煤层最厚的地方百米钻孔抽采瓦斯量要大于
另外两个区域的，这说明中间煤层厚度最大的地方
煤层透气性也比较大。
在两侧两条正断层的形成和后期相互运动过程中，对煤层不断挤压、破坏，煤厚、煤薄的区域就是煤层受
断层运动影响的结果，并造成厚煤区域有一定程度
的膨胀变形，透气性系数增大，薄煤区域受到挤压，透气性降低。从煤层透气性可以看出，受断层影响，煤体
应力场发生了变化，从F1 断层到F2 断层，呈现的分布
规律大致为: 卸压带－应力集中带－卸压带－应
力集中带－卸压带。应力集中带煤层透气性低，卸
压带内煤层透气性高。应力场分布与沿走向瓦斯含
量的分布相结合，可以认为中间两个高瓦斯区域是
应力集中区，而低瓦斯区域是卸压区。研究区域煤层直接顶为粉砂岩，老顶为细砂岩，直接底为粉砂岩，
老底为细砂岩，从岩层的透气性角度分析，顶底板岩
性均有利于瓦斯的保存，瓦斯不易通过煤层顶底板
逸散到周围岩层中。两处应力集中、低透气性煤体
像是两面密闭墙，把煤厚区域逸散的瓦斯保存下来。最终造成煤层透气性低、煤厚小的区域瓦斯含量高，而透气性高、煤厚大的区域瓦斯含量低。
表2 为距离F1 断层70 ～142m 的区域内的测点
瓦斯含量和煤厚数据，对其关系进行曲线拟合，结果
如图5 所示。从拟合结果可以看出，这一区域基本
符合随着煤厚的增加瓦斯含量增加的一般规律，但
从以上分析可知，对于整个研究区域，煤厚并不是控
制该区域瓦斯含量分布的主要因素。
表2 距离F1 断层70 ～ 142m 区域内测点煤厚
及其对应的瓦斯含量
图5 距离F1 断层70 ～142m 区域内的煤厚和
瓦斯含量的关系
4 结论
1) 断层在形成和后期运动中不但会对上下盘附近煤岩体造成破坏，而且在和其他断层相互作用过程中也会引起煤岩体赋存条件、应力场产生影响。研究区域内煤体受断层影响，形成了应力集中带与卸压带交互出现的现象，煤层的产状、透气性等均发生了显著变化，进而对其瓦斯赋存产生了较大的间接影响，致使研究区域内的煤层瓦斯呈现出异常分布。
2) 断层影响区域内，沿煤层走向，瓦斯分布呈现出“低－高－低－高－低”规律，靠近断层的区域
瓦斯含量低，透气性低、煤厚小的区域瓦斯含量高，透气性高、煤厚大的区域瓦斯逸散量大，瓦斯含量低; 从图4 中也可以看出随着埋深的增加，瓦斯含量沿煤层走向呈现相同的变化规律; 沿煤层倾向，瓦斯
