淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響分析

喬國棟，高 魁，2

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

逆沖推覆構(gòu)造帶是煤與瓦斯突出的敏感地帶，二者之間存在密切關(guān)系。許多學(xué)者對二者之間的關(guān)系做了深入研究，韓軍[1]、王健[2]等認(rèn)為逆沖推覆構(gòu)造對煤與瓦斯突出礦井有著控制作用；陳萍[3]、張鳴[4]等研究了逆沖推覆構(gòu)造的控煤機(jī)理。但是目前針對逆沖推覆構(gòu)造對煤與瓦斯突出影響的研究多集中于動力學(xué)方面，對幾何學(xué)特征研究的資料非常少；對影響煤與瓦斯突出的三大因素——煤、瓦斯、應(yīng)力的研究多集中在煤和瓦斯，缺乏對應(yīng)力的研究分析?；茨厦禾锬鏇_推覆構(gòu)造特征明顯，煤與瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量較多。筆者通過對淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造的幾何學(xué)、動力學(xué)特征的分析，結(jié)合該構(gòu)造對煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存、構(gòu)造應(yīng)力的影響，探討淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造對煤與瓦斯突出的作用機(jī)理，可為煤礦的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造幾何學(xué)特征

淮南煤田地處秦嶺—大別山造山帶北部，東起郯廬斷裂，西至阜陽深斷裂，東西向長達(dá)180 km，北部劉府?dāng)嗔堰B接蚌埠隆起，南部以穎上—定遠(yuǎn)斷層和合肥盆地毗鄰，南北向相距15～25 km，面積3 600 km2?；茨厦禾飿?gòu)造形式為近東西向的對沖構(gòu)造盆地，逆沖推覆構(gòu)造主要分布在煤田南北兩緣，中間為復(fù)向斜構(gòu)造。淮南煤田地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。

(a)平面圖

(b)A—A剖面圖

①—阜陽深斷裂；②—劉府?dāng)嗔?；③—尚塘—明龍山斷層；④—胡集正斷層；⑤—陳橋正斷層；⑥—阜鳳逆沖斷層；⑦—阜李逆沖斷層；⑧—穎上—定遠(yuǎn)斷層；⑨—山王集斷層；⑩—舜耕山逆斷層；—郯廬正斷層；—唐集—朱集背斜；—尚塘—耿村向斜；—陳橋背斜；—潘集背斜；—謝橋—古溝向斜；—口孜集—南照集斷層。

圖1 淮南煤田地質(zhì)構(gòu)造圖

根據(jù)Elliott的弓箭法則判斷，煤田南緣的逆沖推覆構(gòu)造自南向北運動，推覆距離最大達(dá)數(shù)十公里，向前鋒斷裂逐漸減小為數(shù)公里，前鋒帶整體上沿謝橋—古溝向斜南翼展布。煤田南緣逆沖推覆構(gòu)造的外來推覆體在燕山期由太古界霍邱群至二疊系構(gòu)成。

由圖1(b)可以看出推覆體剖面呈疊瓦扇構(gòu)造。在強(qiáng)烈的擠壓作用下，逆沖斷層系在侏羅紀(jì)迅速向北擴(kuò)展，逆沖斷層系前段將推覆體分成4個主要的逆沖斷層：阜陽—鳳臺(阜鳳)逆沖斷層、山王集斷層、舜耕山斷層、阜陽—李郢孜(阜李)逆沖斷層。4個斷層形成依次向北逆沖的疊瓦狀斷夾塊的組合體，斷層面上陡下緩，收斂于呈波狀起伏的基底滑脫面[5]。阜鳳逆沖斷層和舜耕山斷層構(gòu)成了八公山、舜耕山、劉莊SN向推覆體，其斷層傾角30°～60°，淺部大，深部小，由南向北推覆，將太古界霍邱巖群推覆至煤層地層上方。煤田北緣逆沖推覆構(gòu)造是由于南緣逆沖推覆構(gòu)造的前緣推覆至蚌埠隆起后，受到蚌埠隆起的阻擋然后反向逆沖而形成的[6]。煤田北緣逆沖推覆構(gòu)造將太古界向南推覆至三疊系和二疊系之上，形成一系列反向推覆構(gòu)造，組成了尚塘、明龍山由北向南的逆沖推覆體。該推覆體東起郯廬正斷層西至阜陽深斷裂呈NWW-SEE走向，東寬西窄。推覆體的主滑脫面斷面上陡下緩，北傾70°左右。在燕山運動早期，原來存在于二疊紀(jì)煤系中的初始正斷層受到拉伸作用的影響，斷層落差達(dá)到了50～300 m。燕山運動晚期，NW和NNE向的正斷層發(fā)育，如胡集正斷層、陳橋正斷層、郯廬正斷層等，這些正斷層將EW向的逆斷層切割，切割特征明顯。

2 淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造動力學(xué)特征

淮南煤田處在華北聚煤區(qū)南緣，宏觀上看該煤田的逆沖推覆構(gòu)造帶是秦嶺—大別山造山帶指向華北板塊的巨型逆沖推覆構(gòu)造的前鋒帶，造山帶示意圖如圖2所示。

圖2 秦嶺—大別山造山帶示意圖

在印支構(gòu)造期，揚子克拉通和華北克拉通發(fā)生猛烈碰撞，產(chǎn)生了大范圍、多層次以大別山為根帶的逆沖推覆構(gòu)造。在擠壓應(yīng)力的作用下大別山以北的前陸地區(qū)因巖石圈的彎曲使初始正斷層在克拉通表層開始發(fā)育[7]。在燕山期，秦嶺—大別山造山帶產(chǎn)生了南北方向的擠壓應(yīng)力，其中最大主應(yīng)力的方向大概分布在175°～187°，接近水平方向。秦嶺—大別山北部的區(qū)域性逆斷層系向華北板塊內(nèi)傳遞，通過前展方式向華北聚煤區(qū)南部拓展，形成了淮南煤田南緣的逆沖推覆構(gòu)造。

煤田南緣逆沖推覆構(gòu)造向北推覆擠壓，以前期形成的凹陷為基礎(chǔ)，EW走向的褶皺及伴生斷裂系統(tǒng)得以發(fā)育，當(dāng)受到蚌埠隆起的阻擋后發(fā)生反向逆沖作用，形成淮南煤田北緣的逆沖推覆構(gòu)造(尚塘—明龍山推覆構(gòu)造)。進(jìn)入燕山晚期后，歐亞大陸受到了來自太平洋板塊NNW向的擠壓碰撞，最大主應(yīng)力方向分布在300°～330°內(nèi)，NW向正斷層及NNE向走滑正斷層發(fā)育，即著名的郯廬正斷層。除此之外，一組NNE向的平行于郯廬斷裂的正斷層也在淮南礦區(qū)發(fā)育。在晚第三紀(jì)后，在歐亞板塊和印度板塊的共同作用下產(chǎn)生了主應(yīng)力方向為NE20°，近NS向的擠壓應(yīng)力場。在該應(yīng)力場的作用下，華北板塊沿東西走向做伸展運動，導(dǎo)致NNE向斷裂活化。在塊斷掀斜作用的影響下淮南煤田南緣的逆沖推覆構(gòu)造和秦嶺—大別山造山帶分離[8]。至此，淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造基本發(fā)育完成。宏觀認(rèn)為淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造的動力來源于揚子克拉通與華北克拉通的相互擠壓作用。

3 淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響

3.1 對煤體結(jié)構(gòu)的影響

由于揚子克拉通與華北克拉通的相互擠壓，淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)的巖體處于被擠壓狀態(tài)，煤體出現(xiàn)揉皺現(xiàn)象。揉皺作用會影響煤層的產(chǎn)狀和厚度，表現(xiàn)為褶皺狀起伏、直立、倒轉(zhuǎn)等。在淮南新集二礦部分煤系地層出現(xiàn)了強(qiáng)烈的揉皺現(xiàn)象，其中 4-2 煤層揉皺現(xiàn)象尤為明顯[4]。

在逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)，煤、巖層受擠壓應(yīng)力作用發(fā)生應(yīng)變，煤層作為軟弱夾層為適應(yīng)巖層的變形而隨之發(fā)生滑動，產(chǎn)生層滑構(gòu)造。在主滑動面的影響下，受煤、巖層中順層應(yīng)力的影響，煤層和頂?shù)装逯g或煤層與夾矸層之間會產(chǎn)生次一級的層滑構(gòu)造。原邊界條件和原區(qū)域應(yīng)力場因?qū)踊饔枚獾狡茐?，?qiáng)度較弱的煤體在擠壓、剪切的作用下遭到破壞，導(dǎo)致構(gòu)造煤較發(fā)育。以位于阜鳳逆沖推覆構(gòu)造下的新集井田為例，該井田內(nèi)滑動構(gòu)造系統(tǒng)的主滑面為阜鳳逆沖斷層面，在主滑動面的影響下井田內(nèi)的次級層滑構(gòu)造較發(fā)育，13#煤層內(nèi)的層滑構(gòu)造尤為發(fā)育[9]。

由上述分析可知，淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)煤層在揉皺作用和層滑作用的影響下煤體結(jié)構(gòu)被破壞，為煤與瓦斯突出提供了物質(zhì)條件。

3.2 對瓦斯賦存的影響

在逆沖推覆構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，外來推覆體推覆至原生系統(tǒng)之上，煤層埋深增大，對瓦斯賦存起到了良好的密封作用?；茨厦禾锬媳眱删壍哪鏇_推覆構(gòu)造是逆沖推覆構(gòu)造控制瓦斯賦存的典型。結(jié)合淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造幾何學(xué)特征和動力學(xué)特征可知，煤田南緣的阜鳳逆沖斷層由南向北推覆，煤田北緣的尚塘—明龍山斷層由北向南推覆，形成了反向相背傾斜的構(gòu)造系統(tǒng)，為瓦斯儲存創(chuàng)造了條件。

此外，逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)發(fā)育的逆斷層、斷裂在整體上呈現(xiàn)壓性、壓扭性特征，這種特征的構(gòu)造面對瓦斯賦存也具有良好的儲存作用[10]。而逆斷層的壓性、壓扭性特征使斷層構(gòu)造帶內(nèi)的瓦斯處于高壓狀態(tài)。被斷層破壞的煤體內(nèi)有大量裂隙，煤體裂隙的張應(yīng)力與裂隙中瓦斯壓力關(guān)系如下：

Δp=2σmsinθ(La-Lb)

(1)

式中：Δp為煤體破裂前后的瓦斯壓力差，MPa；σm為煤體裂隙張應(yīng)力，MPa；θ為最大主應(yīng)力與煤體裂隙所成角度，(°)；Lb、La分別為煤體破裂前后的裂隙表面積，m2。

平均應(yīng)力的斷裂極限公式可表示為：

(2)

式中：E為煤巖體的彈性模量，MPa；T為煤體的表面能，MJ/m2。

聯(lián)立式(1)、式(2)得：

(3)

由式(3)可以看出，煤體破裂前后的瓦斯壓力差與煤體破裂前后的裂隙表面積有關(guān)。假設(shè)Lb不變，La越大，則瓦斯壓力差Δp也就越大。瓦斯壓力差為煤體內(nèi)瓦斯的運移提供動力，構(gòu)造帶煤體中的微小裂隙成為了瓦斯運移的聚集區(qū)，導(dǎo)致了高瓦斯富集區(qū)的形成。這也是逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)的逆斷層處高瓦斯富集區(qū)數(shù)量較多的原因之一。

3.3 對構(gòu)造應(yīng)力特征的影響

由淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造的動力學(xué)特征可知，淮南煤田的逆沖推覆構(gòu)造于印支—燕山時期在揚子克拉通和華北克拉通擠壓碰撞作用下形成。在燕山運動中秦嶺—大別山造山帶持續(xù)南北擠壓，故逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)的主要斷裂帶——阜鳳斷裂、舜耕山斷裂、阜李斷裂，以及淮南煤田北緣的尚塘—明龍山逆斷層均呈現(xiàn)壓性或壓扭性特征[11]。舜耕山斷裂帶和阜李斷裂帶內(nèi)的糜棱巖、擠壓片等擠壓作用的特有產(chǎn)物也證實了該構(gòu)造應(yīng)力的擠壓特性。根據(jù)野外小構(gòu)造可以測定應(yīng)力方向，通過實測可知因位置的不同，應(yīng)力的大小和方向也有所不同，但總體上構(gòu)造應(yīng)力方向為由南向北?；茨习斯轿鱾?cè)為NE10°，東側(cè)轉(zhuǎn)為NE50°～60°。用平均位錯密度方法計算舜耕山斷裂和阜李斷裂應(yīng)力大小分別為150.54、170.20 MPa，均呈現(xiàn)出西強(qiáng)東弱的特點。

構(gòu)造應(yīng)力會促進(jìn)煤層的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，對煤體結(jié)構(gòu)起到強(qiáng)烈的破壞作用。在構(gòu)造應(yīng)力和原巖應(yīng)力的共同作用下逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)的瓦斯處于高壓狀態(tài)，根據(jù)瓦斯等溫吸附規(guī)律，高壓狀態(tài)對瓦斯的吸附有著促進(jìn)作用，這就增加了煤層瓦斯含量。因此構(gòu)造應(yīng)力對瓦斯賦存和煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育有一定的影響[12]。逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)較高的構(gòu)造應(yīng)力又為煤與瓦斯突出提供了地質(zhì)動力條件[13]，當(dāng)瓦斯富集區(qū)域受到采掘活動擾動，就可能誘發(fā)煤與瓦斯突出。這也是淮南煤田高突礦井多的原因。

4 淮南望峰崗礦“1.5”煤與瓦斯突出事故原因分析

4.1 望峰崗礦地質(zhì)特征

望峰崗礦是淮南礦業(yè)集團(tuán)謝李煤礦的深部礦井，是該區(qū)域內(nèi)的淺部礦井謝一礦的接替礦井。望峰崗礦位于淮南煤田南緣的逆沖推覆構(gòu)造帶內(nèi)，處于舜耕山逆斷層下盤，阜鳳逆沖斷層上盤。望峰崗礦地質(zhì)特征如圖3所示。

①—穎上—定遠(yuǎn)斷層；②—阜李逆沖斷層；③—舜耕山逆斷層；④—山王集斷層；⑤—阜鳳逆沖斷層；⑥—謝橋—古溝向斜；⑦—潘集背斜。

圖3 望峰崗礦地質(zhì)特征

望峰崗礦井東南自Ⅳ線及隗店斷層，西北到新莊孜礦及F11-9斷層，淺部起于A1煤層-660 m底板等高線,深部止于C13煤層-1 200 m底板等高線,井田走向長約為8.1 km,傾向平均寬約為2.4 km,面積約為19.56 km2[14]。

4.2 望峰崗礦“1.5”煤與瓦斯突出過程

2006年1月5日13時48分，望峰崗礦主井井筒施工揭開C13煤層，引發(fā)煤與瓦斯突出事故。事故發(fā)生在-928 m水平，突出煤炭2 831 t，涌出瓦斯29.27萬m3，事故造成12名人員遇難，是一起特大煤與瓦斯突出事故。

4.3 煤與瓦斯突出原因分析

望峰崗礦所處井田受淮南煤田南緣的逆沖推覆構(gòu)造影響明顯，井田淺部地層直立，深部地層倒轉(zhuǎn)后又變成正常傾斜，呈反“S”狀褶曲[15]，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致礦井所處地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力集中，且構(gòu)造應(yīng)力是引發(fā)本次事故的主導(dǎo)因素。筆者從逆沖推覆構(gòu)造對煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存、構(gòu)造應(yīng)力3個要素的影響來分析望峰崗礦“1.5”事故的原因。

1) 構(gòu)造煤發(fā)育。發(fā)生突出的C13煤層受逆沖推覆構(gòu)造及次生構(gòu)造的控制，煤體破壞嚴(yán)重，構(gòu)造煤發(fā)育。井田內(nèi)的C13煤層平均厚度為5.89 m，最大厚度可達(dá)9.04 m，屬于較厚煤層。構(gòu)造煤厚度達(dá)到1.19～2.26 m,超出突出臨界厚度[16](0.40～0.50 m)的138%～465%， C13煤層具有嚴(yán)重的突出危險性。

2) 瓦斯含量高。舜耕山逆沖推覆體將新地層推覆至老地層之上，導(dǎo)致井田上覆土層增厚，煤層埋藏深度大，瓦斯壓力高。同時舜耕山斷層壓性特性對瓦斯起到封閉作用，游離瓦斯不易逸散。據(jù)統(tǒng)計C13煤層瓦斯含量為5.54～23.65 m3/t，平均為12.50 m3/t[12]，瓦斯含量高是導(dǎo)致C13煤層發(fā)生煤與瓦斯突出事故的重要原因之一。

3) 構(gòu)造應(yīng)力集中?；茨厦禾锬暇壞鏇_推覆構(gòu)造帶內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力多呈現(xiàn)壓性、壓扭性特征，望峰崗礦井田位于舜耕山逆斷層下盤，屬于深部礦井，發(fā)生突出的地點在-928 m水平，地應(yīng)力大。井田內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力和原巖應(yīng)力共同作用使C13煤層瓦斯處于高壓狀態(tài)。當(dāng)全面揭開C13煤層時，由于存在一定厚度的殘留硬煤抵抗煤與瓦斯的突出，使得煤與瓦斯突出事故并未立刻發(fā)生。但是揭煤后的原應(yīng)力場平衡狀態(tài)被打破，構(gòu)造應(yīng)力集中。當(dāng)煤層被全斷面揭開 3 m 后，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下破碎煤體內(nèi)積聚的能量突破了殘余硬煤的抵抗能力，高壓瓦斯攜帶著大量破碎煤體涌進(jìn)巷道，發(fā)生煤與瓦斯突出事故。綜上分析可知，構(gòu)造應(yīng)力是造成本次事故的主導(dǎo)因素。

5 結(jié)論

1)淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造于印支—燕山期在揚子克拉通和華北克拉通相互擠壓、碰撞作用下而形成，主要分布在淮南煤田的南緣和北緣。

2)淮南煤田逆沖推覆構(gòu)造對該煤田的煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯賦存、構(gòu)造應(yīng)力有重要的影響。構(gòu)造帶內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育，瓦斯含量高，構(gòu)造應(yīng)力對瓦斯賦存及煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育有一定影響。

3)受逆沖推覆構(gòu)造的影響，構(gòu)造帶內(nèi)瓦斯含量高、構(gòu)造煤發(fā)育是煤與瓦斯突出的物質(zhì)基礎(chǔ)條件，而較高的構(gòu)造應(yīng)力及較高的瓦斯壓力為煤與瓦斯突出提供了動力條件。這些也是造成淮南望峰崗礦發(fā)生煤與瓦斯突出事故的重要原因。