土城向斜地质构造特征及瓦斯赋存规律研究

2022-08-16刘玉锋田焕志

煤炭与化工 2022年7期

黄兴，刘玉锋，田焕志

（1.贵州安和永驻科技有限公司，贵州贵阳 550000；2.贵州贵煤矿山技术咨询有限公司，贵州贵阳 550000；3.贵州能源产业研究院，贵州贵阳 550000）

0 引言

煤炭作为我国的主导能源，尽管近年来煤炭产量占比呈现逐渐下降趋势，但据学者预测直到2025 年煤炭能源依旧能够占中国能源消费的50%左右[1]，说明煤炭在之后一段时间里依然是我国主要能源。贵州省是中国南方最大的煤炭生产基地和煤层气资源富集区，其中六盘水地区煤层气地质资源量高达1.39×1 012 m3，能源资源丰富[2-4]。瓦斯作为重要的清洁能源同时，也是发生煤矿安全事故的主要因素之一，瓦斯也受到构造运动、煤层埋深、水文地质、岩浆等影响，在此基础上，王蔚等[5]认为华北板块与周缘板块之间的相互作用制约煤系的形成赋存等，且华北煤矿瓦斯分布呈现明显的区带特征；赵俊山等[6]采用数据统计和非线性拟合方法定量分析了地质构造演化、构造应力场等作用对瓦斯赋存的影响；黄政祥等[7]通过对构造运动、煤层埋深、煤层顶底板岩性、煤层含水性等影响因素研究分析了黔北煤田绿塘井田的瓦斯赋存规律；但由于我国各个地区地质构造复杂及煤层的成藏原因各不相同，目前研究多针对单一煤层、矿井方面，而贵州煤层地质条件复杂，其中六盘水煤田土城向斜地质构造复杂，瓦斯灾害严重。

综上所述，本文以六盘水土城向斜构造所含矿井为研究对象，以向斜煤田地质勘探及矿井实测数据为基础资料，分析土城向斜构造特征及瓦斯赋存规律，并对影响煤层瓦斯含量因素进行分析研究，以期为该地区矿井瓦斯防治提供指导性意见。

1 土城向斜地质构造特征

土城向斜由于煤系地层的特殊性，部分矿井煤层煤层主要发育在二叠统龙潭组中，另一部分又发育在宣威组中，其中含煤层数在39~ 55，煤层总厚度25.59~41.72 m，可采煤层4~18 层，可采煤厚为9.5~23.4 m。向斜南西翼被一条走向断层切剖，局部见含煤地层。南西翼地层倾角27 °~68°。北东翼地层倾角平缓，一般为10°~35°。西翼侧及东南侧两端断层比较发育。

向斜总体呈NW－SE 向展布，轴线向南突出成弧形，长50 km，宽2 ~ 8 km。地层一般较陡，局部直立或倒转。向斜SW 翼被一条走向断层切剖，局部见含煤地层，西部及南西部断层比较发育。向斜所含矿井主要有红旗煤矿、麦地煤矿、荣详煤矿、土城煤矿、长箐煤矿、五排煤矿、二排煤矿、松河煤矿、大河煤矿、昌兴煤矿、淤泥金河煤矿、湾田煤矿、谢家河煤矿、杨山煤矿以及羊场煤矿等。矿井分布图如图1 所示。

2 土城向斜演化特征

土城向斜自中元古代以来发生过多期构造，整体上该区含煤盆地区域构造演化分为4 个阶段[8-11]。

（1）海西期上扬子地台坳陷盆地形成阶段。正是在该期发生遵义- 安顺一线西南为陆相沉积与海陆相互沉积，形成了西部煤海，并在NE-SW 向为主的海西期伸展作用下导致本区由断裂活动发生，沿着较大的同生断层带形成了裂陷槽，并在裂陷槽之间构成台地。

（2）印支期上扬子台地坳陷稳定阶段。该期地壳沉降，受到ES-NW 向挤压，并在三叠系末期贵州西部地区板块由于受到N 向的挤压应力从而发生隆起，形成了一系列褶皱带。

（3）燕山晚期褶皱断裂抬升剥蚀阶段。在该期内地壳活动剧烈，区内产生强烈的北西至南东方向的挤压构造应力，从而形成较普遍发育的N-E向构造形迹，由于强烈的构造运动使得之前的褶皱、断层等进一步发育，并且在构造作用的影响下又形成了新的褶皱、断层。

（4）喜马拉雅期上扬子台地抬升受挤压变形阶段。区内地壳依旧以抬升为主，局部伴有轻微褶皱，构造应力场在整体上表现为EW 方向为主的水平挤压应力场，同时太平洋板块向西运动，朝欧亚大陆俯冲、挤压，使得之前印支运动及燕山运动形成褶皱、断层构造格局进一步发展。

3 瓦斯赋存规律研究

3.1 聚煤地层特征

向斜构造所含矿井含煤层数和可采煤层数的统计结果如图2 所示。含煤层数和开采煤层数差别较大，由于向斜褶皱端构造相对复杂，造成煤层分化严重，同时会导致原本厚煤层变薄，煤层间距减小。向斜北西翼（土城矿至二排煤矿）和南东翼（松河煤矿至羊场煤矿）含煤层数存在较明显梯度差，向斜南东翼在整体上表现为含煤层数较多，成群组赋存，单一煤层较薄，煤层层间距小，沉积差异较大等特点。

对土城向斜矿井可采煤层厚度进行统计，该区域煤层厚度以薄煤层和中厚煤层为主，其中薄煤层100 层，占比42.6%，中厚煤层136 层，占比56.2%，厚煤层3 层，仅占比1.2%，与上述受构造作用煤层分层化严重分析一致。

3.2 煤层厚度变化特征

由于土城向斜构造特殊性，其中土城矿、麦地煤矿、荣祥煤矿、长箐煤矿、五排煤矿、二排煤矿、淤泥乡金河煤矿、谢家河煤矿、杨山煤矿、羊场煤矿同属于龙潭组，而红旗煤矿、松河煤矿、大河煤矿、昌兴煤矿、湾田煤矿同属于宣威组。

分别统计土城矿、麦地煤矿、荣祥煤矿、长箐煤矿、五排煤矿、二排煤矿的3 号和12 号煤层厚度，松河煤矿、大河煤矿、昌兴煤矿、淤泥乡金河煤矿、湾田煤矿的10 号和12 号煤层厚度，以及谢家河煤矿、杨山煤矿、羊场煤矿10 号、13 号、16号煤层厚度。统计结果如图3 所示，由图3（a）可以看出，由土城矿、麦地煤矿至二排煤矿，煤层厚度沿向斜南东方向逐渐变薄，说明土城向斜构造沿南东方向构造作用逐渐复杂，受到地质构造作用越大且煤层分层现象越严重，煤层也越来越薄。由图3（b）和图3（c）可以看出，沿向斜南东方向，煤层厚度逐渐变厚，说明南东翼煤层受地质构造作用影响较小，煤层分化程度相对北西翼较低，说明该区域受构造作用表现为北西翼、南东翼受构造影响作用小，中间松河煤矿附近受向斜构造挤压作用影响较大，煤层分化严重。

图3 土城向斜煤层厚度变化Fig.3 Thickness change of Tucheng syncline coal seam

3.3 煤层瓦斯含量变化特征

通过对土城向斜瓦斯含量整理统计，如图4 所示。由图4（a）可以看出，土城向斜北西翼（土城矿至二排煤矿）瓦斯含量主要集中在4 ~ 9 m3/t；土城向斜南东翼（松河煤矿至羊场煤矿）煤层瓦斯含量主要集中在4 ~12 m3/t，且煤层瓦斯含量超过8 m3/t 的数据点占该区域的74.4%，说明该区域瓦斯含量梯度存在差异，向斜南东翼煤层瓦斯含量相对偏高。由图4（b）可以看出，北西翼煤层瓦斯压力相对南东翼较低，而南东翼煤层瓦斯压力超过0.74 MPa 占比约80%左右，最大达3.3 MPa左右，说明南东翼煤层瓦斯压力整体相对于北西翼较高。

图4 土城向斜煤层瓦斯含量及瓦斯压力统计图Fig.4 Statistics of gas content and gas pressure in Tucheng syncline coal seam

通过对相同地层煤系煤层瓦斯含量分析，如图5 所示，由图5（a）可以看出，煤系地层同属宣威组的松河煤矿至湾田煤矿的10、12、18 号煤层瓦斯含量均呈现先增后减的一个趋势，由图5（b）可以看出，同属龙潭组的17、18 号煤层瓦斯含量呈逐渐递增的一个趋势，由于松河煤矿邻近土城矿，土城矿瓦斯含量多为8~10 m3/t，说明土城向斜煤层瓦斯含量赋存沿南东向呈现先减后增、两端大中间小的赋存规律，构造对向斜两翼作用小，瓦斯保存较好，这与上述研究分析相符合，同时也表明煤层厚度对瓦斯赋存有一定的影响。

图5 土城向斜煤层瓦斯含量变化Fig.5 Variation of gas content in Tucheng syncline coal seam

煤层瓦斯含量与埋深有着紧密关系，以土城向斜松河煤矿为例，对其煤层瓦斯含量与煤层埋深进行拟合，如图6 所示，瓦斯含量与埋深拟合关系式为：Q=0.035 6 h+1.762 6，相关系数为R2=0.781 4，随着煤层埋深增加，瓦斯含量也呈相应的线性增加。

图6 松河煤矿瓦斯含量与埋深拟合示意Fig.6 The fitting indication of gas content and buried depth in Songhe Coal Mine

4 主采煤层瓦斯赋存影响因素研究

由于经历多期构造演化导致其内矿井构造各不相同，煤层埋藏深度、煤层顶底板岩性、岩层厚度及矿井断层构造特征等因素均在一定程度上影响着煤层瓦斯的含量。

4.1 断层构造对瓦斯赋存的影响

为了定量评价断层对瓦斯含量特征的影响，本文采用断层分维的方法，对研究区构造复杂程度进行量化的表征。利用MATLAB 自编语言将12 号煤层断层分布图导出进行二值化处理，然后在通过MATLAB 得出lnr 和lnN(r)的拟合关系，拟合出曲线的斜率就是所求的分形维数[12-13]，如图7 所示。

图7 断层分块分形维数线性拟合图Fig.7 Linear fitting graph of fault block fractal dimension

土城向斜断层主要呈现南东翼较复杂，北西翼相对较简单趋势，复杂区主要有3 块，分别位于向斜北西翼土城矿（块段1 号）、南东翼湾田煤矿（块段2 号）至羊场煤矿（块段3 号），松河煤矿矿区周围为断层中等区。其中羊场煤矿井田内横切和走向断层都比较发育，井田内较大的断层主要有F38、F39、F48 三条正断层和F45 一条逆断层，其中F38 和F39 正断层位于矿区边界附近，对开采影响较小，F45 逆断层和F48 正断层位于井田中央，对井田开采有一定影响，构造较复杂。而松河煤矿井田内断层较发育，影响初期采区的有34、9两条断层。而土城矿构造复杂，断层发育，多数以北东走向为主，少数为北西走向，落差大于100 m的有8 条。

4.2 埋深对瓦斯赋存的影响

随着煤层埋深的增加，瓦斯向外界的运移距离也随之增加，进而对瓦斯起到封盖保护作用。一般情况下，煤层瓦斯含量与压力与煤层的埋深成正比关系，随着煤层埋深的增加，地应力越大，这对煤层围岩起到压实作用，降低了围岩的通透性，从而间接影响了瓦斯的赋存状态[14]。

通过拟合土城向斜、照子河向斜、盘关向斜、盘南背斜构造煤层埋深与瓦斯含量的关系，如图8所示。瓦斯含量随埋深的增加具有增大的趋势，具有一定的相关性，表明煤层的埋深对瓦斯含量有一定的影响。

图8 煤层瓦斯含量与埋深关系Fig.8 Relationship between gas content and buried depth in coal seam

4.3 煤层厚度对瓦斯赋存的影响

随着煤层厚度的增大，煤层瓦斯含量总体也有增大趋势，当煤层厚度较大时，靠近顶底板的煤层对于中间的煤层起到了相当于围岩的作用；而薄煤层，没有其他煤层阻碍瓦斯的运移，进而导致瓦斯含量较小[15]。另一方面，煤层为瓦斯的生成提供了物质源，较厚的煤层，更能产出更多的瓦斯，因此煤层厚度是对瓦斯赋存有重要影响。分别对土城向斜12 号主采煤层矿井煤层厚度进行统计（图9）。

图9 煤层瓦斯含量与煤层厚度关系Fig.8 Relationship between gas content and buried depth in coal seam

通过对盘江矿区土城向斜12 号主采煤层主采煤层瓦斯含量和煤层厚度进行瓦斯线性回归分析，结果表明，两者之间存在一定的线性相关性，说明煤层瓦斯含量受到一定煤层厚度变化的影响，煤层瓦斯含量随煤层厚度增大而增大。

4.4 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

煤层顶底板的隔气性和透气性对煤层瓦斯的分布和赋存有较大的影响，顶底板的岩层如果是致密的泥岩、页岩、油页岩时，则能够对煤层瓦斯起到很好的封闭作用，使煤层瓦斯赋集；反之，如果煤层顶底板的岩性为孔裂隙较为发育的砂岩、砾岩时，煤层瓦斯在岩层孔裂隙之间可以自由移动，有利于煤层瓦斯的逸散，降低煤层瓦斯局部含量。

由于不同矿区煤系地层的岩石组成会有所差异，导致不同顶底板岩性对煤层瓦斯逸散影响是不同的，综合考虑砂岩比、岩层厚度等效系数两个指标来综合定量分析煤层顶底板对煤层瓦斯封盖性能，为方便计算分析，以土城矿、松河煤矿以及羊场煤矿主采12 号煤层顶板岩性为例，其中土城矿顶板以泥质粉砂岩为主，松河煤矿以粉砂质泥岩为主，羊场煤矿以粉砂岩为主[16]。

4.4.1 封盖层砂岩比

经统计，研究区内煤层顶板主要有泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、以及砾岩等几种类型组合。其中，细砂岩对于煤层瓦斯的封盖能力较弱，而泥岩的封盖能力最强，其岩性权重值见表1。