云蓋山井田層滑構造及瓦斯賦存規律分析與研究

王輝

（河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670）

1 概 況

層滑構造是指沿煤層發育的剪切面和煤層以小角度相交或者近于平行的剪切帶，是地層斷塊相對滑動的結果，其力學本質是地層由于其低強度而充當了構造作用下的剪切帶而發生破壞，薄弱層越厚，剪切帶寬度越大，越易破壞。它對地質勘探、煤礦生產、礦井工程災害防治、煤層氣開發以及油氣藏勘探有著重要影響。近年來，研究者對于華北地區煤礦沿著煤層及其頂、底板間發育的層滑構造特征、組合型式、形成機制和定量評價進行了分析，取得進一步的認識。樂琪浪等以潘集礦區為例，分別研究了模糊綜合評判方法在層滑構造中的應用、構造煤分布發育規律與層滑構造的關系、褶皺構造與層滑構造的關系，認為層滑構造多發育于背斜兩翼，且以斷滑型和揉皺型為主，而在背斜核部則以斷裂型為主。張帥等研究青東礦8-2 煤層層滑構造主要表現形式為斷裂式層間滑動，并對其采用模糊綜合評判進行了定量評價，認為結果是可靠的。琚宜文等得到了淮北海孜煤礦斷層與層滑構造組合型式及其形成機制。解國愛等探討了淮南顧橋煤礦層滑構造形成機制。

作為河南能源集團的主力生產礦井之一，云蓋山井田在礦井生產過程中，多次發現煤層厚度、傾角急劇變化，呈現出煤層底斷頂不斷、頂斷底不斷、煤層頂（底）板隆起或陷凹、煤層急劇變薄或變厚等異常地質構造，難以判定確定其構造類型，對礦井瓦斯防治和采掘安全生產影響較大。因此，本文將根據地質勘探、礦井實際揭露資料，系統地分析研究層滑構造與瓦斯賦存規律之間的耦合關系。有利于指導安全生產，同時其他生產礦井可以借鑒。

2 地質背景

云蓋山井田位于河南省禹州市西部27 km 處，隸屬磨街鄉、文殊鎮管轄。井田東北邊界為竹園溝斷層（F13）和文殊店斷層（F17），北西邊界為煤層露頭，西南邊界為牛頸山斷層（F9），東南邊界為下白峪斷層（F1），走向長16 km，傾向寬4～5 km，面積約50 km2。井田內含煤地層屬石炭—二疊系，其中二1 煤層為各礦井主要的可采煤層。

2.1 構 造

云蓋山井田位于秦嶺緯向構造帶北亞帶中段南側，新華夏系第二沉降帶西緣的禹州煤田西部邊緣，屬嵩箕構造區嵩箕斷隆東南端之薈萃山鳳后嶺背斜南西翼，其構造形態受NW 向構造所控制，以斷層為主，局部伴有小型褶曲。其構造形態受許禹背斜所控制，構造以斷層為主，局部伴有小型褶曲。背、向斜被不同期次、不同規模、不同方向的斷裂構造疊加、破壞。

井田內發育斷層有北西西、北西和北東向三組，其中以北西西向為主，多為大致平行的北東盤上升南西盤下降正斷層，組成階梯狀形態，為區域主干斷裂，對含煤地層的賦存起區域的控制作用；北西和北東向斷層多集中分布于背、向斜軸部和主干斷層轉折部位。斷裂沿走向呈舒緩波狀，多具壓扭性力學性質，也可見不明顯張扭性的構造形跡，呈多期構造活動影響結果（圖1）。

圖1 云蓋山井田構造綱要圖Fig.1 Structure outline of Yungaishan minefield

2.2 地 層

云蓋山井田內出露地層從老到新，依次為寒武系毛莊組、徐莊組、張夏組、崮山組，上石炭統太原組，二疊系山西組、石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組、和尚溝組以及第四系黃土及坡積物（圖2）。

圖2 綜合地層柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram

晚石炭世末陸表海緩波型的碳酸鹽沉積是一個由生物碎屑堆積而成的復水極淺的寬廣平臺，為隨后早二疊世海退潮坪上大面積發育的成煤沼澤創造了有利的古地理條件。從太原組頂部至二1 煤底板為一套典型半閉塞海灣內的海退潮坪沉積，云蓋山井田大部分地區在混合坪上直接發育二1 煤的成煤沼澤。二1 煤成煤沼澤的發生、發展與演化受海陸分布制約，從而制約著區域范圍內煤層厚度變化。二疊系山西組的二1 煤為主要可采煤層，厚度0～14.05 m，平均4.34 m。煤層呈厚薄相間的復煤包體，厚度變化很大，具有突然增厚、變薄以至尖滅、擠滅現象。

2.3 煤層頂底板

二1 煤的直接頂板通常為中、細粒巖屑石英砂巖（大占砂巖），主要碎屑成分是石英，次為長石和巖屑。砂巖以細粒為主，分選中等，圓度差。層面常富含白云母片和炭屑，具大型板狀交錯層理。厚度2.9～38.1 m，平均厚18.0 m。

二1 煤底板巖層為根土泥巖，砂質泥巖、粉砂巖和細砂巖互層一套細碎屑巖，厚度約5～12 m。該套細碎屑巖下伏地層為太原組上段和下段，主要由數層厚度不一的灰巖和砂質泥巖、粉砂巖和細砂巖互層組成。

3 層滑構造的表現形式

云蓋山井田中，受層滑構造影響導致煤層的形態各種各樣，分析總結大致分為頂平底推型、底平頂推型、頂底互搓型、膝橈拉伸型和擠缺構造五種類型。

3.1 頂平底推型

云蓋山井田中，煤巷掘進工作面經常揭露煤層頂板大范圍內比較平整，煤層底板產狀突變，導致煤層厚度急劇增厚或變薄，如圖3（a）、圖3（b）所示?？偨Y分析，該類型構造煤層頂板常以厚層狀的粗粒砂巖、中粒砂巖為主，煤層底板多以炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖等為主，煤層頂板較堅硬，煤層底板較軟弱，煤層夾在硬頂和軟底之間發生上下不均衡的層間滑動時，導致形成煤層上界面較平整，煤層下界面多起伏，厚度不均。

3.2 底平頂推型

井田局部沉積環境變化，煤層頂板為厚層泥巖、砂質泥巖等相對較軟的巖層，底板以中粒砂巖、細粒砂巖等相對較硬的巖層時，煤層夾在軟頂和硬底發生上下不均衡的層間滑動時，導致形成煤層，煤層上界面多起伏，下界面較平整的構造形態。常表現為煤層頂板產狀突變，煤層底板相對平整，煤層厚度急劇變化，有時出現煤層分層，或上分層規律零星分布等，如圖3（c）所示。

3.3 頂底互搓型

采掘過程中有時呈現出煤層上下分層，煤層中夾雜頂板的砂巖包體或底板的泥巖包體，包體多呈扁長的透鏡狀，且上分層或下分層經常呈現出沿某一方向的規律排列，如圖3（d）、圖3（e）所示。在煤層與頂板或底板界面上經常發現，煤層受力揉搓的遺跡，如煤層層理紊亂、出現明顯的鏡面滑痕、煤層結構破碎等。

3.4 膝橈拉伸型

煤層頂板和底板均為厚層且相對堅硬的巖層時，受拉伸地質應力影響，煤層頂板和底板發生斷裂并明顯相對上下錯動，形成顯著的正斷層。但煤層未被斷層錯開，煤層形態發生突變，傾角迅速發生變化，煤層厚度無顯著變化，形成像膝橈型的構造。如云煤一礦井田中23 采區?；匮由鞂嶋H揭露，如圖3（f）所示。

圖3 層滑構造形態Fig.3 Layer slip structure morphology

3.5 擠缺構造

擠缺構造是指發生在柔性地層中受褶曲形態影響，導致地層變薄、缺失的一種小型構造，在大的層位空間上，地層具有無跨層越位的連續性。但又因受擠壓發生層間滑動而缺失的部分巖層，甚至造成不正當的層序接觸。擠缺構造一般情況為局部的小構造，規模不大，受褶曲形態控制，多發生在褶曲內柔性巖層中。背斜的頂部往往出現擠缺現象，使地層變薄缺失，向斜的核部往往出現擠厚現象，使地層增厚。如井田中全區穩定發育的二1 煤層，在1002、1003、1005 等勘探鉆孔中顯示為二1 煤和L8或L9燧石灰巖將要接觸，中間只留下1～2 m的劈理化，滑面發育的砂泥巖，這是層間滑動的一個典型擠缺現象，而不是斷失。

4 形成機制探討

4.1 多期次構造疊加

石炭二疊紀沉積以后，受燕山早期運動影響，本區隆起遭受剝蝕，而缺失中生代地層，受NE—SW 方向擠壓作用影響，區域上生成寬緩的向斜和狹窄的背斜。

嵩箕地區二疊紀成煤以后，依次經歷了晚二疊世早期末的“箕山運動”、三疊紀末的印支運動、侏羅紀末的燕山早期運動、自堊紀末的燕山晚期運動、古近紀末的喜山早期運動和新近紀末的喜山晚期運動。在這多期次構造應力場作用之下，形成多種多樣構造形式。

4.2 軟弱夾層相對運動

二1 煤層位于山西組大占砂巖下，太原組上段灰巖之上。大占砂巖厚度10～40 m 和太原組上段灰巖厚度8～15 m，均相對堅硬，而處于中間的二1 煤及下伏泥巖厚度約10 m，相對于頂板的大占砂巖和底板太原組石灰巖地層的堅硬程度相比，自然要軟弱的多，尤其是二1 煤層機械強度最低。在地史發展過程中，在側應力多次的作用下，就產生了層間滑動構造。在構造應力的作用下，煤層的原生結構及煤巖組分空間排列關系被破壞，形成構造煤，宏觀特征表現為質軟而松散，一般呈粉未狀，少量呈碎屑狀。井下二1煤開采和鉆孔中均以證實，本區煤層呈粉未狀、塊狀相間。

強烈層滑與煤巖流變還程度不同地影響到二1 煤層頂底板巖層使其碎裂化、透鏡化、劈理化，并褶皺流變。在臨近的平頂山礦區二1 煤層受構造變動影響程度不同，出現了二1 煤層結構差異化的體現，如受構造影響較嚴重的平頂山十三礦，二1 煤層呈現出粉粒狀、碎粒狀。受構造影響較小的平頂山二礦，二1 煤原巖構造保存相對完好。

5 層滑構造與瓦斯賦存規律分析

云蓋山井田的地質構造經歷不同期次的沉降、抬升等復雜演化歷程，在此期間，煤中有機質發生物理化學作用，不斷生烴演化。生成的大量甲烷逸散到圍巖中并消散，一少部分呈吸附態被保留在煤層及圍巖中。煤層埋深以及上覆地層的有效厚度、煤層圍巖的透氣性等同瓦斯賦存呈正相關關系。影響煤層瓦斯運移的主要是地質構造。一般情況，開放性斷層附近煤層瓦斯容易運移散失，同時構造應力得到釋放，煤層瓦斯壓力較??；擠壓性斷層附近煤層結構復雜，煤儲層孔隙裂隙增高，吸附瓦斯的能力增強，且構造附近應力集中，煤層瓦斯壓力較大，易發生煤與瓦斯突出。

云蓋山井田中明顯斷裂的斷層發育較少，但是層滑構造較為多見。層滑構造不等同于擠壓性斷層，但是具有擠壓性斷層的地質體受擠壓導致結構復雜、裂隙發育、應力集中等特性，造成井田內二1 煤層厚度和形態變化，形成諸多的煤層變薄帶、尖滅帶、增厚帶、煤層傾角變化等。實際生產中發現，在煤層厚度較大且整體穩定的區域，煤層瓦斯含量等參數不高。而在煤層厚度、傾角變化急劇的區域，煤體出現破碎、微裂隙發育、光澤暗淡、煤體干燥、透氣性變差等特征，測定瓦斯含量等參數相對較高，往往也具有突出危險性。

6 結 論

（1）云蓋山井田二疊紀成煤以后，普遍遭受了的多期次構造運動，形成了NE、NW 和EW 向斷層普遍發育，局部褶曲發育的單斜構造格局。同時受到多期的構造應力，使得煤層大范圍地剪切滑移，導致二1 煤及頂底板形變的不諧調，底板多出現不諧調的褶曲、撓折的層滑構造。

（2）研究表明，層滑斷層主要造成云蓋山井田局部的煤層厚度、傾角的急劇變化，煤體出現破碎、裂隙發育，煤體及圍巖地應力增高。

（3）在同一瓦斯地質單元內，因層滑構造形成構造煤及應力集中區增加了煤與瓦斯突出的危險性。