煤巖瓦斯動力災害主控地質體理論及地質作用機理

摘要：為研究煤巖瓦斯動力災害地質作用機理，初次提出了控制煤巖瓦斯動力災害的“主控地質體”的概念，并進行了定義及分類，采用理論分析、實驗室實驗、現場實測及現場考察等手段進行了相關研究。研究認為：煤系地層區域沉積體系、地層層序位置決定著煤層厚度、頂底板巖性及粒度、煤層賦存狀況等，越靠近海（湖）侵體系域最大海（湖）泛面位置，煤層瓦斯賦存量越大（頂底板石灰巖煤層除外）、煤層煤巖瓦斯動力災害危險性越大，解釋了煤層群中不同煤層煤巖瓦斯動力災害程度差異；煤巖瓦斯動力災害地質作用機理為地層沉積埋藏作用、地質構造作用、熱作用、生烴作用等時空配置控制著煤層的改造程度、瓦斯的生成、保存及逸散程度，以及自重應力、構造應力的分布情況，進而控制煤巖瓦斯動力災害區域分布及災害程度；初步建立了主控地質體理論、分析方法及判識依據。研究成果在水城礦區進行了應用，驗證了該方法的合理性和適用性。

關鍵詞：煤巖瓦斯動力災害；發生機理；主控地質體；地質作用機理；層序地層

中圖分類號：TD 712 文獻標志碼：A

0.引言

煤巖瓦斯動力災害的嚴重性首先取決于其地質資源背景、地質演化及作用程度。國內外從上世紀初就開始發現煤礦瓦斯、煤與瓦斯突出災害的分布與地質因素密切相關，經過多年研究取得了大量的成果。近年來，張子敏等對瓦斯地質進行深入研究，提出了煤礦瓦斯賦存構造逐級控制理論，得出了全國高瓦斯礦井、突出礦井分布與區域構造關系，并編制了全國和各省、自治區瓦斯地質圖。張宏偉根據中國大陸的構造特點，豐富和深化了煤巖瓦斯動力災害地質動力區劃理論和方法。秦勇等進行了煤層氣富集與沉積體系的關系研究，并進行了相應分類；胡千庭等對煤巖瓦斯動力災害進行了深入研究，提出了煤巖瓦斯動力災害的力學作用機理；國外學者上世紀研究了地質構造與煤巖瓦斯動力災害關系，但近年來研究成果較少。煤巖瓦斯動力災害雖然已形成了較為完善的理論及預防技術體系，但同一地質構造區域煤層群煤巖瓦斯動力災害程度差異問題，以及礦區、礦井、采區煤巖瓦斯動力災害區域預測技術不完善問題，造成礦區規劃、礦井設計、礦井采掘部署、礦井基建及采區設計等環節存在較大技術漏洞，危害礦井決策及生產。

筆者依據煤巖瓦斯動力災害力學作用機理，以沉積環境演化史、地質構造演化史及熱演化史、生烴史等為主線，采用理論分析、實驗室實驗及現場考察等手段，以水城礦區為例，對煤巖瓦斯動力災害地質作用機理進行了相關研究。

1.煤巖瓦斯動力災害“主控地質體”定義及地質作用機理

1.1主控地質體定義及分類

地質體：地殼內占有一定空間、有其固有成分，并可與周圍物質相區別的地質作用產物。不論其范圍大小，大到一個巖體，小到一個包裹體，都可稱為地質體。本論文特指在煤系地層沉積演化、地質構造作用及生烴歷史過程中，形成對煤與瓦斯突出有影響的斷層、褶皺、煤體及圍巖等。

主控地質體定義：在煤系地層中存在多種影響煤與瓦斯突出危險陛的構造、層狀地質體，它們通過影響煤層瓦斯賦存、地應力、煤體結構、破壞類型等影響煤與瓦斯突出危險性，各地質體在影響程度不同，有些起控制作用，有些起輔助作用，對煤與瓦斯突出起控制作用的地質體稱為“主控地質體”。

主控地質體分類：依據控制煤與瓦斯突出主控地質體外部形態，主控地質體主要分為構造地質體、層狀地質體，具體分別為褶皺、斷層、油頁巖及泥巖等封閉圍巖、松散體、堅硬性頂板、軟分層及巖漿侵入體等。如圖1，2所示。

1.2主控地質體理論及分析方法

主控地質體理論是以沉積環境演化史、地質構造演化史及熱演化史、生烴史為主線，通過分析研究區域沉積環境演化、煤系地層層序地層演化，得出研究區域煤層厚度、頂底板巖性及粒度情況，進而了解煤系地層層域上（垂向上）煤層煤與瓦斯突出程度差異，確定層狀主控地質體；通過分析研究區域地質構造演化及特征，得出研究區域地質構造對煤層的建造及改造情況、對煤層瓦斯保存情況及構造應力等情況，進而了解區域上煤層煤與瓦斯突出程度差異，確定構造主控地質體；通過分析區域煤層變質及生氣過程，得出研究區域煤層瓦斯生成情況，確定層狀主控地質體；通過分析含水層、隔水層等對煤層瓦斯賦存的影響，得出水文條件對煤層煤與瓦斯突出危險性影響，確定層狀主控地質體。綜合確定控制煤與瓦斯突出分布的主控地質體。

1.3主控地質體判識依據

主控地質體通過控制地應力分布、瓦斯賦存分布及破碎煤體分布，控制煤與瓦斯突出發生。

煤與瓦斯突出主控地質體判識主要通過其形態、物理性質、力學性質及其對煤與瓦斯突出某種或多種發生因素的影響而判定。

1.4煤巖瓦斯動力災害地質作用機理

煤巖瓦斯動力災害地質作用機理：地層沉積埋藏作用、地質構造作用、熱作用、生烴作用等時空配置控制著煤層的改造程度、瓦斯的生成、保存及逸散程度，以及自重應力、構造應力的分布情況，進而控制煤巖瓦斯動力災害區域分布及災害程度。

沉積作用對煤巖瓦斯動力災害的地質作用機理：通過分析煤系地層巖層性質、巖層厚度、巖層間距、煤層厚度以及煤層所處層序體系域位置，認為同一地質構造條件下，越靠近海侵體系域最大海（湖）泛面位置頂底板巖層粒度越小、煤層越厚、瓦斯賦存量越大（頂底板石灰巖煤層除外）及煤與瓦斯突出程度越大。

地質構造作用對煤巖瓦斯動力災害的地質作用機理：依據構造規模，大地構造體系影響到區域構造體系、區域構造體系影響到局部構造體系，也就是說采掘工作面突出點的分布受局部構造控制、礦井突出危險條帶區的分布受區域構造控制、突出礦區條帶分布受大地構造控制，因而出現構造逐級控制的關系，構造呈現分區分帶性，使得突出礦區、礦井、煤層和采掘作業點也呈現分區分帶性，由此引發一些礦區、礦井、煤層、采掘作業點具有突出危險性，而另一些礦區、礦井、煤層、采掘作業點卻不具有突出危險性。突出與地質構造的關系重點在于尋求這種分區分帶的關系，以便于依據地質構造的分區分帶性預測煤與瓦斯突出的分區分帶性。中國突出礦區分布與區域構造特征有顯著關系，主要分布于板塊結合帶、隆起造山帶、擠壓斷裂帶、逆沖推覆帶和巖漿侵入帶等。在礦井范圍內，具有如下特征的構造部位突出危險性增大：鼻狀背斜伏端、向斜軸部及兩翼、復式褶皺中的次級褶皺、隔檔式褶皺中的轉折端、扭褶構造帶、緊閉褶皺、不協調褶皺、具有波狀起伏的單斜構造、帚狀構造收斂端、壓性斷層、扭性斷層、壓扭性斷層、推覆構造、火成巖侵入區等。

熱演化、生烴作用對煤巖瓦斯動力災害地質作用機理：盆地古地溫場演化直接影響到煤中有機質的熱演化歷史，通過熱演化歷史決定了煤化變質程度，進而控制煤及煤層的物理化學性質及其空間展布，對瓦斯生成演化歷程及煤層吸附一解吸特征起著決定性影響。不同煤階煤層瓦斯成藏過程不同，高煤階煤層瓦斯成藏過程復雜，對中國而言，大多都存在構造異常熱事件的影響，并發生二次生烴作用，經過了深成變質作用和熱變質作用等多階段演化，在達到最高演化程度后就不再生烴，進入瓦斯成藏調整改造階段；低煤階瓦斯成藏過程簡單，煤層形成后一般只經歷了一次沉降，深成變質作用形成。通過分析不同煤階煤層變質程度差異、巖漿侵入區域差異，進而了解煤層物理力學性質變化、瓦斯賦存差異及瓦斯壓力分布情況等。

2.水城礦區概況

貴州水城礦業（集團）有限責任公司始于1964年開工建設，1970年建成投產，2001年11月改制為貴州水城礦業（集團）有限責任公司。

貴州水城礦業（集團）有限責任公司主營煤炭開采，根據地質構造和開采條件，礦區由北西到南東依次劃分為7個獨立的礦井（大多建于上世紀70年代初期）：①盛遠煤礦（原木沖溝煤礦）；②大灣煤礦；③那羅寨煤礦；④汪家寨煤礦；⑤大河邊煤礦；⑥紅旗煤礦；⑦老鷹山煤礦。并控股在建設計能力為300萬t/a的中嶺礦業有限責任公司和格木底公司，2009年核定生產能力為1031萬t/a（未含格木底公司）。水城礦區含煤地層為二疊系上統龍潭組，其中二塘向斜含煤地層為二疊系上統龍潭煤組，大河邊和小河邊向斜為二疊系上統宣威煤組。可采及局部可采煤層為：1，4，7，8，11，12，13，14-1，14-2，17，28號煤層。各礦井主采煤層見表1.礦區煤種齊全，煤質優良，有焦煤、1/3焦煤、氣煤、肥煤等。水成礦區礦井位置分布圖如圖3所示。

水城礦區瓦斯賦存規律復雜、瓦斯事故頻發，其中11#煤層發生的突出次數最多，強度也最大，水城礦區各礦井的瓦斯情況統計見表2.

3.水城礦區煤巖瓦斯動力災害的地質作用機理

3.1沉積演化及特征影響

沉積作用方面：主要分析煤系地層沉積過程中，煤層厚度、頂底板巖性、粒度及煤層瓦斯等情況，即對同一構造情況下煤層群煤巖瓦斯動力災害程度差異進行研究，進而分析沉積作用對煤巖瓦斯動力災害的地質作用機理。

水城礦區以廣闊的陸表海盆地沉積為特征，屬典型的黔西南晚二疊世陸表海三角洲體系沉積。當時，黔西地區古地形總體特征是由西向東傾斜，沉積體系分區十分明顯。從西向東構成了河流一三角洲（或碎屑海岸）一陸表海一碳酸鹽巖臺地的古地理景觀，如圖4所示。

水城礦區由西向東7個礦井各含煤地層按層序地層學劃分可分為2個層序段。層序I從玄武巖頂部至11號煤層頂部；層序Ⅱ從11號煤層頂部-1號煤層頂部。層序主要發育海侵體系域即在相對海平面上升速率較大的環境下形成的退積層序。峨眉山玄武巖噴發以后，在一定的沉積間斷后，海水迅速上升，可容空間增加，隨著海平面激烈的升降波動沉積了ClOla煤層-11號煤層，10號煤層-1號煤層，隨著海侵不斷擴大煤層具有逐層增厚的趨勢，11號煤層和1號煤層分別為層序I和層序Ⅱ最大海泛面時期。

由現場實測數據分析可知，二塘向斜中，11號煤層-7號煤層-9號煤層-4號煤層-2號煤層，瓦斯含量均值依次為18 m3/t-12 m3/t-10 m3/t-11m3/t-9 m3/t，透氣性系數均值依次為0.27m2/（MPa2·d）-0.42 m2/（MPa2·d）-0.66 m2/（MPa2·d）-0.83m2/（MPa2·d）-0.91 m2/（MPa2·d），層序地層海侵體系域最大海泛面位置附近煤層瓦斯含量明顯較其它位置煤層較大；依據二塘向斜瓦斯動力災害情況可知，煤巖瓦斯動力災害主要集中在11號煤層。大河邊向斜中，13號煤層-11號煤層-1號煤層-7號煤層，瓦斯含量均值依次為15 m3/t-17 m3/t-14 m3/t-13m3/t，透氣性系數均值依次為0.16 m2/（MPa2·d）-0.35 m2/（MPa2·d）-0.42 m2/（MPa2·d）-0.58m2/（MPa2-d），層序地層海侵體系域最大海泛面位置附近煤層瓦斯含量明顯較其它位置煤層較大；依據大河邊向斜瓦斯動力災害情況可知，開采煤層煤巖瓦斯動力災害主要集中在11號、13號煤層中。小河邊向斜中，13號煤層-11號煤層-8號煤層，瓦斯含量均值依次為7 m3/t-5 m3/t-3m3/t，透氣性系數均值依次為0.27 m2/（MPa2·d）-0.90 m2/（MPa2·d）-1.92 m2/（MPa2·d），層序地層海侵體系域最大海泛面位置附近煤層瓦斯含量明顯較其它位置煤層較大；依據小河邊向斜煤巖瓦斯動力災害情況可知，主要集中在11號、13號煤層中。

礦區為山地、丘陵地形，年降水量平均為1 000～1 800 mm.由于峨嵋山玄武巖隔絕作用，隔絕了煤系地層與茅口灰巖強含水層的水力聯系，礦區水文地質條件趨于簡單。煤系地層以上飛仙關組以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，為弱含水、低滲透性地層。煤系地層巖性以泥巖、砂巖等為主，為弱含水、低滲透性地層，地下水流動十分緩慢，基本處于靜止狀態。本區的降雨量雖大，但地、丘陵地形造成地下水無法補給。礦區含水層中地下水基本處于靜止狀態，其對煤層瓦斯起水力封閉作用，使得煤層瓦斯不易逸散。

3.2地質構造演化及特征影響

地質構造作用方面：主要分析地質構造對煤層結構及力學性質、瓦斯保存及構造應力等方面進行分析，進而分析地質構造對煤巖瓦斯動力災害的地質作用機理。

水城礦區地質構造屬于典型的隔擋式褶皺，NW向紫云一埡都斷裂帶和水城斷裂帶組成的水城斷陷始終控制著水城礦區地質演化，從煤層沉積到第四系，其始終發育，二疊紀時為正斷層，發育同沉積斷層，燕山期反轉，卷入了古生界、中生界、侏羅系、中下白堊統地層，形成了隔擋式褶皺，形成了寬緩向斜和緊閉的背斜，如二塘向斜、大河邊向斜、小河邊向斜等。隔檔式褶皺形成過程中由于層間滑動、沿斷裂滑動等造成了煤系地層破壞，形成了構造煤，擠壓應力環境形成了瓦斯封閉系統，造成了瓦斯富集，越靠近向斜軸部，煤巖瓦斯動力災害次數越多，災害越嚴重。區域隔擋式褶皺控制了水城礦區各礦井的瓦斯分布、煤巖瓦斯動力災害分布情況。水城礦區區域構造如圖6所示。

以大河邊向斜為例，向斜中煤層瓦斯壓力由淺部的0.2 MPa到軸部的3.0 MPa，軟分層煤體堅固性系數普遍約為0.2左右，向斜中礦井瓦斯動力災害次數由紅河煤礦0瓦斯動力災害到向斜軸部那羅寨煤礦的21次，愈靠近軸部，災害愈嚴重。二塘向斜內煤體堅固性系數僅有0.2～0.5左右，透氣性系數為0.54～1.24 m2/（MPa2·d），離向斜軸越近，值越小；大河邊向斜0.3～0.7，透氣性系數為0.53～0.70 m2/（MPa2·d），離向斜軸越近，值越小；小河邊向斜內煤體堅固性系數在0.5～1.0左右，透氣性系數，0.11-2.23 m2/（MPa2·d），離向斜軸越近，值越小。

向斜軸、逆斷層、同沉積斷層、各類走向交叉斷層、地塹斷層組合、階梯狀斷層組合等斷層組合區域控制著水城礦區礦井采掘工作面瓦斯動力災害的分布，并有多起事故案例。比如那羅寨礦區2Fa10和2Fa5疊加區域發生4次瓦斯動力災害，2Fa10斷層的上盤逆沖形成斷層轉折褶皺，同時也是2Fa5斷層的下盤，如圖7所示。

3.3熱演化史、生烴史影響

熱演化、生烴作用方面：主要通過分析煤層熱演化史、生烴史，進而了解煤層變質程度、生成瓦斯量，進而分析熱演化史、生烴史對煤巖瓦斯動力災害的地質作用機理。

水城礦區晚二疊世煤層的熱演化、生烴作用，曾經經歷了2個不同的階段：第一階段，為含煤巖系形成至同上覆地層整體褶皺之前，其結果使煤系及其上覆地層厚約3 000～4 000 m的地區，煤級達到至少相當氣煤的階段。這一階段的熱源，主要取決于含煤巖系的沉降深度，但古構造因素可以在很大程度上影響古地熱場，從而影響煤的演化結果。第二階段，貴州晚二疊世煤的進一步演化，主要受燕山期區域構造變動和深部巖漿及由此派生的氣液活動的控制，形成貧煤、無煙煤，從而產出更多的甲烷，并使煤中殘留的重烷進一步裂解為甲烷。

3.4地層沉積埋藏作用、地質構造作用、熱作用、生烴作用等綜合地質作用

現今煤層的吸附氣量與礦區的埋藏史密切相關，通過礦區埋藏史的推演和分析，加之古地溫梯度數據，可以確定決定煤層的吸附氣量的幾個關鍵時刻（埋藏最深時刻、溫度最大時刻、地質歷史時期埋藏最淺和現今），現今煤層的吸附氣量主要取決于煤層經歷最高溫度后的煤層埋藏最淺的地質歷史時期。

水城礦區龍潭組煤層的埋藏歷史大致經歷了3個發展階段：①晚三疊世末左右，礦區區域迅速沉降，煤層埋藏深度急劇增加，到此階段末期，最大沉降幅度達4 900 m；②侏羅紀至古近紀，礦區區域整體緩慢隆升，含煤盆地遭受剝蝕，煤層的埋藏深度緩慢減小，到此階段末期，地殼最大抬升幅度超過1 000 m；③新近紀及第四紀以來，礦區區域劇烈隆升為主，隆升幅度超過3 000 m以上，煤系及其上覆地層遭受嚴重剝蝕，露頭區域煤層氣大量逸散。并依據此建立了水城礦區地層埋藏史曲線圖，如圖8所示。根據上述水城礦區埋藏史和古地溫梯度可以確定龍潭組煤層在晚三疊世末為埋藏最深時刻（第一次生烴）、燕山期中后期為溫度最大時刻（地溫梯度最大）和現今為瓦斯賦存形成關鍵地質時刻（埋藏深度最小），如圖9所示。

水城礦區龍潭組煤層在晚三疊世末埋藏深度達到4 900 m左右，煤級達到氣煤階段，生成了大量瓦斯，但其吸附量不高；燕山中后期煤層溫度達到最高，此時煤級開始不斷升高，但瓦斯吸附量沒有達到最大。當煤層埋藏深度達到1 500 m左右時瓦斯吸附氣量最高，此后煤層埋藏深度最小時刻極為關鍵，因為煤層已停止產氣，大量瓦斯開始逸散，其決定了現今煤層瓦斯吸附量。水城礦區龍潭組在經歷最高溫度后，新近紀和第四紀本區進行了區域性造陸運動，一直處于激烈抬升過程，現今的煤層埋藏深度即是埋藏最淺的地質歷史時期的埋藏深度。

地層沉積埋藏作用、地質構造作用、熱作用、生烴作用等綜合地質作用造成水城礦區由變質作用階段產生的瓦斯保存量很少，約為10%左右，但同時綜合耦合作用造成該區域煤體具有煤巖瓦斯動力災害危險性傾向且程度不一。

3.5水城礦區煤巖瓦斯動力災害主控地質體確定

通過以上分析得出區域上水城礦區主控地質體為二塘向斜、大河邊向斜、小河邊向斜、各類構造組合、頂底板低滲透率巖層、最大海侵體系域及其附近發育、改造的破碎煤層等。

主控地質體通過控制高地應力或構造應力、瓦斯壓力及破碎煤體的分布進而控制煤巖瓦斯動力災害分布，在采動誘導下災害即可發生。

4.結論

1）提出了控制煤巖瓦斯動力災害“主控地質體”概念，并進行了定義及分類，建立了主控地質體理論、方法及判識依據；

2）煤巖瓦斯動力災害沉積作用機理：煤系地層區域沉積體系、地層層序位置決定著煤層厚度、頂底板巖性、煤層賦存狀況等，越靠近海（湖）侵體系域最大海（湖）泛面位置，煤層瓦斯賦存量越大（頂底板石灰巖煤層除外）、煤層煤巖瓦斯動力災害危險性越大，解釋了煤層群中不同煤層煤巖瓦斯動力災害程度差異；

3）煤巖瓦斯動力災害地質作用機理：地層沉積埋藏作用、地質構造作用、熱作用、生烴作用等時空配置控制著煤層的改造程度、瓦斯的生成、保存及逸散程度，以及自重應力、構造應力的分布情況，進而控制煤巖瓦斯動力災害區域分布及災害程度；

4）區域上，水城礦區主控地質體為二塘向斜、大河邊向斜、小河邊向斜、各類構造組合、頂底板低滲透率巖層、最大海侵體系域及其附近發育、改造的破碎煤層等。主控地質體通過控制高地應力或構造應力、瓦斯壓力及破碎煤體的分布進而控制煤巖瓦斯動力災害分布，在采動誘導下災害即可發生。