断层力学性质与其透水性的分析研究

    摘 要：为了探究断层的力学性质对透水性的影响，采用数据归纳对比方法，以潘一矿为研究区，探究井田内断裂构造的基本特征，然后着重对断层的力学性质进行研究，最后选取两条主要的张扭性断层和压扭性断层作为研究对象，对这两条断层处的抽放水试验数据进行分析，得出张扭性断层处的单位涌水量明显比压扭性断层处的大，结果表明张扭性断层的透水性要比压扭性断层好。

    关键词：力学性质;张扭性断层;压扭性断层;透水性

    0 引言

    矿井充水条件是充水水源、导水通道及水量共同作用的结果，其中充水水源和导水通道是矿井充水的基本条件[1-2]，当通道导通煤层和含水层时就有可能发生矿井充水，至于充水的程度则取决于水量大小，而导水通道的分布具有不均一性和局部性，是三个充水条件里最难查清的一个因素[3]，也是最关键的，许多矿井水害的发生都是因为对导水通道认识不清导致的，因此对矿井导水通道的探究至关重要。

    剧烈构造运动产生断层，并导致断层周围岩体破碎产生大量裂隙并伴有次生断裂的生成，使得多数断裂构造具有较好的透水性，成为一种天然的充水通道[4-6]，在煤矿开采过程中由于采动面扰动破坏很容易导通这些断层造成矿井充水事故的发生[7]，而断裂构造能否被导通，有诸多影响因素，例如断层的性质、规模、上下盘岩性、煤层开采强度等等[9-10]。因此，本文对淮南煤田潘一矿区落差20m以上断层进行归纳总结分析，针对断层不同的力学性质对含导水性的影响，依据抽放水实验结果的单位涌水量数据，研究不同力学性质的断层对透水性的控制作用。

    1 研究区概况

    潘一矿位于淮南煤田潘谢矿区，东西长约14.6 km，南北倾斜宽约4.0 km，总面积约为54.67 km2，矿井边界东起0勘探线，西边为人定界线，北部以F2、F5、F4、F5-1断层及潘集背斜轴作为边界，南边以13-1煤层-800m底板等高线地面投影线为界。本区处于淮河冲积平原，地势较为平坦，总体呈现西北高、东南低的趋势，属于暖温带半湿润性气候，四季分明，年平均降雨量926.3mm。

    2 断裂构造基本特征

    潘一矿内断裂构造大部分集中分布在井田的北部（图1），以斜切张扭性断层为主，其次是压扭性断层。张扭性断层按走向可划分为两组，一组为NEE及EW向，另一组为NW及NWW向，倾角都为50～75°，但NEE及EW向的断层，倾向为SE及S，规模不等，落差大小相差较大;而NW及NWW向的断层，倾向为SW及NE，多为小型断裂，有些仅呈裂隙发育。井田内的压扭性断层，多数为走向和背斜轴向基本一致或二者交角为小于30°的逆断层，落差较大，一般作为井田边界及采区边界的划分依据。

    3 断层的力学性质

    地层受构造应力作用形成断层，构造应力的大小和方向控制断层的地质构造特征，根据岩石所受地应力的不同将断层分为张性、压性、张扭性和压扭性[11]，自然界中只受一种应力作用的断层很少，常见的是两种应力共同作用的结果，即张扭性和压扭性断层。

    据井田内实测地质资料分析，潘一矿中落差大于等于煤厚的断层共有75条，其中落差大于20m的断层仅有14条，对矿井水文地质构造以及煤矿开采影响较大，是本文研究的主要對象。目前揭露的75条断层中，张扭性断层54条，压扭性断层21条，如图2为落差大于20m断层的走向玫瑰花图，NW及NWW向的断层数目较多，图3为倾向图，从图上可看出断层倾向主要在SSE～SSW之间。井田内张扭性正断层有F4、F4-1、F4-3、Fe1、Fe2、Fe8等;压扭性逆断层有F5、F5-1、F3、F3-2等断层。下面介绍潘一矿几个主要的张扭性和压扭性断层。

    3.1 压扭性逆断层

    （1）F5逆断层：为潘一矿西北部的边界断层，走向自东向西为SE～EW～SW，倾向由SW渐变为SSE，倾角40～65°，落差20～80m，井田内平面延展长度约8000m，整体略呈弧形。断层特征为走向变化较大，断层面有扭曲现象，断层落差大小中间往两端逐渐变小，并消失，断层破碎带宽3～5m，充填物多为粘土岩屑及煤屑。由钻探工程、地震测线、巷道揭露等控制，属可靠断层。

    （2）F3逆断层：位于井田北部，跨潘一、潘二井田，断层走向NW～SE，倾向S～SW，倾角40～65°，落差20～60m，井田内平面延展长度约4500m，平面形态呈反“S”型弯曲，表现为两头倾角较陡，扭曲部位倾角较缓，断层落差中部大、东部次之、西部小。

    3.2 张扭性正断层

    （1）F8正断层：位于井田北部、F5断层上盘，其走向近EW，倾向SSW，倾角55～60°，井田内平面延展长度约2500m。由钻探工程、巷道揭露控制，属可靠断层。

    （2）F4正断层：是斜切平移正断层，位于井田中西部、Ⅵ勘探线以西。其走向为NE～SW，倾向SE，倾角从上往下逐渐增大，范围在35～55°之间，落差60～110m并由深到浅逐渐减小，平面延展长度6000m，平面形态略呈“S”型，断层带宽度一般2～4m，且多为粘土岩屑及煤屑充填，岩石糜棱化明显。断层带岩体破碎严重，伴生次级断层较多，小断层和裂隙也较发育，但抽放水实验证明并无明显导水现象。

    4 断层的透水性

    断层的力学性质影响其透水性，一般来说，张扭性断层岩体较破碎，断层影响带中裂隙较发育，导水性较好，而压扭性断层恰恰相反，孔隙裂隙不甚发育，断层两盘受应力挤压岩性较致密，透水性差。

    以潘一矿张扭性断层F4-1和压扭性断层F5为例，研究断层的力学性质对导阻水性的影响。选取F4-1断层处的六个水文观测孔的单位涌水量，分别为1.493 L/s·m，1.517 L/s·m，0.3989 L/s·m，0.274 L/s·m，1.002 L/s·m，6.18 L/s·m，F5断层处的五个水文观测孔的单位涌水量分别为0.0019 L/s·m，0.02474 L/s·m，0.00029 L/s·m，0.0086 L/s·m，0.124 L/s·m，由图4可明显看出张扭性断层涌水量大于压扭性断层的涌水量，即正断层的透水性与逆断层相比较好，结果与实际理论依据相符。

    5 结论

    （1）潘一矿断层的力学性质主要是压扭性和张扭性两种，张扭性断层多于压扭性断层，是潘一矿的主要断层，影响煤矿开采工作进展，而压扭性断层落差和规模较大，作为井田边界划分依据。

    （2）F4-1为张扭性断层，抽放水试验结果显示单位涌水量较大，透水性较好，而F5压扭性断层单位涌水量明显较小，几乎没有水，说明由于应力挤压，结构面较致密不易透水，富水性较弱，两者比较结果表明，张扭性断层的透水性较好。

    参考文献：

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    作者简介：王修波（1987-），男，山东聊城人，本科，助理工程师，主要从事水工环地质工作。