煤系正斷層帶影響下的煤層瓦斯賦存規律

肖鵬，吳銘川，雙海清，韓 凱，高 振，程玥穎

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心，陜西 西安 710054)

瓦斯是復雜的氣體地質體，其生成、運移和賦存受地質構造條件影響[1]。瓦斯賦存受地質構造逐級控制[2-3]，區域地質構造影響礦區總體瓦斯賦存特征，礦井構造控制瓦斯分區分帶特性，工作面構造決定局部瓦斯富集區和突出危險區域。煤系斷層為采掘工作面廣泛發育的小型構造[4]，主要指煤礦生產中揭露落差小于5 m 的小型斷層，其作為逐級地質構造的最后一環，與瓦斯災害預測和礦井瓦斯防治息息相關。

斷層作為煤炭生產過程中最常見的地質構造之一，對煤層瓦斯賦存和分布起到重要作用。孔勝利等[5]通過理論分析和現場實測對山西屯蘭煤礦瓦斯賦存規律進行研究，認為斷層是控制屯蘭煤礦瓦斯賦存的關鍵因素，斷層及其組合方式使煤層局部瓦斯含量出現異常，在靠近斷層時瓦斯涌出量顯著增加。藺亞兵等[6]研究彬長礦區低階煤高瓦斯礦區瓦斯地質時發現，煤巷掘進過斷層帶時,瓦斯涌出會出現明顯差異，當斷層落差越大,瓦斯涌出量變化幅度越大，瓦斯涌出峰值位置與小斷層距離相關。Chen Xiangjun 等[7]對山西高平長平井田 3 號煤層瓦斯含量的主控制因素進行分析，發現斷層區域煤層瓦斯含量為同一深度正常地區的1.6 倍，正斷層上盤含氣量比下盤高 21.6 %。宋占全等[8]基于構造逐級控制理論分析了河南永城薛湖礦的小斷層分布特點和性質，認為研究區域小斷層呈現壓扭性，斷層面透氣性較差,斷層區域裂隙發育,使得瓦斯儲集空間增大，有利于瓦斯富集，且瓦斯含量和瓦斯壓力普遍高于其他區域。倪小明等[9]以山西晉城寺河礦某工作面正斷層為地質背景，通過數值模擬、滲透實驗和現場瓦斯參數測定發現，應力、應變和滲透率具有較好的一致性，正斷層的斷層面處瓦斯涌出量較小，隨與斷層面距離增大，瓦斯涌出量逐漸增大，達到峰值后開始降低，最終恢復到正常值。崔洪慶等[10]通過煤與瓦斯突出實例和瓦斯抽采數值模擬實驗分析了斷層對瓦斯的影響，認為低滲透性煤層中壓性或壓扭性斷層可能形成不滲透斷裂帶，使得斷層兩盤煤層間存在高瓦斯壓差和高瓦斯含量差的現象。劉咸衛等[11]基于平頂山東部礦區的正斷層的統計分析，發現正斷層上盤的瓦斯突出占比高、強度大，正斷層上盤對瓦斯突出的控制作用較下盤更為顯著。韓松林等[12]運用數理統計和瓦斯地質理論，分析了順和煤礦構造演化與瓦斯賦存的地質特征，發現靠近逆斷層和區內小斷層附近瓦斯含量明顯增大，大中型正斷層附近瓦斯含量減小。

學者們對斷層與煤層瓦斯賦存關系展開大量研究，取得了許多有價值的成果。但是目前研究對象主要集中于單一斷層，研究方法多從瓦斯含量、瓦斯涌出量等觀測數據來推斷分析斷層對瓦斯賦存影響。而實際地質背景下的煤系斷層受多期構造運動影響往往成組出現[13-14]，距離近、規模小、產狀相似，通過相互組合延綿成帶，容易形成復雜的煤系斷層帶，且斷層帶內的煤層瓦斯分布存在動態演化的運移過程，從而使得斷層帶區域煤層瓦斯賦存更加復雜多變。因此，本文基于渭北煤田中段某礦煤系正斷層廣泛發育的地質背景，以其揭露的一組典型的煤系正斷層帶為研究對象，建立多物理場數值模型，通過模擬斷層形成后的力學環境和瓦斯運移規律分析瓦斯賦存特征，基于現場瓦斯參數測定結果對瓦斯賦存規律進行驗證。研究結果以期能為礦井瓦斯災害防治和安全生產提供理論依據和實踐基礎。

1 地質背景及構造特征

渭北煤田位于鄂爾多斯地塊渭北隆起的東南部，受印支、燕山及喜馬拉雅運動形成期的影響，尤其在燕山末期發生以斷層為主的強烈運動形成渭北斷裂帶[15]，多期變形和多組構造的復合疊加，使得渭北煤田由單一構造體系向多級構造體系演化發育，同時也孕育出多且復雜的中、小型地質構造。

渭北煤田中部澄合礦區某礦規劃井田被NEE 走向的縣西河正斷層和NNE 走向的楊莊正斷層所圍限，受渭北煤田地質因素和井田邊界條件制約，井田內部發育出較多中、小型斷裂構造，其多為NE 走向，張性或張扭性質的煤系正斷層。張扭性斷層分布范圍廣、構造強度大、延展性好，在井田內部發育形成多組斷續式斷裂組合，每組由多條走向相同、傾向類似的小型斷層在水平方向上延續，容易形成連續組合的煤系正斷層帶，研究區域斷層構造分布如圖1 所示。

圖1 研究區域地質構造Fig.1 Geological structure of the study area

研究對象位于礦井北翼50132 回采工作面回風巷180～320 m 的位置，該工作面主采石炭-二疊紀下統山西組5 號煤層，在巷道掘進過程中揭露出4 條距離近、規模類似的煤系正斷層，且在煤巷掘進期間瓦斯涌出量出現明顯異常。

斷層產狀及所在煤系地層綜合柱狀如圖2 所示，4 條斷層傾角類似，斷距h均小于5 m，斷層破碎帶寬度小，且斷層并未完全切斷煤層，但由于煤層、巖層和斷層力學性質的差異，使得局部區域的煤儲層物性特征變化，從而影響瓦斯賦存條件。將4 條斷層相互組合，其中F1、F2 組合為地塹，F2、F3 組合為地壘，F3、F4 組合為階梯狀斷層，F1、F2、F3、F4 四條斷層在巷道水平方向延續，成為一組典型的煤系正斷層帶。

圖2 煤系正斷層帶煤層剖面及地層綜合柱狀圖Fig.2 Coal seam profile and comprehensive stratigraphic histogram of normal fault zone of coal measures

2 多物理場數值模型建立

2.1 基本假設

數值模擬主要分析煤系正斷層帶形成后，煤巖中原始瓦斯在孔隙壓力及斷層裂隙邊界條件控制影響下的運移情況。考慮上覆巖層重力及水平側向壓力對煤巖的力學作用，基于研究區域煤系正斷層帶的實際產狀，按照1∶1 的原始比例進行簡化建模，同時以研究區域煤巖層及瓦斯相關物性參數為基礎做作簡化調整。

由于煤層瓦斯模擬較為復雜，為突出研究目標，本模型基于以下假設：

(1)煤層及圍巖是均勻連續介質，且為各向同性的線彈性材料，服從Mohr-Coulomb 準則。

(2)將煤層頂、底板巖層設為單一性質，忽略頂、底圍巖中各級地層巖石的力學性質差異。

(3)瓦斯以擴散和對流狀態在煤層中進行基于Fick 定律的多孔介質傳遞。

(4)煤層瓦斯通過煤系斷層邊界逸散，在斷層裂隙中的瓦斯運移基于Darcy 定律。

基于COMSOL Multiphysics 多物理場數值模擬軟件，在同一模型基礎上使用固體力學、流體力學和多孔介質稀物質流動接口，通過多孔彈性耦合和流動耦合，最終模擬得到煤系正斷層帶內部煤層瓦斯運移規律及特征。

2.2 煤巖固體力學設定

模型尺寸長×寬×高設為200 m×40 m×60 m，煤層厚度5 m，頂底板厚度均為30 m，斷層產狀參數與2.1 節中地質案例保持一致，模型共計44 701 個網格節點，19 363 個三角形單元，模型及網格劃分如圖3 所示。參考臨近區域地應力測定結果，模型頂部施加厚450 m 的覆巖壓力，即12 MPa，左右兩側邊界施加4.5 MPa 的水平側向應力，前后兩側邊界設為對稱約束，底部邊界設為固定約束，限制模型的平移和轉動，滿足有限元分析要求。

圖3 劃分網格后的模型Fig.3 Meshing model

研究區域屬于典型的“三軟”煤層，其煤堅固性系數為0.23，煤體強度為7.3 MPa，煤層頂板以砂質泥巖、粉砂巖為主，底板以粉砂巖、石英砂巖為主，頂底板巖層抗壓強度均小于25 MPa。煤系斷層力學參數相對薄弱，可塑性較強，參照已有模擬經驗[16-17]，將具有裂隙存在的斷層視為等效連續介質，取臨近煤巖彈性模量的45%、泊松比增加0.02 作為斷層面等效巖石力學參數。基于研究區域礦井地質調查及“三軟”煤層煤巖力學性質得到模型煤巖力學參數見表1。

表1 煤巖力學模型參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock in model

2.3 瓦斯流場耦合設定

煤層及斷層面在流體力學接口中設為多孔介質材料，并給定煤基質的初始孔隙率，將孔隙率ε、滲透率k及擴散系數D設置為固體場體應變evol的函數(下式)，從而將固體場和流體場進行多物理場耦合：

式中：ε0為初始孔隙率，%；k0為初始滲透率，m2；D0為初始擴散系數，m2·s。

設瓦斯流體在煤系斷層面上流動基于達西滲流場，上下煤巖接觸邊界設為壁面，煤層按照實測值給定初始瓦斯壓力，斷層邊界面設為出口壓力為零，同時加入基于達西定律的裂隙流公式：

式中：t為模擬時間，s；ρ為多孔介質中流體密度，kg/m3；μ為流體動態黏度，Pa·s；?為哈密頓算子；p為裂隙中游離流體自由壓力，Pa；Qm為質量源，(kg·m)3/s。

考慮瓦斯擴散和煤層對瓦斯吸附的影響，設瓦斯在多孔介質中以稀物質進行傳遞，并服從基于Langmuir 吸附平衡的質量守恒方程式：

式中：c為稀物質濃度，mol/kg；Langmuir 常數kPL為多孔介質在參考壓力下單位摩爾質量內的極限吸附體積，m3/mol；cmax為多孔介質在單位質量內對稀物質的最大吸附濃度，mol/kg。

當裂隙滲流速度大于孔隙擴散速度，孔隙與裂隙間將發生質量交換，根據質量守恒原理，瓦斯從孔隙系統流出，斷層裂隙系統流入，最終由裂隙邊界逸散，單位時間模型煤層內部氣體與斷層裂隙系統交換相當于內質量源。

瓦斯氣體濃度初始值選取基于勘探時期瓦斯含量，其測量值可以反映原始狀態下煤層瓦斯含量，考慮到瓦斯一般在構造區域富集[18]，因此，以礦區勘探時期瓦斯含量最大測點值換算取得。模型左右兩側邊界設為包含對流的通量條件，按照勘探時期瓦斯含量測點平均值換算，各斷層面設為裂隙邊界，以此模擬煤系正斷層帶的產生對煤層瓦斯逸散與賦存的雙重控制作用。煤基質及瓦斯氣體模型參數見表2。

表2 煤基質及瓦斯模型參數Table 2 Parameters of coal matrix and gas model

3 煤系正斷層帶力學環境變化特征

3.1 斷層區域煤巖應力分布特征

斷層較為發育的區域，尤其針對于小型煤系斷層帶，其實際測量難度大、成本高，并且應力實測值受地質構造影響將變得非常分散[19]，難以得到有效應力分布規律。基于研究區域地質原型，將研究區域劃分為緊密連接的單元格，結合實際情況預設邊界條件，加入物理場函數，求得各單元格應力近似解，從而獲得研究區域煤系斷層帶的應力分布特征，如圖4 所示。

圖4 煤系正斷層帶應力分布Fig.4 Principal stress distribution of fault zone

通過煤系斷層帶應力模擬結果(圖4)可知，斷層帶分割了煤巖應力在空間分布的連續性，4 條正斷層應力相互影響疊加，產生了局部構造應力集中區，主要在斷層帶內部煤層斷層面出現顯著的應力集中現象，集中范圍由大到小依次為F4、F1、F3、F2。

水平構造應力致使煤巖發生斷裂，垂直應力剪切煤巖，使得煤層和巖層之間產生相對位移，由于煤層和巖層固有力學性質的差異，使得應力主要集中在相對軟弱巖層(煤層)上。煤系斷層帶內各條斷層埋深有所差異，但差值遠遠小于斷層距離地表的深度，可認為煤系斷層帶內各斷層的豎直方向的靜巖壓力相同，因此，斷層面上的應力集中主要取決于斷層角和斷距，以及臨近斷層之間的相互影響作用。

以斷層面中心為基準點，沿各斷層面傾向方向取全局應力進行分析，為縱向對比，取頂板到斷層中心點距離取負值，底板到斷層中心點距離取正值，應力曲線如圖5 所示。

圖5 斷層面傾斜方向應力曲線Fig.5 Stress curves of fault in inclined direction

由圖5 可知，應力峰值主要位于斷層面中心點及其臨近兩側位置，在斷層中心點兩端5 m 處(巖層、煤層及各斷層面交匯點處)發生應力降現象，遠離斷層后煤巖應力趨于穩定，4 條斷層的應力最大值處于9.7～10.8 MPa，應力最小值處于5.6～6.5 MPa。

為探究斷層帶內各斷層之間的相互影響，將4 條斷層分別組合，逐一分析如下：

(1) F1、F2 組合形成地塹構造，2 條斷層面延長線將頂板圍巖割裂成類似于“倒梯形”的圍巖斷塊，在梯形2 個底角出現應力集中，斷層面水平應力相互疊加，進一步加劇應力集中現象。

(2) F2、F3 斷層的應力曲線相似，在應力峰值過后出現應力值的波動，其組合形成的地壘構造將煤層割裂為“正梯形”，且處于斷層帶內部，分散了應力的集中程度。

(3) F3、F4 直接組成階梯狀斷層，兩者斷層角接近，但F4 應力峰值大于F3，這是因為F3 處于正斷層帶內部，受到左右臨近斷層的影響而應力減小，由于F4 的斷距較大，加劇其應力集中程度。

(4) F1、F4 斷層面在空間位置上近似平行，也可認為兩者在水平方向間接組成不連續的階梯狀斷層，其斷層斷距相當，且處于斷層帶的兩側邊界，兩者應力曲線相似，但F4 斷層角小于F3 斷層角，導致F4 的應力峰值大于F3。

3.2 斷層區域煤層滲透率變化特征

煤層滲透率是煤體裂隙發育程度定量表征參數之一，也反映煤層瓦斯運移的難易程度[20]。基于前文分析得到斷層帶應力分布特征，將其結果作用于具有孔隙結構的煤巖基質，通過多孔彈性接口耦合固體力學與多孔介質流動，從而解算得到煤系斷層帶滲透率數值分布特征，如圖6 所示。

圖6 斷層帶滲透率分布特征Fig.6 Permeability distribution characteristics of fault zone

根據斷層帶滲透率分布特征(圖6)可知，斷層周邊煤層滲透率變化具有高度相似的特點，即斷層接觸面煤層滲透率減小，斷層面兩側上下盤煤層滲透率增大，遠離斷層面一定距離后的煤層滲透率趨于一致。煤系正斷層帶內各斷層產狀不同，使得其煤層滲透率的最大、最小值也出現變化。

基于模擬結果，取4 條斷層面及臨近上下盤煤層的滲透率進行分析，如圖7 所示。

圖7 煤系正斷層帶煤層滲透率分布Fig.7 Permeability distribution in fault zone

由圖7 可知，煤系斷層帶滲透率總體變化處于4.59×10-17～5.87×10-17m2之間，結合模型中4 條正斷層物理幾何特性，各斷層下盤滲透率增量均大于上盤(F2 斷層角為負，上盤在左，下盤在右)，斷層帶內煤層滲透率變化受有效應力控制：即有效應力大，煤層滲透率低；有效應力低，煤層滲透率大。

由于煤層滲透率受有效應力控制作用，根據應力分布特征模擬結果，斷層應力峰值均集中在斷層接觸面，較高的應力致使煤體擠壓，改變其孔隙分布，導致孔隙率減小，進而致使煤層滲透性降低。同時，斷層面的應力集中導致其他區域應力重新分布，尤其是在斷層面臨近上下盤煤層的端點區域出現應力降，有效應力的減小致使斷層上下盤區域煤層滲透率增大。

4 煤系正斷層帶瓦斯運移規律

4.1 正斷層帶瓦斯濃度分布特征

瓦斯作為一種特殊流體，通常以游離和吸附狀態存在于煤巖中[21]。煤體作為具有雙重孔裂隙結構的多孔介質，其內部固體骨架為瓦斯分子吸附、附著源，孔裂隙結構提供給瓦斯運移通道。由于煤系正斷層帶區域力學環境發生變化以及斷層裂隙的逸散作用為原本均勻賦存的煤層瓦斯提供擴散空間，不均勻瓦斯濃度成為驅動力促使煤層瓦斯進行二次運移和重新聚集。通過多孔介質稀物質傳遞和達西定律的流動耦合，模擬煤層瓦斯在正斷層帶形成后瓦斯運移狀態和濃度分布情況，為避免贅述，選取瓦斯濃度梯度變化較大的時間節點(以年為單位)瓦斯濃度分布云圖作以展示，如圖8 所示。

如圖8a 所示，瓦斯分子在初始條件設定下呈現自由分布狀態，受斷層應力集中影響，斷層帶內部煤層孔隙率發生大幅度改變，瓦斯氣體基于煤基質孔隙變化呈現不均勻分布狀態，左右邊界斷塊受到通量邊界濃度控制，瓦斯分子可與外界進行質量交換，瓦斯濃度分布較為均勻。

圖8 斷層帶內煤層瓦斯運移濃度分布Fig.8 Concentration distribution of coal seam gas migration in fault zone

時間為1 年時(圖8b)，總體瓦斯濃度變化較大，模型內部測點的瓦斯濃度最大值由5.13 mol/m3降低到3.65 mol/m3，各區域瓦斯濃度呈下降趨勢，但瓦斯濃度分布出現明顯聚集特征，并且斷層帶內部各斷塊的瓦斯濃度大于外部邊界斷塊。

時間為2 年時(圖8c)，模型內部測點的瓦斯濃度最大值降低到3.28 mol/m3，降低速度減緩，斷層帶內部瓦斯分布規律不變，但瓦斯濃度集中區域范圍出現明顯的縮小。

此后，隨時間增加斷層帶區域瓦斯濃度不斷降低，但總體降低幅度減小，當時間為20 年時(圖8f)，各區域的瓦斯濃度分布不再變化，可認為煤系斷層影響下的瓦斯運移重新達到二次平衡，煤層瓦斯最終分布為斷層帶內部瓦斯濃度顯著低于斷層帶外部，但在斷塊內部仍有部分瓦斯聚集。

4.2 斷塊內部瓦斯濃度變化規律

對煤系斷層帶切割形成的5 組斷塊的平均濃度變化進行取值分析，如圖9 所示。

由圖9 可知，左右邊界斷塊初始瓦斯濃度平均值為1.98 mol/m3，降低速度較緩，瓦斯濃度平均值降低0.45 mol/m3。這是由于斷層帶內部斷塊受兩側組合斷層的多重控制作用，加強瓦斯在垂直方向的逸散能力，而邊界斷塊僅有一側受到斷層控制作用，加之濃度邊界條件的設定，使其具備相對較好的瓦斯富集條件。

圖9 正斷層斷塊內瓦斯平均濃度變化Fig.9 Average concentration variation of coal seam gas

地塹、地壘和階梯狀斷層內部的瓦斯濃度降低速率相對較快，平均降低1.73 mol/m3。其中，地壘構造瓦斯濃度降低速率略小于其他斷塊，這是由于地壘構造處于斷層帶內部，受集中應力作用相對較小，F2、F3 斷層對瓦斯運移阻隔作用小，加之地壘構造垂直方向略高，有利于升浮的瓦斯運移補充。經歷20 年的瓦斯運移后，各斷塊瓦斯濃度相對穩定，斷層帶內部斷塊(地塹、地壘、階梯狀斷層)瓦斯濃度小于兩側邊界斷塊。

4.3 斷層面瓦斯濃度變化規律

對前5 年模擬時間內斷層面的瓦斯濃度變化情況進一步分析，如圖10 所示。

圖10 斷層面瓦斯濃度變化Fig.10 Gas concentration change on fault plane

由圖10 可知，4 條斷層面的初始瓦斯濃度大小依次為：F3、F4、F1、F2，隨時間增加瓦斯濃度逐漸減小。其中，F2 斷層面瓦斯濃度變化值小于其他3 組斷層面，時間為1 年時，地塹和地壘內部瓦斯濃度較高，如圖8b 所示，F2 斷層面上瓦斯濃度也達到1.75 mol/m3，表明瓦斯可以通過F2 斷層面在兩組斷塊之間運移，說明斷層面對瓦斯運移的影響程度具有相對性。

隨時間增加，瓦斯通過斷層裂隙通道向外逸散，各斷層面瓦斯濃度出現不同程度的降低，此時各斷塊內部的瓦斯難以運移通過斷層面，如圖8c—圖8f 所示。模擬結果表明，斷層對瓦斯在水平方向運移產生一定的阻隔作用，其受煤巖自身物理性質和煤層瓦斯濃度梯度影響。

5 現場瓦斯分布驗證

5.1 煤層瓦斯含量分布特征

根據GB/T 23250-2009《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》進行現場瓦斯含量測定[22]，基于巷道掘進時期瓦斯涌出量監測，在距離終采線150～400 m 的區域(煤系斷層帶所處區域)布置8 組井下瓦斯地質鉆孔，其鉆孔方向垂直于煤壁，孔深超過20 m，孔徑42 mm，1-3 號鉆孔位于斷層帶左側，4-6 號鉆孔位于斷層帶內部，7-8 號鉆孔位于斷層帶右側。采用DGC 型瓦斯含量直接測定裝置，對研究區域的煤層原始瓦斯含量進行測定，結果見表3。

由表3 可知，研究區域的煤層瓦斯含量處于2.376 8～4.680 6 m3/t，煤系斷層帶影響下的煤層瓦斯含量表現出明顯的不均衡性。根據魏國營等[23]提出的瓦斯富集區定義：同高程同一煤層瓦斯含量高于周邊20%以上的局部區域，也認為是煤層瓦斯富集區。研究區域的煤系斷層帶左右兩側瓦斯含量分別高于斷層帶內部臨近測點51.1%和96.9%，形成2 處瓦斯富集區域。

表3 煤層瓦斯含量測定結果Table 3 Gas content measurement results of coal seam

為將實測瓦斯含量與模擬瓦斯濃度結合對比，以4 條斷層實際位置為控制點，分別選取斷層面、斷塊中心及邊界斷層對應點的瓦斯濃度，綜合繪制煤系斷層帶瓦斯分布曲線，如圖11 所示。

由圖11 可知，瓦斯在煤系斷層帶外部兩側形成瓦斯富集區域，且呈現為“駝峰狀”。煤系斷層帶內各斷層之間瓦斯含量低，但隨著臨近兩斷層之間距離的增加而增大，斷層帶內瓦斯含量平均值為2.592 1 m3/t；斷層帶外部兩側10～20 m 范圍內出現瓦斯含量峰值，其瓦斯含量平均值為4.480 2 m3/t；但隨著測點與斷層帶距離增加，瓦斯含量呈下降趨勢。

由圖11 中模擬瓦斯濃度分布曲線可看出，斷層面的瓦斯濃度為局部最小值，斷塊之間的瓦斯濃度為局部峰值，煤系斷層帶兩側瓦斯濃度最大。整體而言，斷層帶內部測點瓦斯濃度最大、最小值依次增加，與實測數據在不同斷層斷塊內部變化趨勢相同，表明了數值模擬的可行性。

圖11 煤系斷層帶瓦斯分布曲線Fig.11 Gas distribution curves of coal measure fault zone

斷層面出現瓦斯濃度局部最小值，是由于斷層裂隙在豎直方向為煤層瓦斯逸散提供了有利條件，當整體瓦斯濃度降低時，斷層在水平方向對瓦斯阻隔作用增強，其他區域瓦斯難以運移到裂隙出口向外逸散，斷層面與斷塊中心的瓦斯體積分數差值均高于20 %，可認為斷層之間形成小型瓦斯富集區域。總體而言，煤系正斷層帶的形成增大了瓦斯在斷層帶內部的逸散能力，但多條正斷層在局部區域的組合又增強了對煤層瓦斯在水平方向的阻隔作用，從而在煤系正斷層帶兩側形成瓦斯含量差值更高的瓦斯富集區域。

5.2 回采時期工作面瓦斯涌出特征

收集了回采期間過斷層帶區域回風巷道瓦斯體積分數及工作面配風量數據，繪制過煤系斷層帶瓦斯涌出曲線，如圖12 所示。回采期間巷道瓦斯涌出呈現出“兩高一低”的規律，即回采斷層帶前和過斷層帶后瓦斯涌出量相對較高，其平均瓦斯體積分數為0.454 9%，在回采斷層帶內部期間瓦斯涌出量相對較低，其平均瓦斯體積分數為0.224 0%，在斷層帶內部隨斷層之間距離的增加，瓦斯涌出也呈上升趨勢。

圖12 回采期間工作面瓦斯涌出量特征曲線Fig.12 Gas emission characteristic curve of working face during mining

在F4 斷層之前，煤層回采的瓦斯涌出量監測曲線出現了驟降，這是由于礦方根據井下瓦斯含量測定結果及規律，在煤系斷層帶左側的瓦斯富集區域預先布置了抽采鉆孔，在斷層帶左側前50 m 的范圍內布置順層鉆孔和高位鉆孔，對煤層瓦斯進行預防性的局部抽采。

通過對比煤系斷層帶兩側瓦斯富集區回采期間的瓦斯涌出量，可以明顯看出預抽區域瓦斯涌出量低于未抽采區域，表明針對煤系斷層帶瓦斯富集區域的精準抽采可以有效降低回采期間的瓦斯涌出量，抑制瓦斯災害風險。除此之外，回采過煤系斷層帶期間的瓦斯涌出規律，與瓦斯含量、瓦斯濃度曲線變化規律基本一致。

5.3 結果與討論

基于渭北煤田區域地質構造演化、正斷層帶構造特征、數值模擬結果及現場監測等理論數據的分析研究，認為煤系正斷層帶受區域構造條件以及大中型拉張構造逐級控制，煤巖復合的物理力學性質使其更易受到構造應力破壞，從而在局部發育出多條正斷層，組合形成煤系正斷層帶。煤巖斷裂之初，由于正斷層受水平張力和剪切應力作用，斷層封閉程度較低，且煤系斷層帶內部各斷層相互影響，致使斷層帶內煤巖裂隙較為發育，成為瓦斯運移優勢通道，原始煤層中聚集的瓦斯在濃度梯度驅使下大量逸散，極大降低瓦斯含量。

同時，重新分布的應力致使煤層滲透特性發生改變，尤其是煤層斷層面上應力集中、滲透率降低，一定程度阻隔瓦斯在斷層帶內部水平方向上的運移。多條斷層阻隔作用的疊加使得外部瓦斯難以補充到斷層帶內，導致斷層帶內部瓦斯含量低于斷層帶外部。煤系正斷層帶形成之后，受上覆巖層沉積作用，發育的裂隙逐漸被壓實，蝕變礦物組成的斷層泥沉積在斷層帶內，固結成巖的斷層泥一定程度上提高斷層垂向封閉性。

斷層一般與褶曲相互關聯，煤系正斷層帶常易出現在背斜的軸部，受瓦斯氣體上浮和背斜高差影響，其他區域產生的瓦斯沿煤層向背斜頂部運移，而煤系斷層帶發育穩定后封閉性提高，拒絕新鮮瓦斯的補充，從而使得瓦斯容易積聚在斷層帶外部兩側，形成兩個新的瓦斯富集區域。雖然研究區域整體瓦斯含量較低，但當開采強度變大時，煤系斷層帶兩側發育的瓦斯富集區域就有可能成為煤礦瓦斯災害易發、高發地區。

6 結論

a.煤系正斷層帶內部煤層斷層面上出現應力集中，巖層、煤層及各斷層面交匯點處產生應力降，斷層之間應力相互疊加，斷層產狀和斷層角為主要控制因素，斷層面滲透率相對減小，上下盤煤層滲透率相對增大，遠離煤系斷層帶后煤層滲透率趨于一致。

b.煤系正斷層在水平方向對煤層瓦斯運移產生阻隔作用，隨著時間增加，斷層帶區域整體瓦斯濃度降低，但瓦斯在斷層斷塊中部及正斷層帶外側邊界表現出明顯的積聚特性。

c.煤系正斷層帶內部煤層瓦斯分布表現出明顯的不均衡性，主要表現為斷層帶內部瓦斯含量相對較低，斷層帶外部瓦斯含量增加，在煤系正斷層帶兩側形成瓦斯富集區域。

d.回采煤系正斷層帶前瓦斯涌出量高、回采期間瓦斯涌出量降低、回采過后瓦斯涌出量升高，通過預防性抽采可有效降低瓦斯涌出量，可以保證工作面安全高效生產。