西山煤田主控應(yīng)力場的分析

付君華

(西山煤電股份有限責(zé)任公司 山西古交西山義城煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 古交 030003)

太原西山煤田地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，主控應(yīng)力場對斷層、褶皺以及瓦斯的分布規(guī)律與形成機(jī)理有著主要控制作用，對煤礦設(shè)計(jì)、開采地質(zhì)條件影響甚大。因此，有必要結(jié)合礦井地質(zhì)實(shí)際資料從理論上對西山煤田主應(yīng)力場深化研究，總結(jié)其賦存與發(fā)育規(guī)律?！锻咚沟刭|(zhì)學(xué)》中丁國瑜繪制了中國及鄰區(qū)現(xiàn)代應(yīng)力場圖[1];韓貝貝等[2]對西山煤田現(xiàn)代應(yīng)力場最大張拉應(yīng)力進(jìn)行了模擬研究;鄧強(qiáng)等[3]對西山煤層氣結(jié)合構(gòu)造演化史探討了主成藏期；朱亞茹等[4]結(jié)合地質(zhì)控制機(jī)理與水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐郑懻摿瞬煌瑔卧暮瑲饬刻卣?；曹愛國[5]對西山煤層與主應(yīng)力相關(guān)的內(nèi)生裂隙進(jìn)行了研究。上述研究方向較客觀地從不同角度分析了構(gòu)造應(yīng)力場的影響，但結(jié)合礦井地質(zhì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，未系統(tǒng)地分析、綜合地研究應(yīng)力場的控制作用，對煤礦生產(chǎn)應(yīng)用效果欠佳。本文通過研究西山煤田主控應(yīng)力場方向?yàn)橹黧w構(gòu)造的控制機(jī)理、構(gòu)造影響與煤層氣影響提供參考。

1 西山煤田概況

西山煤田位于山西省中部太原地塹盆地西面，呂梁山東面，主控構(gòu)造位于西部古交、呈南北走向的馬蘭復(fù)向斜系，由北東向及南北向若干地壘式斷裂帶構(gòu)成的石炭-二疊系含煤建造；面積541 km2、含2#—9#可采煤層；其西部的古交礦區(qū)為重要的主焦煤基地、帶壓開采；其東部的前山礦區(qū)為動(dòng)力煤基地、不帶壓。

2 煤田最大主應(yīng)力場的繪制

2.1 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)對最大主壓應(yīng)力的分析

由力偶P誘導(dǎo)產(chǎn)生的最大主壓應(yīng)力σ1為290°方向，同生的最小主應(yīng)力σ3即P主扭應(yīng)力面為20°方向；S1組節(jié)理為明顯的左型剪切壓性節(jié)理、斷層組為NE向36°、代表性斷裂帶為系列地壘斷層；其與主壓應(yīng)力面銳夾角θ/2(θ為巖體內(nèi)摩擦角)約16°指示本側(cè)扭動(dòng)方向；而S2組則為發(fā)育不甚明顯的另一組節(jié)理NW向(拉張性)。S1-S2組成共軛剪節(jié)理系。S2組為右型張應(yīng)力性質(zhì)的一組張性節(jié)理或斷裂，與共軛羽狀節(jié)理平行而生成。t為同生張應(yīng)力結(jié)構(gòu)面，與σ1方向290°相同。煤田所在大地構(gòu)造單元為華北準(zhǔn)地臺中部，受北面西伯利亞板塊、東面太平洋-菲律賓板塊、西南面印度板塊三面擠壓，相互制約，成為該區(qū)域的主要影響力。前期主控受北面板塊的影響，形成祁-呂-賀“山字型”構(gòu)造體系的東翼弧中段，東西向主壓應(yīng)力場作用下形成經(jīng)向擠壓褶皺構(gòu)造及左型北東向的斷裂構(gòu)造，同時(shí)相伴形成近東西向的t張性結(jié)構(gòu)面，對區(qū)域影響最大。后期受西南面板塊疊加?xùn)|面板塊相互擠壓應(yīng)力聯(lián)合作用，對先期的北東向左型斷層進(jìn)行局部右型化改造或影響。而南北兩端局部存在南北向應(yīng)力衍生出近東西向的張應(yīng)力σ3，對該區(qū)瓦斯地質(zhì)、水文地質(zhì)條件起控制作用。自西向東的斷層走向由北北東到北東、北東東弧形偏轉(zhuǎn)的形態(tài)。

2.2 西山煤田主壓應(yīng)力場的展布特征

煤田北部最大主壓應(yīng)力σ1為110°～290°向，如煤田西北部的鎮(zhèn)城底礦井田西部71°～152°兩組共軛羽狀節(jié)理的角平分線為111°向；同區(qū)同期形成20°走向的褶軸。再如煤田東西兩部的邊緣大斷裂—經(jīng)向構(gòu)造一級主控體系；空間上繼承了太古呂梁期、晚古華力西期、燕山期西部近東西向的巖漿巖巖墻等期應(yīng)力場。

煤田西部中段受燕山Ⅰ期(J3-K1)狐偃山巖體的影響，向東、向東北、東南面放射狀隆-拱-推效應(yīng)作用，呈同心半圓圈狀向斜軸。表現(xiàn)為廟前山隆起、馬蘭向斜主控構(gòu)造、煤田西部接觸變質(zhì)帶等。

煤田西南部最大主壓應(yīng)力σ1向北偏轉(zhuǎn)為70°，如水峪貫地區(qū)寺溝西梁劉家溝組與大小溝石千峰組轉(zhuǎn)平后的共軛節(jié)理σ1方位為74°～68°.

在煤田南端最大主壓應(yīng)力σ1為近東西向、米家莊-西社斷層(北西向左型)與靛頭-泉泉寺斷層(北東向右型)組成的共軛節(jié)理σ1方位為90°.

南、北兩端受早古生代NS向主壓應(yīng)力作用，形成兩處砥柱式局部應(yīng)力場:1) 嘉樂泉砥柱式局部應(yīng)力場構(gòu)造背景為緯向構(gòu)造體系38°,分割了寧武煤田與本煤田。 2) 云夢山砥柱式局部應(yīng)力場為煤田南部清交斷層(從燕山-喜山期繼承并改造)向東延入地塹，分割了本煤田與沁水煤田；同時(shí)疊加了東區(qū)祁縣早燕山期隱伏侵入巖體(T3-J1)影響。西山煤田構(gòu)造綱要圖及主應(yīng)力場分布見圖1.

2.3 與早期最大主壓應(yīng)力有關(guān)的正逆斷層的特征

正斷層斷面的傾角一般為45°～90°. 而逆斷層一般傾角較小，傾角<45°稱為低角度逆斷層與逆掩斷層；而個(gè)別高角度逆斷層傾角>45°，常在正斷層發(fā)育區(qū)出現(xiàn)，如太原西山煤田東北部的“磺廠溝，見小型逆斷層產(chǎn)狀335°∠35°”[6]，與附近正斷層傾向相同。逆斷層規(guī)模愈大，推移距離愈遠(yuǎn)，斷層面傾角也愈平緩。在西山煤田西北部的義城井田，見斷距較大正逆斷層相伴而生的情況，F(xiàn)141斷層產(chǎn)狀255°∠73°，斷距15.4；其下盤方向即東側(cè)有F139正斷層，243°∠56°；二者產(chǎn)狀相近。據(jù)煤田各礦井粗略統(tǒng)計(jì)，多數(shù)大斷層傾向與煤層傾向相反，即西部區(qū)域斷層多傾向西或西北，而東部區(qū)域斷層多傾向東或東南方向；無論正、逆斷層均有這樣的規(guī)律，從而控制煤斷塊與采空積水的分布。

2.4 后期最大主應(yīng)力有關(guān)的地應(yīng)力

綜合模擬據(jù)震源機(jī)制分析得出太原西山煤田的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征與山西地塹系的構(gòu)造背景一致，西山煤田的現(xiàn)代構(gòu)造作用以NW—NNW向的近水平拉張作用為主；均由四周向內(nèi)部逐漸增大[2].

“煤層的內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，是由于其處于中等變質(zhì)階段所致，從生產(chǎn)礦井及鉆探采取的煤芯中均 可觀察到，主要發(fā)育NWW, NNE、NE、NW向四組裂隙。 NE和NW向兩組裂隙平直且緊密，裂隙寬度1～1.5 mm，NWW和NNE向兩組裂隙呈張開狀態(tài)，但軌跡平直，寬度3～5 mm,前者屬壓扭性，后者屬張扭性，二者互相切割。煤層裂隙中一般無充填物，局部見少量方解石脈”[5]. NWW和NNE向兩組裂隙分別代表東西向與南北向的最大主壓力方向，并顯示出后者對前者的改造作用。

3 最大主應(yīng)力對本煤田煤層氣的控制

煤田西部深埋區(qū)為較典型的瓦斯突出區(qū)、潛在的地應(yīng)力較高區(qū)、深層潛在的東西向奧灰基巖巖溶裂隙水逕流通道系統(tǒng)。上述3期擠壓分別對應(yīng)煤層氣的生成、貯藏、壓存作用階段。西區(qū)裂隙先后受東西向壓裂、左型扭裂最后到閉合深埋；東區(qū)則先后受東西向壓裂、右型扭裂最后到隆升南北向張裂，造成了差別較大的瓦斯與水文地質(zhì)條件。

3.1 最大主應(yīng)力有關(guān)的煤層氣成因侵入方向

通過西山煤田東、西區(qū)煤層差異熱演化史特征和聚氣史的對比研究，認(rèn)為東區(qū)受祁縣隱伏侵入巖體影響，二次生烴時(shí)期為T3-J1(燕山早期)；西區(qū)受狐偃山巖體的影響，二次生烴期為J3-K1(燕山中期)[3]. 證實(shí)西區(qū)煤層氣不僅遭受散失時(shí)間相對短，主要還是受區(qū)域最大主應(yīng)力作用強(qiáng)，向斜構(gòu)造下陷深度大，故煤層氣對煤層氣藏的保存有利。

3.2 構(gòu)造主控應(yīng)力對西山煤田煤層氣的控制

以西山煤田古交礦區(qū)為研究對象，分析產(chǎn)出水離子濃度、水質(zhì)水型、礦化度和煤層含氣量分布特征結(jié)合地下水動(dòng)力場分布特征，劃分了3種水文地質(zhì)單元，其中滯留區(qū)含氣量最高、弱徑流區(qū)次之、補(bǔ)給徑流區(qū)最低；古交礦區(qū)煤層氣在屯蘭中部形成單斜-水力封堵型煤層氣藏，為現(xiàn)在全區(qū)煤層氣最為富集區(qū)；東曲斷層比較發(fā)育，形成地壘-水力封堵型煤層氣藏，為煤層氣較為富集區(qū)[4]. 預(yù)測在馬蘭東部形成向斜-水力封堵型煤層氣藏，將為全區(qū)煤層氣最為富集區(qū)。

圖1 西山煤田構(gòu)造綱要圖及主應(yīng)力場分布圖

“從區(qū)域構(gòu)造背景比較，擠壓構(gòu)造背景時(shí)間長、次數(shù)多的區(qū)域，高瓦斯礦區(qū)、礦井分布居多；拉張背景時(shí)間長、風(fēng)化剝蝕時(shí)間長的區(qū)域，低瓦斯礦區(qū)、礦井分布居多”[6]. 整個(gè)西山煤田自西向東、先后經(jīng)受了呂梁山壓應(yīng)力期(-200～-65 MPa)、狐偃山壓應(yīng)力期(-90～-80 MPa)和石千峰應(yīng)力期(-48～-10 MPa)3次明顯的擠壓作用。呂梁山、狐偃山與石千峰依次受壓隆升[6]. 從整個(gè)西山煤田看，西區(qū)較東區(qū)更接近呂梁山-狐偃山壓應(yīng)力區(qū)，張性結(jié)構(gòu)面深埋、封閉條件好，一方面有助于煤層氣的高壓存貯，另一方面造成了煤層氣的低滲透率與抽采難度大。綜合評定西山煤田各礦井地質(zhì)類型條件劃分,見表1.

表1 西山煤田各礦井主控最大應(yīng)力方向與地質(zhì)類型條件劃分表

4 最大主應(yīng)力對本煤田陷落柱的控制

“由于地勢西高東低，地下水由西北向東南方向流動(dòng)， 形成一些由西北向東南方向的地下水逕流帶。馬蘭礦南四采區(qū)正位于此徑流帶上，在此逕流帶上，隨地下水侵蝕加劇形成了巖溶，進(jìn)而形成陷落柱[7]. 陷落柱的發(fā)育區(qū)域與主壓力方向造成的局部構(gòu)造張裂、扭裂有關(guān)。凡陷落柱發(fā)育地段正是瓦斯較低的區(qū)域。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 實(shí)例一

杜兒坪井田在煤田東部杜兒坪斷層上盤采區(qū)布置采面順槽時(shí)，出現(xiàn)一中型向斜構(gòu)造復(fù)合陷落柱影響，施工遭受較大影響，后經(jīng)綜合區(qū)域煤巖層特征與等高線形態(tài)、伴生構(gòu)造等分析受北東向的區(qū)域最大主壓應(yīng)力場的作用，產(chǎn)生為一向北東傾斜的中型逆斷層控制，推斷其落差10 m以上。繞開此斷層重新施工一條順槽，實(shí)現(xiàn)了工作面巷道的閉合。

5.2 實(shí)例二

義城井田在煤田西北部，受煤田北部緯向構(gòu)造體系與煤田西部經(jīng)向構(gòu)造體系壓應(yīng)力作用的綜合影響，基建布置首采面時(shí)煤層產(chǎn)狀較煤田補(bǔ)充勘探鉆孔勾繪的傾角陡一倍以上，在施工該工作面切眼、回風(fēng)順槽時(shí)先后揭露同一條大的正斷層，據(jù)編錄成果結(jié)合鉆探成果發(fā)現(xiàn)其落差達(dá)40 m，走向北東向、傾向北西向，其上盤2#煤層與8#煤層均被整合前小窯采空，積存了大量采空水。后在該斷層下盤抬升斷塊上才成功布置出首采面。受東西向與南北向多期最大壓應(yīng)力場疊加作用影響，由此預(yù)測與此井田毗鄰的鎮(zhèn)城底井田西部、馬蘭井田北部等未采區(qū)域還將賦存同系列的20～40 m落差的大型斷層構(gòu)造。

5.3 實(shí)例三

西曲煤礦大埋深煤巖層風(fēng)氧化帶主要分布在井田東北部，位于傾向北西的紅崖子大斷層(落差90～140 m) 的東南盤，大埋深煤系地層局部區(qū)域頂板、陷落柱及構(gòu)造附近裂隙發(fā)育，具有良好的水循環(huán)條件[8]. 上述風(fēng)化陷落柱均位于紅崖子大斷層附近，長軸多為北西走向，主要受北西向主控壓應(yīng)力的控制。

5.4 實(shí)例四

屯蘭礦南五盤區(qū)位于馬蘭向斜東翼，主應(yīng)力場為東西向疊加南北左型應(yīng)力，從而產(chǎn)生北東方向的斷層占優(yōu)勢。而針對此盤區(qū)的三維地震報(bào)告因未考慮這個(gè)情況，最早的成果圖誤以為北西向斷層為主，造成工作面順槽沿北西向布置，結(jié)果掘進(jìn)與回采均受到數(shù)條北東向斷層的影響，影響施工。說明同一主應(yīng)力場優(yōu)勢方向斷層對采區(qū)工作面走向布置的影響大。

6 結(jié) 論

西山煤田逆斷層少見，與本區(qū)域主要壓應(yīng)力方向垂直；在呈雁行狀排列的北東向斷層占主導(dǎo)的情況下仍可能有少量北西向的斷層共軛出現(xiàn)；20 m以上的大斷層少見，其傾向多與上盤煤層相向而生；同生或派生小斷層是接近大斷層的預(yù)兆，受區(qū)域統(tǒng)一主應(yīng)力場的控制；不同構(gòu)造部位其主控應(yīng)力方向及組合不同，受邊界構(gòu)造場的影響大，應(yīng)分區(qū)研究。

7 建 議

研究煤田區(qū)域主應(yīng)力場，需要結(jié)合西山煤田構(gòu)造綱要圖與井下實(shí)見資料，繪制主控應(yīng)力場分布圖，掌握其對大中型構(gòu)造分布的控制作用，結(jié)合礦井地質(zhì)編錄成果與開采煤層的底板等高線圖、地質(zhì)剖面圖，確定構(gòu)造的性質(zhì)與規(guī)模，以便尋找斷失煤層最可能的方向、距離，為鉆探與巷探檢驗(yàn)提供靶區(qū)。不斷深入分析最大主控應(yīng)力方向與斷層、褶皺的相關(guān)關(guān)系，以及斷層面擦痕側(cè)伏角的產(chǎn)狀，理解其控制作用，對于構(gòu)造及其他開采地質(zhì)條件的預(yù)判具有較好的實(shí)用前景。