格目底向斜地質(zhì)構(gòu)造特征及其對瓦斯賦存的影響研究

田煥志，江明泉，余照陽，李 薇

（貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

瓦斯作為煤炭伴生的有害氣體，是影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素[1]，而礦井瓦斯賦存特征受地質(zhì)構(gòu)造、煤變質(zhì)程度、煤層頂?shù)装鍘r性、煤層埋藏深度、煤的物質(zhì)成分、地下水活動(dòng)以及巖漿活動(dòng)等綜合控制[2-4]，其中地質(zhì)構(gòu)造作用直接決定了瓦斯生成、運(yùn)移及儲存等相關(guān)環(huán)節(jié)，且區(qū)域構(gòu)造背景及其演化控制煤層氣積聚帶的形成和分布，進(jìn)而控制瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)的分布[5-7]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對其做了大量研究。王海軍[8]對火燒鋪井田瓦斯地質(zhì)特征、控制因素及其富集規(guī)律進(jìn)行研究；黃政祥等[9]研究了黔北煤田綠塘井田主采煤層的埋藏-生烴史，并分析了瓦斯賦存的主要地質(zhì)控制因素；劉義生等[10]通過利用淮南煤田大構(gòu)造褶皺斷裂形態(tài)與華北克拉通地史學(xué)、地層學(xué)、區(qū)域構(gòu)造進(jìn)行相互驗(yàn)證對比，深入分析華北型淮南煤田大構(gòu)造4 期成因及其構(gòu)造控水作用；楊兆彪等[11]基于地質(zhì)構(gòu)造是控制瓦斯賦存的最重要因素，深入分析了開平向斜地質(zhì)構(gòu)造特征及其分異性。為此，以水城縣格目底向斜構(gòu)造礦井為研究對象，以煤田地質(zhì)勘探及煤礦實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析研究格目底向斜礦井區(qū)域構(gòu)造特征及其對瓦斯賦存控制的規(guī)律性，以期為該區(qū)礦井瓦斯災(zāi)害防治提供重要基礎(chǔ)。

1 格目底向斜地質(zhì)構(gòu)造特征

格目底向斜構(gòu)造位于貴州省六盤水市水城縣，向斜構(gòu)造北以水城-紫云斷裂為界，南以公雞山背斜為界，呈NW 走向的長條帶狀，長約70 km，寬7～21 km，面積612 km2，向斜兩翼不對稱。

向斜構(gòu)造所含礦井共17 個(gè)，格目底向斜構(gòu)造綱要與礦井分布示意圖如圖1。距離向斜中心構(gòu)造1～4.5 km 左右，可見各類礦井的瓦斯賦存明顯受控于地質(zhì)構(gòu)造。

圖1 格目底向斜構(gòu)造綱要與礦井分布示意圖Fig.1 Gemudi syncline structure outline and mine distribution diagram

格目底向斜北東翼地層傾角陡立，由新興煤礦向東南端小牛煤礦地層傾角逐漸變緩，從85°逐漸減小為45°，中部地層呈近直立產(chǎn)出，局部甚至倒轉(zhuǎn)，至東端向斜轉(zhuǎn)角處馬場煤礦、撿材溝煤礦，地層傾角在15°～35°之間，趨于平緩。北東翼及東部褶皺端構(gòu)造相對復(fù)雜，且發(fā)育一系列斷層，以平推斷層為主，至東端向斜轉(zhuǎn)角處馬場煤礦、撿材溝煤礦，地層傾角在15°～35°之間，趨于平緩。

與北西翼相比，格目底向斜南東翼地層傾角較為平緩，一般在15°～25°之間，向NW 方向逐漸增大變陡，到支都煤礦地層傾角為18°～32°，一般為24°，次級小褶皺發(fā)育且構(gòu)造相對簡單，斷裂的展布方向與褶皺方向一致，以規(guī)模較大的壓性逆斷層為主，其余斷層規(guī)模均較小，垂直斷距均小于30 m，且多數(shù)斷層斷距在10 m 以內(nèi)。

2 構(gòu)造演化與向斜對聚煤地層控制

煤層氣形成于地質(zhì)歷史演化的過程，并且煤層氣的運(yùn)移、積累都和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)[12]，主要體現(xiàn)在區(qū)域構(gòu)造演化控制煤層氣積聚區(qū)形成和分布；不同的構(gòu)造樣式控制煤層氣賦存；構(gòu)造通過對裂隙系統(tǒng)影響控制煤層滲透率及其非均質(zhì)特性[13]。

2.1 格目底向斜構(gòu)造演化

格目底向斜地處黔西地區(qū)，在大地構(gòu)造上屬于上揚(yáng)子地塊滇東-黔中隆起東部[14]。主要含煤地層形成于晚二疊系龍?zhí)镀?。格目底向斜煤層氣儲層特征具有以下特征：中生代?gòu)造抬升劇烈、煤層瓦斯埋藏淺、煤層瓦斯經(jīng)歷了多個(gè)生烴階段、含氣量高、煤層氣成藏過程復(fù)雜。

受東吳運(yùn)動(dòng)影響，水城-紫云裂陷槽盆NW 段關(guān)閉，黔西地區(qū)整體沉陷，形成海進(jìn)序列沉積，中晚三疊世發(fā)生安源運(yùn)動(dòng)后，格目底向斜進(jìn)入全面擠壓階段。晚三疊世，黔西地區(qū)擠壓抬升，開始陸相沉積，隨后，貴州地區(qū)進(jìn)入新特提斯構(gòu)造域發(fā)展階段[15]。燕山中期，格目底向斜處于NE-SW 向擠壓應(yīng)力場中，在塊體邊界的控制下首先在邊界處產(chǎn)生NW 向的褶皺和逆沖斷層，斷裂兩側(cè)多處的對沖和背沖構(gòu)造顯示了兩側(cè)塊體的相向運(yùn)動(dòng)，燕山晚期黔西地區(qū)處于近NS 向擠壓應(yīng)力場中，形成近EW 向構(gòu)造。

2.2 煤層變質(zhì)與瓦斯生成

貴州省黔西地區(qū)在中三疊世末的安源運(yùn)動(dòng)后整體抬升成陸，在燕山中期和晚期NE-SW、近NS、NW-SE 向擠壓應(yīng)力作用和區(qū)域性伸展作用，形成以褶皺和斷裂為主體的復(fù)雜構(gòu)造格局，在水城-紫云斷裂帶內(nèi)常見逆沖推覆構(gòu)造，主要控煤構(gòu)造為大型向斜和復(fù)向斜。向斜主體由于逆沖斷層的保護(hù)作用，有利于煤層氣的儲存。

格目底向斜主要經(jīng)歷2 期沉降埋藏、2 期抬升剝蝕和三期生徑作用，在燕山中期的構(gòu)造-熱事件使得最大量的熱成因甲烷生成。受喜馬拉雅期隆升幅度巨大影響，向斜所含礦井主采煤層埋深一般在1 000 m 以淺，使得煤層氣大量逸散。但由于燕山中期構(gòu)造-熱事件影響，以及良好的封蓋條件，使得向斜煤層氣保存良好，含氣量高。

向斜主要為貧煤和瘦煤，北翼和東翼出現(xiàn)焦煤和肥煤。水城地區(qū)有一低變質(zhì)帶，呈NW 向展布，這與格目底向斜構(gòu)造軌跡線相符合。受構(gòu)造作用，向斜西南側(cè)埋深變大導(dǎo)致變質(zhì)程度增高。

2.3 構(gòu)造對聚煤地層特征控制

1）聚煤地層特征。格目底向斜礦井含煤層數(shù)和開采煤層數(shù)如圖2。北東翼中部區(qū)新興煤礦至阿戛煤礦，含煤層數(shù)和開采煤層數(shù)差別較少；而向斜東翼區(qū)小牛煤礦至順發(fā)煤礦，含煤層數(shù)較多，最高由67層，可采煤層數(shù)占比相對較少，這是由于東部區(qū)域褶皺端構(gòu)造相對復(fù)雜，造成煤層分化嚴(yán)重，同時(shí)會導(dǎo)致原本厚煤層變薄，煤層間距減小，造成煤層賦存不穩(wěn)定和生產(chǎn)條件多變等問題；向斜南西翼礦井含煤層數(shù)和可采煤層數(shù)相對東部較少，這說明該區(qū)域受到褶皺構(gòu)造作用較弱，但煤層分層化問題依舊存在。在整體上向斜表現(xiàn)為含煤層數(shù)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)。

圖2 格目底向斜礦井含煤層數(shù)和開采煤層數(shù)Fig.2 Number of coal seams and the number of coal seams mined in Gemudi syncline

2）向斜煤層厚度特征。通過對向斜17 個(gè)礦井可采煤層厚度數(shù)據(jù)共243 組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，向斜主要以薄煤層和中厚煤層為主，其中薄煤層占比54.3%，中厚煤層占比44%，厚煤層僅占比0.017%，且無太大煤層厚度梯度明顯差異。進(jìn)一步說明格目底向斜區(qū)域煤層分化嚴(yán)重，與上述分析煤層數(shù)多但可采煤層數(shù)少造成煤層變薄分析一致。

3 格目底向斜控制瓦斯賦存規(guī)律

格目底向斜北東翼構(gòu)造復(fù)雜，南西翼斷層較少，構(gòu)造簡單。南西翼傾角較緩，加上圍巖以及蓋層封閉性較好，非常有利于瓦斯保存，屬突出敏感地帶。

3.1 向斜北東翼

受構(gòu)造作用影響，對向斜北東翼9 處礦井29 組瓦斯含量、壓力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，向斜北東翼瓦斯含量和壓力分布圖如圖3。

圖3 向斜北東翼瓦斯含量和壓力分布圖Fig.3 Gas content and pressure distribution diagrams of northeast wing of syncline

北東翼所含9 處礦井均為突出礦井，其中測點(diǎn)瓦斯含量大于8 m3/t 的占比為86.2%，由圖3（a）可以看出，越靠近東翼如馬場煤礦、檢材溝煤礦、吉源煤礦等瓦斯含量越大，煤層埋藏深度也越大。由圖3（b）可以看出，測點(diǎn)瓦斯壓力大于0.74 MPa 的為82.6%，并且北東翼瓦斯壓力呈向東至馬場煤礦逐漸增加，轉(zhuǎn)角處檢材溝煤礦和吉源煤礦瓦斯壓力反而下降。

對向斜北東翼煤層瓦斯含量與壓力進(jìn)行擬合，瓦斯含量Q 與瓦斯壓力p 擬合關(guān)系式為：Q=0.123 6p-0.207 4，相關(guān)系數(shù)為0.343 8，盡管瓦斯含量隨壓力增大而增大，但是相關(guān)性系數(shù)不是很大。

3.2 向斜南西翼

統(tǒng)計(jì)了南西翼8 處礦井煤層測點(diǎn)瓦斯含量與壓力數(shù)據(jù)，向斜南西翼瓦斯含量與壓力關(guān)系圖如圖4。其中瓦斯含量超過8 m3/t 的礦井占比72%，瓦斯壓力超過0.74 MPa 的礦井占比76%，說明構(gòu)造作用封蓋條件良好使得煤層氣得以保存。

圖4 向斜南西翼瓦斯含量與壓力關(guān)系圖Fig.4 Relationship between gas content and pressure in southwest wing of syncline

由圖4（a）可知，在向斜東部拐角區(qū)，褶皺構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，瓦斯含量大，而南部順發(fā)煤礦往西至大坪煤礦，瓦斯含量逐漸升高，如南西翼西段大坪煤礦煤層測點(diǎn)瓦斯含量最高到14.378 m3/t。由圖4（b）可知，南西翼瓦斯壓力梯度并無明顯差異，但到大坪煤礦時(shí)瓦斯壓力最高為2 MPa。

對向斜南西翼煤層瓦斯含量與壓力進(jìn)行擬合，瓦斯含量與壓力擬合關(guān)系式為：Q=0.102 5p-0.139 8，相關(guān)系數(shù)為0.816 6。該區(qū)域內(nèi)瓦斯含量和壓力呈正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)高達(dá)0.811 6，這是由于該區(qū)域地層傾角較為平緩，次級小褶皺發(fā)育且構(gòu)造相對簡單，構(gòu)造作用影響相對較小。

3.3 構(gòu)造對瓦斯賦存的控制

向斜構(gòu)造的瓦斯賦存特征受控于整體構(gòu)造格局與局部構(gòu)造分布。受格目底向斜構(gòu)造發(fā)育特征作用，向斜兩翼瓦斯賦存存在明顯差異，格目底向斜兩翼瓦斯賦存對比如圖5。除去異常值的影響，可以看出向斜北東翼瓦斯含量主要集中在10～12 m3/t，瓦斯壓力主要集中在0.9～1.3 MPa，而南西翼的瓦斯含量主要范圍在8～9 m3/t，瓦斯壓力主要集中在0.7～0.99 MPa，說明整體上向斜北東翼瓦斯含量與壓力是高于南西翼的。

圖5 格目底向斜兩翼瓦斯賦存對比Fig.5 Comparison of gas occurrence in two wings of Gemudi syncline

格目底向斜是1 個(gè)不對稱向斜，斷層、褶皺等構(gòu)造造成向斜兩側(cè)瓦斯賦存存在差異性，南西端瓦斯涌出量出現(xiàn)明顯差異，格目底向斜主采煤層瓦斯地質(zhì)圖如圖6。向斜構(gòu)造南翼礦井煤層瓦斯涌出量主要集中在>15 m3/min 這個(gè)范圍，其次為10～15 m3/t。

圖6 格目底向斜主采煤層瓦斯地質(zhì)圖Fig.6 Gas geological diagram of main coal seam in Gemudi syncline

3.4 礦井內(nèi)部瓦斯差異

向斜區(qū)域性構(gòu)造是礦井內(nèi)瓦斯賦存的主控因素，不同形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造的不同位置、不同力學(xué)性質(zhì)以及封閉情況對瓦斯起著賦存或者逸散作用。如向斜北東翼?xiàng)罴艺旱V，構(gòu)造形態(tài)為向西南急傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角75°～85°，對礦井開采有影響斷層主要有F21、F22、F28這3 條，均為平推斷層，使得煤層氣運(yùn)移相對困難，導(dǎo)致楊家寨煤礦煤層測點(diǎn)埋深未超過200 m，但瓦斯含量均大于8 m3/t，瓦斯含量Q 與埋深H 擬合關(guān)系式為：Q=0.167 5H-20.582，R2=0.933 4，瓦斯含量隨煤層埋深而增加。

魯能煤礦位于玉舍中井煤礦西側(cè)，兩者都位于向斜南西翼，該區(qū)域地層傾角為18°～25°，9 號煤層瓦斯瓦斯涌出量示意圖如圖7。

圖7 9 號煤層瓦斯瓦斯涌出量示意圖Fig.7 No.9 coal seam gas emission diagrams

其中，玉舍中井礦區(qū)內(nèi)褶曲不發(fā)育，斷層以壓性逆斷層為主，上盤受水平擠壓形成良好的瓦斯賦存條件，并且兩側(cè)均有大斷層不利于瓦斯逸散，導(dǎo)致瓦斯涌出量偏高，靠近南側(cè)方向瓦斯涌出量逐漸降低（圖7（a））。

位于西側(cè)的魯能煤礦，礦井內(nèi)部以張性正斷層為主，開采煤層瓦斯集中在6～8 m3/t 帶內(nèi)，存在明顯梯度差異（圖7（b））。究其原因：斷層帶內(nèi)煤層拉伸變薄，使得礦井左翼煤層瓦斯賦存降低；其次，礦井次級小褶皺發(fā)育少，距離向斜構(gòu)造中心距離相對較遠(yuǎn)，不利于煤層瓦斯賦存。

4 結(jié) 論

1）格目底向斜是1 個(gè)呈NW 走向的不對稱向斜，北東翼地層傾角陡立變化大，中部地層呈近直立產(chǎn)出，局部甚至倒轉(zhuǎn)；而南西翼地層相對較平緩，次級小褶皺發(fā)育。

2）受擠壓應(yīng)力和區(qū)域性伸展構(gòu)造綜合作用結(jié)果，導(dǎo)致向斜煤層分化嚴(yán)重，使得含煤層數(shù)多但可采煤層數(shù)少，以薄煤層和中厚煤層為主，加起來占比98.3%。

3）北東翼瓦斯含量主要集中在10～12 m3/t，高于南西翼8～9 m3/t 瓦斯含量范圍，向斜南翼礦井煤層瓦斯涌出量主要在大于15 m3/min 這個(gè)范圍，其次為10～15 m3/t。

4）向斜由于受到次級構(gòu)造影響，導(dǎo)致同一瓦斯區(qū)中，玉舍中井煤礦受到壓性逆斷層作用，上盤受水平擠壓形成良好的瓦斯賦存條件，瓦斯涌出量為20～30 m3/min，魯能煤礦瓦斯涌出量在3～12 m3/min。由于受到張性正斷層影響，即使在同一礦井中，魯能煤礦南側(cè)瓦斯賦存降低，瓦斯涌出量梯度差異明顯，存在小于5、5～<10、10～15 m3/min 3 個(gè)梯度差。