地質因素對松河煤礦瓦斯賦存的控制作用

關金鋒，周 侃，司中應，成春蓮，許國勝，王建華

（1.貴州工程應用技術學院礦業工程學院，貴州 畢節 551700；2.盤州市能源局，貴州 盤州 553501）

0 引 言

煤炭是我國的主體能源和基礎能源，在較長時間內煤炭產量和消費量依然處于高位[1]。隨著地應力、地溫和瓦斯等開采條件的不斷惡化，煤炭資源在采掘過程中容易發生復雜的煤與瓦斯突出災害，引發重特大事故，嚴重威脅煤礦安全生產[2]。煤層瓦斯在復雜的地質作用下產生，其生成、運移和賦存分布受地質構造演化控制，煤與瓦斯突出分布的不均衡也與地質因素有關。國內外學者從地質角度揭示瓦斯賦存和瓦斯突出分布規律，認為地質構造是影響煤與瓦斯突出的重要因素[3-4]，含煤地層中的構造及其運動演化決定著瓦斯賦存與分布[5]，瓦斯賦存和煤與瓦斯突出分布受構造的逐級控制[6]。同時，煤層頂底板巖性、埋藏深度、煤層厚度、陷落柱、巖漿巖侵入、水文地質條件等均會對煤層瓦斯賦存產生不同程度的影響[7]。由于我國煤層分布的區域性和構造格局差異顯著，各產煤區域的地層條件、地質構造，以及瓦斯賦存也有很大不同，存在不同的瓦斯地質類型[8-9]。

松河煤礦位于貴州省盤州市北部松河鄉境內，生產能力達210 萬t/a，主要開采上二疊統龍潭組的1+3 煤層、4 煤層、51 煤層、62 煤層、9 煤層、10 煤層、12 煤層、15 煤層、16 煤層、17 煤層、18 煤層，其中，1+3 煤層、4 煤層、51 煤層、62 煤層、9 煤層、10 煤層屬于龍潭組上段煤層，12 煤層、15 煤層、16 煤層、17 煤層、18 煤層屬于龍潭組中段煤層，龍潭組煤系厚度變化大，地質構造復雜，煤層瓦斯含量高，具有煤與瓦斯突出危險性，礦井瓦斯涌出量達115.73 m3/min。隨著開采深度的增加，煤層瓦斯涌出量和突出危險程度不斷加大，深入研究地質因素對煤層瓦斯賦存的控制規律，對于礦井未來采掘部署和瓦斯防治工作具有十分重要的指導意義。

1 礦區構造

松河煤礦位于六盤水煤田南部的盤江礦區，其大地構造位置為揚子板塊黔北臺隆六盤水斷陷普安旋扭構造變形區[10]。礦區主體構造沿NW 向、NE 向發育，以褶皺為主，斷層常沿褶皺軸或翼部發育，與褶皺配合形成一定規模的斷褶帶。NW 向褶皺主要有土城向斜、照子河向斜、白云坪背斜；NE 向褶皺主要有盤關向斜、水塘向斜、盤南背斜、舊普安向斜等。其中土城向斜、照子河向斜、盤關向斜、盤南背斜對礦區內含煤地層的產狀和煤層瓦斯的分布起主導控制作用（圖1）。

圖1 盤江礦區構造綱要Fig.1 Structure outline of Panjiang Mining Area

1）土城向斜。軸向從西向東沿NW55°轉為EW 向，軸線向南突出成弧形，長50 km，寬2～8 km，軸部出露地層為三疊系中統關嶺組。

2）照子河向斜。軸向從西向東由NW55°轉為近EW 向，長50 km，寬1～5 km，軸部出露地層為三疊系中統關嶺組。

3）盤關向斜。軸向從南向北由SE30°轉為NE45°，長約45 km，寬5～20 km。向斜軸向北傾伏，軸部地層為三疊系中統關嶺組。

4）盤 南 背 斜。軸 向NE25°，長60 km，寬10～30 km，核部地層為泥盆系中統及石炭系下統地層，被斷層斜切成數段。

5）照子河斷裂帶。位于照子河向斜南西翼，由一系列逆斷層組成，呈NW 向展布，傾向NE，傾角60°～85°，長25 km，二疊系上統地層部分逆掩于三疊系中下統地層之上，斷距200～6 000 km，致使向斜南西翼含煤地層受到劇烈破壞。

6）雞場坪-魯那斷裂帶。位于土城向斜中部，由數條斷層組成，以逆斷層為主，主體呈NE 向展布，傾向SE 或NW，傾角30°～80°，斷距50～500 m，對含煤地層破壞性大。

2 構造演化對煤層瓦斯的控制

區內煤系自晚二疊世形成以來，先后經歷了印支期、燕山期和喜山期構造運動的影響[10-13]。

1）印支期。揚子板塊南部的特提斯洋板塊向NE 方向俯沖關閉，引發前陸前緣的馬關隆起區發生沖斷推覆褶皺。黔西地區因受到區域擠壓引起顯著的垂直升降運動，盆地開始上升成陸，僅在古隆起等局部構造發育部位產生較為強烈的構造變形。導致盤江礦區內地層發生褶皺，土城向斜、照子河向斜、淹伍寨向斜和小竹箐背斜開始形成，并產生規模不大的NW 斷裂。煤層開始構造抬升，但由于煤層尚處于結束沉積后的較大埋深階段，在盤縣西部區域沉積了達3 000 m 以上地層[14]，瓦斯難以通過巨厚沉積物向地表擴散，煤層瓦斯散失程度十分微弱。

2）燕山期。受太平洋板塊向西俯沖于歐亞板塊的影響，大地構造環境由特提斯構造域向濱太平洋構造域轉變。黔西地區地層整體隆升，石炭系地層、二疊系地層和三疊系地層隨著隆升發生褶皺，形成了一系列NNE-NE 向構造形跡，主要有恩洪向斜、小竹等背斜、盤關向斜、魯番背斜、水塘向斜、新馬場背斜、盤南背斜等褶皺構造，以及富源-彌勒斷裂、平關-阿崗斷裂、楊梅山斷裂和盤縣斷裂等斷裂構造。燕山晚期，受印度板塊快速北移、特提斯洋縮小的影響，揚子板塊產生NNE-SSW 向擠壓作用、NWWSEE 向伸展作用。礦區內NE 向逆斷層在伸展作用下反轉正，形成了普遍發育的NE 向正斷層構造，印支期形成的NW 向斷裂構造也因應力松弛而發展為正斷層。黔西地層大規模抬升，遭受大幅度剝蝕，但剝蝕厚度不一，背斜剝蝕厚度普遍大于向斜，背斜剝蝕厚度普遍大于3 000 m，而向斜帶內剝蝕厚度在2 000～3 000 m，中生界地層、新生界地層得以保存[15]。同時，早期擠壓應力環境形成的NE 向斷裂和NW 向斷裂發生了反轉活動，斷裂面有松弛跡象，發育在煤層中的通天斷層為瓦斯逸散提供了通道，而隱伏斷層則對瓦斯的運移影響不大。

3）喜山期。印度板塊和歐亞大陸發生陸內匯聚，太平洋板塊持續朝歐亞板塊俯沖、擠壓。受其影響，區域地層快速隆升，大部分背斜軸部的上二疊統煤系剝蝕殆盡，但兩邊多數向斜和復向斜中的上二疊統煤系大多得以保存，土城向斜、盤關向斜、照子河向斜、盤南背斜成為主要的控氣單元。土城向斜、盤關向斜導致煤層埋藏深度增大，煤層當中保存有較多的瓦斯量，照子河向斜由于受照子河斷裂切割破壞嚴重而不利于瓦斯保存，盤南背斜由于埋深較小導致其保存的瓦斯量有限。

因此，礦區煤系地層主要受燕山運動和喜馬拉雅運動影響，早三疊世，受擠壓作用，煤層開始大幅度傾斜抬升，處于不穩定的沉積環境，瓦斯開始釋放。在盤江礦區內，主要出露三疊系下統飛仙關組和永寧鎮組、二疊系上統峨嵋山玄武巖組和龍潭組地層，受風化剝蝕，缺失了侏羅系以來地層，煤層瓦斯得以進一步釋放。雖然煤系地層整體上受剝蝕嚴重，但殘留覆蓋層多是泥巖、細砂巖等致密巖層，煤層瓦斯難以透過低透氣巖層阻隔運移至剝蝕面，再加上燕山初期發生的熱生烴對氣源的補充[14]，在向斜當中仍留存有大量瓦斯，尤其是向斜核部的瓦斯含量較高，可達20 ～30 m3/t，而向斜翼部瓦斯含量一般為5～10 m3/t，并使得各礦井煤層瓦斯含量具有隨煤層埋深增加而增大的變化規律，向斜構造單元及控氣特性控制著盤江礦區煤層瓦斯賦存規律。

3 區域構造應力場對構造變形的控制

自燕山期以來，該區域受壓剪應力場改造作用明顯，形成了特有的“菱形構造系”“三角形弧系”“弧形構造”等構造組合型式，由北至南主要有“發耳菱形構造”“郎岱三角形構造”“盤縣三角形構造”“晴隆弧形構造”等，盤江礦區正處于“盤縣三角形構造”內[16]（圖2）。

圖2 盤縣三角形構造格局及其應力網絡Fig.2 Pattern and stress network of Pan Triangular Tectonic

“盤縣三角形構造”是三個褶皺帶作為主體構成的三角形構造區域，其中NW 向土城向斜—照子河向斜、NE 向盤關向斜以及NE 向舊普安向斜分別作為三角形構造三條邊界。這種構造型式反映出該區域曾在復雜邊界控制下，經歷過兩組或兩組以上壓力、拉力或剪力作用，主要是受中生代以來太平洋板塊向西北俯沖、特提斯洋關閉與推擠的聯合作用，在近EW 向擠壓作用和NS 向擠壓作用下形成。盤江礦區范圍內，由于局部區域交叉斷裂形成不連續邊界條件，又誘導出NE-SW 和NW-SE 方向的擠壓作用力和剪切作用力，“三角形弧系”構造體系是在上述復雜應力場條件下聯合改造而成。綜合來看，“三角形弧系”構造形成過程主要是三角形塊體上受三向側壓力擠壓作用，構造應力場主應力值在3 個頂角處最大，邊部次之，向三角形內部逐漸遞減（圖2）。

在“三角形弧系”構造應力場主導下，礦區不同區域的應力場大小和方向存在差異，主體構造變形呈現出頂角強、邊部次之、中央弱的分布特征?！叭切位∠怠睒嬙炜刂频拿簩幼冃螀^內，廣泛發育NNE 斷裂、NW 斷裂，雖然在后期的構造運動反轉為正斷層，但其對煤體破壞嚴重，形成了利于瓦斯富集的構造煤，影響著區域煤層瓦斯賦存與分布，控制著礦區內各煤層瓦斯含量的分布和煤與瓦斯突出危險程度的差異。以作為“三角形弧系”東北邊界的土城向斜為例，向斜NW 轉折端、向斜N 翼分屬“三角形弧系”頂角和一邊，現場觀測發現向斜NW 轉折端的煤層地質構造復雜、強變形構造煤廣泛發育，而向斜N 翼則構造相對簡單、煤體以脆性變形為主[17]，構造的定量評價結果也顯示，土城向斜一翼和端部可劃分為構造簡單區、構造復雜區[18]。開采實踐表明，在土城向斜構造復雜區開采的礦井煤層瓦斯含量高，煤層最高瓦斯含量達40.7 m3/t，平均瓦斯含量為14.5 m3/t，已發生過多次煤與瓦斯突出事故，而處于向斜一翼構造簡單區的煤層瓦斯含量相對較低，煤層瓦斯含量普遍在15 m3/t 以下，平均瓦斯含量為6.7 m3/t（圖3）。

圖3 土城向斜煤層瓦斯含量Fig.3 Gas content of coal seam in Tucheng Syncline

4 礦井構造對煤層瓦斯的控制

4.1 礦井構造特征

松河井田位于盤江礦區“三角形弧系”構造邊部，屬土城向斜北翼地質構造簡單區，井田整體為一單斜構造，軸向從西向東由北西55°轉為東西向，軸線向南突出成弧線形，長50 km，寬2～3 km，南西翼地層傾角27°～68°，北東翼地層傾角平緩，一般為10°～35°，西端及東南端斷裂比較發育，核部出露地層為中三疊統關嶺組。井田構造主要是斷裂構造，以正斷層為主，斷層延展方向多為NE 向、少數為NW 向，傾角45°～80°（圖4）。

圖4 井田構造綱要Fig.4 Tectonic framework of coal mine

井田內共揭露斷層108 條，查明產狀的有50 條，以高角度正斷層為主，走向以北東—北東東向，傾角一般45o～80o。其中，落差大于30 m 的斷層23 條，落差20～30 m 的斷層12 條，其余73 條斷層落差小于20 m。受區域構造演化控制，井田內斷層多是早期壓扭性構造反轉形成，斷層面緊閉，沿斷裂面往往發育構造煤條帶，煤層透氣性差。其中，對松河井田有直接影響的斷層主要有F35斷層、F34斷層、F9斷層、F19斷層、F33斷層、F茨21斷層等。

1）F35斷層。井田西邊界，走向北80°東，傾向北西，傾角80°，全長50 km，斷層出露明顯，兩側各50 m 左右巖層常具直立或倒轉現象，旁側小斷層發育，斷層斜切整個煤系。

2）F34斷層。走向北50°～60°東，傾向北西，傾角80°，由兩條正斷層組成，兩端均出本井田，兩斷層時分時合，斷層帶寬30～110 m。分時，西稱F341斷層，東稱F34斷層，分開時落差50～60 m，合并時70～100 m，斜切整個煤系地層。

3）F9斷層。走向北52°～65°東，傾向南東，傾角55°～80°，斷層斜切所有上煤組和中煤組。

4）F19斷層。走向北12°～30°東，傾向北西，傾角40°～65°，北起下德烏，南止綿羊坡，北陡南緩，此斷層幾乎橫切整個井田煤系地層，與F162斷層、F94斷層、F91斷層、F100斷層、F56斷層等組成寬約900 m 的B45線斷層帶。

5）F33斷層。走向北50°～70°東，傾向南東，傾角70°～80°，以F33斷層為主，以F茨22斷層為分支斷層的斷層組，北東延伸出井田，南西端消失于T1fn3地層中，破碎帶寬達5 m，兩側小斷層多斜切整個煤系地層。

6）F茨21斷層。走向北70°～80°東，傾向南東，傾角 63°～70°， 斷層破碎帶寬0.1～1.5 m，為角礫巖、斷層泥等。

4.2 礦井構造對煤層瓦斯的控制

井田內斷層較發育，小斷層眾多，其中規模較大的斷層斜切了煤系的上組煤和中組煤，能夠直通地表，成為煤層瓦斯和地下水運移通道，在地面清晰可見F35斷層、F34斷層、F9斷層、F19斷層、F33斷層、F茨21斷層等出露痕跡，表明斷層對瓦斯封閉能力遭到削弱，目前這些大型斷層均作為采區或井田的邊界，對開采活動影響小。

對松河煤礦地勘期間的鉆孔瓦斯含量數據進行分析，發現井田內煤層瓦斯含量普遍低于15 m3/t，瓦斯含量變化較大，其中，3 煤層瓦斯含量在1.20～10.79 m3/t，12 煤層瓦斯含量在0.74～14.28 m3/t，煤層整體瓦斯含量不高，與土城向斜北翼構造簡單區各煤層瓦斯賦存特征相一致。另外，松河煤礦作為土城向斜的一翼，煤層整體上受構造破壞作用小，由向斜翼部向核部的區域，煤層埋藏深度加大，地應力會逐步增高，向斜核部煤層和圍巖的透氣性會降低，以致煤層瓦斯向地表運移的難度增大，導致向斜核部煤層更有利于瓦斯的封存，表現為煤層瓦斯含量具有隨著煤層埋藏深度的增加而增大的趨勢。

以龍潭組上段煤層首采3 煤層、中段煤層首采12 煤層為例，根據地勘時期和生產階段積累的瓦斯含量數據（表1），各煤層瓦斯含量y與埋深x具有明顯線性相關關系（圖5），3 煤層滿足y=0.029x+0.19，相關系數r=0.80，12 煤層滿足y=0.02x?1.85，相關系數r=0.84。因而，可以據此對深部煤層瓦斯含量進行預測，3 煤層在埋深260 m 以深，煤層瓦斯含量將超過8 m3/t，12 煤層在埋深470 m 以深，煤層瓦斯含量將超過8 m3/t，煤與瓦斯突出危險性將逐漸加大。

表1 煤層瓦斯含量數據統計Table 1 Data statistics of gas content of coal seam

圖5 煤層瓦斯含量與埋深關系Fig.5 Relationship between gas content of coal seam and burial depth

另外，井田中還發現了斷距小于1～3 m 的小斷層，小斷層多延伸不遠，尖滅于煤層當中，不能為瓦斯運移提供通道，屬封閉性地質構造，使得井田內煤層局部存有較高的瓦斯含量。這些斷裂構造是在壓扭性應力場控制下形成，其附近構造煤發育，容易成為瓦斯富集的場所。在現代地應力的水平擠壓作用下[19]，煤層仍保持較高的應力狀態，斷裂構造尖滅端、交匯地段煤層附近存在局部構造應力場異常，產生附加應力[20-21]，加劇煤層結構的破壞，導致煤層突出危險性增大。雖然目前并未發生斷層導致的煤與瓦斯突出事故，但隨著采掘深度的增加，小斷裂構造產生的應力集中、瓦斯富集和煤體破壞可能為煤與瓦斯突出提供了必要條件，上述壓性或壓扭性斷裂附近將成為松河煤礦瓦斯防治的重點。

5 結 論

1）礦區大地構造位置為揚子板塊黔北臺隆六盤水斷陷普安旋扭構造變形區，煤系地層形成后經歷了印支期、燕山期和喜山期構造運動，形成了土城向斜、照子河向斜、盤關向斜、盤南背斜及其配套的NE 向、NW 向斷裂構造形跡，控制著區域煤層瓦斯賦存。

2）礦區“三角形弧系”構造的頂角位置的構造變形強烈、邊部構造變形弱。松河煤礦位于礦區“三角形弧系”構造邊部的土城向N 翼弱構造變形區內，致使松河煤礦各煤層整體上受構造破壞作用小，構造煤發育程度相對較低。

3）土城向斜使區域煤層埋深增加，在向斜核部煤層和圍巖的透氣性降低，封存了更多的瓦斯，致使向斜核部的瓦斯含量較高，并使松河煤礦煤層瓦斯含量向向斜核部具有逐漸增大的趨勢。

4）松河煤礦NE 向、NW 向斷裂構造是由壓性或壓扭性力學性質反轉而成，導致局部瓦斯富集在淺部煤層中表現并不明顯，但隨著采掘深度的增加，小構造附近發生煤與瓦斯突出災害的危險性將逐漸增大，應強化構造的探測工作并實施預抽煤層瓦斯和開采保護層等綜合瓦斯治理措施，確保安全生產。