艾維爾溝礦區(qū)構(gòu)造及其演化對(duì)煤層瓦斯賦存的控制

李 文

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦瓦斯災(zāi)害的頻發(fā)直接威脅著煤礦一線生產(chǎn)工人的生命安全，嚴(yán)重妨礙著煤礦的正常生產(chǎn)以及煤炭工業(yè)的持續(xù)、健康和穩(wěn)定發(fā)展，同時(shí)也間接的影響著諸多家庭的幸福和一定程度上的社會(huì)和諧穩(wěn)定，所以加強(qiáng)煤礦瓦斯災(zāi)害防治是確保煤炭資源安全、煤礦工人幸福及創(chuàng)建和諧社會(huì)的重要前提和必要途徑。然而有效防治煤礦瓦斯災(zāi)害的前提就是需要明確掌握煤礦瓦斯的賦存規(guī)律及其主控因素。由于我國(guó)聚煤盆地大多是經(jīng)歷多旋回、多期次構(gòu)造疊加的復(fù)合盆地，因此各煤田地質(zhì)構(gòu)造及其演化極其復(fù)雜，煤層及煤層瓦斯賦存條件大多受控于地質(zhì)構(gòu)造及其演化特征。為了明確構(gòu)造及其演化對(duì)艾維爾溝礦區(qū)煤層瓦斯賦存的控制作用，采用現(xiàn)今地應(yīng)力實(shí)測(cè)、含煤盆地埋藏史-熱史模擬、現(xiàn)場(chǎng)資料統(tǒng)計(jì)分析等方法對(duì)礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)、含煤地層埋藏史、煤層變質(zhì)作用、瓦斯生成與散失、煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性等開(kāi)展研究，為艾維爾溝礦區(qū)煤層瓦斯災(zāi)害的防治提供理論指導(dǎo)。

1 礦區(qū)概況

艾維爾溝礦區(qū)行政區(qū)劃隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)，是一個(gè)具有60 多年開(kāi)采歷史的老礦區(qū)，同時(shí)也是新疆維吾爾自治區(qū)重要的煉焦煤生產(chǎn)基地，具有煤質(zhì)好、煤層變質(zhì)程度高、煤炭資源量豐富等特點(diǎn)，其煤類是以肥煤為主的氣、肥、焦、瘦混合煤種[1]。礦區(qū)東西長(zhǎng)約25 km，南北寬約3.6 km，面積約為89.82 km2[2-3]，目前有1890 礦井、1930 礦井及2130 礦井3 對(duì)生產(chǎn)礦井且均為突出礦井。礦區(qū)內(nèi)出露地層包括石炭系、二疊系、三疊系及侏羅系，其中含煤地層主要為下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組，可采煤層共12 層均屬于下侏羅統(tǒng)八道灣組，最大純煤總厚度75.63 m，最小純煤總厚度1.03 m，平均32.20 m[4]。依據(jù)新疆自治區(qū)煤礦瓦斯地質(zhì)圖，艾維爾礦區(qū)位于吐哈盆地高突瓦斯帶與準(zhǔn)南逆沖推覆高突瓦斯帶的交匯部位，2011 年4月3 日2130 煤礦發(fā)生過(guò)1 次中型突出，突出煤量879 t，瓦斯量26 496 m3，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[5]。

2 礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)

地應(yīng)力是由于巖體的自重和地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起并殘留至今的構(gòu)造應(yīng)力等因素而導(dǎo)致巖體具有的天然應(yīng)力。為了研究艾維爾溝礦區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)，采用空心包體應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)了礦區(qū)的地應(yīng)力，測(cè)量地點(diǎn)位于礦區(qū)西部的2130 煤礦和東部的1890煤礦，艾維爾溝礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 艾維爾溝礦區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果Table 1 Measured results of in-situ stress in Ewirgol Mining Area

從地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可以看出，艾維爾溝礦區(qū)地應(yīng)力的總體趨勢(shì)是隨深度增加，現(xiàn)今最大主應(yīng)力為4.5～5.6 MPa，其方向?yàn)榻椒较?，傾角為15.54°～-20.50°，方位主要為206.33°～240.11°，表明礦區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的擠壓作用方向?yàn)镹E-SW 向，基本上與區(qū)域主要地質(zhì)構(gòu)造走向（NNW）垂直，符合礦區(qū)所在區(qū)域大地構(gòu)造擠壓應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。垂直主應(yīng)力基本上等于巖體自重，其平均比值為0.93～1.17，最大主應(yīng)力與巖體自重的比值約為1.12～1.92，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值為1.55～2.42，可見(jiàn)礦區(qū)承受了較高的水平構(gòu)造應(yīng)力，且差應(yīng)力很大。

3 礦區(qū)構(gòu)造及其演化

3.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

艾維爾溝礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于哈薩克斯坦板塊、準(zhǔn)噶爾板塊與塔里木板塊之間，東端與東天山構(gòu)造帶相連，西端往西進(jìn)入中國(guó)的西天山，現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造位置處于博格達(dá)緯向構(gòu)造帶與天山緯向構(gòu)造帶復(fù)合作用形成的菱形構(gòu)造盆地-吐哈盆地的西端銳角處，為天山內(nèi)的小型山間構(gòu)造含煤盆地之一。開(kāi)始于70～65 Ma 印度板塊與歐亞板塊的碰撞[6]以及后續(xù)的推擠作用，導(dǎo)致了天山新生代、特別是漸新世末—早中新世天山的快速隆升及其鄰區(qū)大規(guī)模的陸內(nèi)變形，使沉積盆地與山體之間發(fā)生了強(qiáng)烈耦合作用，最終形成了天山地區(qū)現(xiàn)今的山盆地貌和構(gòu)造格局，天山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在歐亞板塊形成過(guò)程中占有重要的地位[3,7]。艾維爾溝礦區(qū)構(gòu)造綱要圖如圖1。

圖1 艾維爾溝礦區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structural outline of Ewirgol Mining Area

艾維爾溝礦區(qū)整體呈-北西西向展布的向斜構(gòu)造，由于受到2 條區(qū)域主干斷裂系統(tǒng)紅五月橋斷裂和冰達(dá)坂-夏熱嘎斷裂系統(tǒng)的影響，研究區(qū)內(nèi)次一級(jí)近NWW 向逆沖斷裂構(gòu)造發(fā)育，其中東部斷裂發(fā)育程度大于西部斷裂發(fā)育程度。西部斷裂發(fā)育規(guī)模雖不如東部，可西部斷裂斷距較大。F1-1斷裂為礦區(qū)主干斷裂，靠近向斜軸部橫切整個(gè)向斜構(gòu)造的南翼，其斷距在2 000 m 以上，斷面南傾60°～70°，斷裂發(fā)生于古生代末期，中生代時(shí)斷層?xùn)|部上泥盆統(tǒng)-石炭系直接推擠到侏羅系之上，斷層西部海西晚期花崗巖直接推復(fù)到侏羅系之上，形成疊瓦狀推覆構(gòu)造[8]，其余各組斷層均為小型斷裂，斷距數(shù)米到數(shù)十米。礦區(qū)北部晚古生代地層逆沖于中時(shí)代侏羅系含煤地層之上，其中北翼含煤地層傾角變化稍大，中部地層傾角較東西兩端平緩，深部?jī)A角逐步變陡[9]。

3.2 構(gòu)造演化特征

艾維爾溝侏羅紀(jì)盆地主要經(jīng)歷了5 個(gè)演化階段：

1）階段Ⅰ：拉張沉降盆地形成階段，從早侏羅世到中侏羅世。天山造山帶在受到三疊紀(jì)末印支運(yùn)動(dòng)的碰撞擠壓后，于早中侏羅世局部地區(qū)地殼應(yīng)力出現(xiàn)松弛，吐哈盆地繼而發(fā)生伸展斷陷形成侏羅紀(jì)斷陷構(gòu)造沉積盆地[10-11]，艾維爾溝礦區(qū)在經(jīng)歷了三疊紀(jì)末期的短暫擠壓隆升剝蝕后，與早中侏羅世再次接受沉積。礦區(qū)沉積環(huán)境主要為河湖沼澤相，沉積了下侏羅統(tǒng)八道灣組和三工河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組和頭屯河組，其中八道灣組和西山窯組為含煤地層。

2）階段Ⅱ：為快速隆升階段，從晚侏羅世－早白堊世（153～132 Ma）。晚侏羅世時(shí)期，由于拉薩地塊向歐亞大陸板塊南緣碰撞、拼貼，使我國(guó)西北地區(qū)由中侏羅世伸展構(gòu)造背景轉(zhuǎn)換為擠壓構(gòu)造背景，吐哈盆地西緣發(fā)生快速抬升剝蝕，其中盆地北緣博格達(dá)山地區(qū)隆升平均速率為52.1 m/Ma[7,12]。

3）階段Ⅲ：緩慢隆升階段，從晚白堊世－古新世晚期（90～60 Ma）。晚白堊世時(shí)期，由于Kohistan-Dran 島弧與拉薩地塊發(fā)生碰撞，使得天山地區(qū)再次出現(xiàn)擠壓構(gòu)造背景，造成吐哈盆地西緣地區(qū)再次抬升剝蝕，其中盆地北緣博格達(dá)山地區(qū)平均隆升速率為48.7 m/Ma[7,13]。

4）階段Ⅳ：快速隆升階段，從始新世晚期－漸新世初期（40～25 Ma）。新生代以來(lái)，由于受到印度-歐亞板塊碰撞遠(yuǎn)程作用的影響，天山山脈不同地區(qū)發(fā)生不同程度的構(gòu)造隆升，始新世吐哈盆地西緣再次抬升剝蝕，其中盆地北緣博格達(dá)山地區(qū)平均隆升速率為69.7 m/Ma[14]。

5）階段Ⅴ：緩慢隆升階段，自中新世以來(lái)[10]。中新世以來(lái)，天山山脈地區(qū)普遍發(fā)生隆升，其中吐哈盆地北緣博格達(dá)山地區(qū)在距今約12 Ma 發(fā)生了至少1次快速隆升事件，并且該隆升作用仍持續(xù)至，而盆地南緣覺(jué)羅塔格山地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，隆升速率較慢，主要原因是由于不同地區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的差異性[15]。

4 構(gòu)造及其演化對(duì)煤層瓦斯賦存的控制

4.1 構(gòu)造演化與瓦斯生成

為進(jìn)一步闡述艾維爾溝礦區(qū)煤系地層構(gòu)造演化與煤層瓦斯生成、散失之間的關(guān)系，利用BasinMod軟件對(duì)艾維爾溝礦區(qū)含煤地層的埋藏史進(jìn)行了模擬重建，艾維爾溝礦區(qū)煤系地層埋藏史如圖2。

圖2 艾維爾溝礦區(qū)煤系地層埋藏史Fig.2 Burial history of coal measure strata in Ewirgol Mining Area

埋藏史是結(jié)合礦區(qū)內(nèi)實(shí)際勘探鉆錄井巖性及地層分層、厚度資料，吐哈盆地西部地區(qū)地層發(fā)育及厚度資料，吐哈盆地西部地區(qū)幾次關(guān)鍵構(gòu)造期的抬升剝蝕時(shí)間、抬升剝蝕量來(lái)完成的[16-18]。通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，艾維爾溝礦區(qū)侏羅系煤系地層主要經(jīng)歷了2 個(gè)大的演化階段：階段Ⅰ為快速沉降階段，煤層于晚侏羅世達(dá)到最大埋深約4 300 m；階段Ⅱ?yàn)椴煌俾实奶齽兾g階段，煤層于晚侏羅世-早白堊世開(kāi)始發(fā)生傾斜并持續(xù)抬升剝蝕，煤層瓦斯不斷地發(fā)生逸散。

根據(jù)相關(guān)研究成果[16]，吐哈盆地西部托克遜凹陷侏羅紀(jì)末期平均地溫梯度為2.9 ℃/hm，而此時(shí)礦區(qū)煤系地層達(dá)到最大埋深所經(jīng)歷的地層溫度約為125 ℃，這與相關(guān)學(xué)者[18]通過(guò)磷灰石裂變徑跡熱史模擬得出艾維爾溝下侏羅統(tǒng)八道灣組在晚侏羅世經(jīng)歷最大古地溫可達(dá)到170 ℃的結(jié)論相矛盾，這說(shuō)明艾維爾溝礦區(qū)煤系地層在侏羅紀(jì)末期達(dá)到最大埋深時(shí)，不僅受到深成變質(zhì)作用，同時(shí)也受到區(qū)域熱變質(zhì)作用。

艾維爾溝礦區(qū)的深成變質(zhì)及區(qū)域熱變質(zhì)作用直接導(dǎo)致了礦區(qū)內(nèi)煤層瓦斯生成量具有垂向和水平2個(gè)梯度，其中礦區(qū)西部煤層所受地溫偏高，煤熱變質(zhì)程度高，煤級(jí)垂向主要以焦煤和瘦煤為主，瓦斯生成量相對(duì)較大，吸附能力相對(duì)較強(qiáng)，礦區(qū)中部煤級(jí)垂向主要以肥煤和焦煤為主，瓦斯生成量及吸附能力次之，礦區(qū)東部煤級(jí)垂向主要以氣煤和肥煤為主，瓦斯生成量相對(duì)較小，吸附能力相對(duì)較弱。艾維爾溝礦區(qū)各礦煤層鏡質(zhì)體反射率參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 艾維爾溝礦區(qū)各礦煤層鏡質(zhì)體反射率參數(shù)Table 2 Vitrinite reflectivity parameters of coal seams in Ewirgol Mining Area

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)各礦煤層最大鏡質(zhì)體反射率Ro，并利用Barker 公式[19]所計(jì)算的礦區(qū)地層溫度為137～192 ℃，這與相關(guān)學(xué)者[8]通過(guò)實(shí)測(cè)的礦區(qū)內(nèi)不同位置斷裂帶中熱液石英脈中流體包裹體的均一溫度（113～197 ℃）相接近，這就說(shuō)明艾維爾溝礦區(qū)內(nèi)煤層熱變質(zhì)的主導(dǎo)因素為區(qū)域熱變質(zhì)作用，其中區(qū)域熱變質(zhì)的熱源很可能是來(lái)自于礦區(qū)西部的海西晚期侵入花崗巖。

4.2 構(gòu)造及演化與煤層變形破壞

艾維爾溝礦區(qū)煤系地層自早中侏羅世沉積以來(lái)，由于受到燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，礦區(qū)至少經(jīng)歷了3 次強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用，造成礦區(qū)煤系地層發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，礦區(qū)內(nèi)煤層與砂巖層之間普通發(fā)生相對(duì)滑移，由于地層之間高溫高壓作用，滑移面光滑如鏡，明顯可見(jiàn)方解石礦物結(jié)晶形成的滑移階步，通過(guò)滑移階步的相對(duì)滑移方向指示作用發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)煤層與砂巖層之間不僅有相對(duì)上下滑移，還存在相對(duì)左右滑移。礦區(qū)內(nèi)各礦之間煤層變形破壞程度又略有差異，艾維爾溝礦區(qū)各礦煤層變形破壞參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 艾維爾溝礦區(qū)各礦煤層變形破壞參數(shù)Table 3 Deformation and failure parameters of coal seams of various mines in Ewirgol Mining Area

由表3 可見(jiàn)，礦區(qū)西部2130 煤礦地區(qū)煤層受構(gòu)造演化變形破壞程度明顯相對(duì)較大，東部1890 煤礦地區(qū)次之，中部1930 煤礦地區(qū)相對(duì)較弱，之所以會(huì)如此是因?yàn)榘S爾溝礦區(qū)位于博格達(dá)緯向構(gòu)造帶與天山緯向構(gòu)造帶的交匯部位，越靠近西邊距離擠壓構(gòu)造帶交匯點(diǎn)越近，而礦區(qū)東部1890 煤礦地區(qū)處于煤層褶曲轉(zhuǎn)彎處，擠壓作用相對(duì)較強(qiáng)。

4.3 構(gòu)造及演化與瓦斯散失

分析可知，艾維爾溝礦區(qū)西部煤層瓦斯生成量最大，中部次之，東部最少，但現(xiàn)今礦區(qū)煤層瓦斯賦存量卻表現(xiàn)為西部和東部較大，中部較少，這主要是因?yàn)楹笃诰植坎町惢牡刭|(zhì)構(gòu)造及演化導(dǎo)致礦區(qū)不同位置煤層瓦斯具有差異化的保存條件而造成的。其中主要影響因素有煤層傾角、斷裂性質(zhì)及發(fā)育密度、煤層抬升剝蝕量。一般認(rèn)為，對(duì)于單斜構(gòu)造的煤層來(lái)說(shuō)，煤層傾角越大，瓦斯越易散失，瓦斯含量則越小[20]，雖然礦區(qū)西部2130 煤礦及東部1890 煤礦相對(duì)于中部1930 煤礦具有較大的煤層傾角（表2），但是礦區(qū)西部2130 煤礦及東部1890 煤礦相對(duì)于中部1930 煤礦具有相對(duì)較大的構(gòu)造擠壓應(yīng)力，促使礦區(qū)西部2130 煤礦及東部1890 煤礦相對(duì)于中部1930 煤礦具有更小的透氣性系數(shù)（表2），造成上述規(guī)律表現(xiàn)不明顯。礦區(qū)中東部斷裂發(fā)育密度遠(yuǎn)大于東部地區(qū)（圖1），表明礦區(qū)西部相比于中東部瓦斯更不易散失，礦區(qū)中部和東部具有相近的斷裂密度，但由于中部地區(qū)所受構(gòu)造擠壓應(yīng)力不及東部，造成中部地區(qū)逆斷層的封閉性不及東部，中部地區(qū)煤層瓦斯相對(duì)更易散失。根據(jù)礦區(qū)勘探線剖面高程圖[2]可以發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)中部1930 煤礦地區(qū)相對(duì)于東西部1890 煤礦、2130 煤礦具有相對(duì)較大的抬升剝蝕量，煤層埋藏相對(duì)較淺，煤層瓦斯更易散失。

4.4 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性

艾維爾溝礦區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的擠壓作用使得礦區(qū)向斜軸部（北翼深部）出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)煤層表現(xiàn)出高瓦斯、碎軟低滲的特征，因此北翼深部較北翼淺部地層具有更大的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。平面上，礦區(qū)西部構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用明顯大于中東部，造成西部煤體強(qiáng)度小于中東部，同時(shí)由于西部煤體熱變質(zhì)程度高，瓦斯生成量大，吸附性強(qiáng)，而且由于缺少?gòu)埿詳鄬拥氖鑼?dǎo)散失作用，煤層瓦斯得到了很好的保存，因此，從地應(yīng)力、瓦斯賦存量及煤體強(qiáng)度3個(gè)重要因素來(lái)看，艾維爾溝礦區(qū)西部地區(qū)相對(duì)于中部地區(qū)具有更明顯的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，東部地區(qū)由于處在煤層轉(zhuǎn)向褶曲處，相對(duì)于中部地區(qū)也具有明顯的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）艾維爾溝礦區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)為構(gòu)造擠壓應(yīng)力狀態(tài)，最大主應(yīng)力的方向?yàn)镹E-SW 向。

2）艾維爾溝礦區(qū)煤系地層于晚侏羅世達(dá)到最大埋深為4 300 m；煤層經(jīng)歷最高古地溫為137～192 ℃。

3）艾維爾溝礦區(qū)的深成變質(zhì)及區(qū)域熱變質(zhì)作用直接導(dǎo)致了礦區(qū)內(nèi)煤質(zhì)及煤層瓦斯生成量具有垂向和水平2 個(gè)梯度.

4）艾維爾溝礦區(qū)局部差異化地質(zhì)構(gòu)造及演化直接導(dǎo)致了礦區(qū)內(nèi)各礦之間煤層瓦斯保存條件差異化。

5）艾維爾溝礦區(qū)垂向上，向斜軸部（北翼深部）較北翼淺部更具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，平面上礦區(qū)西部較中部地區(qū)更具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，東部次之。