土城向斜地質(zhì)構(gòu)造特征及瓦斯賦存規(guī)律研究

黃 興，劉玉鋒，田煥志

（1.貴州安和永駐科技有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州貴煤礦山技術(shù)咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；3.貴州能源產(chǎn)業(yè)研究院，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

煤炭作為我國的主導(dǎo)能源，盡管近年來煤炭產(chǎn)量占比呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，但據(jù)學(xué)者預(yù)測直到2025 年煤炭能源依舊能夠占中國能源消費(fèi)的50%左右[1]，說明煤炭在之后一段時(shí)間里依然是我國主要能源。貴州省是中國南方最大的煤炭生產(chǎn)基地和煤層氣資源富集區(qū)，其中六盤水地區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量高達(dá)1.39×1 012 m3，能源資源豐富[2-4]。瓦斯作為重要的清潔能源同時(shí)，也是發(fā)生煤礦安全事故的主要因素之一，瓦斯也受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、煤層埋深、水文地質(zhì)、巖漿等影響，在此基礎(chǔ)上，王蔚等[5]認(rèn)為華北板塊與周緣板塊之間的相互作用制約煤系的形成賦存等，且華北煤礦瓦斯分布呈現(xiàn)明顯的區(qū)帶特征；趙俊山等[6]采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和非線性擬合方法定量分析了地質(zhì)構(gòu)造演化、構(gòu)造應(yīng)力場等作用對(duì)瓦斯賦存的影響；黃政祥等[7]通過對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、煤層埋深、煤層頂?shù)装鍘r性、煤層含水性等影響因素研究分析了黔北煤田綠塘井田的瓦斯賦存規(guī)律；但由于我國各個(gè)地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜及煤層的成藏原因各不相同，目前研究多針對(duì)單一煤層、礦井方面，而貴州煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，其中六盤水煤田土城向斜地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重。

綜上所述，本文以六盤水土城向斜構(gòu)造所含礦井為研究對(duì)象，以向斜煤田地質(zhì)勘探及礦井實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，分析土城向斜構(gòu)造特征及瓦斯賦存規(guī)律，并對(duì)影響煤層瓦斯含量因素進(jìn)行分析研究，以期為該地區(qū)礦井瓦斯防治提供指導(dǎo)性意見。

1 土城向斜地質(zhì)構(gòu)造特征

土城向斜由于煤系地層的特殊性，部分礦井煤層煤層主要發(fā)育在二疊統(tǒng)龍?zhí)督M中，另一部分又發(fā)育在宣威組中，其中含煤層數(shù)在39~ 55，煤層總厚度25.59~41.72 m，可采煤層4~18 層，可采煤厚為9.5~23.4 m。向斜南西翼被一條走向斷層切剖，局部見含煤地層。南西翼地層傾角27 °~68°。北東翼地層傾角平緩，一般為10°~35°。西翼側(cè)及東南側(cè)兩端斷層比較發(fā)育。

向斜總體呈NW－SE 向展布，軸線向南突出成弧形，長50 km，寬2 ~ 8 km。地層一般較陡，局部直立或倒轉(zhuǎn)。向斜SW 翼被一條走向斷層切剖，局部見含煤地層，西部及南西部斷層比較發(fā)育。向斜所含礦井主要有紅旗煤礦、麥地煤礦、榮詳煤礦、土城煤礦、長箐煤礦、五排煤礦、二排煤礦、松河煤礦、大河煤礦、昌興煤礦、淤泥金河煤礦、灣田煤礦、謝家河煤礦、楊山煤礦以及羊場煤礦等。礦井分布圖如圖1 所示。

2 土城向斜演化特征

土城向斜自中元古代以來發(fā)生過多期構(gòu)造，整體上該區(qū)含煤盆地區(qū)域構(gòu)造演化分為4 個(gè)階段[8-11]。

（1） 海西期上揚(yáng)子地臺(tái)坳陷盆地形成階段。正是在該期發(fā)生遵義- 安順一線西南為陸相沉積與海陸相互沉積，形成了西部煤海，并在NE-SW 向?yàn)橹鞯暮Ｎ髌谏煺棺饔孟聦?dǎo)致本區(qū)由斷裂活動(dòng)發(fā)生，沿著較大的同生斷層帶形成了裂陷槽，并在裂陷槽之間構(gòu)成臺(tái)地。

（2） 印支期上揚(yáng)子臺(tái)地坳陷穩(wěn)定階段。該期地殼沉降，受到ES-NW 向擠壓，并在三疊系末期貴州西部地區(qū)板塊由于受到N 向的擠壓應(yīng)力從而發(fā)生隆起，形成了一系列褶皺帶。

（3） 燕山晚期褶皺斷裂抬升剝蝕階段。在該期內(nèi)地殼活動(dòng)劇烈，區(qū)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的北西至南東方向的擠壓構(gòu)造應(yīng)力，從而形成較普遍發(fā)育的N-E向構(gòu)造形跡，由于強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得之前的褶皺、斷層等進(jìn)一步發(fā)育，并且在構(gòu)造作用的影響下又形成了新的褶皺、斷層。

（4） 喜馬拉雅期上揚(yáng)子臺(tái)地抬升受擠壓變形階段。區(qū)內(nèi)地殼依舊以抬升為主，局部伴有輕微褶皺，構(gòu)造應(yīng)力場在整體上表現(xiàn)為EW 方向?yàn)橹鞯乃綌D壓應(yīng)力場，同時(shí)太平洋板塊向西運(yùn)動(dòng)，朝歐亞大陸俯沖、擠壓，使得之前印支運(yùn)動(dòng)及燕山運(yùn)動(dòng)形成褶皺、斷層構(gòu)造格局進(jìn)一步發(fā)展。

3 瓦斯賦存規(guī)律研究

3.1 聚煤地層特征

向斜構(gòu)造所含礦井含煤層數(shù)和可采煤層數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2 所示。含煤層數(shù)和開采煤層數(shù)差別較大，由于向斜褶皺端構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，造成煤層分化嚴(yán)重，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致原本厚煤層變薄，煤層間距減小。向斜北西翼（土城礦至二排煤礦） 和南東翼（松河煤礦至羊場煤礦） 含煤層數(shù)存在較明顯梯度差，向斜南東翼在整體上表現(xiàn)為含煤層數(shù)較多，成群組賦存，單一煤層較薄，煤層層間距小，沉積差異較大等特點(diǎn)。

對(duì)土城向斜礦井可采煤層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域煤層厚度以薄煤層和中厚煤層為主，其中薄煤層100 層，占比42.6%，中厚煤層136 層，占比56.2%，厚煤層3 層，僅占比1.2%，與上述受構(gòu)造作用煤層分層化嚴(yán)重分析一致。

3.2 煤層厚度變化特征

由于土城向斜構(gòu)造特殊性，其中土城礦、麥地煤礦、榮祥煤礦、長箐煤礦、五排煤礦、二排煤礦、淤泥鄉(xiāng)金河煤礦、謝家河煤礦、楊山煤礦、羊場煤礦同屬于龍?zhí)督M，而紅旗煤礦、松河煤礦、大河煤礦、昌興煤礦、灣田煤礦同屬于宣威組。

分別統(tǒng)計(jì)土城礦、麥地煤礦、榮祥煤礦、長箐煤礦、五排煤礦、二排煤礦的3 號(hào)和12 號(hào)煤層厚度，松河煤礦、大河煤礦、昌興煤礦、淤泥鄉(xiāng)金河煤礦、灣田煤礦的10 號(hào)和12 號(hào)煤層厚度，以及謝家河煤礦、楊山煤礦、羊場煤礦10 號(hào)、13 號(hào)、16號(hào)煤層厚度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示，由圖3（a）可以看出，由土城礦、麥地煤礦至二排煤礦，煤層厚度沿向斜南東方向逐漸變薄，說明土城向斜構(gòu)造沿南東方向構(gòu)造作用逐漸復(fù)雜，受到地質(zhì)構(gòu)造作用越大且煤層分層現(xiàn)象越嚴(yán)重，煤層也越來越薄。由圖3（b） 和圖3（c） 可以看出，沿向斜南東方向，煤層厚度逐漸變厚，說明南東翼煤層受地質(zhì)構(gòu)造作用影響較小，煤層分化程度相對(duì)北西翼較低，說明該區(qū)域受構(gòu)造作用表現(xiàn)為北西翼、南東翼受構(gòu)造影響作用小，中間松河煤礦附近受向斜構(gòu)造擠壓作用影響較大，煤層分化嚴(yán)重。

圖3 土城向斜煤層厚度變化Fig.3 Thickness change of Tucheng syncline coal seam

3.3 煤層瓦斯含量變化特征

通過對(duì)土城向斜瓦斯含量整理統(tǒng)計(jì)，如圖4 所示。由圖4（a） 可以看出，土城向斜北西翼（土城礦至二排煤礦） 瓦斯含量主要集中在4 ~ 9 m3/t；土城向斜南東翼（松河煤礦至羊場煤礦） 煤層瓦斯含量主要集中在4 ~12 m3/t，且煤層瓦斯含量超過8 m3/t 的數(shù)據(jù)點(diǎn)占該區(qū)域的74.4%，說明該區(qū)域瓦斯含量梯度存在差異，向斜南東翼煤層瓦斯含量相對(duì)偏高。由圖4（b） 可以看出，北西翼煤層瓦斯壓力相對(duì)南東翼較低，而南東翼煤層瓦斯壓力超過0.74 MPa 占比約80%左右，最大達(dá)3.3 MPa左右，說明南東翼煤層瓦斯壓力整體相對(duì)于北西翼較高。

圖4 土城向斜煤層瓦斯含量及瓦斯壓力統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistics of gas content and gas pressure in Tucheng syncline coal seam

通過對(duì)相同地層煤系煤層瓦斯含量分析，如圖5 所示，由圖5（a） 可以看出，煤系地層同屬宣威組的松河煤礦至灣田煤礦的10、12、18 號(hào)煤層瓦斯含量均呈現(xiàn)先增后減的一個(gè)趨勢(shì)，由圖5（b） 可以看出，同屬龍?zhí)督M的17、18 號(hào)煤層瓦斯含量呈逐漸遞增的一個(gè)趨勢(shì)，由于松河煤礦鄰近土城礦，土城礦瓦斯含量多為8~10 m3/t，說明土城向斜煤層瓦斯含量賦存沿南東向呈現(xiàn)先減后增、兩端大中間小的賦存規(guī)律，構(gòu)造對(duì)向斜兩翼作用小，瓦斯保存較好，這與上述研究分析相符合，同時(shí)也表明煤層厚度對(duì)瓦斯賦存有一定的影響。

圖5 土城向斜煤層瓦斯含量變化Fig.5 Variation of gas content in Tucheng syncline coal seam

煤層瓦斯含量與埋深有著緊密關(guān)系，以土城向斜松河煤礦為例，對(duì)其煤層瓦斯含量與煤層埋深進(jìn)行擬合，如圖6 所示，瓦斯含量與埋深擬合關(guān)系式為：Q=0.035 6 h+1.762 6，相關(guān)系數(shù)為R2=0.781 4，隨著煤層埋深增加，瓦斯含量也呈相應(yīng)的線性增加。

圖6 松河煤礦瓦斯含量與埋深擬合示意Fig.6 The fitting indication of gas content and buried depth in Songhe Coal Mine

4 主采煤層瓦斯賦存影響因素研究

由于經(jīng)歷多期構(gòu)造演化導(dǎo)致其內(nèi)礦井構(gòu)造各不相同，煤層埋藏深度、煤層頂?shù)装鍘r性、巖層厚度及礦井?dāng)鄬訕?gòu)造特征等因素均在一定程度上影響著煤層瓦斯的含量。

4.1 斷層構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

為了定量評(píng)價(jià)斷層對(duì)瓦斯含量特征的影響，本文采用斷層分維的方法，對(duì)研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度進(jìn)行量化的表征。利用MATLAB 自編語言將12 號(hào)煤層斷層分布圖導(dǎo)出進(jìn)行二值化處理，然后在通過MATLAB 得出lnr 和lnN(r)的擬合關(guān)系，擬合出曲線的斜率就是所求的分形維數(shù)[12-13]，如圖7 所示。

圖7 斷層分塊分形維數(shù)線性擬合圖Fig.7 Linear fitting graph of fault block fractal dimension

土城向斜斷層主要呈現(xiàn)南東翼較復(fù)雜，北西翼相對(duì)較簡單趨勢(shì)，復(fù)雜區(qū)主要有3 塊，分別位于向斜北西翼土城礦（塊段1 號(hào)）、南東翼灣田煤礦（塊段2 號(hào)） 至羊場煤礦（塊段3 號(hào)），松河煤礦礦區(qū)周圍為斷層中等區(qū)。其中羊場煤礦井田內(nèi)橫切和走向斷層都比較發(fā)育，井田內(nèi)較大的斷層主要有F38、F39、F48 三條正斷層和F45 一條逆斷層，其中F38 和F39 正斷層位于礦區(qū)邊界附近，對(duì)開采影響較小，F(xiàn)45 逆斷層和F48 正斷層位于井田中央，對(duì)井田開采有一定影響，構(gòu)造較復(fù)雜。而松河煤礦井田內(nèi)斷層較發(fā)育，影響初期采區(qū)的有34、9兩條斷層。而土城礦構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，多數(shù)以北東走向?yàn)橹鳎贁?shù)為北西走向，落差大于100 m的有8 條。

4.2 埋深對(duì)瓦斯賦存的影響

隨著煤層埋深的增加，瓦斯向外界的運(yùn)移距離也隨之增加，進(jìn)而對(duì)瓦斯起到封蓋保護(hù)作用。一般情況下，煤層瓦斯含量與壓力與煤層的埋深成正比關(guān)系，隨著煤層埋深的增加，地應(yīng)力越大，這對(duì)煤層圍巖起到壓實(shí)作用，降低了圍巖的通透性，從而間接影響了瓦斯的賦存狀態(tài)[14]。

通過擬合土城向斜、照子河向斜、盤關(guān)向斜、盤南背斜構(gòu)造煤層埋深與瓦斯含量的關(guān)系，如圖8所示。瓦斯含量隨埋深的增加具有增大的趨勢(shì)，具有一定的相關(guān)性，表明煤層的埋深對(duì)瓦斯含量有一定的影響。

圖8 煤層瓦斯含量與埋深關(guān)系Fig.8 Relationship between gas content and buried depth in coal seam

4.3 煤層厚度對(duì)瓦斯賦存的影響

隨著煤層厚度的增大，煤層瓦斯含量總體也有增大趨勢(shì)，當(dāng)煤層厚度較大時(shí)，靠近頂?shù)装宓拿簩訉?duì)于中間的煤層起到了相當(dāng)于圍巖的作用；而薄煤層，沒有其他煤層阻礙瓦斯的運(yùn)移，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯含量較小[15]。另一方面，煤層為瓦斯的生成提供了物質(zhì)源，較厚的煤層，更能產(chǎn)出更多的瓦斯，因此煤層厚度是對(duì)瓦斯賦存有重要影響。分別對(duì)土城向斜12 號(hào)主采煤層礦井煤層厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖9）。

圖9 煤層瓦斯含量與煤層厚度關(guān)系Fig.8 Relationship between gas content and buried depth in coal seam

通過對(duì)盤江礦區(qū)土城向斜12 號(hào)主采煤層主采煤層瓦斯含量和煤層厚度進(jìn)行瓦斯線性回歸分析，結(jié)果表明，兩者之間存在一定的線性相關(guān)性，說明煤層瓦斯含量受到一定煤層厚度變化的影響，煤層瓦斯含量隨煤層厚度增大而增大。

4.4 頂?shù)装鍘r性對(duì)瓦斯賦存的影響

煤層頂?shù)装宓母魵庑院屯笟庑詫?duì)煤層瓦斯的分布和賦存有較大的影響，頂?shù)装宓膸r層如果是致密的泥巖、頁巖、油頁巖時(shí)，則能夠?qū)γ簩油咚蛊鸬胶芎玫姆忾]作用，使煤層瓦斯賦集；反之，如果煤層頂?shù)装宓膸r性為孔裂隙較為發(fā)育的砂巖、礫巖時(shí)，煤層瓦斯在巖層孔裂隙之間可以自由移動(dòng)，有利于煤層瓦斯的逸散，降低煤層瓦斯局部含量。

由于不同礦區(qū)煤系地層的巖石組成會(huì)有所差異，導(dǎo)致不同頂?shù)装鍘r性對(duì)煤層瓦斯逸散影響是不同的，綜合考慮砂巖比、巖層厚度等效系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)來綜合定量分析煤層頂?shù)装鍖?duì)煤層瓦斯封蓋性能，為方便計(jì)算分析，以土城礦、松河煤礦以及羊場煤礦主采12 號(hào)煤層頂板巖性為例，其中土城礦頂板以泥質(zhì)粉砂巖為主，松河煤礦以粉砂質(zhì)泥巖為主，羊場煤礦以粉砂巖為主[16]。

4.4.1 封蓋層砂巖比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)煤層頂板主要有泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、以及礫巖等幾種類型組合。其中，細(xì)砂巖對(duì)于煤層瓦斯的封蓋能力較弱，而泥巖的封蓋能力最強(qiáng)，其巖性權(quán)重值見表1。

表1 不同巖性調(diào)整系數(shù)Table 1 Adjustment coefficient of different lithology

通過研究區(qū)內(nèi)鉆孔資料、礦井綜合柱狀圖等分別把不同巖層按表2 系數(shù)轉(zhuǎn)化成為砂巖厚度之和占封蓋層厚度的比值，取值為0 ~ 1，泥砂比約高，則量化值約大，其量化標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 泥砂比量化標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Quantification standard of mud-sand ratio

4.4.2 巖層厚度等效系數(shù)

由于煤層頂板厚度不一樣，其對(duì)瓦斯的封蓋能力也不同，而頂板中泥巖對(duì)對(duì)煤層的距離越近，封蓋能力也越強(qiáng)，因此，通過將煤層頂板中有效范圍內(nèi)不同巖性層段厚度按找一定權(quán)重分別計(jì)算成封蓋能力最強(qiáng)的泥巖厚度，并根據(jù)其距離煤層的距離計(jì)算不同巖性巖層對(duì)煤層瓦斯的封蓋能力。計(jì)算公式見式（1）。

式中：L 為巖層厚度等效系數(shù)；mi為不同巖性巖層的厚度，m；ki為不同巖層的巖性權(quán)重系數(shù)；hi為巖層中心到煤層頂板之間的距離，m。研究區(qū)內(nèi)巖層等效系數(shù)量化標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 巖層等效系數(shù)量化標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Quantitative standard of equivalent coefficient of rock stratum

煤層瓦斯封蓋能力主要受到頂板巖層巖性及巖層厚度影響，因此，通過引入封蓋指數(shù)SI，采用此指標(biāo)作為對(duì)煤層瓦斯運(yùn)移難易定量評(píng)價(jià)的參數(shù)，見式（2）。

式中：A 為已經(jīng)量化有效范圍內(nèi)的砂巖比；B 為巖體厚度效應(yīng)系數(shù)。

4.4.3 封蓋指數(shù)計(jì)算

封蓋指數(shù)SI 結(jié)果越大，說明煤層頂板封閉性越好，煤層瓦斯較難運(yùn)移、逸散出去，從而導(dǎo)致煤層含量含量偏高。經(jīng)計(jì)算，土城礦、松河煤礦、羊場煤礦封蓋指數(shù)分別為73%、95%、67%，正好符合上文頂板巖性對(duì)瓦斯賦存封閉影響作用。

5 結(jié) 論

（1） 向斜總體呈NW－SE 向展布，軸線向南突出成弧形，長50 km，寬2～8 km。地層一般較陡，局部直立或倒轉(zhuǎn)，南西翼地層傾角27°~68°。北東翼地層傾角平緩，一般為10°~35°。西翼側(cè)及東南側(cè)兩端斷層比較發(fā)育。

（2） 受構(gòu)造影響煤層分化嚴(yán)重，以薄煤層及中厚煤層為主，其中薄煤層100 層，占比42.6%，中厚煤層136 層，占比56.2%；在向斜北西翼煤層厚度沿向斜南東方向逐漸變薄，而向斜南東翼煤層厚度則沿南東方向逐漸變厚。

（3） 土城向斜北西翼（土城礦至二排煤礦）瓦斯含量主要集中在4 ~ 9 m3/t；土城向斜南東翼（松河煤礦至羊場煤礦） 煤層瓦斯含量主要集中在4~12 m3/t，且煤層瓦斯含量賦存沿南東向呈現(xiàn)先減后增、兩端大中間小的賦存規(guī)律。

（4） 經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其內(nèi)礦井構(gòu)造各不相同，煤層埋藏深度、煤層頂?shù)装鍘r性、巖層厚度及礦井?dāng)鄬訕?gòu)造特征等因素均在一定程度上影響著煤層瓦斯的含量。