钱家营矿区岩浆岩发育特征及其对地温异常的影响

2018-09-28常永强

中国煤炭 2018年9期

常永强刘景

(1.开滦集团有限责任公司，河北省唐山市，063018；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏省徐州市，221008)

随着开采深度的增加，煤矿的地质条件变得复杂，高温问题变得显著。钱家营矿区存在高温异常区，前人研究表明，高温异常区与地层、矿井构造、矿井水文地质条件以及大地热流、异常岩浆热等因素有关，而构造作用对煤层、地下水和瓦斯、现今地温场和热流分布等因素均有控制作用，因此本文以钱家营矿构造和岩浆岩侵入特征为基础，综合区域岩浆岩侵入规律，分析了岩浆岩对地温异常的影响。

1 地质概况

钱家营矿区位于开平向斜的南东翼，含煤地层为石炭系上统和二叠系下统，属华北型沉积。钱家营矿东北部边界为毕各庄向斜西翼和小张各庄向斜西翼，向西依次为南阳庄背斜、高各庄向斜，中部为延展约12 km的单斜区，西南部以宽缓褶曲为主要特征，发育有李新庄向斜和刘唐保背斜。褶曲轴向与主向斜轴斜交。褶曲多呈不对称状，背斜南东翼倾角较大，一般在20°左右，北西翼倾角平缓，一般在10°左右；向斜则相反。断层以倾向或斜交为主，且大中型断层多伴生在褶曲轴部和褶曲与单斜过渡带，如图1所示。

图1 钱家营矿区褶曲分布略图

1.1 褶皱发育规律

钱家营矿区发育两个褶皱较集中区，分别位于东北、西南两端，且褶曲轴线都具有向东、向北凸出的弧形特征，而且都有向北散开、向南收敛的趋势，构成了类似旋扭构造中的“帚状构造”，东北端的 “林子里帚状构造”和西南端的“刘唐保帚状构造”都是由压性结构面(褶曲轴面)构成的，外旋层在东侧做逆时针扭动形成旋扭构造，如图2所示。“林子里帚状构造”是NE、SW向应力相互挤压的区域，“刘唐保帚状构造”是近E、SW向应力相互挤压区域，二者应力均比较集中，区内构造复杂。

图2 钱家营矿受力方向分析与断裂系统分布图

1.2 断层发育规律

钱家营矿区构造以宽缓的褶曲为主，以伴生的断层为辅，落差50～5 m的较大断层有40条，其中，落差50～30 m断层4条，落差30～10 m断层24条，落差10～5 m断层12条。断层以正断层为主，逆断层相对较少，且多分布在单斜与褶曲区的过渡带。断层的走向主要受两个“帚状构造”的控制。由图2看出，这两个“帚状构造”型式相同，方向一致。在各自展布的范围内，压性、张性和扭性断裂的方向，遵循“帚状构造”所派生出来低序次的断裂排列组合规律。在这两个“帚状构造”之间，地层呈单斜产出，其东部是“林子里帚状构造”的内侧，其西部是“刘唐保帚状构造”的外侧，二者构成了顺时针扭动，受力方向T3、S3即NW向，或近SN向发育的张—张扭性断裂。正断层大都呈NW向展布，如F1、F5、F6、F7、F8等；逆断层则呈近EW向展布，如F11、F10等，这与上述力学规律的分析较为吻合。

小断层以正断层为主，正断层所占比例高达89.6%，逆断层仅占所有断层的10.4%。根据落差范围分布范围发现，无论是正断层还是逆断层，落差主要分布在1.0～4.0 m范围内，各不同落差的断层具体分布如图3所示。

小断层走向优选方位为NNW向和近SN向，如图4所示，此外还存在一组近WE向和一组NE向的断层，这与正断层的优选方位相类似；逆断层相对方向多变，表现了断层发育机理的复杂性，主要有5个优选方位，即近SN向、近EW向、NW向、NNE向和NEE向，受断层运动的影响，在逆断层两侧常伴有较明显的牵引现象。

正断层走向优选方位为NNW向和NNE向，根据开滦矿区地质构造演化应力场分布，区域该方向的断层可能与燕山早期地壳运动有关；同理，NNE向和NEE向正断层多与喜马拉雅时期地壳运动有关。

2 岩浆岩特征

2.1 岩浆岩侵入特征

(1)岩浆岩分布。钱家营矿区先后共有12个钻孔揭露了岩浆岩，这些钻孔主要集中分布于矿井西翼，如图5所示。岩浆岩深度约在230～830 m之间，厚度介于0.10～33.50 m。钱补3钻孔揭露厚度最大，但属于火山岩物源形成的火山碎屑岩，不是火山喷出岩或岩浆侵入岩；钱冲1钻孔揭露的主要是火山岩砾石，属于剥蚀搬运的沉积物。从火山碎屑岩厚度变化分析，其陆源剥蚀区位于东南部，与煤系地层向东南抬起方向一致。剩余10个钻孔揭露的岩浆岩属于侵入岩，岩浆沿5#、6#、7#、9#、12-1#煤层的顶板或底板侵入，侵入层位集中于含煤地层的12#煤层附近和5#煤层附近，其中钱补17钻孔揭露的12#煤层、钱5钻孔揭露的9#煤层、钱19钻孔揭露的7#煤层全部变成天然焦，并且沿地层倾向侵入层位由浅而深(5#煤层附近到12#煤层附近)，如图6所示。

图5 钱家营矿见岩浆岩钻孔分布图

(2)实际巷道见岩浆岩情况。钱家营矿分别在1683运输巷、八采区一中车场、二中车场、2881边切眼、西回风巷、西运输巷、2874东采区切眼、东回风巷、2875东回风巷边切眼、2872E探巷等巷道中实见岩浆岩，如图7、图8所示。根据矿井所揭露的资料，矿井所见的岩浆岩主要以岩墙为主(煤层内也发现有少量岩脉和规模不大的岩床)，岩墙厚度0.40～2.50 m，多伴随断层产出，主要沿NNW向断裂由深部向上侵入煤层中部或者煤层顶、底板，对本区煤层的破坏相对较小。岩浆岩具有气孔构造的辉绿岩，属基性浅成侵入岩浆岩。

图6 SW-NE向岩浆岩侵入层位对比图

(3)岩浆岩形成时代。钱家营矿区岩浆岩侵入年代为98～82 Ma，属于四川期(区域上称为燕山晚期或末期)晚白垩世(104～80 Ma)的产物，即朱大岗研究的第三幕燕山晚期K2期产物；在钱家营矿古近系地层中发育有以火山碎屑砾为主的沉积岩来看，岩浆活动也至少应在白垩纪末期。由于其岩浆岩的产状、岩性等因素上的差异，虽然侵入时间较集中，但钱家营矿岩浆岩体应为同时代多期侵入的产物。

2.2 区域岩浆岩侵入分析

根据区域勘查和生产实见资料，开平向斜东南翼的唐家庄、林西、吕家坨、范各庄等矿井和宋家营勘查区均有岩浆岩分布。

图7 2874东边切眼岩墙揭露情况示意图

图8 2874东风道岩浆岩揭露示意图

范各庄矿已发现3组岩浆岩侵入体，每组由2～4道岩墙组成，在煤层中单个岩墙厚度可达4.0 m，岩浆岩墙的发育比较有规律，总体呈NNW向展布。

吕家坨矿揭露的岩浆岩侵入体为矿东部NNW向高角度墙岩脉带(2条或3条)和西部吕家坨背斜轴部岩床区。

钱家营矿岩浆岩沿断裂侵入，呈岩墙状，但局部存在沿脆弱部位或煤层侵入的岩床。井下生产中分别在六采区和八采区巷道中实见岩浆岩，为岩脉侵入，对煤层破坏不大。有12个地面钻孔揭露了岩浆岩，厚度为0.40～2.50 m。

林西矿岩浆岩侵入较发育，侵入岩体形态多呈岩墙状，并有分枝和岩瘤零星分散镶入围岩中，且穿各可采煤层，使煤层局部被侵蚀破坏，靠近火成岩边缘煤层变质，形成天然焦，厚0.2～2.0 m。岩浆岩侵入发育为三组，但规模不大，侵入形式比较单一，浅部以岩墙群和岩脉侵入煤层，比较规则。深部岩浆侵入规模小于浅部，以单一岩墙状或岩瘤、串珠状侵入煤层，对煤层影响不大。

以上4个矿区岩浆岩侵入的共同特点是岩墙走向总体呈NNW向展布。通过地质构造演化规律分析，NNW向展布的断裂形成于开平向斜主要褶皱期—中生代燕山运动，在岩性比较坚硬部位形成断层，比较软的岩层则形成裂隙，后期岩浆涌入该时期形成的断裂，形成现在的岩墙，有些岩浆甚至局部呈透镜状顺层侵入到煤层中。岩浆岩顺着断层侵入，说明中生代燕山期运动过程中，钱家营矿区受构造运动影响垂向裂隙比较发育，且发育深度大，引导岩浆侵入石炭—二叠系煤层，形成岩墙或岩床。

2.3 岩浆岩对地温异常的影响

岩浆岩活动对现今地温场的影响，主要从以下三方面考虑：其一，岩浆侵入和喷出的地质年代，时代越新，所保留的余热就越多，在高温岩浆余热的影响下，对现今地温场的影响就越强烈，并有可能形成地热异常区；其二，岩浆体规模、几何形态以及围岩产状和热性质等对于岩浆体的冷却速率有很大的影响；其三，岩浆岩侵入通道可能构成地下深层热循环作用。

钱家营揭露的岩浆岩主要形成于燕山晚期，在局部区域对围岩进行了加热。但经历了长达6000万年左右的冷却作用，岩浆余热早已散尽而达到与围岩的热平衡，不足以为现今的热害提供热源。但是，由于钱家营矿区的岩浆侵入相对集中，在本区深部应该发育有一个从深部达地表的岩浆通道，虽然发现的岩浆岩规模不大，但岩浆岩是从深层侵入上来的，其势必导致地壳破裂，特别是煤系及基底岩石的破碎，这就可能沟通深部地下水(包括奥灰水、或更深部水)，导致深部水向上循环作用，引起本区热结构的异常，这可能是导致煤系地温异常的一个因素，而从岩浆岩与水质异常的一致性也从另一方面说明岩浆岩可能导通深部热水，引起水质异常，而这一导通现象也能很好地说明研究区垂向发育的裂隙能够导通奥灰水。同时，在印支、燕山期岩体接触带赋存的硫化矿床及上古煤系地层中，硫化物氧化溶滤形成的酸性水常促使矿体周围岩溶强烈发育，形成局部的岩溶强发育带。含煤地层中常含有黄铁矿，携带FeS2的砂岩裂隙水与奥灰水混合后，可发生异离子效应，促进岩溶作用，研究区岩浆作用如图9所示。