段伟杰

（长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046000）

陷落柱、断层等是华北地区煤炭开采时常见构造，陷落柱发育多呈现圆锥状或者柱状，隐伏性好、探测难度大[1-2]。众多的研究学者对陷落柱以及断层对煤炭开采、煤层瓦斯赋存影响等进行广泛研究，并取得丰硕研究成果，但研究多是集中在单一陷落柱或断层影响[3-5]。在地质构造复杂区域进行煤炭开采时地质构造多是伴生发育，在一些陷落柱周边往往伴生有大量的断层，陷落柱、断层伴生发育会给煤层赋存稳定性以及瓦斯赋存等造成影响[6-8]。下霍煤矿1306 工作面开采范围内断层、陷落柱发育，为了确保采面开采安全，对陷落柱、断层构造发育特征以及对瓦斯赋存造成影响进行分析，为矿井煤炭开采安全措施制定以及瓦斯治理提供参考依据。

1 工程概况

1306 工作面可采长度1 015.6 m、斜长249.8 m，开采的3#煤层结构简单，煤厚平均5.3 m，倾角0°～12°，3#煤为贫煤、贫瘦煤，该工作面地质构造较多，且延伸长度较长。3#煤顶底板均为致密的泥岩、砂质泥岩。1306 工作面内探测到的主要断层、陷落柱参数见表1，发育位置见图1。

表1 1306 工作面主要断层、陷落柱参数

图1 1306 工作面陷落柱发育位置

2 陷落柱、断层发育特征

2.1 陷落柱及伴生断层构造形成机理

在陷落柱形成过程中陷落柱顶部煤岩体垮落后充填陷落柱内自由空间，从而造成陷落柱周边围岩应力重新分布，在陷落柱周边由近及远会形成塑性区、弹性区及原岩应力区。在弹性区内应力较高当应力大于煤岩体极限抗压强度时围岩内会出现裂隙并向陷落柱方向倾斜、滑移，在陷落柱周边形成环形裂隙。在陷落柱周边不同位置处应力峰值分布范围各有差异，在集中应力作用下煤岩体出现一定程破断，后在区域地质构造应力影响下发育成布局伴生断层或者环绕式断层。具体陷落柱及伴生断层构造形成见图2。

图2 陷落柱及伴生断层构造形成

2.2 陷落柱及伴生断层构造分布特征

根据下霍煤矿已经揭露的陷落柱、断层分布资料以及地勘资料，下霍煤矿已探明陷落柱数量为58个，陷落柱分布状态多呈现椭圆形、圆形或者不规则形。现阶段已经揭露的陷落柱内部自由空间范围大，在陷落柱周边应力集中明显，容易引起陷落柱围岩滑移出现伴生小断层。

通过分析矿井区域陷落柱分布及发育特征，结合1306 探测到的X6 陷落柱发育情况，归结起来，采面内陷落柱、断层构造分布具有以下特征：

（1）陷落柱、断层构造分布受区域地质构造影响，在褶曲发育位置陷落柱伴生断层构造更为发育，断层走向与煤层走向通常为大角度斜交。由于1306 工作面整体为一向斜背部，在采面内发育有大量的次生断层，在X6 陷落柱旁就发育有2 个正断层，断层走向与煤层走向夹角分别为86°、65°。

（2）陷落柱周边伴生断层落差较小，一般均在5 m以内。在X6 陷落柱周边已探明的DC72、DC12 断层落差分别为1.0 m、1.4 m，落差均较小。

（3）在陷落柱周边由于受到断层影响煤层分布呈现阶梯状，且向陷落柱倾斜、滑移一盘煤岩较为破碎、强度较低。

3 陷落柱、断层构造对瓦斯赋存影响

煤层瓦斯受到埋深、煤质、顶底板岩性以及水文地质条件、区域构造等因素影响，在局部范围内煤层瓦斯赋存受到陷落柱、断层构造影响。

3.1 煤层瓦斯赋存总体规律

下霍煤矿开采的3#煤层变质程度高，在煤化作用各阶段均产生有大量瓦斯，随变质程度增加煤层吸附能力增强、渗透性降低，从而使得煤层瓦斯含量增加。在井田开采范围内煤层瓦斯含量随着埋深而增加，具体变化曲线见图3。同时由于3#煤层顶底板岩层以致密的砂质泥岩、泥岩，密闭效果较好，有利于煤层瓦斯保存。

图3 3#煤层瓦斯含量与埋深变化曲线

3.2 构造对煤层瓦斯赋存影响

（1）煤层瓦斯含量降低

构造形成煤层瓦斯逸散通道，从而降低构造影响附近煤层中瓦斯含量。陷落柱、断层在形成过程中会破坏煤层连续性，打破煤系地层原有的封闭性，当附近有含水层时煤层瓦斯会通过地下水流动而运移。在构造周边发育的裂隙，增加煤岩透气性从而有利于煤层瓦斯解吸，从而降低构造周边煤层瓦斯含量。

（2）煤层瓦斯集聚

陷落柱、断层构造可能导致煤层中瓦斯集聚，陷落柱存在可能会导通附近的其他煤层，当构造顶底板岩层封闭性较好且附近地下水运动较弱时，附近煤层解析的瓦斯可能通过构造裂隙向上部集聚，从而形成瓦斯富集区。此外若断层上下盘在滑移时产生的断层面封闭，也可能会降低煤层瓦斯透气性，从而增加煤层瓦斯含量。

X6 陷落柱在衰退阶段附近地下水冲刷、运移以及侵蚀岩层能力弱化，陷落柱内部逐渐被砂质泥岩、泥岩以及黏土等充填，并在地应力作用下逐渐胶结，形成相对封闭的瓦斯集聚条件，从而导致附近煤体内瓦斯含量有所增加。在1306 回风顺槽掘进时探测到有X6 陷落柱，该陷落柱短轴、长轴长度分别为60.7 m、87.8 m，周边发育有已探明的DC72、DC12 断层，预计还有其他未探明的隐伏小断层。在1306 回风顺槽掘进接近陷落柱期间对迎头煤层瓦斯含量、钻屑指标K1值进行测定，结果见图4、图5。

图4 煤层瓦斯含量与陷落柱距离关系曲线

图5 K1 值与陷落柱距离关系曲线

从现场实测发现，随着与陷落柱、断层构造距离缩短，煤层瓦斯含量、钻屑指标K1值均呈增加趋势，表明在煤层瓦斯含量与距构造距离间有较好的拟合函数且拟合度高。表明在1306 工作面开采范围内，陷落柱、断层构造对煤层瓦斯有一定的富集作用。

4 结语

1）陷落柱在发育形成过程中在地应力作用下陷落柱周边煤岩体会出现滑移、断裂从而有助于伴生小断层形成，陷落柱周边形成的断层受区域地质构造控制，在褶曲发育区伴生断层更为发育。

2）在陷落柱、断层构造发育区煤层瓦斯赋存较地质构造不发育区有显著差异。就1306 工作面探测到的X6 陷落柱而言，在陷落柱周边煤层瓦斯含量富集。预测在1306 工作面附近的其他工作面回采过程中揭露的陷落柱周边煤层瓦斯也呈集聚状态。

3）采面过陷落柱周边瓦斯富集区时应强化瓦斯预抽，加强通风、瓦斯检测等工作，降低瓦斯富集对采面回采安全威胁。