開灤礦區(qū)瓦斯地質(zhì)單元劃分

張九零，王苗苗，朱定

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

瓦斯伴隨著煤的產(chǎn)生而產(chǎn)生并賦存在煤中，由于后期地質(zhì)運動，煤層將會發(fā)生褶曲、斷裂、傾斜、翻轉(zhuǎn)等地質(zhì)變化，由于巖漿、埋藏深度、水文條件、斷層等因素影響，煤中瓦斯含量分布不均勻，給開采工作帶來巨大安全隱患[1,2]。研究瓦斯地質(zhì)單元有利于對不同區(qū)域瓦斯進(jìn)行分級管理，保障煤礦的安全開采。

1開灤礦區(qū)地質(zhì)條件

1.1 開灤礦區(qū)地質(zhì)概況

開灤礦區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造有開平向斜、薊玉向斜和車軸山向斜[3]。礦區(qū)歷史上經(jīng)歷多次構(gòu)造演化作用，因此礦區(qū)內(nèi)斷層以及褶皺發(fā)育較為密集[4]。礦區(qū)多個煤層復(fù)雜多變，煤層傾角及煤層厚度變化較大，由于構(gòu)造演化導(dǎo)致不同區(qū)域地質(zhì)拉張與擠壓作用，導(dǎo)致煤層產(chǎn)生包括傾斜煤層甚至倒轉(zhuǎn)煤層，且地層隨著多年來的沉積作用以及構(gòu)造演化導(dǎo)致礦區(qū)煤層厚度不均勻，既有薄煤層，也有厚煤層甚至特厚煤層[5]。礦區(qū)主要生產(chǎn)礦井包括東歡坨礦、唐山礦、林西礦、呂家坨礦、范各莊礦和錢家營礦，各礦井田相對位置如圖1所示。

圖1 開平向斜轉(zhuǎn)折構(gòu)造[1]

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

燕山運動導(dǎo)致地質(zhì)擠壓作用嚴(yán)重，開平向斜伴隨產(chǎn)生，整體向斜巖層走向呈北東向，由于構(gòu)造運動影響，向斜西北翼巖層傾角過大，直到倒轉(zhuǎn)，且伴隨發(fā)育大量斷層及褶曲，斷層間往往伴隨多個小斷層及褶曲構(gòu)造，構(gòu)造復(fù)雜多變；向斜東南翼巖層傾角較為平緩，以褶皺構(gòu)造為主，伴隨張性斷裂及張扭性斷裂發(fā)育，并與壓扭性斷裂直交，橫切地層走向，導(dǎo)致煤層傾角小于斷層傾角，斷層兩盤落差較大。

2瓦斯地質(zhì)單元劃分

煤層、煤質(zhì)、巖漿、水文、地質(zhì)構(gòu)造等因素對開灤礦區(qū)瓦斯賦存的影響，以地質(zhì)構(gòu)造為主要依據(jù)對開灤礦區(qū)每個礦以一個主要生產(chǎn)煤層進(jìn)行地質(zhì)單元劃分。

2.1 范各莊瓦斯地質(zhì)單元劃分

范各莊礦[6]井田位于開平向斜東南翼，地層傾角較小，煤層整體埋深自東到西逐漸增大，整體瓦斯賦存隨煤層埋深呈分區(qū)分帶特點。井田總體地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，同時局部構(gòu)造特點相差較大，由南到北可以劃分為3個不同的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)。南區(qū)以范各莊向斜為主的褶曲構(gòu)造以及發(fā)育有大型斷層為主要構(gòu)造，向斜由于自身走向特點，向斜軸向形成2個盆地結(jié)構(gòu)，井田南部邊緣斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，向斜發(fā)育以及斷層發(fā)育導(dǎo)致局部瓦斯賦存特點產(chǎn)生較大的變化。中區(qū)構(gòu)造相對簡單，地層傾角較小，但中部發(fā)育有一條近南北走向的大型正斷層F0斷層把井田分為東西兩部分。北區(qū)褶曲構(gòu)造發(fā)育，主要為開平向斜軸在該區(qū)域發(fā)生偏轉(zhuǎn)派生出一些褶皺構(gòu)造，褶皺構(gòu)造軸部由于地質(zhì)運動擠壓發(fā)育有一些中小斷層，且區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，對局部瓦斯賦存特點影響很大。根據(jù)礦井地質(zhì)構(gòu)造情況及瓦斯賦存特性，將范各莊礦5煤層劃分為5個瓦斯地質(zhì)單元，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 范各莊礦5煤層瓦斯地質(zhì)單元劃分圖

圖2范各莊礦5煤層瓦斯地質(zhì)單元劃分圖地質(zhì)單元Ⅰ位于井田北部區(qū)域。單元內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，以塔坨向斜為主的褶皺構(gòu)造尤為發(fā)育，且向斜軸部伴隨發(fā)育有一些小型斷層。單元內(nèi)揭露有多個巖溶陷落柱且水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，單元內(nèi)局部瓦斯賦存狀況受復(fù)雜的地質(zhì)條件控制。

地質(zhì)單元Ⅱ位于中部地區(qū)且位于F0斷層以東區(qū)域。該單元地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，地層走向變化不大且地層傾角較小。單元內(nèi)煤層埋深自東到西逐漸增大，但總體煤體埋深較小，整體瓦斯含量較低，該單元為各煤層主要采煤區(qū)域。地質(zhì)單元Ⅲ位于井田南部區(qū)域且位于F0斷層以東，該單元煤層整體埋深較小。單元內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，褶皺構(gòu)造以及派生的斷裂構(gòu)造尤為發(fā)育，斷層基本為正斷層，有利于瓦斯逸散。

地質(zhì)單元Ⅳ位于中部地區(qū)且位于F0斷層以西區(qū)域。該單元地質(zhì)構(gòu)造簡單，且地層傾角較小，但整體煤層埋深較大，總體瓦斯含量較Ⅱ單元大。單元內(nèi)7煤層基本可開采，其它煤層只有局部可采或者不可開采。

地質(zhì)單元Ⅴ位于井田南部區(qū)域且位于F0斷層以西，單元地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，主要褶皺構(gòu)造為畢各莊向斜，該向斜由于軸部特殊偏移導(dǎo)致單元內(nèi)形成了一個盆地，盆地底部區(qū)域容易積聚大量瓦斯。單元內(nèi)發(fā)育有多條大型斷層，且在井田南部邊界形成斷層帶，對煤體結(jié)構(gòu)及瓦斯賦存影響很大，且該單元煤體開采難度較大，各煤層基本不可采。

2.2 林西礦瓦斯地質(zhì)單元劃分

林西礦[7]位于開平向斜東南翼，煤層西高東低，整體地層走勢較為平緩，煤層的走向有一定變化。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，其中褶皺構(gòu)造尤為發(fā)育，井田內(nèi)由北到南發(fā)育有開平向斜以及杜軍莊背斜，走向基本呈東西向。斷裂構(gòu)造以F1正斷層為主，局部還發(fā)育一些中小斷層，對于煤田瓦斯賦存狀態(tài)造成影響。煤田部分區(qū)域被巖漿巖侵入，形成巖墻。井田瓦斯賦存特性主要受地質(zhì)構(gòu)造以及煤層埋深影響。

對林西礦目前開采的12號煤層進(jìn)行地質(zhì)單元劃分，主要依據(jù)為地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)對瓦斯賦存特點的影響，劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 林西礦12煤層瓦斯地質(zhì)單元劃分圖

地質(zhì)單元Ⅰ位于煤層南部區(qū)域，單元內(nèi)煤層埋深西高東低，且落差很大，最大落差可達(dá)1 000 m，造成瓦斯含量呈現(xiàn)西高東低狀態(tài)。單元內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育，以東西走向的杜軍莊背斜為代表，該區(qū)域內(nèi)巷道多分布于背斜兩翼，增加了巷道布置和采煤難度。單元內(nèi)東部地區(qū)巖漿巖侵入，在煤體形成巖墻，侵入地區(qū)由于巖漿的高溫變質(zhì)作用，導(dǎo)致煤體生成大量瓦斯。由于該區(qū)域褶皺構(gòu)造較其它區(qū)域發(fā)育，故將該區(qū)域劃為一個單元。

地質(zhì)單元Ⅱ位于井田中部地區(qū)，該單元煤層埋深水平東低西高，落差較大，但整體煤層傾角較為平緩。單元內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，有2條巖漿巖侵入煤體形成的巖墻，侵入部分造成瓦斯聚集能力增強。單元北部以F1斷層為界，與Ⅲ單元相隔，由于斷層落差較大，造成斷層兩盤地質(zhì)因素差異較大，該區(qū)域內(nèi)小型正斷層極其發(fā)育有利于瓦斯逃逸，瓦斯含量較低。因此將F1斷層劃定為劃分單元的界限。

地質(zhì)單元Ⅲ位于井田北部區(qū)域，埋藏較深，該單元由于F1斷層阻斷作用，有利于瓦斯保存，且井田邊界位于開平向斜軸部地區(qū)，瓦斯含量高，煤層走向較Ⅱ單元變化較大。單元內(nèi)采區(qū)巷道工程布置較少，煤層局部可采。

2.3 呂家坨礦瓦斯地質(zhì)單元劃分

呂家坨礦[8]位于開平向斜東南翼，與林西礦、范各莊礦相鄰。井田地板傾角較小，煤體埋深總體來看由東到西逐漸增大，局部地區(qū)由于地質(zhì)運動導(dǎo)致地板擠壓造成埋深增加。礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺構(gòu)造發(fā)育較多，主體構(gòu)造為近東西走向的呂家坨背斜，另外發(fā)育有范各莊向斜、范各莊背斜及范各莊復(fù)向斜。由于主體地質(zhì)構(gòu)造的伸展作用，斷層發(fā)育較多，且多為正斷層，巖漿巖沿呂家坨背斜軸部斷裂帶侵入多個煤層，形成巖床，造成局部地區(qū)瓦斯含量增大。

根據(jù)礦井地質(zhì)構(gòu)造情況對瓦斯賦存特性的影響，將呂家坨12煤層劃分為4個瓦斯地質(zhì)單元，劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 呂家坨礦12煤層地質(zhì)單元劃分圖

地質(zhì)單元Ⅰ位于井田西北部，該單元內(nèi)煤層整體埋深較深，且瓦斯含量隨埋深變化呈正相關(guān)的關(guān)系。單元內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，呂家坨背斜貫穿其中，由于地質(zhì)作用力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為張力，故背斜軸部地區(qū)派生出了多條張性正斷層，故背斜軸部地區(qū)有利于瓦斯逸散。巖漿巖沿張性斷層侵入煤體，形成巖床，其中12煤層被侵入面積最大，巖漿侵入地區(qū)導(dǎo)致煤體變質(zhì)作用增強，產(chǎn)生大量瓦斯，瓦斯涌出量相應(yīng)增大。

地質(zhì)單元Ⅱ位于井田東北部，該單元內(nèi)煤層整體埋深較淺，受埋深影響，煤層整體瓦斯含量較小。單元內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造為呂家坨背斜以及背斜軸部派生的小型斷層，斷層多為高角度正斷層，十分有利于瓦斯逸散，故該單元瓦斯含量較低。

地質(zhì)單元Ⅲ位于井田西南部，該單元內(nèi)煤層整體埋深較深，瓦斯含量因埋深影響偏大。地質(zhì)構(gòu)造以發(fā)育的多條小型斷裂為主，瓦斯含量較高。

地質(zhì)單元Ⅳ位于井田東南部，單元內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，畢各莊向斜、范各莊背斜及范各莊復(fù)向斜發(fā)育其中，主體為畢各莊向斜，由于向斜是地質(zhì)擠壓作用產(chǎn)生，導(dǎo)致向斜軸部地區(qū)地板下沉較多，且形成了致密的頂板，因而軸部瓦斯極易積聚，導(dǎo)致瓦斯含量及瓦斯壓力偏大。

2.4 東歡坨礦瓦斯地質(zhì)單元劃分

東歡坨礦[9]位于開平向斜西北翼的西側(cè)，井田主要采區(qū)位于走向為北東東到南西西方向的車軸山向斜東南翼。井田總體地層走勢較為平緩，褶曲發(fā)育較少，且斷裂發(fā)育大型斷層較少，中小型斷層較為發(fā)育，斷層是由于地質(zhì)擠壓造成，斷層走向多數(shù)與車軸山向斜相同大致呈南北走向，礦區(qū)北部有一個大的F2斷層，主要開采區(qū)處于礦區(qū)東南部分。根據(jù)煤層埋深對瓦斯賦存的相關(guān)影響，并以礦井生產(chǎn)水平及地質(zhì)構(gòu)造為依據(jù)對東歡坨8煤層劃分為6個瓦斯地質(zhì)單元。劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 東歡坨礦8煤層地質(zhì)單元劃分圖

地質(zhì)單元Ⅰ位于井田淺區(qū)北部，該單元地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，主要構(gòu)造為車軸山向斜，向斜軸部地區(qū)，由于強烈的地質(zhì)擠壓作用，派生了多條斷層且伴隨煤體遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯大量逸散，向斜軸部區(qū)域瓦斯含量偏小。單元內(nèi)發(fā)育有多條小型斷層，斷層交面處造成大量瓦斯散失。該單元南端以F2斷層為界與單元Ⅱ相隔，該單元內(nèi)總體瓦斯含量較小。

地質(zhì)單元Ⅱ位于井田淺區(qū)中部，該單元位于車軸山東南翼且距離向斜軸部較遠(yuǎn)，地層較為平緩，且斷層發(fā)育較少。該單元煤層總體埋深較小，瓦斯含量較小且單元內(nèi)變化不大，該單元為各煤層主要采煤區(qū)域。

地質(zhì)單元Ⅲ位于井田淺區(qū)南部，該單元地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，煤層埋深較淺。目前各煤層基本沒有在此單元布置工作面。地質(zhì)單元Ⅳ位于井田中區(qū)，該單元內(nèi)整體地板傾角小且煤層走向穩(wěn)定，該單元內(nèi)各煤層都有多個采面可穩(wěn)定采煤。

地質(zhì)單元Ⅴ位于井田深區(qū)，單元內(nèi)煤層埋深普遍較大。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，車軸山向斜兩翼煤層走向變化較大。該單元基本無采區(qū)布置。

地質(zhì)單元Ⅵ位于井田深區(qū)南部，煤層埋深較深，瓦斯含量總體與煤埋深呈正相關(guān)。單元構(gòu)造復(fù)雜，受斷層影響，煤層走向變化較大，導(dǎo)致局部瓦斯含量變化較大。單元目前無采煤工作面。

2.5 錢家營礦瓦斯地質(zhì)單元劃分

錢家營礦[10]井田位于開平向斜東南翼，井田整體地形走勢呈東北高、西南低的狀態(tài)。緊鄰范各莊礦和呂家坨礦，井田內(nèi)東西兩翼地層地質(zhì)構(gòu)造差別較大，東北部區(qū)域發(fā)育有一條主要走向為東西向的南陽莊背斜，背斜兩側(cè)煤層地形坡度變化較大，且褶皺軸部地區(qū)伴隨發(fā)育一些斷層，礦區(qū)東部處于南陽莊背斜軸部地區(qū)，有利于瓦斯擴散，且褶皺軸部地區(qū)伴隨發(fā)育一些斷層，井田東翼發(fā)育有多條大中型斷層，對瓦斯賦存有很大影響，東部瓦斯含量較小無突出危險。煤田中部巖漿巖進(jìn)入部分煤體，對煤體與瓦斯的作用明顯。并且中部由于構(gòu)造擠壓作用產(chǎn)生了小型逆斷層，造成瓦斯大量積聚，中部采區(qū)為主要瓦斯突出危險監(jiān)測區(qū)，礦井現(xiàn)在有18個采區(qū)，3個生產(chǎn)水平，根據(jù)標(biāo)高-850的第二水平將礦井分為深部采區(qū)及淺部采區(qū)，并將該礦井5煤層以地質(zhì)構(gòu)造為依據(jù)分為3個地質(zhì)單元，單元劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 錢家營礦5煤層地質(zhì)單元劃分圖

地質(zhì)單元Ⅰ位于井田東部，該單元包括一采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū)、四采區(qū)、十采區(qū)以及十一采區(qū)。該單元褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造十分復(fù)雜，主要褶皺構(gòu)造為南陽莊背斜，背斜軸部區(qū)域由于張性裂隙發(fā)育，有利于瓦斯散失。目前東部主要可采區(qū)域集中在背斜兩側(cè)，由于應(yīng)力對地層影響，兩側(cè)煤層走向產(chǎn)生較大變化。由于地質(zhì)運動影響，褶皺發(fā)育同時伴隨著斷裂發(fā)育，背斜軸部區(qū)域由于地質(zhì)運動的拉張作用，派生多條斷層，對煤體破壞嚴(yán)重，增大了該區(qū)域的采煤難度。由于該單元煤體埋深整體較小，且地質(zhì)構(gòu)造利于瓦斯逸散，故該單元瓦斯含量較低。該單元內(nèi)為各煤層主采區(qū)域。

地質(zhì)單元Ⅱ位于井田淺區(qū)中部，該單元包括五采區(qū)、六采區(qū)、七采區(qū)、八采區(qū)4個采區(qū)，以及十六采區(qū)等多個采區(qū)。該單元地質(zhì)構(gòu)造較多，煤層沉積較穩(wěn)定，由于擠壓地質(zhì)作用，有大量小型逆斷層，造成瓦斯含量較高，煤層埋深較淺且煤層傾角不大，八采區(qū)有巖漿巖侵入，侵入?yún)^(qū)瓦斯涌出量偏高，該單元整體瓦斯含量較高。

地質(zhì)單元Ⅲ位于井田淺區(qū)西部，包括九采區(qū)和十三采區(qū)，該地區(qū)構(gòu)造較簡單，目前單元內(nèi)無采煤工作。

2.6 唐山礦瓦斯地質(zhì)單元劃分

唐山礦井田位于開平向斜西北翼，由于該翼地層受到強烈地質(zhì)擠壓作用，造成該區(qū)域地層傾角過大，且由于地質(zhì)擠壓伴生褶曲以及斷裂構(gòu)造特別發(fā)育。唐山礦井田受到地質(zhì)構(gòu)造運動影響較大，因而井田內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度特別高，井田東南部發(fā)育有作為井田主體構(gòu)造的胥各莊向斜以及岳各莊波折褶曲地帶。地質(zhì)擠壓導(dǎo)致地板破碎，井田發(fā)育很多大型斷層以及中小型斷層較為密布，斷層屬性多為壓性或者是壓扭性逆斷層，斷層對瓦斯橫縱向運移起到阻擋作用。唐山礦已開采一百多年，主要開采煤層包括五煤層、八煤層以及九煤層，目前多數(shù)采區(qū)早已開采完畢，針對九煤層以褶曲斷裂構(gòu)造及上覆地層厚度為依據(jù)，對礦井進(jìn)行單元劃分，劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 唐山礦九煤層地質(zhì)單元劃分圖

地質(zhì)單元Ⅰ作為礦井新開拓的區(qū)域，其受地質(zhì)波折構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)采煤難度相對增大，而且該單元內(nèi)瓦斯含量與其它區(qū)域相比明顯較大，尤其岳各莊褶皺軸部地帶由于構(gòu)造的封蓋作用瓦斯含量極大，該單元內(nèi)測得瓦斯涌出量隨波折變化呈現(xiàn)軸部高、兩翼低的特點。

地質(zhì)單元Ⅱ同樣作為最新開拓的區(qū)域，目前開掘的采區(qū)較少，且開掘的難度較大。由于主體褶皺構(gòu)造在此發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且該區(qū)位于褶皺軸部，該區(qū)瓦斯賦存受構(gòu)造因素影響較大，該區(qū)煤層上覆地層厚度極大，區(qū)內(nèi)瓦斯含量豐富，且瓦斯涌出量受構(gòu)造影響普遍偏大。

地質(zhì)單元Ⅲ煤體上覆地層厚度較小，煤層整體埋藏深度與另兩個單元相比較淺，該區(qū)內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)受地質(zhì)擠壓破壞較小，該處實測瓦斯涌出量較其它區(qū)域低。由于該處地形較為舒緩，有利于瓦斯散失，瓦斯含量數(shù)據(jù)實測結(jié)果也較小。

3結(jié)論

(1)開灤礦區(qū)主要是開平向斜和車軸山向斜為主要地質(zhì)構(gòu)造，開平向斜呈北東向，西北翼傾角大，斷層多、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯含量高的礦區(qū)主要是在唐山礦。開平向斜東南翼角度以緩褶皺構(gòu)造為主，伴隨張性斷裂及張扭性斷裂發(fā)育，瓦斯含量較低，主要分布有林西礦、呂家坨礦、范各莊礦以及錢家營礦。

(2)以地質(zhì)構(gòu)造分布特征為主要依據(jù)，將范各莊、林西礦、呂家坨礦、東歡坨礦、錢家營礦、唐山礦分別劃分為5個、3個、4個、6個、3個、3個瓦斯地質(zhì)單元。