湖南區域構造演化及瓦斯地質特征研究

楊 靜 徐東方

（湖南省煤炭科學研究院有限公司，湖南 長沙 410004）

地質構造和含煤地層的歷史演化控制了煤層瓦斯的生成條件和瓦斯災害發生的地質條件，決定了煤層瓦斯賦存狀態、瓦斯含量大小、瓦斯壓力高低、瓦斯涌出量大小和煤與瓦斯突出強度等[1]。厘清瓦斯賦存地質規律是煤礦瓦斯治理的基礎，也是從根源上尋找打開瓦斯治理鐵門的鑰匙[2-3]。張子敏[4]等提出了瓦斯賦存地質構造逐級控制理論，首次提出了影響全國煤礦瓦斯賦存區域地質構造控制的10種類型、29個瓦斯分區。袁崇孚、彭立世，張玉貴、曹運興等[5]認為構造煤在煤與瓦斯突出中有控制作用。劉咸衛、曹運興、彭立世、王恩營分析了斷層的特征，認為煤與瓦斯突出主要受控于斷層的性質。從前人的研究來看，主要是通過研究部分礦井的瓦斯地質規律來獲得湖南一定區域內的瓦斯地質規律，而從湖南整個構造演化來研究瓦斯地質規律等方面的研究幾乎沒有，因此很有必要在區域構造演化及瓦斯地質特征方面開展研究。

1 區域構造特征

1.1 中國大地板塊構造

中國大陸系由六大板塊組成，主要包括以陸塊（地臺）為代表的穩定區和以陸緣（地槽）為代表的活動帶。主要穩定區有：（1）華北陸塊；（2）塔里木陸塊；（3）揚子陸塊。主要活動帶有：（1）天山—興安活動帶；（2）昆侖—秦嶺活動帶；（3）滇青藏活動帶；（4）南華活動帶；（5）臺灣活動帶。

1.2 華南板塊構造

華南板塊組成：（1）昆侖—秦嶺活動帶（南帶）；（2）揚子陸塊；（3）南華活動帶；（4）瓊南微陸塊（屬南海盆地）；（5）臺灣活動帶（臺東屬菲律賓板塊）；（6）松潘—甘孜活動帶；（7）羌北—昌都—思茅微陸塊。其中揚子陸塊與南華活動帶構成華南板塊的主體部分，是華南板塊的兩個主要一級構造單元。揚子陸塊由10個二級構造單元組成，南華活動帶則由4個二級構造單元組成。詳見圖1。

圖1 華南板塊構造單元略圖

1.3 湖南區域構造

湖南省位于我國長江中游南部，大地構造位置處于華南板塊的中部，省境北起洞庭湖盆地，南至南嶺山系，東起羅霄山系，西至武陵山脈及四川盆地東緣，大地構造主要由江南臺隆（地軸）及贛湘桂粵褶皺帶組成，省境西北部為上揚子臺褶帶的東南緣，并以臨湘—慈利—大庸—古丈大斷裂與江南地軸為界。

湖南省境內具有復雜的地質構造，成因也比較復雜，見表1。

表1 湖南復雜地質構造成因

湖南省境內的煤層受到構造破壞的程度比較嚴重，構造煤、松軟煤層普遍發育，且煤層呈“雞窩狀”分布，薄厚不一，變化較大，煤的變質程度又受到劇烈的巖漿熱變質作用影響而大大提高，此情況對瓦斯賦存條件產生了重大影響。

2 區域構造演化與瓦斯區域性分布特征

2.1 構造演化對瓦斯賦存的控制作用

志留紀晚期開始的加里東構造運動是湖南省地史上一次非常重要的構造運動，南華活動帶受強烈的褶皺、斷裂及巖漿活動回返成年輕的地臺（南華地臺），省境內基本隆起為陸地。

在湘中北漣源拗陷的蘆毛江、冷水江、金竹山一帶及太平寺附近，潮坪瀉湖沉積環境中泥炭沼澤沉積發育，分兩個聚煤中心，沉積有1～7個含煤旋回，不僅煤層沉積厚度較大，多為中厚～厚煤層，且可采煤層達2～3層，成煤環境穩定，其上多為瀉湖相細碎屑沉積覆蓋，沉積厚度大，有利于煤層瓦斯賦存。

在南華活動帶區域中，二疊世中期的龍潭中晚期，龍山—醴陵東西向隆起構造以南，在早期沉積基礎上形成了潮控三角洲沉積，泥炭沼澤相發育，聚煤中心位于耒陽至郴州、攸縣蘭村、黃豐橋及牛馬司、洪山殿一帶，一般有1～7個含煤沉積旋回，不僅含煤巖系沉積厚，煤層沉積也較厚，且較穩定，上覆為晚二疊世的淺海硅質泥質碳酸鹽相沉積，有利于煤層瓦斯賦存。

湖南省規模最大、最廣泛強烈的地殼運動是晚三疊世晚期開始的燕山期地殼運動，此次地殼運動使湖南省境整體抬升隆起，期間還伴有強烈的火山噴發、巖漿活動，基本奠定了湖南省現今的區域構造格架。

2.2 煤變質及構造煤特征對瓦斯賦存的影響

2.2.1 煤變質特征及煤級分布對瓦斯賦存的影響

煤層氣在煤層中以吸附氣儲存為主，幾乎90%為吸附瓦斯。不同煤級的吸附容量是不同的，測得湖南省的焦煤吸附容量為20～23m3/t、瘦煤為25～29m3/t、無煙煤為 33～40m3/t。可見，高變質煤比低變質煤保存瓦斯條件要好，到一號無煙煤階段，煤中微孔大大減少，吸附容量大大降低，不利于瓦斯保存，一般為低瓦斯礦井。

湖南省自印支燕山期地殼運動以來，特別是燕山期地殼運動，伴隨有廣布強烈的巖漿活動，并有多期次的酸性巖漿侵入，巖漿熱作用的結果促使省內煤變質程度增高，測水組煤層幾乎全為無煙煤。王文俠1991年在漣源坳陷測得無煙煤鏡質組最大反射率如表2、圖2所示。

從表2及圖2可以看出，最大反射率等值線總體走向為北西西—南東東向，并向冷水江市呈向北突出的弧形，最大反射率值總體變化趨勢為從南及北東向中部逐漸減低，且南側最大反射率等值線密集。漣源坳陷南緣為白馬山、龍山東西向隆起帶中的燕山期隱伏巖體，北東緣為溈山印支期巖體及歇馬—紫云山印支期、燕山期巖體。說明該兩個巖體的巖漿熱液對本期測水組煤層進行了巖漿熱變質作用，且南部燕山期巖體的古溫度較北東側印支期巖體高。印支燕山期大量巖漿侵入，是構成本省大量高變質無煙煤的主要成因，印支燕山期巖體的分布特征也反映了湖南省煤級的分布特征，對湖南省煤層瓦斯賦存有重要的影響。

表2 測水組無煙煤鏡質組最大反射率（%）

圖2 漣源盆地測水組無煙煤鏡質組最大反射率等值線圖

2.2.2 構造煤特征對瓦斯賦存及煤與瓦斯突出的影響

自印支燕山運動以來，湖南省境內發生了多期次的廣泛而強烈的擠壓褶皺和擠壓推覆、剪切滑動的斷裂活動，形成各種不同破壞程度的構造煤。依據焦作礦院對構造煤的四類劃分及《防治煤與瓦斯突出細則》（1995）的煤體破壞類型五類劃分，湖南省境煤層中各類煤均有分布。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類煤常出現在強烈擠壓部位，往往又混雜在一起，也說明煤體受構造期次的擠壓揉搓是不均勻的。在剖面上，該三類煤一般位于受破壞煤層的中下部，且煤層厚度越大，該三類煤分布也越厚，在漣源盆地測水組中的5煤層、部分3煤層，湘中南龍潭組中的1、3、4煤層、湘東南龍潭組的6煤層及部分5煤層中特別發育，往往占整個煤層厚度的65%～85%，常是煤與瓦斯突出頻率高、強度大的地帶。因此，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類煤是煤與瓦斯突出煤體，對省境內煤與瓦斯突出有一定的控制作用。

3 湖南省瓦斯地質規律及其分布特征

3.1 湖南省瓦斯地質規律

由于極為復雜的地質構造條件，湖南省含煤區構造煤普遍發育，瓦斯賦存條件相當復雜。漣邵及郴耒煤田基本以強擠壓、超破壞的構造煤為主，高突礦井絕大部分分布在這兩個煤田。

結合湖南地質構造、圍巖及煤層賦存、瓦斯分布特征，全省共劃分為兩個高突瓦斯帶（祁陽弧北翼褶皺強擠壓和郴耒南北向褶皺強擠壓高突帶）、一個高瓦斯帶（祁陽弧南翼褶斷高瓦斯帶）和五個低瓦斯帶（桑石坳陷圍巖高透氣性低瓦斯帶、黔溆斷褶圍巖高透氣性低瓦斯帶、韶山坳陷圍巖高透氣性低瓦斯帶、資汝隆起斷褶低瓦斯帶、江寧坳陷斷褶低瓦斯帶）。

3.2 湖南省煤與瓦斯突出分布特征

湖南省是我國瓦斯突出危害最為嚴重的省份之一，突出次數多、強度大。自有突出記錄以來，省屬煤礦共發生煤與瓦斯突出事故近3000次（第一次突出發生在1955年4月5日馬田礦業公司的桐子山煤礦）。石門揭煤最大突出強度4500t，發生在紅衛礦業公司坦家沖煤礦-50m水平北一石門放炮時；煤平巷最大突出強度3174t，于1995年6月4日發生在渣渡礦區利民煤礦18采區1838機巷實施深孔松動爆破時，這一強度在目前國內煤礦煤平巷突出中是罕見的；巖石上山最大突出強度3700t，于1981年8月28日發生于紅衛礦業公司里王廟煤礦216二溜煤上山過分岔煤門坎時。湖南省煤礦煤與瓦斯突出分布具有以下特征：

（1）突出僅發生于湘中的測水組和龍潭組“南型”煤層中，主要集中在漣邵、郴耒兩大煤田。

（2）突出區分布不均衡。同一煤田不同礦區，同一礦區不同煤礦，同一煤礦不同采區，同一煤層的不同煤礦，其突出分布呈明顯的不均衡性。

（3）突出主要發生在煤巷與石門揭煤處，但以煤巷最高，石門揭煤突出強度最大。突出前一般都有預兆，如響煤炮、瓦斯涌出忽大忽小、工作面穩定下降等。

（4）突出多發生在構造破壞帶或附近區域，如背斜、向斜、壓扭性斷層、煤層傾角及走向變化處、煤層扭曲帶、構造煤厚變化處等。

4 結論

（1）長期以來華北板塊和印支板塊南北的擠壓及太平洋、菲律賓板塊與藏滇板塊東西向推擠，決定了湖南省區域構造的演化特征及區域構造格局。

（2）區域構造演化控制了煤層瓦斯分布特征。印支期及燕山期的強烈構造運動基本控制了湖南省的構造形跡，瓦斯賦存條件較好的高瓦斯區域基本分布在印支期及燕山早期以塑性變形為主的強擠壓帶。

（3）印支燕山期的強烈構造運動，強烈破壞了煤層結構，松軟高突煤層普遍發育。這一方面使得煤層微孔隙多、閉合度好、連通性差，瓦斯不易散逸，對保存瓦斯有利；另一方面使煤層的△P值比較大，易發生突出。

（4）依據區域構造、圍巖性質、煤層賦存、瓦斯分布等情況將全省含煤區域劃分為兩個高突瓦斯帶、一個高瓦斯帶和五個低瓦斯帶。