云蓋山井田層滑構(gòu)造及瓦斯賦存規(guī)律分析與研究

王輝

（河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670）

1 概 況

層滑構(gòu)造是指沿煤層發(fā)育的剪切面和煤層以小角度相交或者近于平行的剪切帶，是地層斷塊相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)果，其力學(xué)本質(zhì)是地層由于其低強(qiáng)度而充當(dāng)了構(gòu)造作用下的剪切帶而發(fā)生破壞，薄弱層越厚，剪切帶寬度越大，越易破壞。它對(duì)地質(zhì)勘探、煤礦生產(chǎn)、礦井工程災(zāi)害防治、煤層氣開發(fā)以及油氣藏勘探有著重要影響。近年來，研究者對(duì)于華北地區(qū)煤礦沿著煤層及其頂、底板間發(fā)育的層滑構(gòu)造特征、組合型式、形成機(jī)制和定量評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析，取得進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。樂琪浪等以潘集礦區(qū)為例，分別研究了模糊綜合評(píng)判方法在層滑構(gòu)造中的應(yīng)用、構(gòu)造煤分布發(fā)育規(guī)律與層滑構(gòu)造的關(guān)系、褶皺構(gòu)造與層滑構(gòu)造的關(guān)系，認(rèn)為層滑構(gòu)造多發(fā)育于背斜兩翼，且以斷滑型和揉皺型為主，而在背斜核部則以斷裂型為主。張帥等研究青東礦8-2 煤層層滑構(gòu)造主要表現(xiàn)形式為斷裂式層間滑動(dòng)，并對(duì)其采用模糊綜合評(píng)判進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，認(rèn)為結(jié)果是可靠的。琚宜文等得到了淮北海孜煤礦斷層與層滑構(gòu)造組合型式及其形成機(jī)制。解國(guó)愛等探討了淮南顧橋煤礦層滑構(gòu)造形成機(jī)制。

作為河南能源集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井之一，云蓋山井田在礦井生產(chǎn)過程中，多次發(fā)現(xiàn)煤層厚度、傾角急劇變化，呈現(xiàn)出煤層底斷頂不斷、頂斷底不斷、煤層頂（底）板隆起或陷凹、煤層急劇變薄或變厚等異常地質(zhì)構(gòu)造，難以判定確定其構(gòu)造類型，對(duì)礦井瓦斯防治和采掘安全生產(chǎn)影響較大。因此，本文將根據(jù)地質(zhì)勘探、礦井實(shí)際揭露資料，系統(tǒng)地分析研究層滑構(gòu)造與瓦斯賦存規(guī)律之間的耦合關(guān)系。有利于指導(dǎo)安全生產(chǎn)，同時(shí)其他生產(chǎn)礦井可以借鑒。

2 地質(zhì)背景

云蓋山井田位于河南省禹州市西部27 km 處，隸屬磨街鄉(xiāng)、文殊鎮(zhèn)管轄。井田東北邊界為竹園溝斷層（F13）和文殊店斷層（F17），北西邊界為煤層露頭，西南邊界為牛頸山斷層（F9），東南邊界為下白峪斷層（F1），走向長(zhǎng)16 km，傾向?qū)?～5 km，面積約50 km2。井田內(nèi)含煤地層屬石炭—二疊系，其中二1 煤層為各礦井主要的可采煤層。

2.1 構(gòu) 造

云蓋山井田位于秦嶺緯向構(gòu)造帶北亞帶中段南側(cè)，新華夏系第二沉降帶西緣的禹州煤田西部邊緣，屬嵩箕構(gòu)造區(qū)嵩箕斷隆東南端之薈萃山鳳后嶺背斜南西翼，其構(gòu)造形態(tài)受NW 向構(gòu)造所控制，以斷層為主，局部伴有小型褶曲。其構(gòu)造形態(tài)受許禹背斜所控制，構(gòu)造以斷層為主，局部伴有小型褶曲。背、向斜被不同期次、不同規(guī)模、不同方向的斷裂構(gòu)造疊加、破壞。

井田內(nèi)發(fā)育斷層有北西西、北西和北東向三組，其中以北西西向?yàn)橹?，多為大致平行的北東盤上升南西盤下降正斷層，組成階梯狀形態(tài)，為區(qū)域主干斷裂，對(duì)含煤地層的賦存起區(qū)域的控制作用；北西和北東向斷層多集中分布于背、向斜軸部和主干斷層轉(zhuǎn)折部位。斷裂沿走向呈舒緩波狀，多具壓扭性力學(xué)性質(zhì)，也可見不明顯張扭性的構(gòu)造形跡，呈多期構(gòu)造活動(dòng)影響結(jié)果（圖1）。

圖1 云蓋山井田構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure outline of Yungaishan minefield

2.2 地 層

云蓋山井田內(nèi)出露地層從老到新，依次為寒武系毛莊組、徐莊組、張夏組、崮山組，上石炭統(tǒng)太原組，二疊系山西組、石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組、和尚溝組以及第四系黃土及坡積物（圖2）。

圖2 綜合地層柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram

晚石炭世末陸表海緩波型的碳酸鹽沉積是一個(gè)由生物碎屑堆積而成的復(fù)水極淺的寬廣平臺(tái)，為隨后早二疊世海退潮坪上大面積發(fā)育的成煤沼澤創(chuàng)造了有利的古地理?xiàng)l件。從太原組頂部至二1 煤底板為一套典型半閉塞海灣內(nèi)的海退潮坪沉積，云蓋山井田大部分地區(qū)在混合坪上直接發(fā)育二1 煤的成煤沼澤。二1 煤成煤沼澤的發(fā)生、發(fā)展與演化受海陸分布制約，從而制約著區(qū)域范圍內(nèi)煤層厚度變化。二疊系山西組的二1 煤為主要可采煤層，厚度0～14.05 m，平均4.34 m。煤層呈厚薄相間的復(fù)煤包體，厚度變化很大，具有突然增厚、變薄以至尖滅、擠滅現(xiàn)象。

2.3 煤層頂?shù)装?/h3>

二1 煤的直接頂板通常為中、細(xì)粒巖屑石英砂巖（大占砂巖），主要碎屑成分是石英，次為長(zhǎng)石和巖屑。砂巖以細(xì)粒為主，分選中等，圓度差。層面常富含白云母片和炭屑，具大型板狀交錯(cuò)層理。厚度2.9～38.1 m，平均厚18.0 m。

二1 煤底板巖層為根土泥巖，砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖互層一套細(xì)碎屑巖，厚度約5～12 m。該套細(xì)碎屑巖下伏地層為太原組上段和下段，主要由數(shù)層厚度不一的灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖互層組成。

3 層滑構(gòu)造的表現(xiàn)形式

云蓋山井田中，受層滑構(gòu)造影響導(dǎo)致煤層的形態(tài)各種各樣，分析總結(jié)大致分為頂平底推型、底平頂推型、頂?shù)谆ゴ晷?、膝橈拉伸型和擠缺構(gòu)造五種類型。

3.1 頂平底推型

云蓋山井田中，煤巷掘進(jìn)工作面經(jīng)常揭露煤層頂板大范圍內(nèi)比較平整，煤層底板產(chǎn)狀突變，導(dǎo)致煤層厚度急劇增厚或變薄，如圖3（a）、圖3（b）所示。總結(jié)分析，該類型構(gòu)造煤層頂板常以厚層狀的粗粒砂巖、中粒砂巖為主，煤層底板多以炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等為主，煤層頂板較堅(jiān)硬，煤層底板較軟弱，煤層夾在硬頂和軟底之間發(fā)生上下不均衡的層間滑動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致形成煤層上界面較平整，煤層下界面多起伏，厚度不均。

3.2 底平頂推型

井田局部沉積環(huán)境變化，煤層頂板為厚層泥巖、砂質(zhì)泥巖等相對(duì)較軟的巖層，底板以中粒砂巖、細(xì)粒砂巖等相對(duì)較硬的巖層時(shí)，煤層夾在軟頂和硬底發(fā)生上下不均衡的層間滑動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致形成煤層，煤層上界面多起伏，下界面較平整的構(gòu)造形態(tài)。常表現(xiàn)為煤層頂板產(chǎn)狀突變，煤層底板相對(duì)平整，煤層厚度急劇變化，有時(shí)出現(xiàn)煤層分層，或上分層規(guī)律零星分布等，如圖3（c）所示。

3.3 頂?shù)谆ゴ晷?/h3>

采掘過程中有時(shí)呈現(xiàn)出煤層上下分層，煤層中夾雜頂板的砂巖包體或底板的泥巖包體，包體多呈扁長(zhǎng)的透鏡狀，且上分層或下分層經(jīng)常呈現(xiàn)出沿某一方向的規(guī)律排列，如圖3（d）、圖3（e）所示。在煤層與頂板或底板界面上經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，煤層受力揉搓的遺跡，如煤層層理紊亂、出現(xiàn)明顯的鏡面滑痕、煤層結(jié)構(gòu)破碎等。

3.4 膝橈拉伸型

煤層頂板和底板均為厚層且相對(duì)堅(jiān)硬的巖層時(shí)，受拉伸地質(zhì)應(yīng)力影響，煤層頂板和底板發(fā)生斷裂并明顯相對(duì)上下錯(cuò)動(dòng)，形成顯著的正斷層。但煤層未被斷層錯(cuò)開，煤層形態(tài)發(fā)生突變，傾角迅速發(fā)生變化，煤層厚度無顯著變化，形成像膝橈型的構(gòu)造。如云煤一礦井田中23 采區(qū)?；匮由鞂?shí)際揭露，如圖3（f）所示。

圖3 層滑構(gòu)造形態(tài)Fig.3 Layer slip structure morphology

3.5 擠缺構(gòu)造

擠缺構(gòu)造是指發(fā)生在柔性地層中受褶曲形態(tài)影響，導(dǎo)致地層變薄、缺失的一種小型構(gòu)造，在大的層位空間上，地層具有無跨層越位的連續(xù)性。但又因受擠壓發(fā)生層間滑動(dòng)而缺失的部分巖層，甚至造成不正當(dāng)?shù)膶有蚪佑|。擠缺構(gòu)造一般情況為局部的小構(gòu)造，規(guī)模不大，受褶曲形態(tài)控制，多發(fā)生在褶曲內(nèi)柔性巖層中。背斜的頂部往往出現(xiàn)擠缺現(xiàn)象，使地層變薄缺失，向斜的核部往往出現(xiàn)擠厚現(xiàn)象，使地層增厚。如井田中全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育的二1 煤層，在1002、1003、1005 等勘探鉆孔中顯示為二1 煤和L8或L9燧石灰?guī)r將要接觸，中間只留下1～2 m的劈理化，滑面發(fā)育的砂泥巖，這是層間滑動(dòng)的一個(gè)典型擠缺現(xiàn)象，而不是斷失。

4 形成機(jī)制探討

4.1 多期次構(gòu)造疊加

石炭二疊紀(jì)沉積以后，受燕山早期運(yùn)動(dòng)影響，本區(qū)隆起遭受剝蝕，而缺失中生代地層，受NE—SW 方向擠壓作用影響，區(qū)域上生成寬緩的向斜和狹窄的背斜。

嵩箕地區(qū)二疊紀(jì)成煤以后，依次經(jīng)歷了晚二疊世早期末的“箕山運(yùn)動(dòng)”、三疊紀(jì)末的印支運(yùn)動(dòng)、侏羅紀(jì)末的燕山早期運(yùn)動(dòng)、自堊紀(jì)末的燕山晚期運(yùn)動(dòng)、古近紀(jì)末的喜山早期運(yùn)動(dòng)和新近紀(jì)末的喜山晚期運(yùn)動(dòng)。在這多期次構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用之下，形成多種多樣構(gòu)造形式。

4.2 軟弱夾層相對(duì)運(yùn)動(dòng)

二1 煤層位于山西組大占砂巖下，太原組上段灰?guī)r之上。大占砂巖厚度10～40 m 和太原組上段灰?guī)r厚度8～15 m，均相對(duì)堅(jiān)硬，而處于中間的二1 煤及下伏泥巖厚度約10 m，相對(duì)于頂板的大占砂巖和底板太原組石灰?guī)r地層的堅(jiān)硬程度相比，自然要軟弱的多，尤其是二1 煤層機(jī)械強(qiáng)度最低。在地史發(fā)展過程中，在側(cè)應(yīng)力多次的作用下，就產(chǎn)生了層間滑動(dòng)構(gòu)造。在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，煤層的原生結(jié)構(gòu)及煤巖組分空間排列關(guān)系被破壞，形成構(gòu)造煤，宏觀特征表現(xiàn)為質(zhì)軟而松散，一般呈粉未狀，少量呈碎屑狀。井下二1煤開采和鉆孔中均以證實(shí)，本區(qū)煤層呈粉未狀、塊狀相間。

強(qiáng)烈層滑與煤巖流變還程度不同地影響到二1 煤層頂?shù)装鍘r層使其碎裂化、透鏡化、劈理化，并褶皺流變。在臨近的平頂山礦區(qū)二1 煤層受構(gòu)造變動(dòng)影響程度不同，出現(xiàn)了二1 煤層結(jié)構(gòu)差異化的體現(xiàn)，如受構(gòu)造影響較嚴(yán)重的平頂山十三礦，二1 煤層呈現(xiàn)出粉粒狀、碎粒狀。受構(gòu)造影響較小的平頂山二礦，二1 煤原巖構(gòu)造保存相對(duì)完好。

5 層滑構(gòu)造與瓦斯賦存規(guī)律分析

云蓋山井田的地質(zhì)構(gòu)造經(jīng)歷不同期次的沉降、抬升等復(fù)雜演化歷程，在此期間，煤中有機(jī)質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)作用，不斷生烴演化。生成的大量甲烷逸散到圍巖中并消散，一少部分呈吸附態(tài)被保留在煤層及圍巖中。煤層埋深以及上覆地層的有效厚度、煤層圍巖的透氣性等同瓦斯賦存呈正相關(guān)關(guān)系。影響煤層瓦斯運(yùn)移的主要是地質(zhì)構(gòu)造。一般情況，開放性斷層附近煤層瓦斯容易運(yùn)移散失，同時(shí)構(gòu)造應(yīng)力得到釋放，煤層瓦斯壓力較小；擠壓性斷層附近煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤儲(chǔ)層孔隙裂隙增高，吸附瓦斯的能力增強(qiáng)，且構(gòu)造附近應(yīng)力集中，煤層瓦斯壓力較大，易發(fā)生煤與瓦斯突出。

云蓋山井田中明顯斷裂的斷層發(fā)育較少，但是層滑構(gòu)造較為多見。層滑構(gòu)造不等同于擠壓性斷層，但是具有擠壓性斷層的地質(zhì)體受擠壓導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裂隙發(fā)育、應(yīng)力集中等特性，造成井田內(nèi)二1 煤層厚度和形態(tài)變化，形成諸多的煤層變薄帶、尖滅帶、增厚帶、煤層傾角變化等。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，在煤層厚度較大且整體穩(wěn)定的區(qū)域，煤層瓦斯含量等參數(shù)不高。而在煤層厚度、傾角變化急劇的區(qū)域，煤體出現(xiàn)破碎、微裂隙發(fā)育、光澤暗淡、煤體干燥、透氣性變差等特征，測(cè)定瓦斯含量等參數(shù)相對(duì)較高，往往也具有突出危險(xiǎn)性。

6 結(jié) 論

（1）云蓋山井田二疊紀(jì)成煤以后，普遍遭受了的多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了NE、NW 和EW 向斷層普遍發(fā)育，局部褶曲發(fā)育的單斜構(gòu)造格局。同時(shí)受到多期的構(gòu)造應(yīng)力，使得煤層大范圍地剪切滑移，導(dǎo)致二1 煤及頂?shù)装逍巫兊牟恢C調(diào)，底板多出現(xiàn)不諧調(diào)的褶曲、撓折的層滑構(gòu)造。

（2）研究表明，層滑斷層主要造成云蓋山井田局部的煤層厚度、傾角的急劇變化，煤體出現(xiàn)破碎、裂隙發(fā)育，煤體及圍巖地應(yīng)力增高。

（3）在同一瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，因?qū)踊瑯?gòu)造形成構(gòu)造煤及應(yīng)力集中區(qū)增加了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。