艾维尔沟矿区构造及其演化对煤层瓦斯赋存的控制

2022-02-24李文

煤矿安全 2022年2期

李文

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

煤矿瓦斯灾害的频发直接威胁着煤矿一线生产工人的生命安全，严重妨碍着煤矿的正常生产以及煤炭工业的持续、健康和稳定发展，同时也间接的影响着诸多家庭的幸福和一定程度上的社会和谐稳定，所以加强煤矿瓦斯灾害防治是确保煤炭资源安全、煤矿工人幸福及创建和谐社会的重要前提和必要途径。然而有效防治煤矿瓦斯灾害的前提就是需要明确掌握煤矿瓦斯的赋存规律及其主控因素。由于我国聚煤盆地大多是经历多旋回、多期次构造叠加的复合盆地，因此各煤田地质构造及其演化极其复杂，煤层及煤层瓦斯赋存条件大多受控于地质构造及其演化特征。为了明确构造及其演化对艾维尔沟矿区煤层瓦斯赋存的控制作用，采用现今地应力实测、含煤盆地埋藏史-热史模拟、现场资料统计分析等方法对矿区地应力状态、含煤地层埋藏史、煤层变质作用、瓦斯生成与散失、煤与瓦斯突出危险性等开展研究，为艾维尔沟矿区煤层瓦斯灾害的防治提供理论指导。

1 矿区概况

艾维尔沟矿区行政区划隶属于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市达坂城区，是一个具有60 多年开采历史的老矿区，同时也是新疆维吾尔自治区重要的炼焦煤生产基地，具有煤质好、煤层变质程度高、煤炭资源量丰富等特点，其煤类是以肥煤为主的气、肥、焦、瘦混合煤种[1]。矿区东西长约25 km，南北宽约3.6 km，面积约为89.82 km2[2-3]，目前有1890 矿井、1930 矿井及2130 矿井3 对生产矿井且均为突出矿井。矿区内出露地层包括石炭系、二叠系、三叠系及侏罗系，其中含煤地层主要为下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组，可采煤层共12 层均属于下侏罗统八道湾组，最大纯煤总厚度75.63 m，最小纯煤总厚度1.03 m，平均32.20 m[4]。依据新疆自治区煤矿瓦斯地质图，艾维尔矿区位于吐哈盆地高突瓦斯带与准南逆冲推覆高突瓦斯带的交汇部位，2011 年4月3 日2130 煤矿发生过1 次中型突出，突出煤量879 t，瓦斯量26 496 m3，造成了巨大的财产损失和人员伤亡[5]。

2 矿区地应力状态

地应力是由于岩体的自重和地壳构造运动引起并残留至今的构造应力等因素而导致岩体具有的天然应力。为了研究艾维尔沟矿区现今地应力场的状态，采用空心包体应力解除法实测了矿区的地应力，测量地点位于矿区西部的2130 煤矿和东部的1890煤矿，艾维尔沟矿区地应力状态实测结果见表1。

表1 艾维尔沟矿区地应力状态实测结果Table 1 Measured results of in-situ stress in Ewirgol Mining Area

从地应力测量结果可以看出，艾维尔沟矿区地应力的总体趋势是随深度增加，现今最大主应力为4.5～5.6 MPa，其方向为近水平方向，倾角为15.54°～-20.50°，方位主要为206.33°～240.11°，表明矿区现今应力场的挤压作用方向为NE-SW 向，基本上与区域主要地质构造走向（NNW）垂直，符合矿区所在区域大地构造挤压应力场状态。垂直主应力基本上等于岩体自重，其平均比值为0.93～1.17，最大主应力与岩体自重的比值约为1.12～1.92，最大主应力与最小主应力的比值为1.55～2.42，可见矿区承受了较高的水平构造应力，且差应力很大。

3 矿区构造及其演化

3.1 地质构造特征

艾维尔沟矿区大地构造位置处于哈萨克斯坦板块、准噶尔板块与塔里木板块之间，东端与东天山构造带相连，西端往西进入中国的西天山，现今区域构造位置处于博格达纬向构造带与天山纬向构造带复合作用形成的菱形构造盆地-吐哈盆地的西端锐角处，为天山内的小型山间构造含煤盆地之一。开始于70～65 Ma 印度板块与欧亚板块的碰撞[6]以及后续的推挤作用，导致了天山新生代、特别是渐新世末—早中新世天山的快速隆升及其邻区大规模的陆内变形，使沉积盆地与山体之间发生了强烈耦合作用，最终形成了天山地区现今的山盆地貌和构造格局，天山地区地质构造复杂，在欧亚板块形成过程中占有重要的地位[3,7]。艾维尔沟矿区构造纲要图如图1。

图1 艾维尔沟矿区构造纲要图Fig.1 Structural outline of Ewirgol Mining Area

艾维尔沟矿区整体呈-北西西向展布的向斜构造，由于受到2 条区域主干断裂系统红五月桥断裂和冰达坂-夏热嘎断裂系统的影响，研究区内次一级近NWW 向逆冲断裂构造发育，其中东部断裂发育程度大于西部断裂发育程度。西部断裂发育规模虽不如东部，可西部断裂断距较大。F1-1断裂为矿区主干断裂，靠近向斜轴部横切整个向斜构造的南翼，其断距在2 000 m 以上，断面南倾60°～70°，断裂发生于古生代末期，中生代时断层东部上泥盆统-石炭系直接推挤到侏罗系之上，断层西部海西晚期花岗岩直接推复到侏罗系之上，形成叠瓦状推覆构造[8]，其余各组断层均为小型断裂，断距数米到数十米。矿区北部晚古生代地层逆冲于中时代侏罗系含煤地层之上，其中北翼含煤地层倾角变化稍大，中部地层倾角较东西两端平缓，深部倾角逐步变陡[9]。

3.2 构造演化特征

艾维尔沟侏罗纪盆地主要经历了5 个演化阶段：

1）阶段Ⅰ：拉张沉降盆地形成阶段，从早侏罗世到中侏罗世。天山造山带在受到三叠纪末印支运动的碰撞挤压后，于早中侏罗世局部地区地壳应力出现松弛，吐哈盆地继而发生伸展断陷形成侏罗纪断陷构造沉积盆地[10-11]，艾维尔沟矿区在经历了三叠纪末期的短暂挤压隆升剥蚀后，与早中侏罗世再次接受沉积。矿区沉积环境主要为河湖沼泽相，沉积了下侏罗统八道湾组和三工河组、中侏罗统西山窑组和头屯河组，其中八道湾组和西山窑组为含煤地层。

2）阶段Ⅱ：为快速隆升阶段，从晚侏罗世－早白垩世（153～132 Ma）。晚侏罗世时期，由于拉萨地块向欧亚大陆板块南缘碰撞、拼贴，使我国西北地区由中侏罗世伸展构造背景转换为挤压构造背景，吐哈盆地西缘发生快速抬升剥蚀，其中盆地北缘博格达山地区隆升平均速率为52.1 m/Ma[7,12]。

3）阶段Ⅲ：缓慢隆升阶段，从晚白垩世－古新世晚期（90～60 Ma）。晚白垩世时期，由于Kohistan-Dran 岛弧与拉萨地块发生碰撞，使得天山地区再次出现挤压构造背景，造成吐哈盆地西缘地区再次抬升剥蚀，其中盆地北缘博格达山地区平均隆升速率为48.7 m/Ma[7,13]。

4）阶段Ⅳ：快速隆升阶段，从始新世晚期－渐新世初期（40～25 Ma）。新生代以来，由于受到印度-欧亚板块碰撞远程作用的影响，天山山脉不同地区发生不同程度的构造隆升，始新世吐哈盆地西缘再次抬升剥蚀，其中盆地北缘博格达山地区平均隆升速率为69.7 m/Ma[14]。

5）阶段Ⅴ：缓慢隆升阶段，自中新世以来[10]。中新世以来，天山山脉地区普遍发生隆升，其中吐哈盆地北缘博格达山地区在距今约12 Ma 发生了至少1次快速隆升事件，并且该隆升作用仍持续至，而盆地南缘觉罗塔格山地区构造活动相对稳定，隆升速率较慢，主要原因是由于不同地区内部结构特征的差异性[15]。

4 构造及其演化对煤层瓦斯赋存的控制

4.1 构造演化与瓦斯生成

为进一步阐述艾维尔沟矿区煤系地层构造演化与煤层瓦斯生成、散失之间的关系，利用BasinMod软件对艾维尔沟矿区含煤地层的埋藏史进行了模拟重建，艾维尔沟矿区煤系地层埋藏史如图2。

图2 艾维尔沟矿区煤系地层埋藏史Fig.2 Burial history of coal measure strata in Ewirgol Mining Area

埋藏史是结合矿区内实际勘探钻录井岩性及地层分层、厚度资料，吐哈盆地西部地区地层发育及厚度资料，吐哈盆地西部地区几次关键构造期的抬升剥蚀时间、抬升剥蚀量来完成的[16-18]。通过模拟结果可以看出，艾维尔沟矿区侏罗系煤系地层主要经历了2 个大的演化阶段：阶段Ⅰ为快速沉降阶段，煤层于晚侏罗世达到最大埋深约4 300 m；阶段Ⅱ为不同速率的抬升剥蚀阶段，煤层于晚侏罗世-早白垩世开始发生倾斜并持续抬升剥蚀，煤层瓦斯不断地发生逸散。

根据相关研究成果[16]，吐哈盆地西部托克逊凹陷侏罗纪末期平均地温梯度为2.9 ℃/hm，而此时矿区煤系地层达到最大埋深所经历的地层温度约为125 ℃，这与相关学者[18]通过磷灰石裂变径迹热史模拟得出艾维尔沟下侏罗统八道湾组在晚侏罗世经历最大古地温可达到170 ℃的结论相矛盾，这说明艾维尔沟矿区煤系地层在侏罗纪末期达到最大埋深时，不仅受到深成变质作用，同时也受到区域热变质作用。

艾维尔沟矿区的深成变质及区域热变质作用直接导致了矿区内煤层瓦斯生成量具有垂向和水平2个梯度，其中矿区西部煤层所受地温偏高，煤热变质程度高，煤级垂向主要以焦煤和瘦煤为主，瓦斯生成量相对较大，吸附能力相对较强，矿区中部煤级垂向主要以肥煤和焦煤为主，瓦斯生成量及吸附能力次之，矿区东部煤级垂向主要以气煤和肥煤为主，瓦斯生成量相对较小，吸附能力相对较弱。艾维尔沟矿区各矿煤层镜质体反射率参数见表2。

表2 艾维尔沟矿区各矿煤层镜质体反射率参数Table 2 Vitrinite reflectivity parameters of coal seams in Ewirgol Mining Area

根据矿区内各矿煤层最大镜质体反射率Ro，并利用Barker 公式[19]所计算的矿区地层温度为137～192 ℃，这与相关学者[8]通过实测的矿区内不同位置断裂带中热液石英脉中流体包裹体的均一温度（113～197 ℃）相接近，这就说明艾维尔沟矿区内煤层热变质的主导因素为区域热变质作用，其中区域热变质的热源很可能是来自于矿区西部的海西晚期侵入花岗岩。

4.2 构造及演化与煤层变形破坏

艾维尔沟矿区煤系地层自早中侏罗世沉积以来，由于受到燕山运动和喜马拉雅运动的影响，矿区至少经历了3 次强烈的构造挤压作用，造成矿区煤系地层发生严重变形破坏，矿区内煤层与砂岩层之间普通发生相对滑移，由于地层之间高温高压作用，滑移面光滑如镜，明显可见方解石矿物结晶形成的滑移阶步，通过滑移阶步的相对滑移方向指示作用发现矿区内煤层与砂岩层之间不仅有相对上下滑移，还存在相对左右滑移。矿区内各矿之间煤层变形破坏程度又略有差异，艾维尔沟矿区各矿煤层变形破坏参数见表3。

表3 艾维尔沟矿区各矿煤层变形破坏参数Table 3 Deformation and failure parameters of coal seams of various mines in Ewirgol Mining Area

由表3 可见，矿区西部2130 煤矿地区煤层受构造演化变形破坏程度明显相对较大，东部1890 煤矿地区次之，中部1930 煤矿地区相对较弱，之所以会如此是因为艾维尔沟矿区位于博格达纬向构造带与天山纬向构造带的交汇部位，越靠近西边距离挤压构造带交汇点越近，而矿区东部1890 煤矿地区处于煤层褶曲转弯处，挤压作用相对较强。

4.3 构造及演化与瓦斯散失

分析可知，艾维尔沟矿区西部煤层瓦斯生成量最大，中部次之，东部最少，但现今矿区煤层瓦斯赋存量却表现为西部和东部较大，中部较少，这主要是因为后期局部差异化的地质构造及演化导致矿区不同位置煤层瓦斯具有差异化的保存条件而造成的。其中主要影响因素有煤层倾角、断裂性质及发育密度、煤层抬升剥蚀量。一般认为，对于单斜构造的煤层来说，煤层倾角越大，瓦斯越易散失，瓦斯含量则越小[20]，虽然矿区西部2130 煤矿及东部1890 煤矿相对于中部1930 煤矿具有较大的煤层倾角（表2），但是矿区西部2130 煤矿及东部1890 煤矿相对于中部1930 煤矿具有相对较大的构造挤压应力，促使矿区西部2130 煤矿及东部1890 煤矿相对于中部1930 煤矿具有更小的透气性系数（表2），造成上述规律表现不明显。矿区中东部断裂发育密度远大于东部地区（图1），表明矿区西部相比于中东部瓦斯更不易散失，矿区中部和东部具有相近的断裂密度，但由于中部地区所受构造挤压应力不及东部，造成中部地区逆断层的封闭性不及东部，中部地区煤层瓦斯相对更易散失。根据矿区勘探线剖面高程图[2]可以发现，矿区中部1930 煤矿地区相对于东西部1890 煤矿、2130 煤矿具有相对较大的抬升剥蚀量，煤层埋藏相对较浅，煤层瓦斯更易散失。

4.4 煤与瓦斯突出危险性

艾维尔沟矿区现今构造应力场的挤压作用使得矿区向斜轴部（北翼深部）出现应力集中，同时煤层表现出高瓦斯、碎软低渗的特征，因此北翼深部较北翼浅部地层具有更大的煤与瓦斯突出危险性。平面上，矿区西部构造挤压应力作用明显大于中东部，造成西部煤体强度小于中东部，同时由于西部煤体热变质程度高，瓦斯生成量大，吸附性强，而且由于缺少张性断层的疏导散失作用，煤层瓦斯得到了很好的保存，因此，从地应力、瓦斯赋存量及煤体强度3个重要因素来看，艾维尔沟矿区西部地区相对于中部地区具有更明显的煤与瓦斯突出危险性，东部地区由于处在煤层转向褶曲处，相对于中部地区也具有明显的煤与瓦斯突出危险性。