淮南煤田逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出的影响分析

乔国栋，高 魁，2

(1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001； 2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001)

逆冲推覆构造带是煤与瓦斯突出的敏感地带，二者之间存在密切关系。许多学者对二者之间的关系做了深入研究，韩军[1]、王健[2]等认为逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出矿井有着控制作用；陈萍[3]、张鸣[4]等研究了逆冲推覆构造的控煤机理。但是目前针对逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出影响的研究多集中于动力学方面，对几何学特征研究的资料非常少；对影响煤与瓦斯突出的三大因素——煤、瓦斯、应力的研究多集中在煤和瓦斯，缺乏对应力的研究分析。淮南煤田逆冲推覆构造特征明显，煤与瓦斯突出矿井数量较多。笔者通过对淮南煤田逆冲推覆构造的几何学、动力学特征的分析，结合该构造对煤体结构、瓦斯赋存、构造应力的影响，探讨淮南煤田逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机理，可为煤矿的安全生产提供指导。

1 淮南煤田逆冲推覆构造几何学特征

淮南煤田地处秦岭—大别山造山带北部，东起郯庐断裂，西至阜阳深断裂，东西向长达180 km，北部刘府断裂连接蚌埠隆起，南部以颖上—定远断层和合肥盆地毗邻，南北向相距15～25 km，面积3 600 km2。淮南煤田构造形式为近东西向的对冲构造盆地，逆冲推覆构造主要分布在煤田南北两缘，中间为复向斜构造。淮南煤田地质构造如图1所示。

(a)平面图

(b)A—A剖面图

①—阜阳深断裂；②—刘府断裂；③—尚塘—明龙山断层；④—胡集正断层；⑤—陈桥正断层；⑥—阜凤逆冲断层；⑦—阜李逆冲断层；⑧—颖上—定远断层；⑨—山王集断层；⑩—舜耕山逆断层；—郯庐正断层；—唐集—朱集背斜；—尚塘—耿村向斜；—陈桥背斜；—潘集背斜；—谢桥—古沟向斜；—口孜集—南照集断层。

图1 淮南煤田地质构造图

根据Elliott的弓箭法则判断，煤田南缘的逆冲推覆构造自南向北运动，推覆距离最大达数十公里，向前锋断裂逐渐减小为数公里，前锋带整体上沿谢桥—古沟向斜南翼展布。煤田南缘逆冲推覆构造的外来推覆体在燕山期由太古界霍邱群至二叠系构成。

由图1(b)可以看出推覆体剖面呈叠瓦扇构造。在强烈的挤压作用下，逆冲断层系在侏罗纪迅速向北扩展，逆冲断层系前段将推覆体分成4个主要的逆冲断层：阜阳—凤台(阜凤)逆冲断层、山王集断层、舜耕山断层、阜阳—李郢孜(阜李)逆冲断层。4个断层形成依次向北逆冲的叠瓦状断夹块的组合体，断层面上陡下缓，收敛于呈波状起伏的基底滑脱面[5]。阜凤逆冲断层和舜耕山断层构成了八公山、舜耕山、刘庄SN向推覆体，其断层倾角30°～60°，浅部大，深部小，由南向北推覆，将太古界霍邱岩群推覆至煤层地层上方。煤田北缘逆冲推覆构造是由于南缘逆冲推覆构造的前缘推覆至蚌埠隆起后，受到蚌埠隆起的阻挡然后反向逆冲而形成的[6]。煤田北缘逆冲推覆构造将太古界向南推覆至三叠系和二叠系之上，形成一系列反向推覆构造，组成了尚塘、明龙山由北向南的逆冲推覆体。该推覆体东起郯庐正断层西至阜阳深断裂呈NWW-SEE走向，东宽西窄。推覆体的主滑脱面断面上陡下缓，北倾70°左右。在燕山运动早期，原来存在于二叠纪煤系中的初始正断层受到拉伸作用的影响，断层落差达到了50～300 m。燕山运动晚期，NW和NNE向的正断层发育，如胡集正断层、陈桥正断层、郯庐正断层等，这些正断层将EW向的逆断层切割，切割特征明显。

2 淮南煤田逆冲推覆构造动力学特征

淮南煤田处在华北聚煤区南缘，宏观上看该煤田的逆冲推覆构造带是秦岭—大别山造山带指向华北板块的巨型逆冲推覆构造的前锋带，造山带示意图如图2所示。

图2 秦岭—大别山造山带示意图

在印支构造期，扬子克拉通和华北克拉通发生猛烈碰撞，产生了大范围、多层次以大别山为根带的逆冲推覆构造。在挤压应力的作用下大别山以北的前陆地区因岩石圈的弯曲使初始正断层在克拉通表层开始发育[7]。在燕山期，秦岭—大别山造山带产生了南北方向的挤压应力，其中最大主应力的方向大概分布在175°～187°，接近水平方向。秦岭—大别山北部的区域性逆断层系向华北板块内传递，通过前展方式向华北聚煤区南部拓展，形成了淮南煤田南缘的逆冲推覆构造。

煤田南缘逆冲推覆构造向北推覆挤压，以前期形成的凹陷为基础，EW走向的褶皱及伴生断裂系统得以发育，当受到蚌埠隆起的阻挡后发生反向逆冲作用，形成淮南煤田北缘的逆冲推覆构造(尚塘—明龙山推覆构造)。进入燕山晚期后，欧亚大陆受到了来自太平洋板块NNW向的挤压碰撞，最大主应力方向分布在300°～330°内，NW向正断层及NNE向走滑正断层发育，即著名的郯庐正断层。除此之外，一组NNE向的平行于郯庐断裂的正断层也在淮南矿区发育。在晚第三纪后，在欧亚板块和印度板块的共同作用下产生了主应力方向为NE20°，近NS向的挤压应力场。在该应力场的作用下，华北板块沿东西走向做伸展运动，导致NNE向断裂活化。在块断掀斜作用的影响下淮南煤田南缘的逆冲推覆构造和秦岭—大别山造山带分离[8]。至此，淮南煤田逆冲推覆构造基本发育完成。宏观认为淮南煤田逆冲推覆构造的动力来源于扬子克拉通与华北克拉通的相互挤压作用。

3 淮南煤田逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出的影响

3.1 对煤体结构的影响

由于扬子克拉通与华北克拉通的相互挤压，淮南煤田逆冲推覆构造带内的岩体处于被挤压状态，煤体出现揉皱现象。揉皱作用会影响煤层的产状和厚度，表现为褶皱状起伏、直立、倒转等。在淮南新集二矿部分煤系地层出现了强烈的揉皱现象，其中 4-2 煤层揉皱现象尤为明显[4]。

在逆冲推覆构造带内，煤、岩层受挤压应力作用发生应变，煤层作为软弱夹层为适应岩层的变形而随之发生滑动，产生层滑构造。在主滑动面的影响下，受煤、岩层中顺层应力的影响，煤层和顶底板之间或煤层与夹矸层之间会产生次一级的层滑构造。原边界条件和原区域应力场因层滑作用而遭到破坏，强度较弱的煤体在挤压、剪切的作用下遭到破坏，导致构造煤较发育。以位于阜凤逆冲推覆构造下的新集井田为例，该井田内滑动构造系统的主滑面为阜凤逆冲断层面，在主滑动面的影响下井田内的次级层滑构造较发育，13#煤层内的层滑构造尤为发育[9]。

由上述分析可知，淮南煤田逆冲推覆构造带内煤层在揉皱作用和层滑作用的影响下煤体结构被破坏，为煤与瓦斯突出提供了物质条件。

3.2 对瓦斯赋存的影响

在逆冲推覆构造区域内，外来推覆体推覆至原生系统之上，煤层埋深增大，对瓦斯赋存起到了良好的密封作用。淮南煤田南北两缘的逆冲推覆构造是逆冲推覆构造控制瓦斯赋存的典型。结合淮南煤田逆冲推覆构造几何学特征和动力学特征可知，煤田南缘的阜凤逆冲断层由南向北推覆，煤田北缘的尚塘—明龙山断层由北向南推覆，形成了反向相背倾斜的构造系统，为瓦斯储存创造了条件。

此外，逆冲推覆构造带内发育的逆断层、断裂在整体上呈现压性、压扭性特征，这种特征的构造面对瓦斯赋存也具有良好的储存作用[10]。而逆断层的压性、压扭性特征使断层构造带内的瓦斯处于高压状态。被断层破坏的煤体内有大量裂隙，煤体裂隙的张应力与裂隙中瓦斯压力关系如下：

Δp=2σmsinθ(La-Lb)

(1)

式中：Δp为煤体破裂前后的瓦斯压力差，MPa；σm为煤体裂隙张应力，MPa；θ为最大主应力与煤体裂隙所成角度，(°)；Lb、La分别为煤体破裂前后的裂隙表面积，m2。

平均应力的断裂极限公式可表示为：

(2)

式中：E为煤岩体的弹性模量，MPa；T为煤体的表面能，MJ/m2。

联立式(1)、式(2)得：

(3)

由式(3)可以看出，煤体破裂前后的瓦斯压力差与煤体破裂前后的裂隙表面积有关。假设Lb不变，La越大，则瓦斯压力差Δp也就越大。瓦斯压力差为煤体内瓦斯的运移提供动力，构造带煤体中的微小裂隙成为了瓦斯运移的聚集区，导致了高瓦斯富集区的形成。这也是逆冲推覆构造带内的逆断层处高瓦斯富集区数量较多的原因之一。

3.3 对构造应力特征的影响

由淮南煤田逆冲推覆构造的动力学特征可知，淮南煤田的逆冲推覆构造于印支—燕山时期在扬子克拉通和华北克拉通挤压碰撞作用下形成。在燕山运动中秦岭—大别山造山带持续南北挤压，故逆冲推覆构造带内的主要断裂带——阜凤断裂、舜耕山断裂、阜李断裂，以及淮南煤田北缘的尚塘—明龙山逆断层均呈现压性或压扭性特征[11]。舜耕山断裂带和阜李断裂带内的糜棱岩、挤压片等挤压作用的特有产物也证实了该构造应力的挤压特性。根据野外小构造可以测定应力方向，通过实测可知因位置的不同，应力的大小和方向也有所不同，但总体上构造应力方向为由南向北。淮南八公山西侧为NE10°，东侧转为NE50°～60°。用平均位错密度方法计算舜耕山断裂和阜李断裂应力大小分别为150.54、170.20 MPa，均呈现出西强东弱的特点。

构造应力会促进煤层的孔隙结构发育，对煤体结构起到强烈的破坏作用。在构造应力和原岩应力的共同作用下逆冲推覆构造带内的瓦斯处于高压状态，根据瓦斯等温吸附规律，高压状态对瓦斯的吸附有着促进作用，这就增加了煤层瓦斯含量。因此构造应力对瓦斯赋存和煤体结构发育有一定的影响[12]。逆冲推覆构造带内较高的构造应力又为煤与瓦斯突出提供了地质动力条件[13]，当瓦斯富集区域受到采掘活动扰动，就可能诱发煤与瓦斯突出。这也是淮南煤田高突矿井多的原因。

4 淮南望峰岗矿“1.5”煤与瓦斯突出事故原因分析

4.1 望峰岗矿地质特征

望峰岗矿是淮南矿业集团谢李煤矿的深部矿井，是该区域内的浅部矿井谢一矿的接替矿井。望峰岗矿位于淮南煤田南缘的逆冲推覆构造带内，处于舜耕山逆断层下盘，阜凤逆冲断层上盘。望峰岗矿地质特征如图3所示。

①—颖上—定远断层；②—阜李逆冲断层；③—舜耕山逆断层；④—山王集断层；⑤—阜凤逆冲断层；⑥—谢桥—古沟向斜；⑦—潘集背斜。

图3 望峰岗矿地质特征

望峰岗矿井东南自Ⅳ线及隗店断层，西北到新庄孜矿及F11-9断层，浅部起于A1煤层-660 m底板等高线,深部止于C13煤层-1 200 m底板等高线,井田走向长约为8.1 km,倾向平均宽约为2.4 km,面积约为19.56 km2[14]。

4.2 望峰岗矿“1.5”煤与瓦斯突出过程

2006年1月5日13时48分，望峰岗矿主井井筒施工揭开C13煤层，引发煤与瓦斯突出事故。事故发生在-928 m水平，突出煤炭2 831 t，涌出瓦斯29.27万m3，事故造成12名人员遇难，是一起特大煤与瓦斯突出事故。

4.3 煤与瓦斯突出原因分析

望峰岗矿所处井田受淮南煤田南缘的逆冲推覆构造影响明显，井田浅部地层直立，深部地层倒转后又变成正常倾斜，呈反“S”状褶曲[15]，复杂的地质构造导致矿井所处地区的构造应力集中，且构造应力是引发本次事故的主导因素。笔者从逆冲推覆构造对煤体结构、瓦斯赋存、构造应力3个要素的影响来分析望峰岗矿“1.5”事故的原因。

1) 构造煤发育。发生突出的C13煤层受逆冲推覆构造及次生构造的控制，煤体破坏严重，构造煤发育。井田内的C13煤层平均厚度为5.89 m，最大厚度可达9.04 m，属于较厚煤层。构造煤厚度达到1.19～2.26 m,超出突出临界厚度[16](0.40～0.50 m)的138%～465%， C13煤层具有严重的突出危险性。

2) 瓦斯含量高。舜耕山逆冲推覆体将新地层推覆至老地层之上，导致井田上覆土层增厚，煤层埋藏深度大，瓦斯压力高。同时舜耕山断层压性特性对瓦斯起到封闭作用，游离瓦斯不易逸散。据统计C13煤层瓦斯含量为5.54～23.65 m3/t，平均为12.50 m3/t[12]，瓦斯含量高是导致C13煤层发生煤与瓦斯突出事故的重要原因之一。

3) 构造应力集中。淮南煤田南缘逆冲推覆构造带内的构造应力多呈现压性、压扭性特征，望峰岗矿井田位于舜耕山逆断层下盘，属于深部矿井，发生突出的地点在-928 m水平，地应力大。井田内构造应力和原岩应力共同作用使C13煤层瓦斯处于高压状态。当全面揭开C13煤层时，由于存在一定厚度的残留硬煤抵抗煤与瓦斯的突出，使得煤与瓦斯突出事故并未立刻发生。但是揭煤后的原应力场平衡状态被打破，构造应力集中。当煤层被全断面揭开 3 m 后，在构造应力的作用下破碎煤体内积聚的能量突破了残余硬煤的抵抗能力，高压瓦斯携带着大量破碎煤体涌进巷道，发生煤与瓦斯突出事故。综上分析可知，构造应力是造成本次事故的主导因素。

5 结论

1)淮南煤田逆冲推覆构造于印支—燕山期在扬子克拉通和华北克拉通相互挤压、碰撞作用下而形成，主要分布在淮南煤田的南缘和北缘。

2)淮南煤田逆冲推覆构造对该煤田的煤体结构、瓦斯赋存、构造应力有重要的影响。构造带内构造煤发育，瓦斯含量高，构造应力对瓦斯赋存及煤体结构发育有一定影响。

3)受逆冲推覆构造的影响，构造带内瓦斯含量高、构造煤发育是煤与瓦斯突出的物质基础条件，而较高的构造应力及较高的瓦斯压力为煤与瓦斯突出提供了动力条件。这些也是造成淮南望峰岗矿发生煤与瓦斯突出事故的重要原因。