開灤礦區瓦斯地質單元劃分

張九零，王苗苗，朱定

(華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210)

瓦斯伴隨著煤的產生而產生并賦存在煤中，由于后期地質運動，煤層將會發生褶曲、斷裂、傾斜、翻轉等地質變化，由于巖漿、埋藏深度、水文條件、斷層等因素影響，煤中瓦斯含量分布不均勻，給開采工作帶來巨大安全隱患[1,2]。研究瓦斯地質單元有利于對不同區域瓦斯進行分級管理，保障煤礦的安全開采。

1開灤礦區地質條件

1.1 開灤礦區地質概況

開灤礦區主要地質構造有開平向斜、薊玉向斜和車軸山向斜[3]。礦區歷史上經歷多次構造演化作用，因此礦區內斷層以及褶皺發育較為密集[4]。礦區多個煤層復雜多變，煤層傾角及煤層厚度變化較大，由于構造演化導致不同區域地質拉張與擠壓作用，導致煤層產生包括傾斜煤層甚至倒轉煤層，且地層隨著多年來的沉積作用以及構造演化導致礦區煤層厚度不均勻，既有薄煤層，也有厚煤層甚至特厚煤層[5]。礦區主要生產礦井包括東歡坨礦、唐山礦、林西礦、呂家坨礦、范各莊礦和錢家營礦，各礦井田相對位置如圖1所示。

圖1 開平向斜轉折構造[1]

1.2 區域地質構造特征

燕山運動導致地質擠壓作用嚴重，開平向斜伴隨產生，整體向斜巖層走向呈北東向，由于構造運動影響，向斜西北翼巖層傾角過大，直到倒轉，且伴隨發育大量斷層及褶曲，斷層間往往伴隨多個小斷層及褶曲構造，構造復雜多變；向斜東南翼巖層傾角較為平緩，以褶皺構造為主，伴隨張性斷裂及張扭性斷裂發育，并與壓扭性斷裂直交，橫切地層走向，導致煤層傾角小于斷層傾角，斷層兩盤落差較大。

2瓦斯地質單元劃分

煤層、煤質、巖漿、水文、地質構造等因素對開灤礦區瓦斯賦存的影響，以地質構造為主要依據對開灤礦區每個礦以一個主要生產煤層進行地質單元劃分。

2.1 范各莊瓦斯地質單元劃分

范各莊礦[6]井田位于開平向斜東南翼，地層傾角較小，煤層整體埋深自東到西逐漸增大，整體瓦斯賦存隨煤層埋深呈分區分帶特點。井田總體地質構造較為復雜，同時局部構造特點相差較大，由南到北可以劃分為3個不同的地質構造區。南區以范各莊向斜為主的褶曲構造以及發育有大型斷層為主要構造，向斜由于自身走向特點，向斜軸向形成2個盆地結構，井田南部邊緣斷裂構造十分發育，向斜發育以及斷層發育導致局部瓦斯賦存特點產生較大的變化。中區構造相對簡單，地層傾角較小，但中部發育有一條近南北走向的大型正斷層F0斷層把井田分為東西兩部分。北區褶曲構造發育，主要為開平向斜軸在該區域發生偏轉派生出一些褶皺構造，褶皺構造軸部由于地質運動擠壓發育有一些中小斷層，且區域內水文地質條件十分復雜，對局部瓦斯賦存特點影響很大。根據礦井地質構造情況及瓦斯賦存特性，將范各莊礦5煤層劃分為5個瓦斯地質單元，劃分結果如圖2所示。

圖2 范各莊礦5煤層瓦斯地質單元劃分圖

圖2范各莊礦5煤層瓦斯地質單元劃分圖地質單元Ⅰ位于井田北部區域。單元內地質構造較復雜，以塔坨向斜為主的褶皺構造尤為發育，且向斜軸部伴隨發育有一些小型斷層。單元內揭露有多個巖溶陷落柱且水文地質條件十分復雜，單元內局部瓦斯賦存狀況受復雜的地質條件控制。

地質單元Ⅱ位于中部地區且位于F0斷層以東區域。該單元地質構造較為簡單，地層走向變化不大且地層傾角較小。單元內煤層埋深自東到西逐漸增大，但總體煤體埋深較小，整體瓦斯含量較低，該單元為各煤層主要采煤區域。地質單元Ⅲ位于井田南部區域且位于F0斷層以東，該單元煤層整體埋深較小。單元內地質構造較為復雜，褶皺構造以及派生的斷裂構造尤為發育，斷層基本為正斷層，有利于瓦斯逸散。

地質單元Ⅳ位于中部地區且位于F0斷層以西區域。該單元地質構造簡單，且地層傾角較小，但整體煤層埋深較大，總體瓦斯含量較Ⅱ單元大。單元內7煤層基本可開采，其它煤層只有局部可采或者不可開采。

地質單元Ⅴ位于井田南部區域且位于F0斷層以西，單元地質構造十分復雜，主要褶皺構造為畢各莊向斜，該向斜由于軸部特殊偏移導致單元內形成了一個盆地，盆地底部區域容易積聚大量瓦斯。單元內發育有多條大型斷層，且在井田南部邊界形成斷層帶，對煤體結構及瓦斯賦存影響很大，且該單元煤體開采難度較大，各煤層基本不可采。

2.2 林西礦瓦斯地質單元劃分

林西礦[7]位于開平向斜東南翼，煤層西高東低，整體地層走勢較為平緩，煤層的走向有一定變化。井田內地質構造較為復雜，其中褶皺構造尤為發育，井田內由北到南發育有開平向斜以及杜軍莊背斜，走向基本呈東西向。斷裂構造以F1正斷層為主，局部還發育一些中小斷層，對于煤田瓦斯賦存狀態造成影響。煤田部分區域被巖漿巖侵入，形成巖墻。井田瓦斯賦存特性主要受地質構造以及煤層埋深影響。

對林西礦目前開采的12號煤層進行地質單元劃分，主要依據為地質構造結構對瓦斯賦存特點的影響，劃分結果如圖3所示。

圖3 林西礦12煤層瓦斯地質單元劃分圖

地質單元Ⅰ位于煤層南部區域，單元內煤層埋深西高東低，且落差很大，最大落差可達1 000 m，造成瓦斯含量呈現西高東低狀態。單元內褶皺構造發育，以東西走向的杜軍莊背斜為代表，該區域內巷道多分布于背斜兩翼，增加了巷道布置和采煤難度。單元內東部地區巖漿巖侵入，在煤體形成巖墻，侵入地區由于巖漿的高溫變質作用，導致煤體生成大量瓦斯。由于該區域褶皺構造較其它區域發育，故將該區域劃為一個單元。

地質單元Ⅱ位于井田中部地區，該單元煤層埋深水平東低西高，落差較大，但整體煤層傾角較為平緩。單元內地質構造相對簡單，有2條巖漿巖侵入煤體形成的巖墻，侵入部分造成瓦斯聚集能力增強。單元北部以F1斷層為界，與Ⅲ單元相隔，由于斷層落差較大，造成斷層兩盤地質因素差異較大，該區域內小型正斷層極其發育有利于瓦斯逃逸，瓦斯含量較低。因此將F1斷層劃定為劃分單元的界限。

地質單元Ⅲ位于井田北部區域，埋藏較深，該單元由于F1斷層阻斷作用，有利于瓦斯保存，且井田邊界位于開平向斜軸部地區，瓦斯含量高，煤層走向較Ⅱ單元變化較大。單元內采區巷道工程布置較少，煤層局部可采。

2.3 呂家坨礦瓦斯地質單元劃分

呂家坨礦[8]位于開平向斜東南翼，與林西礦、范各莊礦相鄰。井田地板傾角較小，煤體埋深總體來看由東到西逐漸增大，局部地區由于地質運動導致地板擠壓造成埋深增加。礦井地質構造復雜，褶皺構造發育較多，主體構造為近東西走向的呂家坨背斜，另外發育有范各莊向斜、范各莊背斜及范各莊復向斜。由于主體地質構造的伸展作用，斷層發育較多，且多為正斷層，巖漿巖沿呂家坨背斜軸部斷裂帶侵入多個煤層，形成巖床，造成局部地區瓦斯含量增大。

根據礦井地質構造情況對瓦斯賦存特性的影響，將呂家坨12煤層劃分為4個瓦斯地質單元，劃分結果如圖4所示。

圖4 呂家坨礦12煤層地質單元劃分圖

地質單元Ⅰ位于井田西北部，該單元內煤層整體埋深較深，且瓦斯含量隨埋深變化呈正相關的關系。單元內地質構造較復雜，呂家坨背斜貫穿其中，由于地質作用力學性質主要表現為張力，故背斜軸部地區派生出了多條張性正斷層，故背斜軸部地區有利于瓦斯逸散。巖漿巖沿張性斷層侵入煤體，形成巖床，其中12煤層被侵入面積最大，巖漿侵入地區導致煤體變質作用增強，產生大量瓦斯，瓦斯涌出量相應增大。

地質單元Ⅱ位于井田東北部，該單元內煤層整體埋深較淺，受埋深影響，煤層整體瓦斯含量較小。單元內地質構造為呂家坨背斜以及背斜軸部派生的小型斷層，斷層多為高角度正斷層，十分有利于瓦斯逸散，故該單元瓦斯含量較低。

地質單元Ⅲ位于井田西南部，該單元內煤層整體埋深較深，瓦斯含量因埋深影響偏大。地質構造以發育的多條小型斷裂為主，瓦斯含量較高。

地質單元Ⅳ位于井田東南部，單元內地質構造十分復雜，畢各莊向斜、范各莊背斜及范各莊復向斜發育其中，主體為畢各莊向斜，由于向斜是地質擠壓作用產生，導致向斜軸部地區地板下沉較多，且形成了致密的頂板，因而軸部瓦斯極易積聚，導致瓦斯含量及瓦斯壓力偏大。

2.4 東歡坨礦瓦斯地質單元劃分

東歡坨礦[9]位于開平向斜西北翼的西側，井田主要采區位于走向為北東東到南西西方向的車軸山向斜東南翼。井田總體地層走勢較為平緩，褶曲發育較少，且斷裂發育大型斷層較少，中小型斷層較為發育，斷層是由于地質擠壓造成，斷層走向多數與車軸山向斜相同大致呈南北走向，礦區北部有一個大的F2斷層，主要開采區處于礦區東南部分。根據煤層埋深對瓦斯賦存的相關影響，并以礦井生產水平及地質構造為依據對東歡坨8煤層劃分為6個瓦斯地質單元。劃分結果如圖5所示。

圖5 東歡坨礦8煤層地質單元劃分圖

地質單元Ⅰ位于井田淺區北部，該單元地質構造較為復雜，主要構造為車軸山向斜，向斜軸部地區，由于強烈的地質擠壓作用，派生了多條斷層且伴隨煤體遭到破壞，進而導致瓦斯大量逸散，向斜軸部區域瓦斯含量偏小。單元內發育有多條小型斷層，斷層交面處造成大量瓦斯散失。該單元南端以F2斷層為界與單元Ⅱ相隔，該單元內總體瓦斯含量較小。

地質單元Ⅱ位于井田淺區中部，該單元位于車軸山東南翼且距離向斜軸部較遠，地層較為平緩，且斷層發育較少。該單元煤層總體埋深較小，瓦斯含量較小且單元內變化不大，該單元為各煤層主要采煤區域。

地質單元Ⅲ位于井田淺區南部，該單元地質構造較為簡單，煤層埋深較淺。目前各煤層基本沒有在此單元布置工作面。地質單元Ⅳ位于井田中區，該單元內整體地板傾角小且煤層走向穩定，該單元內各煤層都有多個采面可穩定采煤。

地質單元Ⅴ位于井田深區，單元內煤層埋深普遍較大。地質構造復雜，車軸山向斜兩翼煤層走向變化較大。該單元基本無采區布置。

地質單元Ⅵ位于井田深區南部，煤層埋深較深，瓦斯含量總體與煤埋深呈正相關。單元構造復雜，受斷層影響，煤層走向變化較大，導致局部瓦斯含量變化較大。單元目前無采煤工作面。

2.5 錢家營礦瓦斯地質單元劃分

錢家營礦[10]井田位于開平向斜東南翼，井田整體地形走勢呈東北高、西南低的狀態。緊鄰范各莊礦和呂家坨礦，井田內東西兩翼地層地質構造差別較大，東北部區域發育有一條主要走向為東西向的南陽莊背斜，背斜兩側煤層地形坡度變化較大，且褶皺軸部地區伴隨發育一些斷層，礦區東部處于南陽莊背斜軸部地區，有利于瓦斯擴散，且褶皺軸部地區伴隨發育一些斷層，井田東翼發育有多條大中型斷層，對瓦斯賦存有很大影響，東部瓦斯含量較小無突出危險。煤田中部巖漿巖進入部分煤體，對煤體與瓦斯的作用明顯。并且中部由于構造擠壓作用產生了小型逆斷層，造成瓦斯大量積聚，中部采區為主要瓦斯突出危險監測區，礦井現在有18個采區，3個生產水平，根據標高-850的第二水平將礦井分為深部采區及淺部采區，并將該礦井5煤層以地質構造為依據分為3個地質單元，單元劃分結果如圖6所示。

圖6 錢家營礦5煤層地質單元劃分圖

地質單元Ⅰ位于井田東部，該單元包括一采區、二采區、三采區、四采區、十采區以及十一采區。該單元褶皺構造和斷裂構造十分復雜，主要褶皺構造為南陽莊背斜，背斜軸部區域由于張性裂隙發育，有利于瓦斯散失。目前東部主要可采區域集中在背斜兩側，由于應力對地層影響，兩側煤層走向產生較大變化。由于地質運動影響，褶皺發育同時伴隨著斷裂發育，背斜軸部區域由于地質運動的拉張作用，派生多條斷層，對煤體破壞嚴重，增大了該區域的采煤難度。由于該單元煤體埋深整體較小，且地質構造利于瓦斯逸散，故該單元瓦斯含量較低。該單元內為各煤層主采區域。

地質單元Ⅱ位于井田淺區中部，該單元包括五采區、六采區、七采區、八采區4個采區，以及十六采區等多個采區。該單元地質構造較多，煤層沉積較穩定，由于擠壓地質作用，有大量小型逆斷層，造成瓦斯含量較高，煤層埋深較淺且煤層傾角不大，八采區有巖漿巖侵入，侵入區瓦斯涌出量偏高，該單元整體瓦斯含量較高。

地質單元Ⅲ位于井田淺區西部，包括九采區和十三采區，該地區構造較簡單，目前單元內無采煤工作。

2.6 唐山礦瓦斯地質單元劃分

唐山礦井田位于開平向斜西北翼，由于該翼地層受到強烈地質擠壓作用，造成該區域地層傾角過大，且由于地質擠壓伴生褶曲以及斷裂構造特別發育。唐山礦井田受到地質構造運動影響較大，因而井田內構造復雜程度特別高，井田東南部發育有作為井田主體構造的胥各莊向斜以及岳各莊波折褶曲地帶。地質擠壓導致地板破碎，井田發育很多大型斷層以及中小型斷層較為密布，斷層屬性多為壓性或者是壓扭性逆斷層，斷層對瓦斯橫縱向運移起到阻擋作用。唐山礦已開采一百多年，主要開采煤層包括五煤層、八煤層以及九煤層，目前多數采區早已開采完畢，針對九煤層以褶曲斷裂構造及上覆地層厚度為依據，對礦井進行單元劃分，劃分結果如圖7所示。

圖7 唐山礦九煤層地質單元劃分圖

地質單元Ⅰ作為礦井新開拓的區域，其受地質波折構造影響，區內采煤難度相對增大，而且該單元內瓦斯含量與其它區域相比明顯較大，尤其岳各莊褶皺軸部地帶由于構造的封蓋作用瓦斯含量極大，該單元內測得瓦斯涌出量隨波折變化呈現軸部高、兩翼低的特點。

地質單元Ⅱ同樣作為最新開拓的區域，目前開掘的采區較少，且開掘的難度較大。由于主體褶皺構造在此發生偏轉，且該區位于褶皺軸部，該區瓦斯賦存受構造因素影響較大，該區煤層上覆地層厚度極大，區內瓦斯含量豐富，且瓦斯涌出量受構造影響普遍偏大。

地質單元Ⅲ煤體上覆地層厚度較小，煤層整體埋藏深度與另兩個單元相比較淺，該區內煤體結構受地質擠壓破壞較小，該處實測瓦斯涌出量較其它區域低。由于該處地形較為舒緩，有利于瓦斯散失，瓦斯含量數據實測結果也較小。

3結論

(1)開灤礦區主要是開平向斜和車軸山向斜為主要地質構造，開平向斜呈北東向，西北翼傾角大，斷層多、地質構造復雜，瓦斯含量高的礦區主要是在唐山礦。開平向斜東南翼角度以緩褶皺構造為主，伴隨張性斷裂及張扭性斷裂發育，瓦斯含量較低，主要分布有林西礦、呂家坨礦、范各莊礦以及錢家營礦。

(2)以地質構造分布特征為主要依據，將范各莊、林西礦、呂家坨礦、東歡坨礦、錢家營礦、唐山礦分別劃分為5個、3個、4個、6個、3個、3個瓦斯地質單元。