开滦矿区瓦斯地质单元划分

张九零，王苗苗，朱定

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

瓦斯伴随着煤的产生而产生并赋存在煤中，由于后期地质运动，煤层将会发生褶曲、断裂、倾斜、翻转等地质变化，由于岩浆、埋藏深度、水文条件、断层等因素影响，煤中瓦斯含量分布不均匀，给开采工作带来巨大安全隐患[1,2]。研究瓦斯地质单元有利于对不同区域瓦斯进行分级管理，保障煤矿的安全开采。

1开滦矿区地质条件

1.1 开滦矿区地质概况

开滦矿区主要地质构造有开平向斜、蓟玉向斜和车轴山向斜[3]。矿区历史上经历多次构造演化作用，因此矿区内断层以及褶皱发育较为密集[4]。矿区多个煤层复杂多变，煤层倾角及煤层厚度变化较大，由于构造演化导致不同区域地质拉张与挤压作用，导致煤层产生包括倾斜煤层甚至倒转煤层，且地层随着多年来的沉积作用以及构造演化导致矿区煤层厚度不均匀，既有薄煤层，也有厚煤层甚至特厚煤层[5]。矿区主要生产矿井包括东欢坨矿、唐山矿、林西矿、吕家坨矿、范各庄矿和钱家营矿，各矿井田相对位置如图1所示。

图1 开平向斜转折构造[1]

1.2 区域地质构造特征

燕山运动导致地质挤压作用严重，开平向斜伴随产生，整体向斜岩层走向呈北东向，由于构造运动影响，向斜西北翼岩层倾角过大，直到倒转，且伴随发育大量断层及褶曲，断层间往往伴随多个小断层及褶曲构造，构造复杂多变；向斜东南翼岩层倾角较为平缓，以褶皱构造为主，伴随张性断裂及张扭性断裂发育，并与压扭性断裂直交，横切地层走向，导致煤层倾角小于断层倾角，断层两盘落差较大。

2瓦斯地质单元划分

煤层、煤质、岩浆、水文、地质构造等因素对开滦矿区瓦斯赋存的影响，以地质构造为主要依据对开滦矿区每个矿以一个主要生产煤层进行地质单元划分。

2.1 范各庄瓦斯地质单元划分

范各庄矿[6]井田位于开平向斜东南翼，地层倾角较小，煤层整体埋深自东到西逐渐增大，整体瓦斯赋存随煤层埋深呈分区分带特点。井田总体地质构造较为复杂，同时局部构造特点相差较大，由南到北可以划分为3个不同的地质构造区。南区以范各庄向斜为主的褶曲构造以及发育有大型断层为主要构造，向斜由于自身走向特点，向斜轴向形成2个盆地结构，井田南部边缘断裂构造十分发育，向斜发育以及断层发育导致局部瓦斯赋存特点产生较大的变化。中区构造相对简单，地层倾角较小，但中部发育有一条近南北走向的大型正断层F0断层把井田分为东西两部分。北区褶曲构造发育，主要为开平向斜轴在该区域发生偏转派生出一些褶皱构造，褶皱构造轴部由于地质运动挤压发育有一些中小断层，且区域内水文地质条件十分复杂，对局部瓦斯赋存特点影响很大。根据矿井地质构造情况及瓦斯赋存特性，将范各庄矿5煤层划分为5个瓦斯地质单元，划分结果如图2所示。

图2 范各庄矿5煤层瓦斯地质单元划分图

图2范各庄矿5煤层瓦斯地质单元划分图地质单元Ⅰ位于井田北部区域。单元内地质构造较复杂，以塔坨向斜为主的褶皱构造尤为发育，且向斜轴部伴随发育有一些小型断层。单元内揭露有多个岩溶陷落柱且水文地质条件十分复杂，单元内局部瓦斯赋存状况受复杂的地质条件控制。

地质单元Ⅱ位于中部地区且位于F0断层以东区域。该单元地质构造较为简单，地层走向变化不大且地层倾角较小。单元内煤层埋深自东到西逐渐增大，但总体煤体埋深较小，整体瓦斯含量较低，该单元为各煤层主要采煤区域。地质单元Ⅲ位于井田南部区域且位于F0断层以东，该单元煤层整体埋深较小。单元内地质构造较为复杂，褶皱构造以及派生的断裂构造尤为发育，断层基本为正断层，有利于瓦斯逸散。

地质单元Ⅳ位于中部地区且位于F0断层以西区域。该单元地质构造简单，且地层倾角较小，但整体煤层埋深较大，总体瓦斯含量较Ⅱ单元大。单元内7煤层基本可开采，其它煤层只有局部可采或者不可开采。

地质单元Ⅴ位于井田南部区域且位于F0断层以西，单元地质构造十分复杂，主要褶皱构造为毕各庄向斜，该向斜由于轴部特殊偏移导致单元内形成了一个盆地，盆地底部区域容易积聚大量瓦斯。单元内发育有多条大型断层，且在井田南部边界形成断层带，对煤体结构及瓦斯赋存影响很大，且该单元煤体开采难度较大，各煤层基本不可采。

2.2 林西矿瓦斯地质单元划分

林西矿[7]位于开平向斜东南翼，煤层西高东低，整体地层走势较为平缓，煤层的走向有一定变化。井田内地质构造较为复杂，其中褶皱构造尤为发育，井田内由北到南发育有开平向斜以及杜军庄背斜，走向基本呈东西向。断裂构造以F1正断层为主，局部还发育一些中小断层，对于煤田瓦斯赋存状态造成影响。煤田部分区域被岩浆岩侵入，形成岩墙。井田瓦斯赋存特性主要受地质构造以及煤层埋深影响。

对林西矿目前开采的12号煤层进行地质单元划分，主要依据为地质构造结构对瓦斯赋存特点的影响，划分结果如图3所示。

图3 林西矿12煤层瓦斯地质单元划分图

地质单元Ⅰ位于煤层南部区域，单元内煤层埋深西高东低，且落差很大，最大落差可达1 000 m，造成瓦斯含量呈现西高东低状态。单元内褶皱构造发育，以东西走向的杜军庄背斜为代表，该区域内巷道多分布于背斜两翼，增加了巷道布置和采煤难度。单元内东部地区岩浆岩侵入，在煤体形成岩墙，侵入地区由于岩浆的高温变质作用，导致煤体生成大量瓦斯。由于该区域褶皱构造较其它区域发育，故将该区域划为一个单元。

地质单元Ⅱ位于井田中部地区，该单元煤层埋深水平东低西高，落差较大，但整体煤层倾角较为平缓。单元内地质构造相对简单，有2条岩浆岩侵入煤体形成的岩墙，侵入部分造成瓦斯聚集能力增强。单元北部以F1断层为界，与Ⅲ单元相隔，由于断层落差较大，造成断层两盘地质因素差异较大，该区域内小型正断层极其发育有利于瓦斯逃逸，瓦斯含量较低。因此将F1断层划定为划分单元的界限。

地质单元Ⅲ位于井田北部区域，埋藏较深，该单元由于F1断层阻断作用，有利于瓦斯保存，且井田边界位于开平向斜轴部地区，瓦斯含量高，煤层走向较Ⅱ单元变化较大。单元内采区巷道工程布置较少，煤层局部可采。

2.3 吕家坨矿瓦斯地质单元划分

吕家坨矿[8]位于开平向斜东南翼，与林西矿、范各庄矿相邻。井田地板倾角较小，煤体埋深总体来看由东到西逐渐增大，局部地区由于地质运动导致地板挤压造成埋深增加。矿井地质构造复杂，褶皱构造发育较多，主体构造为近东西走向的吕家坨背斜，另外发育有范各庄向斜、范各庄背斜及范各庄复向斜。由于主体地质构造的伸展作用，断层发育较多，且多为正断层，岩浆岩沿吕家坨背斜轴部断裂带侵入多个煤层，形成岩床，造成局部地区瓦斯含量增大。

根据矿井地质构造情况对瓦斯赋存特性的影响，将吕家坨12煤层划分为4个瓦斯地质单元，划分结果如图4所示。

图4 吕家坨矿12煤层地质单元划分图

地质单元Ⅰ位于井田西北部，该单元内煤层整体埋深较深，且瓦斯含量随埋深变化呈正相关的关系。单元内地质构造较复杂，吕家坨背斜贯穿其中，由于地质作用力学性质主要表现为张力，故背斜轴部地区派生出了多条张性正断层，故背斜轴部地区有利于瓦斯逸散。岩浆岩沿张性断层侵入煤体，形成岩床，其中12煤层被侵入面积最大，岩浆侵入地区导致煤体变质作用增强，产生大量瓦斯，瓦斯涌出量相应增大。

地质单元Ⅱ位于井田东北部，该单元内煤层整体埋深较浅，受埋深影响，煤层整体瓦斯含量较小。单元内地质构造为吕家坨背斜以及背斜轴部派生的小型断层，断层多为高角度正断层，十分有利于瓦斯逸散，故该单元瓦斯含量较低。

地质单元Ⅲ位于井田西南部，该单元内煤层整体埋深较深，瓦斯含量因埋深影响偏大。地质构造以发育的多条小型断裂为主，瓦斯含量较高。

地质单元Ⅳ位于井田东南部，单元内地质构造十分复杂，毕各庄向斜、范各庄背斜及范各庄复向斜发育其中，主体为毕各庄向斜，由于向斜是地质挤压作用产生，导致向斜轴部地区地板下沉较多，且形成了致密的顶板，因而轴部瓦斯极易积聚，导致瓦斯含量及瓦斯压力偏大。

2.4 东欢坨矿瓦斯地质单元划分

东欢坨矿[9]位于开平向斜西北翼的西侧，井田主要采区位于走向为北东东到南西西方向的车轴山向斜东南翼。井田总体地层走势较为平缓，褶曲发育较少，且断裂发育大型断层较少，中小型断层较为发育，断层是由于地质挤压造成，断层走向多数与车轴山向斜相同大致呈南北走向，矿区北部有一个大的F2断层，主要开采区处于矿区东南部分。根据煤层埋深对瓦斯赋存的相关影响，并以矿井生产水平及地质构造为依据对东欢坨8煤层划分为6个瓦斯地质单元。划分结果如图5所示。

图5 东欢坨矿8煤层地质单元划分图

地质单元Ⅰ位于井田浅区北部，该单元地质构造较为复杂，主要构造为车轴山向斜，向斜轴部地区，由于强烈的地质挤压作用，派生了多条断层且伴随煤体遭到破坏，进而导致瓦斯大量逸散，向斜轴部区域瓦斯含量偏小。单元内发育有多条小型断层，断层交面处造成大量瓦斯散失。该单元南端以F2断层为界与单元Ⅱ相隔，该单元内总体瓦斯含量较小。

地质单元Ⅱ位于井田浅区中部，该单元位于车轴山东南翼且距离向斜轴部较远，地层较为平缓，且断层发育较少。该单元煤层总体埋深较小，瓦斯含量较小且单元内变化不大，该单元为各煤层主要采煤区域。

地质单元Ⅲ位于井田浅区南部，该单元地质构造较为简单，煤层埋深较浅。目前各煤层基本没有在此单元布置工作面。地质单元Ⅳ位于井田中区，该单元内整体地板倾角小且煤层走向稳定，该单元内各煤层都有多个采面可稳定采煤。

地质单元Ⅴ位于井田深区，单元内煤层埋深普遍较大。地质构造复杂，车轴山向斜两翼煤层走向变化较大。该单元基本无采区布置。

地质单元Ⅵ位于井田深区南部，煤层埋深较深，瓦斯含量总体与煤埋深呈正相关。单元构造复杂，受断层影响，煤层走向变化较大，导致局部瓦斯含量变化较大。单元目前无采煤工作面。

2.5 钱家营矿瓦斯地质单元划分

钱家营矿[10]井田位于开平向斜东南翼，井田整体地形走势呈东北高、西南低的状态。紧邻范各庄矿和吕家坨矿，井田内东西两翼地层地质构造差别较大，东北部区域发育有一条主要走向为东西向的南阳庄背斜，背斜两侧煤层地形坡度变化较大，且褶皱轴部地区伴随发育一些断层，矿区东部处于南阳庄背斜轴部地区，有利于瓦斯扩散，且褶皱轴部地区伴随发育一些断层，井田东翼发育有多条大中型断层，对瓦斯赋存有很大影响，东部瓦斯含量较小无突出危险。煤田中部岩浆岩进入部分煤体，对煤体与瓦斯的作用明显。并且中部由于构造挤压作用产生了小型逆断层，造成瓦斯大量积聚，中部采区为主要瓦斯突出危险监测区，矿井现在有18个采区，3个生产水平，根据标高-850的第二水平将矿井分为深部采区及浅部采区，并将该矿井5煤层以地质构造为依据分为3个地质单元，单元划分结果如图6所示。

图6 钱家营矿5煤层地质单元划分图

地质单元Ⅰ位于井田东部，该单元包括一采区、二采区、三采区、四采区、十采区以及十一采区。该单元褶皱构造和断裂构造十分复杂，主要褶皱构造为南阳庄背斜，背斜轴部区域由于张性裂隙发育，有利于瓦斯散失。目前东部主要可采区域集中在背斜两侧，由于应力对地层影响，两侧煤层走向产生较大变化。由于地质运动影响，褶皱发育同时伴随着断裂发育，背斜轴部区域由于地质运动的拉张作用，派生多条断层，对煤体破坏严重，增大了该区域的采煤难度。由于该单元煤体埋深整体较小，且地质构造利于瓦斯逸散，故该单元瓦斯含量较低。该单元内为各煤层主采区域。

地质单元Ⅱ位于井田浅区中部，该单元包括五采区、六采区、七采区、八采区4个采区，以及十六采区等多个采区。该单元地质构造较多，煤层沉积较稳定，由于挤压地质作用，有大量小型逆断层，造成瓦斯含量较高，煤层埋深较浅且煤层倾角不大，八采区有岩浆岩侵入，侵入区瓦斯涌出量偏高，该单元整体瓦斯含量较高。

地质单元Ⅲ位于井田浅区西部，包括九采区和十三采区，该地区构造较简单，目前单元内无采煤工作。

2.6 唐山矿瓦斯地质单元划分

唐山矿井田位于开平向斜西北翼，由于该翼地层受到强烈地质挤压作用，造成该区域地层倾角过大，且由于地质挤压伴生褶曲以及断裂构造特别发育。唐山矿井田受到地质构造运动影响较大，因而井田内构造复杂程度特别高，井田东南部发育有作为井田主体构造的胥各庄向斜以及岳各庄波折褶曲地带。地质挤压导致地板破碎，井田发育很多大型断层以及中小型断层较为密布，断层属性多为压性或者是压扭性逆断层，断层对瓦斯横纵向运移起到阻挡作用。唐山矿已开采一百多年，主要开采煤层包括五煤层、八煤层以及九煤层，目前多数采区早已开采完毕，针对九煤层以褶曲断裂构造及上覆地层厚度为依据，对矿井进行单元划分，划分结果如图7所示。

图7 唐山矿九煤层地质单元划分图

地质单元Ⅰ作为矿井新开拓的区域，其受地质波折构造影响，区内采煤难度相对增大，而且该单元内瓦斯含量与其它区域相比明显较大，尤其岳各庄褶皱轴部地带由于构造的封盖作用瓦斯含量极大，该单元内测得瓦斯涌出量随波折变化呈现轴部高、两翼低的特点。

地质单元Ⅱ同样作为最新开拓的区域，目前开掘的采区较少，且开掘的难度较大。由于主体褶皱构造在此发生偏转，且该区位于褶皱轴部，该区瓦斯赋存受构造因素影响较大，该区煤层上覆地层厚度极大，区内瓦斯含量丰富，且瓦斯涌出量受构造影响普遍偏大。

地质单元Ⅲ煤体上覆地层厚度较小，煤层整体埋藏深度与另两个单元相比较浅，该区内煤体结构受地质挤压破坏较小，该处实测瓦斯涌出量较其它区域低。由于该处地形较为舒缓，有利于瓦斯散失，瓦斯含量数据实测结果也较小。

3结论

(1)开滦矿区主要是开平向斜和车轴山向斜为主要地质构造，开平向斜呈北东向，西北翼倾角大，断层多、地质构造复杂，瓦斯含量高的矿区主要是在唐山矿。开平向斜东南翼角度以缓褶皱构造为主，伴随张性断裂及张扭性断裂发育，瓦斯含量较低，主要分布有林西矿、吕家坨矿、范各庄矿以及钱家营矿。

(2)以地质构造分布特征为主要依据，将范各庄、林西矿、吕家坨矿、东欢坨矿、钱家营矿、唐山矿分别划分为5个、3个、4个、6个、3个、3个瓦斯地质单元。