土城向斜地質構造特征及瓦斯賦存規律研究

黃 興，劉玉鋒，田煥志

（1.貴州安和永駐科技有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州貴煤礦山技術咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；3.貴州能源產業研究院，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

煤炭作為我國的主導能源，盡管近年來煤炭產量占比呈現逐漸下降趨勢，但據學者預測直到2025 年煤炭能源依舊能夠占中國能源消費的50%左右[1]，說明煤炭在之后一段時間里依然是我國主要能源。貴州省是中國南方最大的煤炭生產基地和煤層氣資源富集區，其中六盤水地區煤層氣地質資源量高達1.39×1 012 m3，能源資源豐富[2-4]。瓦斯作為重要的清潔能源同時，也是發生煤礦安全事故的主要因素之一，瓦斯也受到構造運動、煤層埋深、水文地質、巖漿等影響，在此基礎上，王蔚等[5]認為華北板塊與周緣板塊之間的相互作用制約煤系的形成賦存等，且華北煤礦瓦斯分布呈現明顯的區帶特征；趙俊山等[6]采用數據統計和非線性擬合方法定量分析了地質構造演化、構造應力場等作用對瓦斯賦存的影響；黃政祥等[7]通過對構造運動、煤層埋深、煤層頂底板巖性、煤層含水性等影響因素研究分析了黔北煤田綠塘井田的瓦斯賦存規律；但由于我國各個地區地質構造復雜及煤層的成藏原因各不相同，目前研究多針對單一煤層、礦井方面，而貴州煤層地質條件復雜，其中六盤水煤田土城向斜地質構造復雜，瓦斯災害嚴重。

綜上所述，本文以六盤水土城向斜構造所含礦井為研究對象，以向斜煤田地質勘探及礦井實測數據為基礎資料，分析土城向斜構造特征及瓦斯賦存規律，并對影響煤層瓦斯含量因素進行分析研究，以期為該地區礦井瓦斯防治提供指導性意見。

1 土城向斜地質構造特征

土城向斜由于煤系地層的特殊性，部分礦井煤層煤層主要發育在二疊統龍潭組中，另一部分又發育在宣威組中，其中含煤層數在39~ 55，煤層總厚度25.59~41.72 m，可采煤層4~18 層，可采煤厚為9.5~23.4 m。向斜南西翼被一條走向斷層切剖，局部見含煤地層。南西翼地層傾角27 °~68°。北東翼地層傾角平緩，一般為10°~35°。西翼側及東南側兩端斷層比較發育。

向斜總體呈NW－SE 向展布，軸線向南突出成弧形，長50 km，寬2 ~ 8 km。地層一般較陡，局部直立或倒轉。向斜SW 翼被一條走向斷層切剖，局部見含煤地層，西部及南西部斷層比較發育。向斜所含礦井主要有紅旗煤礦、麥地煤礦、榮詳煤礦、土城煤礦、長箐煤礦、五排煤礦、二排煤礦、松河煤礦、大河煤礦、昌興煤礦、淤泥金河煤礦、灣田煤礦、謝家河煤礦、楊山煤礦以及羊場煤礦等。礦井分布圖如圖1 所示。

2 土城向斜演化特征

土城向斜自中元古代以來發生過多期構造，整體上該區含煤盆地區域構造演化分為4 個階段[8-11]。

（1） 海西期上揚子地臺坳陷盆地形成階段。正是在該期發生遵義- 安順一線西南為陸相沉積與海陸相互沉積，形成了西部煤海，并在NE-SW 向為主的海西期伸展作用下導致本區由斷裂活動發生，沿著較大的同生斷層帶形成了裂陷槽，并在裂陷槽之間構成臺地。

（2） 印支期上揚子臺地坳陷穩定階段。該期地殼沉降，受到ES-NW 向擠壓，并在三疊系末期貴州西部地區板塊由于受到N 向的擠壓應力從而發生隆起，形成了一系列褶皺帶。

（3） 燕山晚期褶皺斷裂抬升剝蝕階段。在該期內地殼活動劇烈，區內產生強烈的北西至南東方向的擠壓構造應力，從而形成較普遍發育的N-E向構造形跡，由于強烈的構造運動使得之前的褶皺、斷層等進一步發育，并且在構造作用的影響下又形成了新的褶皺、斷層。

（4） 喜馬拉雅期上揚子臺地抬升受擠壓變形階段。區內地殼依舊以抬升為主，局部伴有輕微褶皺，構造應力場在整體上表現為EW 方向為主的水平擠壓應力場，同時太平洋板塊向西運動，朝歐亞大陸俯沖、擠壓，使得之前印支運動及燕山運動形成褶皺、斷層構造格局進一步發展。

3 瓦斯賦存規律研究

3.1 聚煤地層特征

向斜構造所含礦井含煤層數和可采煤層數的統計結果如圖2 所示。含煤層數和開采煤層數差別較大，由于向斜褶皺端構造相對復雜，造成煤層分化嚴重，同時會導致原本厚煤層變薄，煤層間距減小。向斜北西翼（土城礦至二排煤礦） 和南東翼（松河煤礦至羊場煤礦） 含煤層數存在較明顯梯度差，向斜南東翼在整體上表現為含煤層數較多，成群組賦存，單一煤層較薄，煤層層間距小，沉積差異較大等特點。

對土城向斜礦井可采煤層厚度進行統計，該區域煤層厚度以薄煤層和中厚煤層為主，其中薄煤層100 層，占比42.6%，中厚煤層136 層，占比56.2%，厚煤層3 層，僅占比1.2%，與上述受構造作用煤層分層化嚴重分析一致。

3.2 煤層厚度變化特征

由于土城向斜構造特殊性，其中土城礦、麥地煤礦、榮祥煤礦、長箐煤礦、五排煤礦、二排煤礦、淤泥鄉金河煤礦、謝家河煤礦、楊山煤礦、羊場煤礦同屬于龍潭組，而紅旗煤礦、松河煤礦、大河煤礦、昌興煤礦、灣田煤礦同屬于宣威組。

分別統計土城礦、麥地煤礦、榮祥煤礦、長箐煤礦、五排煤礦、二排煤礦的3 號和12 號煤層厚度，松河煤礦、大河煤礦、昌興煤礦、淤泥鄉金河煤礦、灣田煤礦的10 號和12 號煤層厚度，以及謝家河煤礦、楊山煤礦、羊場煤礦10 號、13 號、16號煤層厚度。統計結果如圖3 所示，由圖3（a）可以看出，由土城礦、麥地煤礦至二排煤礦，煤層厚度沿向斜南東方向逐漸變薄，說明土城向斜構造沿南東方向構造作用逐漸復雜，受到地質構造作用越大且煤層分層現象越嚴重，煤層也越來越薄。由圖3（b） 和圖3（c） 可以看出，沿向斜南東方向，煤層厚度逐漸變厚，說明南東翼煤層受地質構造作用影響較小，煤層分化程度相對北西翼較低，說明該區域受構造作用表現為北西翼、南東翼受構造影響作用小，中間松河煤礦附近受向斜構造擠壓作用影響較大，煤層分化嚴重。

圖3 土城向斜煤層厚度變化Fig.3 Thickness change of Tucheng syncline coal seam

3.3 煤層瓦斯含量變化特征

通過對土城向斜瓦斯含量整理統計，如圖4 所示。由圖4（a） 可以看出，土城向斜北西翼（土城礦至二排煤礦） 瓦斯含量主要集中在4 ~ 9 m3/t；土城向斜南東翼（松河煤礦至羊場煤礦） 煤層瓦斯含量主要集中在4 ~12 m3/t，且煤層瓦斯含量超過8 m3/t 的數據點占該區域的74.4%，說明該區域瓦斯含量梯度存在差異，向斜南東翼煤層瓦斯含量相對偏高。由圖4（b） 可以看出，北西翼煤層瓦斯壓力相對南東翼較低，而南東翼煤層瓦斯壓力超過0.74 MPa 占比約80%左右，最大達3.3 MPa左右，說明南東翼煤層瓦斯壓力整體相對于北西翼較高。

圖4 土城向斜煤層瓦斯含量及瓦斯壓力統計圖Fig.4 Statistics of gas content and gas pressure in Tucheng syncline coal seam

通過對相同地層煤系煤層瓦斯含量分析，如圖5 所示，由圖5（a） 可以看出，煤系地層同屬宣威組的松河煤礦至灣田煤礦的10、12、18 號煤層瓦斯含量均呈現先增后減的一個趨勢，由圖5（b） 可以看出，同屬龍潭組的17、18 號煤層瓦斯含量呈逐漸遞增的一個趨勢，由于松河煤礦鄰近土城礦，土城礦瓦斯含量多為8~10 m3/t，說明土城向斜煤層瓦斯含量賦存沿南東向呈現先減后增、兩端大中間小的賦存規律，構造對向斜兩翼作用小，瓦斯保存較好，這與上述研究分析相符合，同時也表明煤層厚度對瓦斯賦存有一定的影響。

圖5 土城向斜煤層瓦斯含量變化Fig.5 Variation of gas content in Tucheng syncline coal seam

煤層瓦斯含量與埋深有著緊密關系，以土城向斜松河煤礦為例，對其煤層瓦斯含量與煤層埋深進行擬合，如圖6 所示，瓦斯含量與埋深擬合關系式為：Q=0.035 6 h+1.762 6，相關系數為R2=0.781 4，隨著煤層埋深增加，瓦斯含量也呈相應的線性增加。

圖6 松河煤礦瓦斯含量與埋深擬合示意Fig.6 The fitting indication of gas content and buried depth in Songhe Coal Mine

4 主采煤層瓦斯賦存影響因素研究

由于經歷多期構造演化導致其內礦井構造各不相同，煤層埋藏深度、煤層頂底板巖性、巖層厚度及礦井斷層構造特征等因素均在一定程度上影響著煤層瓦斯的含量。

4.1 斷層構造對瓦斯賦存的影響

為了定量評價斷層對瓦斯含量特征的影響，本文采用斷層分維的方法，對研究區構造復雜程度進行量化的表征。利用MATLAB 自編語言將12 號煤層斷層分布圖導出進行二值化處理，然后在通過MATLAB 得出lnr 和lnN(r)的擬合關系，擬合出曲線的斜率就是所求的分形維數[12-13]，如圖7 所示。

圖7 斷層分塊分形維數線性擬合圖Fig.7 Linear fitting graph of fault block fractal dimension

土城向斜斷層主要呈現南東翼較復雜，北西翼相對較簡單趨勢，復雜區主要有3 塊，分別位于向斜北西翼土城礦（塊段1 號）、南東翼灣田煤礦（塊段2 號） 至羊場煤礦（塊段3 號），松河煤礦礦區周圍為斷層中等區。其中羊場煤礦井田內橫切和走向斷層都比較發育，井田內較大的斷層主要有F38、F39、F48 三條正斷層和F45 一條逆斷層，其中F38 和F39 正斷層位于礦區邊界附近，對開采影響較小，F45 逆斷層和F48 正斷層位于井田中央，對井田開采有一定影響，構造較復雜。而松河煤礦井田內斷層較發育，影響初期采區的有34、9兩條斷層。而土城礦構造復雜，斷層發育，多數以北東走向為主，少數為北西走向，落差大于100 m的有8 條。

4.2 埋深對瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋深的增加，瓦斯向外界的運移距離也隨之增加，進而對瓦斯起到封蓋保護作用。一般情況下，煤層瓦斯含量與壓力與煤層的埋深成正比關系，隨著煤層埋深的增加，地應力越大，這對煤層圍巖起到壓實作用，降低了圍巖的通透性，從而間接影響了瓦斯的賦存狀態[14]。

通過擬合土城向斜、照子河向斜、盤關向斜、盤南背斜構造煤層埋深與瓦斯含量的關系，如圖8所示。瓦斯含量隨埋深的增加具有增大的趨勢，具有一定的相關性，表明煤層的埋深對瓦斯含量有一定的影響。

圖8 煤層瓦斯含量與埋深關系Fig.8 Relationship between gas content and buried depth in coal seam

4.3 煤層厚度對瓦斯賦存的影響

隨著煤層厚度的增大，煤層瓦斯含量總體也有增大趨勢，當煤層厚度較大時，靠近頂底板的煤層對于中間的煤層起到了相當于圍巖的作用；而薄煤層，沒有其他煤層阻礙瓦斯的運移，進而導致瓦斯含量較小[15]。另一方面，煤層為瓦斯的生成提供了物質源，較厚的煤層，更能產出更多的瓦斯，因此煤層厚度是對瓦斯賦存有重要影響。分別對土城向斜12 號主采煤層礦井煤層厚度進行統計（圖9）。

圖9 煤層瓦斯含量與煤層厚度關系Fig.8 Relationship between gas content and buried depth in coal seam

通過對盤江礦區土城向斜12 號主采煤層主采煤層瓦斯含量和煤層厚度進行瓦斯線性回歸分析，結果表明，兩者之間存在一定的線性相關性，說明煤層瓦斯含量受到一定煤層厚度變化的影響，煤層瓦斯含量隨煤層厚度增大而增大。

4.4 頂底板巖性對瓦斯賦存的影響

煤層頂底板的隔氣性和透氣性對煤層瓦斯的分布和賦存有較大的影響，頂底板的巖層如果是致密的泥巖、頁巖、油頁巖時，則能夠對煤層瓦斯起到很好的封閉作用，使煤層瓦斯賦集；反之，如果煤層頂底板的巖性為孔裂隙較為發育的砂巖、礫巖時，煤層瓦斯在巖層孔裂隙之間可以自由移動，有利于煤層瓦斯的逸散，降低煤層瓦斯局部含量。

由于不同礦區煤系地層的巖石組成會有所差異，導致不同頂底板巖性對煤層瓦斯逸散影響是不同的，綜合考慮砂巖比、巖層厚度等效系數兩個指標來綜合定量分析煤層頂底板對煤層瓦斯封蓋性能，為方便計算分析，以土城礦、松河煤礦以及羊場煤礦主采12 號煤層頂板巖性為例，其中土城礦頂板以泥質粉砂巖為主，松河煤礦以粉砂質泥巖為主，羊場煤礦以粉砂巖為主[16]。

4.4.1 封蓋層砂巖比

經統計，研究區內煤層頂板主要有泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、以及礫巖等幾種類型組合。其中，細砂巖對于煤層瓦斯的封蓋能力較弱，而泥巖的封蓋能力最強，其巖性權重值見表1。

表1 不同巖性調整系數Table 1 Adjustment coefficient of different lithology

通過研究區內鉆孔資料、礦井綜合柱狀圖等分別把不同巖層按表2 系數轉化成為砂巖厚度之和占封蓋層厚度的比值，取值為0 ~ 1，泥砂比約高，則量化值約大，其量化標準見表2。

表2 泥砂比量化標準Table 2 Quantification standard of mud-sand ratio

4.4.2 巖層厚度等效系數

由于煤層頂板厚度不一樣，其對瓦斯的封蓋能力也不同，而頂板中泥巖對對煤層的距離越近，封蓋能力也越強，因此，通過將煤層頂板中有效范圍內不同巖性層段厚度按找一定權重分別計算成封蓋能力最強的泥巖厚度，并根據其距離煤層的距離計算不同巖性巖層對煤層瓦斯的封蓋能力。計算公式見式（1）。

式中：L 為巖層厚度等效系數；mi為不同巖性巖層的厚度，m；ki為不同巖層的巖性權重系數；hi為巖層中心到煤層頂板之間的距離，m。研究區內巖層等效系數量化標準見表3。

表3 巖層等效系數量化標準Table 3 Quantitative standard of equivalent coefficient of rock stratum

煤層瓦斯封蓋能力主要受到頂板巖層巖性及巖層厚度影響，因此，通過引入封蓋指數SI，采用此指標作為對煤層瓦斯運移難易定量評價的參數，見式（2）。

式中：A 為已經量化有效范圍內的砂巖比；B 為巖體厚度效應系數。

4.4.3 封蓋指數計算

封蓋指數SI 結果越大，說明煤層頂板封閉性越好，煤層瓦斯較難運移、逸散出去，從而導致煤層含量含量偏高。經計算，土城礦、松河煤礦、羊場煤礦封蓋指數分別為73%、95%、67%，正好符合上文頂板巖性對瓦斯賦存封閉影響作用。

5 結 論

（1） 向斜總體呈NW－SE 向展布，軸線向南突出成弧形，長50 km，寬2～8 km。地層一般較陡，局部直立或倒轉，南西翼地層傾角27°~68°。北東翼地層傾角平緩，一般為10°~35°。西翼側及東南側兩端斷層比較發育。

（2） 受構造影響煤層分化嚴重，以薄煤層及中厚煤層為主，其中薄煤層100 層，占比42.6%，中厚煤層136 層，占比56.2%；在向斜北西翼煤層厚度沿向斜南東方向逐漸變薄，而向斜南東翼煤層厚度則沿南東方向逐漸變厚。

（3） 土城向斜北西翼（土城礦至二排煤礦）瓦斯含量主要集中在4 ~ 9 m3/t；土城向斜南東翼（松河煤礦至羊場煤礦） 煤層瓦斯含量主要集中在4~12 m3/t，且煤層瓦斯含量賦存沿南東向呈現先減后增、兩端大中間小的賦存規律。

（4） 經歷多期構造運動導致其內礦井構造各不相同，煤層埋藏深度、煤層頂底板巖性、巖層厚度及礦井斷層構造特征等因素均在一定程度上影響著煤層瓦斯的含量。