平頂山礦區(qū)首山一礦戊組煤高瓦斯壓力成因

張振平，張明杰，楊 坤，賈天讓

（1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北邯鄲 056004；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454003；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作 454003）

·煤層氣·頁(yè)巖氣·

平頂山礦區(qū)首山一礦戊組煤高瓦斯壓力成因

張振平1，張明杰2,3，楊 坤2，賈天讓2,3

（1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北邯鄲 056004；2.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454003；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南焦作 454003）

為厘清平頂山礦區(qū)首山一礦戊組煤高瓦斯壓力成因，運(yùn)用瓦斯賦存地質(zhì)構(gòu)造控制理論，根據(jù)平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、礦井實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)、礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)特征等，分析了礦區(qū)瓦斯地質(zhì)特征、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形成與演化對(duì)礦區(qū)煤層瓦斯賦存與排放的控制作用、戊組煤成煤作用、變質(zhì)作用及生烴過(guò)程，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了首山一礦井田地質(zhì)構(gòu)造及地層特征、水動(dòng)力條件對(duì)戊組煤層瓦斯壓力及含量的影響。認(rèn)為平頂山礦區(qū)東區(qū)為高地應(yīng)力、高瓦斯壓力賦存區(qū)；位于東區(qū)的首山一礦井田的構(gòu)造特征和由巨厚砂質(zhì)泥巖、泥巖組成的戊組煤層頂?shù)装鍘r石條件，弱的水動(dòng)力條件，以及高水平擠壓應(yīng)力等形成獨(dú)特的三維封閉型構(gòu)造組合，是造成首山一礦戊組煤層高瓦斯壓力的主要原因。

煤層瓦斯壓力；構(gòu)造與演化；水動(dòng)力條件；地應(yīng)力；煤層頂?shù)装鍘r性。

煤層瓦斯是一種氣體地質(zhì)體，其生成、運(yùn)移和賦存受地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造演化控制[1]。20世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從不同角度研究瓦斯賦存影響因素[2-12]。但是，對(duì)于高瓦斯壓力成因進(jìn)行全面系統(tǒng)研究的還比較少。平頂山礦區(qū)的戊組煤、己組煤瓦斯壓力普遍較高，而礦區(qū)內(nèi)的平寶煤業(yè)有限公司首山一礦（以下簡(jiǎn)稱首山一礦）井田戊8、戊9-10煤層瓦斯壓力是礦區(qū)實(shí)測(cè)瓦斯壓力最大值。為厘清平頂山礦區(qū)首山一礦戊組煤層高瓦斯壓力成因，本文根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征、礦井實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)、礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)特征、構(gòu)造煤發(fā)育規(guī)律、煤層頂?shù)装鍘r性，在分析研究礦區(qū)戊組、己組、丁組煤層瓦斯賦存規(guī)律基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究首山一礦戊組煤煤層高瓦斯壓力形成原因，為礦井防治瓦斯災(zāi)害和煤層氣開(kāi)發(fā)等提供理論依據(jù)。

1 礦區(qū)瓦斯賦存特征

平頂山礦區(qū)東西長(zhǎng)約40 km，南北寬約20 km，面積650 km2。礦區(qū)東起洛崗斷層，西至郟縣斷層，南為煤層露頭，北至襄郟斷層，表現(xiàn)為四周凹陷中間凸起的一個(gè)獨(dú)立斷塊隆起構(gòu)造單元，為一系列NWW-NW向平行排列的復(fù)式褶皺構(gòu)造形態(tài)，伴隨NWW-NW向斷裂和NNE-NE向斷裂，李口向斜和鍋底山斷層是礦區(qū)的一級(jí)構(gòu)造。目前礦區(qū)內(nèi)共有十四對(duì)主要礦井，大部分在李口向斜南翼。礦區(qū)構(gòu)造和礦井分布如圖1。

圖1 平頂山礦區(qū)構(gòu)造和礦井分布圖Figure 1 Structure and coalmine distribution in Pingdingshan mining area

礦區(qū)主要沉積石炭-二疊紀(jì)煤系，含煤地層厚800 m左右，共含7個(gè)煤組，88層煤，分別為上、下石盒子組的甲、乙、丙、丁、戊煤組，山西組的己煤組和太原組的庚煤組。主采丁、戊、己、庚煤組煤層。本文采用井田內(nèi)每個(gè)煤層的最大瓦斯含量與最高瓦斯壓力作為該礦井該煤層瓦斯地質(zhì)特征數(shù)據(jù)。各井田煤層瓦斯地質(zhì)特征數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表3。

表1 丁組煤層瓦斯地質(zhì)特征數(shù)據(jù)Table 1 Coal group Ding gas geological features data

表2 戊組煤層瓦斯地質(zhì)特征數(shù)據(jù)Table 2 Coal group Wu gas geological features data

礦區(qū)內(nèi)瓦斯賦存分布表現(xiàn)為高度的分區(qū)分帶性。東部礦井戊組煤層、己組煤層瓦斯含量與瓦斯壓力普遍高于中部和西部礦井，首山一礦戊組煤層瓦斯壓力值最大，達(dá)到6.61 MPa，是高瓦斯壓力區(qū)內(nèi)的最高值，高出的幅度顯著[13-14]。整個(gè)礦區(qū)瓦斯含量與瓦斯壓力變化趨勢(shì)相似，但戊組煤層含量低于己組煤層瓦斯含量，丁組煤層瓦斯參數(shù)低于戊組煤層和己組煤層，丁組煤層?xùn)|西分區(qū)性較弱。

表3 己組煤層瓦斯地質(zhì)特征數(shù)據(jù)Table 3 Coal group Ji gas geological features data

平頂山礦區(qū)按其地應(yīng)力分布特點(diǎn)可劃分為3個(gè)區(qū)[15]：西南部I區(qū)（包括五礦、七礦、九礦、十一礦），最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值δH/δV為0.60～0.79，地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，屬于自重應(yīng)力場(chǎng)類型。中部II區(qū)（包括一礦、二礦、三礦、四礦、六礦）和東部III區(qū)（包括八礦、十礦、十二礦、首山一礦）。中部和東部?jī)蓞^(qū)均以水平應(yīng)力為主，屬于水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值δH/δV分別為1.06～2.07和1.74～2.33，東部III區(qū)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響最為強(qiáng)烈。

構(gòu)造煤的規(guī)律性分布是煤系組合特征及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史共同作用的結(jié)果。平頂山礦區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育程度存在分區(qū)性[16]，東區(qū)和西區(qū)構(gòu)造煤發(fā)育厚度及分布空間有差異，丁、戊、己組煤層中構(gòu)造煤分布各具特征，構(gòu)造煤的分布具有多層性。丁組煤層在中部的四礦、一礦和七礦構(gòu)造煤較發(fā)育，戊組煤在全礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育，己組煤在東區(qū)的十礦、十二礦和八礦構(gòu)造煤較發(fā)育，局部地段受切層斷層及次級(jí)褶皺構(gòu)造影響構(gòu)造煤發(fā)育程度增加。

以一礦井田為界，可以劃分為礦區(qū)西部、中部、東部三個(gè)瓦斯賦存區(qū)。東部瓦斯賦存區(qū)包括了十礦、十二礦、八礦、十三礦、首山一礦等，屬高瓦斯壓力、高瓦斯含量、高水平地應(yīng)力場(chǎng)、戊組己組構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)。以鍋底山斷裂為界，又可劃分為鍋底山斷裂上盤瓦斯賦存區(qū)和鍋底山斷裂下盤瓦斯賦存區(qū)。上盤瓦斯賦存區(qū)為礦區(qū)西部區(qū)，包括了五礦西部、六礦西部、七礦、九礦、十一礦和香山礦等，屬于礦區(qū)內(nèi)低瓦斯壓力區(qū)、自重地應(yīng)力場(chǎng)、戊組構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)。下盤瓦斯賦存區(qū)為礦區(qū)中部區(qū)，分布有一礦、二礦、三礦、四礦、五礦東部、六礦東部和先鋒礦等，屬于中高瓦斯壓力區(qū)、高水平地應(yīng)力場(chǎng)、丁組戊組構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)。雖然中、西部的兩個(gè)瓦斯賦存單元內(nèi)瓦斯壓力、瓦斯含量已超過(guò)煤與瓦斯突出臨界值，絕對(duì)值已較高，但比較而言，低于東部瓦斯賦存單元。

結(jié)論表明，東部瓦斯賦存單元突出危險(xiǎn)性嚴(yán)重，與平頂山礦區(qū)共發(fā)生的156次煤與瓦斯突出中，十礦、十二礦、八礦和首山一礦，分別發(fā)生50次、27次、40次和2次的實(shí)際情況一致。

2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化及瓦斯賦存控制作用

2.1 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化與地層沉積

平頂山礦區(qū)位于華北板塊南緣帶，或稱秦嶺造山帶后陸逆沖斷裂褶皺帶的豫西澠池-義馬-宜陽(yáng)-魯山-平頂山-舞陽(yáng)區(qū)段，深部與華北板塊南部向秦嶺的巨型陸內(nèi)俯沖帶相吻合。在地質(zhì)歷史上經(jīng)歷了8期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果造成了奧陶紀(jì)、志留紀(jì)、泥盆紀(jì)和早、中石炭世的地層缺失[17]。直到中石炭世末，地殼再次下沉，連續(xù)沉積了海陸交互相的石炭—二疊紀(jì)含煤地層和三疊紀(jì)以河湖相為主的陸相地層[18]。煤層形成后經(jīng)歷的影響較大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有三期，即印支運(yùn)動(dòng)，燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)[15，17]。

印支期運(yùn)動(dòng)使整個(gè)華北聚煤盆地三疊紀(jì)以前的地層發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺隆起和斷裂活動(dòng)。平頂山煤田位于華北聚煤盆地南緣逆沖推覆構(gòu)造帶，主要是南北陸塊沿近NW向北淮陽(yáng)深大斷裂發(fā)生碰撞的作用，使該區(qū)三疊紀(jì)以前的地層發(fā)生了強(qiáng)烈褶皺隆起和斷裂活動(dòng)，形成開(kāi)闊的北北西向?yàn)橹鞯谋?、向斜?gòu)造，伴生相當(dāng)發(fā)育的北西向?yàn)橹鞯膲海ㄅぃ┬詳嗔鸭鞍l(fā)育較差的北東向張（扭）性斷裂。李口向斜與鍋底山斷層（此時(shí)期為逆斷層）是這次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力為北東－南西向，并且主要是由南西向北東推擠，是該區(qū)中新生代以來(lái)第一期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

燕山運(yùn)動(dòng)主要是由于太平洋板塊向北推移，形成區(qū)域左旋力偶作用的應(yīng)力場(chǎng)，在該區(qū)表現(xiàn)為近南北向的左旋扭動(dòng)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力為近北西—南東向，這是第二期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，使第一期發(fā)生的斷裂構(gòu)造又經(jīng)受了近南北向的左旋扭動(dòng)作用。原來(lái)北西向的斷裂壓（扭）性活動(dòng)變?yōu)閺垼ㄅぃ┬曰顒?dòng)，鍋底山逆斷層反轉(zhuǎn)成為正斷層，其性質(zhì)保留至今。原來(lái)北東向的斷裂張（扭）性活動(dòng)變?yōu)閴海ㄅぃ┬曰顒?dòng)。此構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期平頂山礦區(qū)地層經(jīng)歷了小幅抬升震蕩，使該地區(qū)缺失了三疊系上統(tǒng)及侏羅系。

喜山運(yùn)動(dòng)，該地區(qū)受印度板塊向北北東推擠作用的影響，形成了近北東向的區(qū)域右旋力偶作用的應(yīng)力場(chǎng)，最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—南西西，是第三期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。原來(lái)北西向斷裂和在第二期構(gòu)造應(yīng)力作用下新產(chǎn)生的北西西向的斷裂，又發(fā)生了右旋壓（扭）性活動(dòng)；原來(lái)的北東向斷裂和第二期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下新產(chǎn)生的北北西向斷裂又發(fā)生了張（扭）性活動(dòng)。與此同時(shí)，該地區(qū)又發(fā)生了規(guī)模較大的差異升降活動(dòng)，延續(xù)到近代。直到目前，整個(gè)平頂山煤田位于中部拱托的寬條帶狀隆起，其北西、南西、北東側(cè)分別是高角度的郟縣斷裂、魯葉斷裂及襄郟斷裂相切，其外圍是分別下滑的寶豐—郟縣拗陷帶、葉縣—舞縣拗陷帶及臨潁拗陷帶，是喜山運(yùn)動(dòng)控制作用的結(jié)果。

中石炭世末以來(lái)，雖然平頂山礦區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但直到古近紀(jì)末期的喜山運(yùn)動(dòng)止，除晚三疊世及侏羅紀(jì)外，該礦區(qū)一直處于持續(xù)的接受沉積狀態(tài)，連續(xù)沉積了石炭系上統(tǒng)、二疊系、下三疊統(tǒng)；經(jīng)侏羅紀(jì)抬升剝蝕期后，又沉積了下白堊統(tǒng)、古近系等地層。但是，三疊系下統(tǒng)在首山一礦井田內(nèi)僅發(fā)育下統(tǒng)劉家溝組，厚約130 m，與下伏石千峰組整合接觸。而其之上后沉積的和尚溝組、以及白堊系與古近系，因喜山運(yùn)動(dòng)差異升降隆起遭到剝蝕，現(xiàn)已不復(fù)存在。其剝蝕前厚度可參考平頂山礦區(qū)區(qū)域地層厚度，和尚溝組為300 m，白堊系大于1108 m，古近系為400～2460 m[14]。平頂山礦區(qū)煤層沉降及埋藏深度示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 平頂山礦區(qū)煤層沉降及埋藏深度示意圖Figure 2 A schematic diagram of coal seam subsidence and buried depth in Pingdingshan mining area

平頂山礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形成演化，地層的連續(xù)沉積為煤層的成巖、變質(zhì)，煤層瓦斯的生成、排放與賦存提供了物理環(huán)境。

2.2 礦區(qū)煤層瓦斯的生成、儲(chǔ)存、排放

平頂山礦區(qū)早二疊紀(jì)煤層形成后至古近紀(jì)喜山運(yùn)動(dòng)開(kāi)始，長(zhǎng)時(shí)期的沉降，接受了巨厚的上覆巖層，及高地?zé)?，為煤層變質(zhì)提供了溫度、壓力、時(shí)間等各方面保證。地溫類型屬基底抬高地質(zhì)背景下的巖溫型，兼有深部熱水頂托滲透影響。首山一礦二疊系平均地溫梯度3.93℃/100 m，熱流值為85.4 MW/m2（全球平均值為60.61 MW/m2），局部更高，屬高溫異常區(qū)。己煤組煤層底板埋深多在730 m以下，鉆孔實(shí)測(cè)溫度39.70℃～50.57℃[14]。地質(zhì)勘探與采礦工程實(shí)踐表明，平頂山礦區(qū)巖漿作用不普遍，只是在個(gè)別斷層帶有零星巖漿巖揭露。因此，平頂山礦區(qū)煤變質(zhì)主要是深成變質(zhì)作用[18-19]。

（1）二疊系煤層成煤階段，煤層緩慢沉降，普遍埋藏較淺，煤的變質(zhì)程度較弱，瓦斯生成量較小，瓦斯排放條件好。

（2）印支期，二疊系煤經(jīng)歷了大幅度沉降時(shí)期，煤層上覆基巖逐漸沉積增厚，己煤組煤層最大埋藏達(dá)到1800 m，地壓增加；同時(shí)疊加地溫場(chǎng)的作用，二疊系煤層發(fā)生深層變質(zhì)作用，變質(zhì)程度逐漸升高，生烴量逐漸增加，理論生烴量為138～168 m3/t（A.И. КpaВΠΟΒ，1983）。由于煤層埋藏深度的加深，加上南北向區(qū)域主應(yīng)力下形成的李口向斜、鍋底山斷層多為封閉性構(gòu)造，瓦斯保存條件好。

（3）燕山運(yùn)動(dòng)早期經(jīng)歷了小幅震蕩，地層發(fā)生小幅抬升，先期沉積的三疊系被少量剝蝕，煤層埋深變小，煤變質(zhì)作用速度變緩，生烴速度也同步降低。由于地壓略有降低，區(qū)域構(gòu)造封閉性降低，瓦斯保存條件略為變差。

（4）燕山運(yùn)動(dòng)中、晚期，地層發(fā)生快速沉降，煤層埋藏深度快速增加，至燕山運(yùn)動(dòng)晚期己煤組煤層最大埋深已超過(guò)5000 m，同時(shí)疊加地溫場(chǎng)的作用，二疊系煤層發(fā)生深成變質(zhì)作用，變質(zhì)程度快速升高，普遍達(dá)到焦煤、肥煤階段，局部更高，生烴量快速增加，理論生烴量為 240～270 m3/t（A.И.КpaВΠΟΒ，1983）。此時(shí)期與區(qū)域主應(yīng)力方向近乎垂直的先期地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)為受拉應(yīng)力作用，裂隙張開(kāi)，成為開(kāi)放型構(gòu)造。但因埋藏深度大，上覆巖層厚度大，地壓大，瓦斯排放速度與排放量并不大，是煤層瓦斯含量最大時(shí)期。

（5）燕山晚期至喜馬拉雅早、中期，華北板塊整體抬升遭受剝蝕并逐漸均夷而準(zhǔn)平原化，最后形成華北準(zhǔn)平原[20]。平頂山礦區(qū)煤系及上覆地層也遭受嚴(yán)重剝蝕，缺失三疊系大部分、侏羅系、白堊系、古近系。煤變質(zhì)作用基本停止，生烴作用也基本停止。此時(shí)，由于煤系有效蓋層的大幅度減薄，封存瓦斯的能力大大降低，瓦斯排放速度快速提高，煤層瓦斯大量逸散。

（6）喜馬拉雅中期至第四紀(jì)，二疊系煤埋藏深度雖然小幅度增加，但煤變質(zhì)程度不再加深，生烴作用基本停止，形成現(xiàn)在瓦斯賦存特征。平頂山礦區(qū)戊組煤層瓦斯生成與排放示意圖見(jiàn)圖3。因截止目前還沒(méi)有埋深超過(guò)1500 m的實(shí)測(cè)瓦斯含量值，而在印支期與燕山期煤層埋深都超過(guò)1500 m，故此階段內(nèi)煤層瓦斯含量屬推測(cè)值。

圖3 平頂山礦區(qū)戊組煤層瓦斯生成與排放示意圖Figure 3 A schematic diagram of coal group Wu gas generation and discharging in Pingdingshan mining area

綜上所述，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的形成與演化，控制了煤層的形成與變質(zhì)，煤層瓦斯的生、儲(chǔ)、排，形成了礦區(qū)己組煤、戊組煤普遍較高瓦斯壓力。

3 首山一礦戊組煤層高瓦斯壓力成因分析

3.1 瓦斯地質(zhì)概況

首山一礦井田的主體構(gòu)造為軸向320°的寬緩背斜（白石山背斜），其南北兩翼分別為李口向斜北翼和靈武山向斜南翼，地層走向?yàn)?90°～320°，傾角北東翼稍陡，南西翼較緩，一般為8°～20°。井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬于中等偏簡(jiǎn)單，如圖4所示。

井田屬石炭二疊紀(jì)煤系。含煤地層為二疊統(tǒng)山西組和石河子組，上石炭統(tǒng)太原組，總厚度795 m。戊8，戊9-10煤層均位于下石盒子組中部，相距6 m。戊8煤層頂板為泥巖和少量砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。戊9-10煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，偶為細(xì)粒砂巖，底板以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖，粉砂巖。井田內(nèi)戊組煤主要為肥煤和少量焦煤。

戊9-10和己15-17煤層，部分煤層瓦斯壓力及含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

從測(cè)定結(jié)果可以看出，煤層埋藏深度相差不大，且己組煤層在戊組煤層深部，但戊組煤層瓦斯壓力普遍大于己組煤層瓦斯壓力。

3.2 戊組煤高瓦斯壓力成因分析

上述分析表明，平頂山礦區(qū)瓦斯賦存特征是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及演化對(duì)煤層瓦斯生成、排放、保存的結(jié)果。在礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制的基礎(chǔ)上，首山一礦井田地質(zhì)構(gòu)造控制戊煤組高瓦斯壓力賦存狀態(tài)。

圖4 首山一礦構(gòu)造綱要Figure 4 Structural outline map of Shoushan No.1 coalmine

表4 首山一礦煤層瓦斯壓力實(shí)測(cè)結(jié)果匯總表Table 4 Statement of coal seam gas pressure measured results from Shoushan No.1 coalmine

3.2.1 地質(zhì)構(gòu)造特征與區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)

礦區(qū)東部瓦斯賦存區(qū)的次一級(jí)地質(zhì)構(gòu)造，即井田級(jí)構(gòu)造特征與中、西部明顯不同，東部的次一級(jí)地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主，而中、西部發(fā)育了落差大、延伸遠(yuǎn)的鍋底山斷層、九里山斷層等。東部賦存區(qū)的這一構(gòu)造特征在首山一礦尤其顯著。首山一礦構(gòu)造綱要圖表明，整個(gè)井田構(gòu)造以白石山背斜和靈武山向斜代表。斷層構(gòu)造均是落差小、規(guī)模小的更低級(jí)別的構(gòu)造。而且，在白石山背斜軸部發(fā)育高溝逆斷層還是封閉性構(gòu)造。落差大、延伸遠(yuǎn)的鍋底山斷層易于地表或透氣性好的巖層溝通，屬開(kāi)放型構(gòu)造，而白石山背斜和靈武山向斜則屬封閉型構(gòu)造。首山一礦的地質(zhì)構(gòu)造特征成為礦井高瓦斯壓力的條件之一。

受區(qū)域構(gòu)造控制的地應(yīng)力場(chǎng)也有助于東部瓦斯賦存區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)瓦斯的封閉。對(duì)平頂山礦區(qū)東部區(qū)測(cè)試結(jié)果表明，最大水平主應(yīng)力σH為13.74～65.46 MPa，最小水平主應(yīng)力σh為9.0～18.79 MPa，垂直主應(yīng)力σV為7.23～28.075 MPa，說(shuō)明該區(qū)域受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響強(qiáng)烈，區(qū)域構(gòu)造對(duì)應(yīng)力場(chǎng)起著控制作用，地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)類型[15]。相反，西部瓦斯賦存區(qū)為自重應(yīng)力場(chǎng)類型，中部瓦斯賦存區(qū)為中間過(guò)渡帶。在高水平應(yīng)力協(xié)助下東部瓦斯賦存區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征更有利于瓦斯賦存。

3.2.2 煤層頂、底板巖石的封閉性

首山一礦下石盒子組厚度達(dá)163～390 m，平均厚321 m，戊8，戊9-10煤層均位于中、下部，相距6 m，下距砂鍋窯砂巖85 m，向上距上石盒子組80～200 m。戊8煤層頂板為泥巖和少量砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。戊9-10煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，偶為細(xì)粒砂巖，底板以泥巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖，粉砂巖。而山西組層厚只有73.60～97.71 m，平均厚85 m。下石盒子組則以泥巖或砂質(zhì)泥巖為主，巨厚的頂?shù)装鍘r層透氣性較差，完整性好，形成了良好的保存瓦斯氣體的封閉空間，不利于煤層瓦斯逸散。

比較而言，礦區(qū)東部瓦斯賦存區(qū)因地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主，沒(méi)有切割深度大的斷層發(fā)育，對(duì)戊組煤形成了相對(duì)封閉空間，再與高水平地應(yīng)力共同作用，處于封閉空間的煤層瓦斯無(wú)法與外界溝通且受應(yīng)力作用，呈現(xiàn)高瓦斯壓力賦存。中、西部賦存區(qū)因落差大、延伸遠(yuǎn)、切割深度達(dá)地表的鍋底山斷層、九里山斷層存在，主斷層附近大量發(fā)育的伴隨斷層破壞了戊組煤頂?shù)装宓耐暾?，透氣性變好?hào)，有利于煤層瓦斯逸散。

3.2.3 水動(dòng)力條件

亨利定律表明甲烷在純凈水中的溶解度很低，隨壓力升高溶解度增大，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（0.01 MPa，20℃）約為0.0326 m3/m3。當(dāng)溫度為20℃～50℃，壓力為1 MPa時(shí)，甲烷在純凈水中的溶解度為0.2～2 m3/m3。因煤層水含有一定礦化度，甲烷在煤層水中的溶解度通常比純凈水中的溶解度更低[21]。由于煤層形成后經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，如果煤層附近有強(qiáng)水動(dòng)力條件，且頂?shù)装鍘r石存在溝通煤層與含水層的裂隙，在較高瓦斯壓力參與下，則水動(dòng)力排泄瓦斯的量與效果還是非常客觀的。研究表明，煤層水含有一定量的溶解氣，同時(shí)控制著煤儲(chǔ)層的壓力[21]。水的流動(dòng)將直接影響煤層瓦斯的吸附解吸程度。儲(chǔ)層和頂板含水層構(gòu)成一個(gè)完整的地下水系統(tǒng)，在高儲(chǔ)層壓力、高含水層勢(shì)能的地區(qū)，也是煤層氣富集的地區(qū)。而在地下水排泄區(qū)，儲(chǔ)層壓力和含水層勢(shì)能降低。在華北，凡因斷裂發(fā)育，煤系與下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層強(qiáng)徑流帶產(chǎn)生水力聯(lián)系的地區(qū)，往往也是煤層氣貧乏地區(qū)。如華北太行山東麓煤田的西側(cè)、開(kāi)灤礦區(qū)開(kāi)平向斜東南翼、魯西南和魯西北等地區(qū)都具有這種控氣特征[22]。

平頂山礦區(qū)與煤層瓦斯開(kāi)采有關(guān)的主要含水層是煤層頂板砂巖裂隙水含水層和煤層下伏灰?guī)r巖溶水含水層。前者如戊煤組頂板砂巖裂隙含水層、己煤頂板砂巖裂隙含水層等，后者包括太原組灰?guī)r和寒武系灰?guī)r。因?yàn)楸緟^(qū)缺失奧陶系，使寒武系中、上統(tǒng)與太原組直接接觸。煤層頂板各砂巖裂隙含水層主要受大氣降水補(bǔ)給，滲補(bǔ)條件不良。砂巖含水層之間有泥巖、砂質(zhì)泥巖層段相隔，無(wú)明顯水力聯(lián)系，排泄條件不暢。

在此基礎(chǔ)上，首山一礦以褶曲為主的構(gòu)造特征導(dǎo)致其水動(dòng)力條件更弱。首山一礦井田主體構(gòu)造為白石山背斜和靈武山向斜，主要斷層為溝李封正斷層和高溝逆斷層。白石山背斜軸部構(gòu)造裂隙發(fā)育，含水層的富水性普遍強(qiáng)于兩翼，軸部富水性弱-中等，兩翼弱-極弱。靈武山向斜因軸部裂隙不發(fā)育，富水性弱-極弱。戊組煤頂、底板巖石具有的這種富水性弱、排泄條件不暢的水動(dòng)力條件，非常有利于高壓瓦斯賦存。

斷層的導(dǎo)水性和富水性取決于斷層的性質(zhì)、規(guī)模和對(duì)口部位的巖性。溝李封正斷層位于首山一礦井田邊界，通過(guò)的是巨厚的下石盒子組柔性巖層的隔水層，成為一條阻水邊界，高溝逆斷層斷裂帶本身富水性弱或不富水，也形成富水性弱、排泄條件不暢的水動(dòng)力條件，非常有利于高壓瓦斯賦存。

首山一礦于2005年建井，礦井只經(jīng)過(guò)近幾年疏排地下水，已改變了首山一礦周圍己16-17煤層頂、底板含水層中地下水流場(chǎng)，形成以首山一礦為疏排中心的降落漏斗，巖溶地下水水位相對(duì)建井初期時(shí)有大幅下降。-600 m水平己二采區(qū)上部車場(chǎng)測(cè)1#孔太原組上段灰?guī)r含水層水位由當(dāng)時(shí)的-520 m降至現(xiàn)在的-600 m以下，也說(shuō)明了首山一礦弱的水動(dòng)力條件。

總之，戊組煤頂?shù)装鍘r石具有的這種富水性弱、排泄條件不暢的水動(dòng)力條件，非常有利于高壓瓦斯賦存。

4 結(jié)論

（1）區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了平頂山礦區(qū)煤層的形成和變質(zhì)，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的形成和演化，控制了煤層瓦斯的生成、賦存、排放，形成了礦區(qū)己組煤、戊組煤普遍較高瓦斯壓力，以及東部高瓦斯、高水平地應(yīng)力的瓦斯賦存區(qū)。

（2）礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造控制了首山一礦構(gòu)造特征，戊組煤層的巨厚砂質(zhì)泥巖、泥巖的頂板、底板巖石滲透特征，弱的水動(dòng)力條件、高水平擠壓地應(yīng)力場(chǎng)特征等形成獨(dú)特的三維封閉型構(gòu)造組合，是造成首山一礦戊組煤層高瓦斯壓力的主要原因。

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High Gas Pressure Genesis in Coal Group Wu,Shoushan No.1 Coalmine,Pingdingshan Mining Area

Zhang Zhenping1，Zhang Mingjie2，3,Yang Kun2and Jia Tianrang2,3
(1.Geological Exploration Institute,The First Exploration Bureau,CNACG,Handan,Hebei 056004;2.School of Safety Science and Engineering;Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003;3.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454003)

To find out high gas pressure genesis in the coal group Wu,Shoushan No.1 coalmine,Pingdingshan mining area,using gas hosting geological structural control theory,according to structural features in Pingdingshan mining area,measured gas parameters, ground stress field features analyzed gas geological features,control actions from regional tectonic formation and evolution on gas host?ing and discharging,coalification of coal group Wu,metamorphism and hydrocarbon generation process.On this basis emphatically studied impacts from Shoushan No.1 coalmine minefield geological structure and stratigraphic features,hydrodynamic condition on coal group Wu gas pressure and content.The study has considered that the eastern part of Pingdingshan mining area has high ground stress and high gas pressure.While this part the Shoushan No.1 coalmine situated is a distinctive 3 dimensionally closed structural as?semblage,the structural features,very thick sandy mudstone,mudstone constituted coal group Wu roof and floor have weak hydrody?namic condition and high horizontal compressive stress,those are the main reasons to generate high gas pressure in the coal group.

coal seam gas pressure;structure and evolution;hydrodynamic condition;ground stress;coal roof and floor lithology

P618.11

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.04

1674-1803(2017)03-0015-06

國(guó)家“十二”五重大專項(xiàng)（2011ZX05040-005），長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRT1235），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41102094）

張振平（1966—），男，河北衡水人，1990年畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院，煤田地質(zhì)與勘查專業(yè)，地質(zhì)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事煤炭地質(zhì)勘查、煤層氣勘查、金屬礦產(chǎn)勘查工作。

2016-12-22

責(zé)任編輯：宋博輦