地质因素对松河煤矿瓦斯赋存的控制作用

2024-02-20关金锋司中应成春莲许国胜王建华

中国矿业 2024年1期

关金锋，周侃，司中应，成春莲，许国胜，王建华

（1.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州毕节 551700；2.盘州市能源局，贵州盘州 553501）

0 引言

煤炭是我国的主体能源和基础能源，在较长时间内煤炭产量和消费量依然处于高位[1]。随着地应力、地温和瓦斯等开采条件的不断恶化，煤炭资源在采掘过程中容易发生复杂的煤与瓦斯突出灾害，引发重特大事故，严重威胁煤矿安全生产[2]。煤层瓦斯在复杂的地质作用下产生，其生成、运移和赋存分布受地质构造演化控制，煤与瓦斯突出分布的不均衡也与地质因素有关。国内外学者从地质角度揭示瓦斯赋存和瓦斯突出分布规律，认为地质构造是影响煤与瓦斯突出的重要因素[3-4]，含煤地层中的构造及其运动演化决定着瓦斯赋存与分布[5]，瓦斯赋存和煤与瓦斯突出分布受构造的逐级控制[6]。同时，煤层顶底板岩性、埋藏深度、煤层厚度、陷落柱、岩浆岩侵入、水文地质条件等均会对煤层瓦斯赋存产生不同程度的影响[7]。由于我国煤层分布的区域性和构造格局差异显著，各产煤区域的地层条件、地质构造，以及瓦斯赋存也有很大不同，存在不同的瓦斯地质类型[8-9]。

松河煤矿位于贵州省盘州市北部松河乡境内，生产能力达210 万t/a，主要开采上二叠统龙潭组的1+3 煤层、4 煤层、51 煤层、62 煤层、9 煤层、10 煤层、12 煤层、15 煤层、16 煤层、17 煤层、18 煤层，其中，1+3 煤层、4 煤层、51 煤层、62 煤层、9 煤层、10 煤层属于龙潭组上段煤层，12 煤层、15 煤层、16 煤层、17 煤层、18 煤层属于龙潭组中段煤层，龙潭组煤系厚度变化大，地质构造复杂，煤层瓦斯含量高，具有煤与瓦斯突出危险性，矿井瓦斯涌出量达115.73 m3/min。随着开采深度的增加，煤层瓦斯涌出量和突出危险程度不断加大，深入研究地质因素对煤层瓦斯赋存的控制规律，对于矿井未来采掘部署和瓦斯防治工作具有十分重要的指导意义。

1 矿区构造

松河煤矿位于六盘水煤田南部的盘江矿区，其大地构造位置为扬子板块黔北台隆六盘水断陷普安旋扭构造变形区[10]。矿区主体构造沿NW 向、NE 向发育，以褶皱为主，断层常沿褶皱轴或翼部发育，与褶皱配合形成一定规模的断褶带。NW 向褶皱主要有土城向斜、照子河向斜、白云坪背斜；NE 向褶皱主要有盘关向斜、水塘向斜、盘南背斜、旧普安向斜等。其中土城向斜、照子河向斜、盘关向斜、盘南背斜对矿区内含煤地层的产状和煤层瓦斯的分布起主导控制作用（图1）。

图1 盘江矿区构造纲要Fig.1 Structure outline of Panjiang Mining Area

1）土城向斜。轴向从西向东沿NW55°转为EW 向，轴线向南突出成弧形，长50 km，宽2～8 km，轴部出露地层为三叠系中统关岭组。

2）照子河向斜。轴向从西向东由NW55°转为近EW 向，长50 km，宽1～5 km，轴部出露地层为三叠系中统关岭组。

3）盘关向斜。轴向从南向北由SE30°转为NE45°，长约45 km，宽5～20 km。向斜轴向北倾伏，轴部地层为三叠系中统关岭组。

4）盘南背斜。轴向NE25°，长60 km，宽10～30 km，核部地层为泥盆系中统及石炭系下统地层，被断层斜切成数段。

5）照子河断裂带。位于照子河向斜南西翼，由一系列逆断层组成，呈NW 向展布，倾向NE，倾角60°～85°，长25 km，二叠系上统地层部分逆掩于三叠系中下统地层之上，断距200～6 000 km，致使向斜南西翼含煤地层受到剧烈破坏。

6）鸡场坪-鲁那断裂带。位于土城向斜中部，由数条断层组成，以逆断层为主，主体呈NE 向展布，倾向SE 或NW，倾角30°～80°，断距50～500 m，对含煤地层破坏性大。

2 构造演化对煤层瓦斯的控制

区内煤系自晚二叠世形成以来，先后经历了印支期、燕山期和喜山期构造运动的影响[10-13]。

1）印支期。扬子板块南部的特提斯洋板块向NE 方向俯冲关闭，引发前陆前缘的马关隆起区发生冲断推覆褶皱。黔西地区因受到区域挤压引起显著的垂直升降运动，盆地开始上升成陆，仅在古隆起等局部构造发育部位产生较为强烈的构造变形。导致盘江矿区内地层发生褶皱，土城向斜、照子河向斜、淹伍寨向斜和小竹箐背斜开始形成，并产生规模不大的NW 断裂。煤层开始构造抬升，但由于煤层尚处于结束沉积后的较大埋深阶段，在盘县西部区域沉积了达3 000 m 以上地层[14]，瓦斯难以通过巨厚沉积物向地表扩散，煤层瓦斯散失程度十分微弱。

2）燕山期。受太平洋板块向西俯冲于欧亚板块的影响，大地构造环境由特提斯构造域向滨太平洋构造域转变。黔西地区地层整体隆升，石炭系地层、二叠系地层和三叠系地层随着隆升发生褶皱，形成了一系列NNE-NE 向构造形迹，主要有恩洪向斜、小竹等背斜、盘关向斜、鲁番背斜、水塘向斜、新马场背斜、盘南背斜等褶皱构造，以及富源-弥勒断裂、平关-阿岗断裂、杨梅山断裂和盘县断裂等断裂构造。燕山晚期，受印度板块快速北移、特提斯洋缩小的影响，扬子板块产生NNE-SSW 向挤压作用、NWWSEE 向伸展作用。矿区内NE 向逆断层在伸展作用下反转正，形成了普遍发育的NE 向正断层构造，印支期形成的NW 向断裂构造也因应力松弛而发展为正断层。黔西地层大规模抬升，遭受大幅度剥蚀，但剥蚀厚度不一，背斜剥蚀厚度普遍大于向斜，背斜剥蚀厚度普遍大于3 000 m，而向斜带内剥蚀厚度在2 000～3 000 m，中生界地层、新生界地层得以保存[15]。同时，早期挤压应力环境形成的NE 向断裂和NW 向断裂发生了反转活动，断裂面有松弛迹象，发育在煤层中的通天断层为瓦斯逸散提供了通道，而隐伏断层则对瓦斯的运移影响不大。

3）喜山期。印度板块和欧亚大陆发生陆内汇聚，太平洋板块持续朝欧亚板块俯冲、挤压。受其影响，区域地层快速隆升，大部分背斜轴部的上二叠统煤系剥蚀殆尽，但两边多数向斜和复向斜中的上二叠统煤系大多得以保存，土城向斜、盘关向斜、照子河向斜、盘南背斜成为主要的控气单元。土城向斜、盘关向斜导致煤层埋藏深度增大，煤层当中保存有较多的瓦斯量，照子河向斜由于受照子河断裂切割破坏严重而不利于瓦斯保存，盘南背斜由于埋深较小导致其保存的瓦斯量有限。

因此，矿区煤系地层主要受燕山运动和喜马拉雅运动影响，早三叠世，受挤压作用，煤层开始大幅度倾斜抬升，处于不稳定的沉积环境，瓦斯开始释放。在盘江矿区内，主要出露三叠系下统飞仙关组和永宁镇组、二叠系上统峨嵋山玄武岩组和龙潭组地层，受风化剥蚀，缺失了侏罗系以来地层，煤层瓦斯得以进一步释放。虽然煤系地层整体上受剥蚀严重，但残留覆盖层多是泥岩、细砂岩等致密岩层，煤层瓦斯难以透过低透气岩层阻隔运移至剥蚀面，再加上燕山初期发生的热生烃对气源的补充[14]，在向斜当中仍留存有大量瓦斯，尤其是向斜核部的瓦斯含量较高，可达20 ～30 m3/t，而向斜翼部瓦斯含量一般为5～10 m3/t，并使得各矿井煤层瓦斯含量具有随煤层埋深增加而增大的变化规律，向斜构造单元及控气特性控制着盘江矿区煤层瓦斯赋存规律。

3 区域构造应力场对构造变形的控制

自燕山期以来，该区域受压剪应力场改造作用明显，形成了特有的“菱形构造系”“三角形弧系”“弧形构造”等构造组合型式，由北至南主要有“发耳菱形构造”“郎岱三角形构造”“盘县三角形构造”“晴隆弧形构造”等，盘江矿区正处于“盘县三角形构造”内[16]（图2）。

图2 盘县三角形构造格局及其应力网络Fig.2 Pattern and stress network of Pan Triangular Tectonic

“盘县三角形构造”是三个褶皱带作为主体构成的三角形构造区域，其中NW 向土城向斜—照子河向斜、NE 向盘关向斜以及NE 向旧普安向斜分别作为三角形构造三条边界。这种构造型式反映出该区域曾在复杂边界控制下，经历过两组或两组以上压力、拉力或剪力作用，主要是受中生代以来太平洋板块向西北俯冲、特提斯洋关闭与推挤的联合作用，在近EW 向挤压作用和NS 向挤压作用下形成。盘江矿区范围内，由于局部区域交叉断裂形成不连续边界条件，又诱导出NE-SW 和NW-SE 方向的挤压作用力和剪切作用力，“三角形弧系”构造体系是在上述复杂应力场条件下联合改造而成。综合来看，“三角形弧系”构造形成过程主要是三角形块体上受三向侧压力挤压作用，构造应力场主应力值在3 个顶角处最大，边部次之，向三角形内部逐渐递减（图2）。

在“三角形弧系”构造应力场主导下，矿区不同区域的应力场大小和方向存在差异，主体构造变形呈现出顶角强、边部次之、中央弱的分布特征。“三角形弧系”构造控制的煤层变形区内，广泛发育NNE 断裂、NW 断裂，虽然在后期的构造运动反转为正断层，但其对煤体破坏严重，形成了利于瓦斯富集的构造煤，影响着区域煤层瓦斯赋存与分布，控制着矿区内各煤层瓦斯含量的分布和煤与瓦斯突出危险程度的差异。以作为“三角形弧系”东北边界的土城向斜为例，向斜NW 转折端、向斜N 翼分属“三角形弧系”顶角和一边，现场观测发现向斜NW 转折端的煤层地质构造复杂、强变形构造煤广泛发育，而向斜N 翼则构造相对简单、煤体以脆性变形为主[17]，构造的定量评价结果也显示，土城向斜一翼和端部可划分为构造简单区、构造复杂区[18]。开采实践表明，在土城向斜构造复杂区开采的矿井煤层瓦斯含量高，煤层最高瓦斯含量达40.7 m3/t，平均瓦斯含量为14.5 m3/t，已发生过多次煤与瓦斯突出事故，而处于向斜一翼构造简单区的煤层瓦斯含量相对较低，煤层瓦斯含量普遍在15 m3/t 以下，平均瓦斯含量为6.7 m3/t（图3）。

图3 土城向斜煤层瓦斯含量Fig.3 Gas content of coal seam in Tucheng Syncline

4 矿井构造对煤层瓦斯的控制

4.1 矿井构造特征

松河井田位于盘江矿区“三角形弧系”构造边部，属土城向斜北翼地质构造简单区，井田整体为一单斜构造，轴向从西向东由北西55°转为东西向，轴线向南突出成弧线形，长50 km，宽2～3 km，南西翼地层倾角27°～68°，北东翼地层倾角平缓，一般为10°～35°，西端及东南端断裂比较发育，核部出露地层为中三叠统关岭组。井田构造主要是断裂构造，以正断层为主，断层延展方向多为NE 向、少数为NW 向，倾角45°～80°（图4）。

图4 井田构造纲要Fig.4 Tectonic framework of coal mine

井田内共揭露断层108 条，查明产状的有50 条，以高角度正断层为主，走向以北东—北东东向，倾角一般45º～80º。其中，落差大于30 m 的断层23 条，落差20～30 m 的断层12 条，其余73 条断层落差小于20 m。受区域构造演化控制，井田内断层多是早期压扭性构造反转形成，断层面紧闭，沿断裂面往往发育构造煤条带，煤层透气性差。其中，对松河井田有直接影响的断层主要有F35断层、F34断层、F9断层、F19断层、F33断层、F茨21断层等。

1）F35断层。井田西边界，走向北80°东，倾向北西，倾角80°，全长50 km，断层出露明显，两侧各50 m 左右岩层常具直立或倒转现象，旁侧小断层发育，断层斜切整个煤系。

2）F34断层。走向北50°～60°东，倾向北西，倾角80°，由两条正断层组成，两端均出本井田，两断层时分时合，断层带宽30～110 m。分时，西称F341断层，东称F34断层，分开时落差50～60 m，合并时70～100 m，斜切整个煤系地层。

3）F9断层。走向北52°～65°东，倾向南东，倾角55°～80°，断层斜切所有上煤组和中煤组。

4）F19断层。走向北12°～30°东，倾向北西，倾角40°～65°，北起下德乌，南止绵羊坡，北陡南缓，此断层几乎横切整个井田煤系地层，与F162断层、F94断层、F91断层、F100断层、F56断层等组成宽约900 m 的B45线断层带。

5）F33断层。走向北50°～70°东，倾向南东，倾角70°～80°，以F33断层为主，以F茨22断层为分支断层的断层组，北东延伸出井田，南西端消失于T1fn3地层中，破碎带宽达5 m，两侧小断层多斜切整个煤系地层。

6）F茨21断层。走向北70°～80°东，倾向南东，倾角 63°～70°，断层破碎带宽0.1～1.5 m，为角砾岩、断层泥等。

4.2 矿井构造对煤层瓦斯的控制

井田内断层较发育，小断层众多，其中规模较大的断层斜切了煤系的上组煤和中组煤，能够直通地表，成为煤层瓦斯和地下水运移通道，在地面清晰可见F35断层、F34断层、F9断层、F19断层、F33断层、F茨21断层等出露痕迹，表明断层对瓦斯封闭能力遭到削弱，目前这些大型断层均作为采区或井田的边界，对开采活动影响小。

对松河煤矿地勘期间的钻孔瓦斯含量数据进行分析，发现井田内煤层瓦斯含量普遍低于15 m3/t，瓦斯含量变化较大，其中，3 煤层瓦斯含量在1.20～10.79 m3/t，12 煤层瓦斯含量在0.74～14.28 m3/t，煤层整体瓦斯含量不高，与土城向斜北翼构造简单区各煤层瓦斯赋存特征相一致。另外，松河煤矿作为土城向斜的一翼，煤层整体上受构造破坏作用小，由向斜翼部向核部的区域，煤层埋藏深度加大，地应力会逐步增高，向斜核部煤层和围岩的透气性会降低，以致煤层瓦斯向地表运移的难度增大，导致向斜核部煤层更有利于瓦斯的封存，表现为煤层瓦斯含量具有随着煤层埋藏深度的增加而增大的趋势。

以龙潭组上段煤层首采3 煤层、中段煤层首采12 煤层为例，根据地勘时期和生产阶段积累的瓦斯含量数据（表1），各煤层瓦斯含量y与埋深x具有明显线性相关关系（图5），3 煤层满足y=0.029x+0.19，相关系数r=0.80，12 煤层满足y=0.02x−1.85，相关系数r=0.84。因而，可以据此对深部煤层瓦斯含量进行预测，3 煤层在埋深260 m 以深，煤层瓦斯含量将超过8 m3/t，12 煤层在埋深470 m 以深，煤层瓦斯含量将超过8 m3/t，煤与瓦斯突出危险性将逐渐加大。

表1 煤层瓦斯含量数据统计Table 1 Data statistics of gas content of coal seam

图5 煤层瓦斯含量与埋深关系Fig.5 Relationship between gas content of coal seam and burial depth

另外，井田中还发现了断距小于1～3 m 的小断层，小断层多延伸不远，尖灭于煤层当中，不能为瓦斯运移提供通道，属封闭性地质构造，使得井田内煤层局部存有较高的瓦斯含量。这些断裂构造是在压扭性应力场控制下形成，其附近构造煤发育，容易成为瓦斯富集的场所。在现代地应力的水平挤压作用下[19]，煤层仍保持较高的应力状态，断裂构造尖灭端、交汇地段煤层附近存在局部构造应力场异常，产生附加应力[20-21]，加剧煤层结构的破坏，导致煤层突出危险性增大。虽然目前并未发生断层导致的煤与瓦斯突出事故，但随着采掘深度的增加，小断裂构造产生的应力集中、瓦斯富集和煤体破坏可能为煤与瓦斯突出提供了必要条件，上述压性或压扭性断裂附近将成为松河煤矿瓦斯防治的重点。