地质因素对土城矿瓦斯赋存的控制作用

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.贵州师范大学材料与建筑工程学院（贵州应急管理学院），贵州贵阳 550025； 3.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］。伴随着地应力、地温和瓦斯等开采条件的不断恶化，煤炭资源的采掘过程中容易发生复杂的煤与瓦斯突出灾害（简称突出），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。国内外学者从地质的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构造格局显著差异，各产煤区域的地层条件、地质构造及瓦斯赋存也有很大不同，存在不同的瓦斯地质类型［8-9］。

土城矿位于贵州省盘州市柏果镇，生产能力280万t/a，主要开采上二叠统龙潭组煤层，含煤地层总厚283 m，含煤30～40 层，可采煤层共17 层，全区可采煤层有1#、3#、5#、6#、9#、12#、17#煤层，大部和局部可采煤层有10#、12-2#、13#、15#、16#、18#、18-2#、20#、27#、29#煤层，煤层厚度变化大，地质构造复杂，煤层瓦斯含量高，开采至今已发生过8起突出事故，其中2 起事故发生在埋深400 m 以浅区域、6 起发生在深部区域。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

土城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、NE向发育，以褶皱为主，断层常沿褶皱轴或翼部发育，发育一定规模的断褶带。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Figure 1 Structure outline of Panjiang mining area

1）土城向斜。轴向从西向东沿N55°W 转为EW向，轴线向南突出成弧形，长50 km，宽2～8 km，轴部出露地层为中三叠统关岭组。

2）照子河向斜：轴向从西向东由N55°W 转为近EW 向，长50 km，宽1～5 km，轴部出露地层为中三叠统关岭组。

3）盘关向斜：轴向从南向北由S30°E 转为N45°E，长约45 km，宽5～20 km。向斜轴向北倾伏，轴部地层为中三叠统关岭组。

4）盘南背斜：轴向N25°E，长60 km，宽10～30 km，核部地层为中泥盆统及下石炭统，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，上二叠统部分逆掩于中下三叠统之上，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 矿区构造演化对煤层瓦斯的控制

区内含煤岩系自晚二叠世形成以来，先后受印支期、燕山期和喜马拉雅期构造运动的影响［10-13］。

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。

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、二叠系和三叠系随着隆升发生褶皱，形成了一系列NNENE 向构造，主要有恩洪向斜、小竹箐背斜、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。燕山期晚期，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、NWW-SEE向伸展作用。矿区内NE向逆断层在伸展作用下反转，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、新生界得以保存［15］。同时，早期挤压应力环境形成的NE向和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。

喜马拉雅期：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，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有限。

因此，本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，主要出露下三叠统飞仙关组和永宁镇组、上二叠统峨嵋山玄武岩组和龙潭组，受风化剥蚀，缺失了侏罗纪以来地层，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、细粒砂岩等致密岩层，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 区域构造应力场对煤体变形的控制

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”“三角弧形系”“孤形构造”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”、“晴隆孤形构造”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（据参考文献［16］，有改动）Figure 2 Panxian triangular tectonic pattern and its stress network（modified after reference［16］）

“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 向的土城向斜-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的压力、拉力或剪力的作用，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，是在近EW 向挤压和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的不连续边界条件，又诱导出NE-SW 和NW-SE 方向的挤压和剪切作用力，“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”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角顶强、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、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，向斜北西转折端、向斜北翼分属“三角形弧系”顶角和一边，现场观测发现向斜北西转折端的煤层地质构造复杂、强变形构造煤广泛发育，而向斜北翼则构造相对简单、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分别划分为构造简单区、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，已发生过多起煤与瓦斯突出事故，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Figure 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

土城井田位于盘江矿区“三角形弧系”顶角部位，属土城向斜北西转折端地质构造复杂区，大致呈EW 向、向南倾的单斜构造，地层倾角一般为18°～22°，井田构造以断裂构造为主，褶曲不发育，仅在矿井西南部发育一短轴向斜，断层延展方向多为NE 向，少数为NW 向，断距沿走向变化大，一般北小南大，断层带较窄。受区域地质构造控制，土城矿地质条件复杂，由西至东构造分区现象明显，大致可以F29-F36断层带为界分为构造复杂的西部井田、构造简单的东部井田（图4）。在西部井田，地层倾角在西南边缘变陡，倾角达50°～60°，多分布着走向为NE 向正断层，大部分断层断距在10 m 左右，倾角40°～50°，断层倾向往往相反，断面陡立，断层成组切割煤层，构成地垒、地堑状构造组合，部分规模较大的断层直通地表。东部井田，稀疏发育有NW 向、NE 向正断层，其中规模较大的有F38、F39、F40，断距10～30 m，其余为小型断层，断距在10 m 以下，煤层整体上保存较为完整。

图4 研究区井田构造纲要图Figure 4 Outline map of the well field structure in the researoh area

受区域构造演化控制，井田内广泛发育的NW、NE 向正断层，是早期形成的压扭性构造反转而成，断层面紧闭，沿断裂面往往发育构造煤条带，煤层透气性差。矿井煤层瓦斯含量分布和煤与瓦斯突出危险程度的差异性，主要受井田断层构造控制。

4.2 地质构造对瓦斯赋存的控制

土城矿西部井田构造复杂，表明在后期构造演化中受到的构造作用更为强烈［17］，构造作用不但导致含煤地层断裂发育，还使煤层产状发生了较大改变，煤层倾角在井田西南缘达60°，煤层陡立，瓦斯容易沿煤层露头直接逃逸。该区域覆岩剥蚀程度大，煤层埋深普遍在500 m 以浅，部分规模较大的断层能够直通地表，成为煤层瓦斯和地下水运移通道，在地面清晰可见F10、F16、F35、F36等断层出露痕迹，表明断层对瓦斯封闭能力遭到削弱，开采过程中煤层瓦斯涌出量小。在井田东部，煤层埋深大、遭受断层的破坏程度小，煤层得到较好保存，煤层瓦斯赋存及突出灾害受控于局部发育的小断层及其组合构造。在小断层发育地段煤层常有变厚、变软及倾角变化的特征，局部煤层的灰分及瓦斯的涌出量也有增加，煤与瓦斯突出危险程度增大。

以12#煤层为例，根据地勘钻孔和井下实测瓦斯含量资料，井田西部煤层瓦斯含量为8.0～24.9 m3/t、平均18.65 m3/t，而井田东部煤层瓦斯含量为14.2～40.7 m3/t、平均29.2 m3/t，同埋深条件下井田东部煤层瓦斯含量一般大于井田西部，煤与瓦斯突出事故也都发生在井田东部高瓦斯区（图5）。

图5 土城矿煤层瓦斯含量分布Figure 5 Gas content of coal seam in Tucheng mine

4.2 地质构造对煤与瓦斯突出的控制

井田中还广泛发育落差在10m 以下的小型断裂，断裂往往对煤层或顶底板有一定破坏作用，在煤层中延伸尖灭，其附近构造煤发育，瓦斯含量异常。其中，F40为NW 向正断层，由南向北延伸并逐渐尖灭，断距南大北小，断层尖灭端及上盘附近煤层的瓦斯含量和涌出量明显增大，已发生过3 起煤与瓦斯突出事故，最大一次突出煤量309 t、突出瓦斯量24 200 m3，预测在沿该断层带影响的深部区域煤层存在较高的突出危险性，在未来采掘过程中应当加强防范。断层组合也对煤层瓦斯赋存产生影响，断层在平面上交汇形成联合构造，其附近煤层往往存在瓦斯异常，F54和F55断层在15 采区内交汇，虽然没有引起该区域煤层厚度发生较大改变，然而在开采过程中煤层变软、瓦斯含量增大，其附近发生过2次突出事故（图6）。

图6 断层附近瓦斯突出特征Figure 6 Characteristics of coal and gas outburst near fault

地质演化过程中，井田内NE 向、NW 向构造是在压扭性应力场控制下形成，其附近构造煤发育，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。井田西部埋深浅，煤层瓦斯的保存条件遭到一定程度的破坏，直通地表的断层对煤层瓦斯起到了释放作用，致使该区域煤层的瓦斯含量低于东部井田，然而应当注意的是煤层瓦斯含量会随着开采深度加大而增加，要重视对深部区域煤层瓦斯灾害的防范。井田东部由于埋深大、断裂构造对煤层瓦斯的封闭作用强，在断层附近存在较大的煤与瓦斯突出危险性，尤其是在断裂构造尖灭端、交汇地段的煤层成为突出事故频发地段，应当在加强煤层小构造探测的基础上，采取预抽煤层瓦斯和开采保护层的综合瓦斯治理措施。

4 结论

1）土城矿区煤层瓦斯生成与保存受区域地质演化控制。土城矿区煤系地层形成后经历了印支期、燕山期和喜马拉雅期构造运动，形成了土城向斜、照子河向斜、盘关向斜、盘南背斜及其配套的断裂构造。土城向斜使煤层埋深增加，在向斜当中保存了大量瓦斯，向斜核部的瓦斯含量高、翼部瓦斯含量相对低，煤层瓦斯含量具有随煤层埋深增加而增大的变化规律。

2）土城矿区煤层瓦斯赋存与构造煤分布受区域“三角形弧系”构造控制。矿区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“三角形弧系”构造变形区，“三角形弧系”构造的顶角位置的构造变形强烈、边部构造变形弱。土城向斜北西转折端处于强构造变形区，导致土城矿各煤层构造煤发育、具有较高的煤与瓦斯突出危险性。

3）土城矿瓦斯赋存和煤与瓦斯突出受NE 向、NW 向断裂构造控制。井田西部构造较发育，大中型断层直通地表成为开放式断裂，形成了煤层瓦斯运移和逸散的通道，不利于煤层瓦斯的保存，导致该区域煤层瓦斯含量相对低；井田东部断裂构造不发育，煤层整体上保存较为完整，该区域瓦斯含量整体较高。小型构造是煤与瓦斯突出的主要控制因素，在小断层上盘、尖灭端、断层交汇地段煤体破坏严重、瓦斯富集，是煤与瓦斯突出事故易发地段。

4）土城矿瓦斯防治工作应分区域精准实施。井田西部应重点关注煤层瓦斯含量随埋深增大而增加的规律并及时防范深部开采过程中的瓦斯灾害，而井田东部则应在强化小断层的探测工作基础上优先实施开采保护层和抽采煤层瓦斯等综合瓦斯治理措施来确保安全生产。