滑動構(gòu)造對三李深部煤炭勘查區(qū)二1煤層和瓦斯賦存狀態(tài)的影響

聶懷耀, 趙琳穎, 聶艷敏

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州，450001)

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滑動構(gòu)造對三李深部煤炭勘查區(qū)二1煤層和瓦斯賦存狀態(tài)的影響

聶懷耀, 趙琳穎, 聶艷敏

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州，450001)

基于二維地震、鉆孔揭露及測試資料，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，分析認(rèn)為三李深部勘查區(qū)滑動構(gòu)造面行跡為寬緩的倒“拋物線”型展布。研究表明：因滑動構(gòu)造的擠壓、揉搓作用使二1煤層原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成了碎粒狀、鱗片狀等構(gòu)造煤；煤層厚度及煤質(zhì)也發(fā)生了較大變化，厚煤帶一般分布在煤層埋深的淺部或無煤(區(qū))帶的前緣地段，薄煤帶和無煤(區(qū))帶則分布在中部地段；位于地塹之內(nèi)的瓦斯含量較高(58.15 m3/t)。

滑動構(gòu)造；二1煤層；瓦斯特征；三李深部

0 引言

三李深部煤炭勘查區(qū)位于河南省滎鞏煤田的東部，南鄰三李勘探區(qū)，西接丁店煤炭普查區(qū)，交通極為便利?？辈閰^(qū)東西長23km,南北寬約5km，面積：91.24km2。含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，全區(qū)可采煤層為二1煤，煤層厚度0～9.22m；一1煤層局部可采，煤層厚度0～0.99m。區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，滑動構(gòu)造發(fā)育。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層及煤層

研究區(qū)地表大部分被新生界覆蓋，基巖僅有零星出露。依據(jù)二維地震勘探成果及鉆孔揭露資料，地層由老到新為：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組；石炭系上統(tǒng)本溪組和太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組和石千峰組；三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組；新近系和第四系泥灰?guī)r和黃土覆蓋。區(qū)內(nèi)地層總體呈現(xiàn)為走向北西，傾向北東15°～55°，傾角7°～13°的單斜構(gòu)造。

研究區(qū)含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，全區(qū)主采煤層為二1煤，位于山西組底部，煤層厚度0～9.22m，平均厚度4.35m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)大部可采，一1煤位于太原組底部，煤層厚度0～0.99m，局部可采。二1煤層埋深在480～1850m，底板標(biāo)高為-300～-1700m，受滑動構(gòu)造作用影響，煤層結(jié)構(gòu)及厚度變化較大[1]。

1.2 構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造位于秦嶺緯向構(gòu)造帶北亞帶-嵩箕隆起帶東北緣 ， 滎密背斜北翼， 基本構(gòu)造形態(tài)為一地層走向近東西，傾向北，傾角 5°～20o的單斜構(gòu)造，構(gòu)造類型以斷裂為主，褶曲不發(fā)育[2]。滎鞏煤田所在的區(qū)域自奧陶系沉積以來，經(jīng)歷了多次不同程度、不同方向的構(gòu)造運動。特別是燕山早期的南北向扭動產(chǎn)生了一系列NW向左行走滑斷裂，經(jīng)過以后各時期構(gòu)造行跡的改造和加強，形成了以EW向褶皺和斷裂及滑動構(gòu)造為主，次為NW-SE向小型斷裂的構(gòu)造特征[3]。

滑動構(gòu)造又稱為“重力滑動構(gòu)造” ，在豫西晚古生代煤田中大量分布，構(gòu)成了一種重要的控煤構(gòu)造形式，這是華北聚煤區(qū)內(nèi)典型的構(gòu)造現(xiàn)象[2]，見圖1。

圖1 豫西煤田中重力滑動構(gòu)造分布圖Figure 1 Gravitational gliding tectonics distribution in western Henan coalfield(據(jù)文獻(xiàn)[2]，略有增減)

研究區(qū)構(gòu)造以高角度正斷層和滑動構(gòu)造為主，主要有位于研究區(qū)北部邊緣的郭小寨斷層、位于研究區(qū)南部邊緣的賈峪正斷層、李家臺正斷層，同時在二1煤層附近發(fā)育低緩角度的滑動構(gòu)造，在研究區(qū)內(nèi)形成了三處(HF1、HF2、HF3)形狀各異的無煤(區(qū))帶[4](圖2)。

2 研究區(qū)滑動構(gòu)造特征

因第四系覆蓋，研究區(qū)滑動構(gòu)造在地表沒有出露，根據(jù)二維地震勘探解釋成果，結(jié)合鉆孔揭露資料，滑動構(gòu)造發(fā)育在含煤地層山西組二1煤層及山西組上下其他地層內(nèi)，從巖心觀察構(gòu)造破碎帶巖石特征明顯(圖3)。根據(jù)鉆孔揭露煤系缺失的巖層數(shù)量說明，滑動構(gòu)造行跡在勘探線剖面上呈寬緩的倒“拋物線”型展布，見圖4、圖5，滑動構(gòu)造在研究區(qū)內(nèi)造成三處無煤(區(qū))帶，面積分別為：5.58km2(HF1)、1.21km2(HF2)、5.35km2(HF3)，無煤(區(qū))帶呈北西-南東向展布。二維地震勘探資料和鉆孔揭露證實研究區(qū)HF1圈定的范圍內(nèi)煤層厚度為0m，見圖6、圖7。

以往研究表明：滑動斷裂上盤在沿二1煤層頂板自淺部向深部滑動過程中，由于局部巖層組合及巖石強度差異，滑面在向深部發(fā)展過程中，局部下插至二1煤層底板，延伸較短距離后，又回到二1煤層頂板，在二1煤層內(nèi)形成面積小、軸向與煤層走向一致的薄煤帶或無煤帶[5]。

研究區(qū)的1201鉆孔揭露，滑動構(gòu)造面上切到了上石盒子組底部、下切到本溪組頂部，包括二1煤層和一1煤層在內(nèi)的460余米地層全部“缺層[6]”。

在2001鉆孔，滑動構(gòu)造導(dǎo)致上石盒子組巖層“缺層”240余米 ；在2801鉆孔，三疊系劉家溝組巖層 “缺層”150余米。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖Figure 2 Structural outline map of study area

a 孔破碎帶巖心 b 巖心滑動鏡面及擦痕

圖4 第16勘查線剖面圖上滑動構(gòu)造HF1Figure 4 Gliding tectonics HF1 on exploration Line 16 section

圖5 第28勘查線剖面圖上滑動構(gòu)造HF3Figure 5 Gliding tectonics HF3 on exploration Line 28 section

圖6 二維地震時間剖面顯示滑動構(gòu)造HF1(重疊第16勘查線)Figure 6 2D seismic time section displayed gliding tectonics HF1 (overlapped on Line 16)

圖7 二維地震時間剖面顯示滑動構(gòu)造HF3(重疊第28勘查線)Figure 7 2D seismic time section displayed gliding tectonics HF3 (overlapped on Line 28)

3 滑動構(gòu)造對二1煤層和瓦斯賦存狀態(tài)的影響

3.1 對二1煤層原始結(jié)構(gòu)及煤質(zhì)的影響

滑動構(gòu)造使二1煤層的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞：煤層呈現(xiàn)層間擠壓、揉搓的構(gòu)造煤特征(糜棱煤)，煤心看似成柱狀，但強度極低，指壓可碎。二1煤呈碎粒狀、粉粒狀、鱗片狀。煤的真密度1.69t/m3，視密度1.50t/m3。

二1煤煤質(zhì)分析結(jié)果：原煤干燥基低位發(fā)熱量平均為26.79MJ/kg，二1煤浮煤干燥基高位發(fā)熱量平均為31.18MJ/kg，浮煤干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率為4.35%～6.07%，干燥無灰基氫含量為2.64%，鏡質(zhì)組平均最大反射率為3.358%～3.751%，鏡下鑒定二1煤有機組分平均含量約占總量的85%，主要為鏡質(zhì)組，約占有機組分的79%。二1煤變質(zhì)階段為Ⅶ，屬高熱值無煙煤二號[1]。

3.2 造成煤層厚度變化大且薄煤帶、厚煤帶分區(qū)明顯

因滑動構(gòu)造作用，研究區(qū)二1煤層厚度變化很大，見表1。

煤層在較短的距離內(nèi)厚度就發(fā)生很大變化：如3201孔見煤厚度8.78m，而距3201孔之北僅有230m的距離就進(jìn)入了無煤區(qū)(HF3)的范圍內(nèi)，煤厚為0m。12-4孔見煤厚度9.22m， 而距本孔之北900m左右就進(jìn)入無煤帶的邊界內(nèi) (該區(qū)域1201孔和2209孔煤厚均為0m)。淺部邊界鉆孔23-3見煤厚度僅有0.30m，與該孔平面距離僅有750m的2808孔見煤厚度則有3.90m。研究區(qū)煤層厚度變異系數(shù)達(dá)61.7%，可見煤層厚度變化之大，見圖7。

表1 二1煤層部分見煤點厚度

因滑動構(gòu)造擠壓、揉搓的動力作用，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了厚煤帶、薄煤帶、無煤帶的區(qū)域。圖8顯示：研究區(qū)6m以上厚煤帶多分布在淺部，即位于無煤(區(qū))帶的前緣地段，三處無煤(區(qū))帶呈北西-南東向在區(qū)內(nèi)展布，面積大小不等， 2m以下的薄煤帶分布在三處無煤(區(qū))帶相鄰的中間地帶。厚煤帶的面積與其相鄰的無煤(區(qū))帶面積大小無明顯比例關(guān)系。

圖8 二1煤層厚度等值線圖Figure 8 Isogram of coal II1 thicknesses

3.3 造成煤層瓦斯含量分布不均勻

研究區(qū)煤層埋深為南淺北深，隨著煤層埋深的增加，瓦斯含量是逐漸增高的趨勢。一般來說，煤層厚度越大，瓦斯含量就越高；煤層薄、煤質(zhì)差，則瓦斯含量相對較低，厚煤帶一般也是瓦斯富集帶[7]

由于滑動構(gòu)造的動力作用，厚煤帶多分布在淺部。測試結(jié)果顯示厚煤帶瓦斯含量并不高(圖9)，如3201孔二1煤厚8.78m，瓦斯含量為20.60m3/t，與該孔埋深基本相當(dāng)?shù)?801孔二1煤厚5.33m，瓦斯含量僅有15.50m3/t，但位于厚煤帶的2001孔煤層(煤厚6.41m)瓦斯含量高達(dá)58.15 m3/t。其原因是2001孔煤層所處地段是由賈峪正斷層和DF3斷層形成的地塹之內(nèi)，位于地塹處的煤層瓦斯含量會普遍較高。這是研究區(qū)瓦斯含量分布不均勻的原因之一。

研究表明，在構(gòu)造應(yīng)力、重力等作用下形成的糜棱煤與原生結(jié)構(gòu)煤存在著顯著的差異。糜棱煤的孔隙度、比表面積、吸附能力均高于原生結(jié)構(gòu)煤[8]；對無煙煤而言，糜棱煤的電阻高于原生結(jié)構(gòu)煤[9-11]；X射線衍射反映的糜棱煤的晶體結(jié)構(gòu)與原生結(jié)構(gòu)煤也明顯不同[12-13]。這說明動力變質(zhì)作用改變了煤的物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而增加了煤的吸附能力，相同地質(zhì)環(huán)境下煤體變形程度越深、吸附能力越強，這也是研究區(qū)瓦斯含量分布不均勻原因之一。

圖9 二1煤瓦斯等值線圖Figure 9 Isogram of coal II1 gas contents

4 結(jié)論

(1)滑動構(gòu)造致使研究區(qū)二1煤層的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞，二1煤呈碎粒狀、粉粒狀、鱗片狀構(gòu)造煤，鏡質(zhì)組平均最大反射率為3.358%～3.751%，二1煤變質(zhì)階段達(dá)到VII，為無煙煤二號。

(2)區(qū)內(nèi)無煤(區(qū))帶、薄煤帶、厚煤帶分區(qū)明顯。6m以上厚煤帶多分布在研究區(qū)的淺部地段，無煤(區(qū))帶在區(qū)內(nèi)呈北西-南東向展布，面積大小不等，2m以下的薄煤帶分布在三處無煤區(qū)相鄰的中間地帶。

(3)位于地塹之內(nèi)的煤層瓦斯含量較高，這是研究區(qū)瓦斯含量分布不均勻的原因之一； 相同地質(zhì)環(huán)境下煤體變形程度越深、吸附瓦斯能力越強，這也是瓦斯含量分布不均的原因之一。

(4)在滑動構(gòu)造發(fā)育的勘查區(qū)布設(shè)鉆孔孔位時：既要考慮工程間距的合理性、同時必須考慮滑動構(gòu)造形成的無煤(區(qū))帶范圍，謹(jǐn)慎把握所布設(shè)的鉆孔能揭露到煤層，進(jìn)而獲得相關(guān)的煤質(zhì)資料。

[1]聶懷耀,張俊,等.河南省滎鞏煤田三李深部勘查區(qū)煤炭普查報告[R].河南鄭州：河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，2012.

[2] 河南煤田地質(zhì)公司.河南省晚古生代聚煤規(guī)律[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1991.

[3]刁良勛.河南三李煤礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律及成因探討[J].中國煤炭地質(zhì)(原中國煤田地質(zhì)),2007. 19(4):18-20.

[4]徐秀力，楊濤,等，河南省滎鞏煤田三李深部勘查區(qū)煤炭普查二維地震勘探報告[R].鄭州：河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，2012.

[5]王德偉.滑動構(gòu)造影響下煤層厚度與構(gòu)造破碎帶關(guān)系分析[J].中國煤炭地質(zhì)2010.22(3)：4-7.

[6]孫錦屏,李萬程，一個重力滑動構(gòu)造的范例[J].中國煤炭地質(zhì)，2009.21(4)：9-15.

[7]范云霞.淺析滎鞏煤田煤層瓦斯地質(zhì)特征[J].中州煤炭,2006,總143:28-29.

[8]周家堯,關(guān)德師.煤儲集層特征[J].天然氣工業(yè),1995,15(5):6-11.

[9]姜波,秦勇.高煤級構(gòu)造煤XRD結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造地質(zhì)意義[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,27(2):115-118.

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[11]張廣洋,譚學(xué)術(shù).煤的導(dǎo)電性與煤大分子結(jié)構(gòu)關(guān)系的試驗研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,1994,17(2):10-13.

[12]陳昌國,張代鈞.煤的微晶結(jié)構(gòu)與煤化度[J].煤炭轉(zhuǎn)化,1997,20(1):45-49.

[13]張代鈞,鮮學(xué)福.煤微組分結(jié)構(gòu)的X—射線實驗研究[J].分析測試報,1991,10(3):32-35.

Impact from Gliding Tectonics on Coal Ⅱ1and Gas Hosting State in Deep Part Sanli Coalmine

Nie Huaiyao, Zhao Linying and Nie Yanmin

(The Second Geology and Mineral Resources Surveying Institute, Henan Geology and Mineral Resources Exploration andExploitation Bureau, Zhengzhou, Henan 450001)

Based on data from 2D seismic prospecting, drilling and testing, combined with structural setting have analyzed broad and gentle inverted “parabola” extending of the gliding tectonic surface trace in deep part Sanli coalmine. The study has shown that because of compression, kneading actions from gliding tectonics made original structure of coal Ⅱ1destructed and formed fragmentary, scaly tectonoclastic coal; coal thickness and coal quality also have varied greatly. Thick coal belt is generally distributed in coal buried shallow part or coal barren (zone) front sector; thin coal belt and coal barren (zone) in middle sector; while coals in graben have higher gas content (58.15m3/t), thus the one reason of irregularly distributed gas content in study area.

gliding tectonics; coal Ⅱ1; gas features; deep part Sanli coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.01

1674-1803(2017)06-0001-06

2008年度中央地質(zhì)勘查基金項目([2008]032號)。

聶懷耀 (1959—)，男，河南濟源人，高級工程師，從事礦產(chǎn)地質(zhì)勘查工作。

2017-02-27

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責(zé)任編輯：宋博輦