平煤六礦構造演化及瓦斯地質控制特征研究

摘要：運用區域地質構造演化和瓦斯賦存構造逐級控制理論，在分析礦區地質構造演化特征的基礎上，研究了地質構造、煤層上覆基巖厚度以及煤層埋深等地質因素對瓦斯賦存的影響，找出了影響礦井煤層的瓦斯賦存規律。

關鍵詞：構造演化 地質構造 瓦斯賦存

1 概述

瓦斯是煤在地質歷史演化過程中形成的氣體地質體，起生成、運移、保存都受控于地質因素。只有厘清煤田、井田地質構造演化歷史，以及在歷次構造運動中含煤地層隆起、剝蝕和沉淀、凹陷的特征，才能弄清楚煤層瓦斯的保存條件，才能厘清礦井瓦斯賦存規律。

平煤六礦位于平頂山市西北郊，平頂山礦區中西部。礦井采用豎井主副井提升及明暗斜井運輸，石門開拓方式。采用全巖陷落法管理，通風方式采用抽出式。從2005年起，確定為煤與瓦斯突出礦井。

2 地質構造及控制特征

2.1 區域地質構造演化

平頂山礦區位于華北地塊南緣帶，秦嶺造山帶北界天水-魯山-淮南-定遠斷裂F1和洛南-欒川-方城斷裂F3之間，稱為秦嶺造山帶后陸逆沖斷裂褶皺帶，礦區中生代之前屬于華北型的地殼結構，如同華北地塊一樣，缺失O2-C1地層。晚海西至早印支期，揚子地塊與華北地塊碰撞拼接，華北地塊南緣帶卷入秦嶺大別造山帶。中生代以來受著秦嶺大別造山帶構造的控制，主要表現在后陸區的秦嶺造山帶北緣邊界斷裂發生由南向北指向造山帶外側的逆沖推覆；平頂山礦區形成了一系列NW—NWW向逆沖推覆和褶皺構造，同時，華北地塊南部自北向南向秦嶺的巨型陸內俯沖，魯山斷裂是華北地塊向秦嶺方向的俯沖斷裂。燕山早期受太平洋庫拉板塊NNW向俯沖，北北東向斷裂主要表現為左行壓扭性活動。NW—NWW向構造表現為差異升降活動，一系列斷層反轉為正斷層。晚白堊世至早第三紀時期，太平洋庫拉板塊俯沖方向，由原來的NNW轉為NWW向，同時隨著印度板塊擠壓應力的增強，影響到華北板塊不斷向東蠕散，華北板塊處于引張、裂陷、伸展的地球動力學背景，NNE、NE向斷裂表現為右旋拉張的受力狀態，并形成一系列NNE—NE向展布的裂陷帶。平頂山礦區NNE向的正斷層郟縣斷裂、洛崗斷裂是此時形成的。此時，NWW—NW向構造表現為逆沖推覆等壓扭性活動。

NWW-NW向的構造較長時期表現為近南北向的擠壓，大規模地逆沖推覆活動。NNE、NE向構造在燕山早中期表現為壓扭性活動。相比之下，NWW-NW向構造作用時間長、活動劇烈，遍及整個礦區。

2.2 礦井地質構造特征

平煤礦區西半部NWW向的鍋底山斷裂是一個控制性斷裂，斷裂上盤為五礦、七礦、十一礦井田，由于鍋底山斷裂上盤先期受逆沖推覆作用，后又反轉為下降運動，煤層破壞強烈，是造成五礦和七礦發生煤與瓦斯突出的主要原因。位于鍋底山斷裂下盤一側的六礦、二礦、三礦、四礦井田和一礦井田的西半部，是平頂山礦區構造簡單區，煤層破壞輕微。

六礦井田位于李口向斜西南翼，鍋底山正斷層的北東盤。經勘探和采掘生產揭露，井田內落差15m以上的斷層共7條，主要以正斷層為主，并且這7條斷層均分布在井田的西南部，這些斷層連同井田西部的F4、F5斷層，其走向均與邊界斷層鍋底山斷層大致平行，表明在成因方面彼此有著密切的聯系。礦井自1970年投產以來到2001年，一直為低瓦斯礦井。由于受斷層的扭轉、擠壓、剪切為主的受力狀態，使得丁組煤的構造附近煤體結構嚴重破壞，應力增大，丁5-6煤層的分合又對瓦斯涌出量的影響作用明顯，合層區域瓦斯涌出量明顯增加。自2001年3月

丁5-6-21050機巷發生了第一次瓦斯動力現象以來，丁組煤層先后出現過11次瓦斯動力現象，其中丁6-21180改造風巷一次曾拋出煤量156t，瓦斯涌出量1477m3。2005年6月煤科總院撫順分院把丁組煤層鑒定為突出煤層，礦井為突出礦井。

3 地質構造對礦井瓦斯的影響

六礦井田位于李口向斜的西南翼，為一緩傾斜單斜構造。地層走向，在井田中部為125°，向北漸轉為105°，井田東部和西部約為85～00°。地層傾向以0～30°為主。地層傾角一般為10～15°，深部較緩，為6～8°；西南邊界附近，由于地層褶曲，傾角變化較大。瓦斯受地質構造的控制主要有以下幾個方面。

3.1 地質構造對瓦斯賦存的影響

井田范圍內，大型褶皺不發育，僅見煤層沿走向的波狀起伏，以及由斷層旁側伴生的次級寬緩褶皺，相對較大的有山莊向斜。根據礦井地質報告介紹的情況，井田范圍內大的斷層有鍋底山正斷層、山莊一號逆斷層、山莊二號逆斷層、馬溝正斷層、F2正斷層、F1-1正斷層、F1-2正斷層和劉家正斷層。通過對井田內上述斷層的性質、產狀等因素的分析，斷層的空間方位對瓦斯的貯存、排放具有一定的影響。一般認為，走向斷層阻隔了瓦斯沿煤層傾斜方向的排放而有利于瓦斯貯存；傾向和斜交斷層則把煤層切割成互不聯系的塊體而有利于瓦斯排放。經過近幾年瓦斯涌出情況統計，多次瓦斯異常涌出均是受地質構造影響，因此地質構造分布對瓦斯賦存有著較大的影響。

3.2 煤層上覆基巖厚度對瓦斯賦存的影響

井田第四系地層主要為黃土層，一般分布于地表，膠結性不好，孔隙度大，連通性好，容易釋放瓦斯。由于第四系松散沉積物易于搬運，厚度變化較大，這就造成煤層上覆地層垂向變化較大。在第四系松散厚度較小，垂向差異不大的礦井，上覆基巖厚度和埋藏深度對瓦斯的影響基本上相當。第四系地層主要為坡積的黃土、粘土與亞粘土，底部為砂質粘土與砂礫石層，厚度為0～30m，平均10.2m。受地形的影響，厚度變化較大，以龍山頂為界，沿坡向向南、向北逐漸增厚，與下腹地層呈角度不整合接觸。

3.3 煤層埋深對瓦斯賦存的影響

一般出露與地表的煤層，瓦斯容易逸散，并且空氣也容易向煤層滲透，導致煤層中瓦斯含量小，甲烷濃度低。隨著煤層埋藏深度的增加，地應力不斷增高，煤層和圍巖的透氣性降低，瓦斯向地表運移的距離相應增大，這種變化有利于封存瓦斯、不利于放散瓦斯。

丁組煤層瓦斯含量3.78～7.93m3/t，丁組煤層瓦斯含量隨埋深增加而增大，變化的梯度為2.13m3/t·100m。瓦斯含量變化關系符合下式：W=0.0213H-13.126。瓦斯壓力0.6～2.1MPa，局部存在高壓區。歷次瓦斯動力現象其地點基本上處于斷層及煤層厚度賦存狀態發生較大變化的區域，說明丁組煤層的突出危險性與地質構造有著明顯的關聯關系。隨著向深部開采，瓦斯壓力增大，也會使得地質構造復雜區域的瓦斯賦存明顯增大。根據瓦斯含量測定結果和瓦斯涌出量預測，丁組煤層深部瓦斯含量預計將超過10m3/t，回采工作面瓦斯涌出量將超過15m3/t，因此，深部開采時應大力實施保護層開采并加大瓦斯預抽力度。

戊8煤層最大瓦斯含量7.08m3/t，最大瓦斯壓力0.82MPa；戊9-10煤層最大瓦斯含量4.47m3/t，最大瓦斯壓力1.33MPa（瓦斯所測得1.7MPa）。根據瓦斯地質因素分析，煤層埋藏深度是影響戊組煤層瓦斯賦存的主控因素；戊8、戊9-10煤層為近距離煤層開采，當層間距較小時，鄰近層瓦斯涌入采掘空間造成工作面瓦斯異常涌出。根據對不同標高的煤層瓦斯基本參數測定結果，戊8煤層瓦斯含量與其標高的關系為W=0.0102H-0.6669，瓦斯壓力與其標高的關系為P=0.0033H-1.4985。戊9-10煤層瓦斯含量與其標高的關系為W=0.0245H-10.013，瓦斯壓力與其標高的關系為P=0.0054H-2.6661。隨著采深的增加，應及時測定煤層瓦斯基礎參數，認真觀測、收集突出預兆，做好戊組煤層突出危險性預警升級工作。

4 總結

①平頂山礦區煤層沉積主要受到晚海西期及其以后的構造運動控制，NWW-NW向的構造較長時期表現為近南北向的擠壓，大規模地逆沖推覆活動。NNE、NE向構造在燕山早中期表現為壓扭性活動，晚白堊世至早第三紀時期，由于印度板塊的擠壓，西部的隆起，NNE向斷層又轉變為正斷層。

②受斷層的扭轉、擠壓、剪切為主的受力狀態，使得丁組煤的構造附近煤體結構嚴重破壞，應力增大，丁5-6煤層的分合又對瓦斯涌出量的影響作用明顯，合層區域瓦斯涌出量明顯增加。

③瓦斯含量以及瓦斯壓力與煤層的埋藏深度都有著相當密切的關系，隨著煤層埋深的增加，采深的增大，瓦斯含量和瓦斯壓力都隨之增加。

參考文獻：

[1]張子敏，張玉貴.瓦斯地質規律與瓦斯預測[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[2]張子敏.瓦斯地質學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2009.

[3]萬天豐.中國大地構造綱要[M].北京：地質出版社，2004.

作者簡介：

衛德俊（1979-），男，河南南陽人，河南省平煤股份六礦通風科科長，研究方向為通風。