格目底向斜地質構造特征及其對瓦斯賦存的影響研究

田煥志，江明泉，余照陽，李 薇

（貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025）

瓦斯作為煤炭伴生的有害氣體，是影響礦井安全生產的重要因素[1]，而礦井瓦斯賦存特征受地質構造、煤變質程度、煤層頂底板巖性、煤層埋藏深度、煤的物質成分、地下水活動以及巖漿活動等綜合控制[2-4]，其中地質構造作用直接決定了瓦斯生成、運移及儲存等相關環節，且區域構造背景及其演化控制煤層氣積聚帶的形成和分布，進而控制瓦斯突出危險區的分布[5-7]。近年來國內外學者對其做了大量研究。王海軍[8]對火燒鋪井田瓦斯地質特征、控制因素及其富集規律進行研究；黃政祥等[9]研究了黔北煤田綠塘井田主采煤層的埋藏-生烴史，并分析了瓦斯賦存的主要地質控制因素；劉義生等[10]通過利用淮南煤田大構造褶皺斷裂形態與華北克拉通地史學、地層學、區域構造進行相互驗證對比，深入分析華北型淮南煤田大構造4 期成因及其構造控水作用；楊兆彪等[11]基于地質構造是控制瓦斯賦存的最重要因素，深入分析了開平向斜地質構造特征及其分異性。為此，以水城縣格目底向斜構造礦井為研究對象，以煤田地質勘探及煤礦實測數據為依據，分析研究格目底向斜礦井區域構造特征及其對瓦斯賦存控制的規律性，以期為該區礦井瓦斯災害防治提供重要基礎。

1 格目底向斜地質構造特征

格目底向斜構造位于貴州省六盤水市水城縣，向斜構造北以水城-紫云斷裂為界，南以公雞山背斜為界，呈NW 走向的長條帶狀，長約70 km，寬7～21 km，面積612 km2，向斜兩翼不對稱。

向斜構造所含礦井共17 個，格目底向斜構造綱要與礦井分布示意圖如圖1。距離向斜中心構造1～4.5 km 左右，可見各類礦井的瓦斯賦存明顯受控于地質構造。

圖1 格目底向斜構造綱要與礦井分布示意圖Fig.1 Gemudi syncline structure outline and mine distribution diagram

格目底向斜北東翼地層傾角陡立，由新興煤礦向東南端小牛煤礦地層傾角逐漸變緩，從85°逐漸減小為45°，中部地層呈近直立產出，局部甚至倒轉，至東端向斜轉角處馬場煤礦、撿材溝煤礦，地層傾角在15°～35°之間，趨于平緩。北東翼及東部褶皺端構造相對復雜，且發育一系列斷層，以平推斷層為主，至東端向斜轉角處馬場煤礦、撿材溝煤礦，地層傾角在15°～35°之間，趨于平緩。

與北西翼相比，格目底向斜南東翼地層傾角較為平緩，一般在15°～25°之間，向NW 方向逐漸增大變陡，到支都煤礦地層傾角為18°～32°，一般為24°，次級小褶皺發育且構造相對簡單，斷裂的展布方向與褶皺方向一致，以規模較大的壓性逆斷層為主，其余斷層規模均較小，垂直斷距均小于30 m，且多數斷層斷距在10 m 以內。

2 構造演化與向斜對聚煤地層控制

煤層氣形成于地質歷史演化的過程，并且煤層氣的運移、積累都和地質構造有關[12]，主要體現在區域構造演化控制煤層氣積聚區形成和分布；不同的構造樣式控制煤層氣賦存；構造通過對裂隙系統影響控制煤層滲透率及其非均質特性[13]。

2.1 格目底向斜構造演化

格目底向斜地處黔西地區，在大地構造上屬于上揚子地塊滇東-黔中隆起東部[14]。主要含煤地層形成于晚二疊系龍潭期。格目底向斜煤層氣儲層特征具有以下特征：中生代構造抬升劇烈、煤層瓦斯埋藏淺、煤層瓦斯經歷了多個生烴階段、含氣量高、煤層氣成藏過程復雜。

受東吳運動影響，水城-紫云裂陷槽盆NW 段關閉，黔西地區整體沉陷，形成海進序列沉積，中晚三疊世發生安源運動后，格目底向斜進入全面擠壓階段。晚三疊世，黔西地區擠壓抬升，開始陸相沉積，隨后，貴州地區進入新特提斯構造域發展階段[15]。燕山中期，格目底向斜處于NE-SW 向擠壓應力場中，在塊體邊界的控制下首先在邊界處產生NW 向的褶皺和逆沖斷層，斷裂兩側多處的對沖和背沖構造顯示了兩側塊體的相向運動，燕山晚期黔西地區處于近NS 向擠壓應力場中，形成近EW 向構造。

2.2 煤層變質與瓦斯生成

貴州省黔西地區在中三疊世末的安源運動后整體抬升成陸，在燕山中期和晚期NE-SW、近NS、NW-SE 向擠壓應力作用和區域性伸展作用，形成以褶皺和斷裂為主體的復雜構造格局，在水城-紫云斷裂帶內常見逆沖推覆構造，主要控煤構造為大型向斜和復向斜。向斜主體由于逆沖斷層的保護作用，有利于煤層氣的儲存。

格目底向斜主要經歷2 期沉降埋藏、2 期抬升剝蝕和三期生徑作用，在燕山中期的構造-熱事件使得最大量的熱成因甲烷生成。受喜馬拉雅期隆升幅度巨大影響，向斜所含礦井主采煤層埋深一般在1 000 m 以淺，使得煤層氣大量逸散。但由于燕山中期構造-熱事件影響，以及良好的封蓋條件，使得向斜煤層氣保存良好，含氣量高。

向斜主要為貧煤和瘦煤，北翼和東翼出現焦煤和肥煤。水城地區有一低變質帶，呈NW 向展布，這與格目底向斜構造軌跡線相符合。受構造作用，向斜西南側埋深變大導致變質程度增高。

2.3 構造對聚煤地層特征控制

1）聚煤地層特征。格目底向斜礦井含煤層數和開采煤層數如圖2。北東翼中部區新興煤礦至阿戛煤礦，含煤層數和開采煤層數差別較少；而向斜東翼區小牛煤礦至順發煤礦，含煤層數較多，最高由67層，可采煤層數占比相對較少，這是由于東部區域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，造成煤層賦存不穩定和生產條件多變等問題；向斜南西翼礦井含煤層數和可采煤層數相對東部較少，這說明該區域受到褶皺構造作用較弱，但煤層分層化問題依舊存在。在整體上向斜表現為含煤層數多，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。

圖2 格目底向斜礦井含煤層數和開采煤層數Fig.2 Number of coal seams and the number of coal seams mined in Gemudi syncline

2）向斜煤層厚度特征。通過對向斜17 個礦井可采煤層厚度數據共243 組進行統計，向斜主要以薄煤層和中厚煤層為主，其中薄煤層占比54.3%，中厚煤層占比44%，厚煤層僅占比0.017%，且無太大煤層厚度梯度明顯差異。進一步說明格目底向斜區域煤層分化嚴重，與上述分析煤層數多但可采煤層數少造成煤層變薄分析一致。

3 格目底向斜控制瓦斯賦存規律

格目底向斜北東翼構造復雜，南西翼斷層較少，構造簡單。南西翼傾角較緩，加上圍巖以及蓋層封閉性較好，非常有利于瓦斯保存，屬突出敏感地帶。

3.1 向斜北東翼

受構造作用影響，對向斜北東翼9 處礦井29 組瓦斯含量、壓力統計數據進行研究，向斜北東翼瓦斯含量和壓力分布圖如圖3。

圖3 向斜北東翼瓦斯含量和壓力分布圖Fig.3 Gas content and pressure distribution diagrams of northeast wing of syncline

北東翼所含9 處礦井均為突出礦井，其中測點瓦斯含量大于8 m3/t 的占比為86.2%，由圖3（a）可以看出，越靠近東翼如馬場煤礦、檢材溝煤礦、吉源煤礦等瓦斯含量越大，煤層埋藏深度也越大。由圖3（b）可以看出，測點瓦斯壓力大于0.74 MPa 的為82.6%，并且北東翼瓦斯壓力呈向東至馬場煤礦逐漸增加，轉角處檢材溝煤礦和吉源煤礦瓦斯壓力反而下降。

對向斜北東翼煤層瓦斯含量與壓力進行擬合，瓦斯含量Q 與瓦斯壓力p 擬合關系式為：Q=0.123 6p-0.207 4，相關系數為0.343 8，盡管瓦斯含量隨壓力增大而增大，但是相關性系數不是很大。

3.2 向斜南西翼

統計了南西翼8 處礦井煤層測點瓦斯含量與壓力數據，向斜南西翼瓦斯含量與壓力關系圖如圖4。其中瓦斯含量超過8 m3/t 的礦井占比72%，瓦斯壓力超過0.74 MPa 的礦井占比76%，說明構造作用封蓋條件良好使得煤層氣得以保存。

圖4 向斜南西翼瓦斯含量與壓力關系圖Fig.4 Relationship between gas content and pressure in southwest wing of syncline

由圖4（a）可知，在向斜東部拐角區，褶皺構造復雜，區域內斷裂構造較發育，瓦斯含量大，而南部順發煤礦往西至大坪煤礦，瓦斯含量逐漸升高，如南西翼西段大坪煤礦煤層測點瓦斯含量最高到14.378 m3/t。由圖4（b）可知，南西翼瓦斯壓力梯度并無明顯差異，但到大坪煤礦時瓦斯壓力最高為2 MPa。

對向斜南西翼煤層瓦斯含量與壓力進行擬合，瓦斯含量與壓力擬合關系式為：Q=0.102 5p-0.139 8，相關系數為0.816 6。該區域內瓦斯含量和壓力呈正相關，相關性系數高達0.811 6，這是由于該區域地層傾角較為平緩，次級小褶皺發育且構造相對簡單，構造作用影響相對較小。

3.3 構造對瓦斯賦存的控制

向斜構造的瓦斯賦存特征受控于整體構造格局與局部構造分布。受格目底向斜構造發育特征作用，向斜兩翼瓦斯賦存存在明顯差異，格目底向斜兩翼瓦斯賦存對比如圖5。除去異常值的影響，可以看出向斜北東翼瓦斯含量主要集中在10～12 m3/t，瓦斯壓力主要集中在0.9～1.3 MPa，而南西翼的瓦斯含量主要范圍在8～9 m3/t，瓦斯壓力主要集中在0.7～0.99 MPa，說明整體上向斜北東翼瓦斯含量與壓力是高于南西翼的。

圖5 格目底向斜兩翼瓦斯賦存對比Fig.5 Comparison of gas occurrence in two wings of Gemudi syncline

格目底向斜是1 個不對稱向斜，斷層、褶皺等構造造成向斜兩側瓦斯賦存存在差異性，南西端瓦斯涌出量出現明顯差異，格目底向斜主采煤層瓦斯地質圖如圖6。向斜構造南翼礦井煤層瓦斯涌出量主要集中在>15 m3/min 這個范圍，其次為10～15 m3/t。

圖6 格目底向斜主采煤層瓦斯地質圖Fig.6 Gas geological diagram of main coal seam in Gemudi syncline

3.4 礦井內部瓦斯差異

向斜區域性構造是礦井內瓦斯賦存的主控因素，不同形態的地質構造、地質構造的不同位置、不同力學性質以及封閉情況對瓦斯起著賦存或者逸散作用。如向斜北東翼楊家寨煤礦，構造形態為向西南急傾斜的單斜構造，煤層傾角75°～85°，對礦井開采有影響斷層主要有F21、F22、F28這3 條，均為平推斷層，使得煤層氣運移相對困難，導致楊家寨煤礦煤層測點埋深未超過200 m，但瓦斯含量均大于8 m3/t，瓦斯含量Q 與埋深H 擬合關系式為：Q=0.167 5H-20.582，R2=0.933 4，瓦斯含量隨煤層埋深而增加。

魯能煤礦位于玉舍中井煤礦西側，兩者都位于向斜南西翼，該區域地層傾角為18°～25°，9 號煤層瓦斯瓦斯涌出量示意圖如圖7。

圖7 9 號煤層瓦斯瓦斯涌出量示意圖Fig.7 No.9 coal seam gas emission diagrams

其中，玉舍中井礦區內褶曲不發育，斷層以壓性逆斷層為主，上盤受水平擠壓形成良好的瓦斯賦存條件，并且兩側均有大斷層不利于瓦斯逸散，導致瓦斯涌出量偏高，靠近南側方向瓦斯涌出量逐漸降低（圖7（a））。

位于西側的魯能煤礦，礦井內部以張性正斷層為主，開采煤層瓦斯集中在6～8 m3/t 帶內，存在明顯梯度差異（圖7（b））。究其原因：斷層帶內煤層拉伸變薄，使得礦井左翼煤層瓦斯賦存降低；其次，礦井次級小褶皺發育少，距離向斜構造中心距離相對較遠，不利于煤層瓦斯賦存。

4 結 論

1）格目底向斜是1 個呈NW 走向的不對稱向斜，北東翼地層傾角陡立變化大，中部地層呈近直立產出，局部甚至倒轉；而南西翼地層相對較平緩，次級小褶皺發育。

2）受擠壓應力和區域性伸展構造綜合作用結果，導致向斜煤層分化嚴重，使得含煤層數多但可采煤層數少，以薄煤層和中厚煤層為主，加起來占比98.3%。

3）北東翼瓦斯含量主要集中在10～12 m3/t，高于南西翼8～9 m3/t 瓦斯含量范圍，向斜南翼礦井煤層瓦斯涌出量主要在大于15 m3/min 這個范圍，其次為10～15 m3/t。

4）向斜由于受到次級構造影響，導致同一瓦斯區中，玉舍中井煤礦受到壓性逆斷層作用，上盤受水平擠壓形成良好的瓦斯賦存條件，瓦斯涌出量為20～30 m3/min，魯能煤礦瓦斯涌出量在3～12 m3/min。由于受到張性正斷層影響，即使在同一礦井中，魯能煤礦南側瓦斯賦存降低，瓦斯涌出量梯度差異明顯，存在小于5、5～<10、10～15 m3/min 3 個梯度差。