大黄山一号井地质构造特征及其对煤层瓦斯赋存的影响

李 文

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

瓦斯作为煤炭伴生的有害气体，是制约矿井安全高效生产的重要因素［1］，而矿井瓦斯赋存特征受地质构造、煤变质程度、煤层顶底板岩性、煤层埋藏深度、煤的物质成分、地下水活动以及岩浆活动等综合控制［2-4］，其中地质构造及演化直接决定了煤层瓦斯生成、运移及储存等相关环节，且区域构造背景及其演化控制着煤层瓦斯积聚带的形成和分布，进而控制着煤与瓦斯突出危险区的分布［5-7］。李文研究了新疆艾维尔沟矿区构造及其演化特征，并进一步分析研究了构造及其演化对矿区煤层瓦斯差异性赋存的控制作用［8］。王耀强等通过研究新疆阿艾矿区地质构造及演化特征、煤层埋藏史、煤层热演化史、煤层瓦斯生成与散失、煤层瓦斯赋存特征等，得出矿区复合褶皱构造及演化特征直接导致了矿区煤层瓦斯及煤与瓦斯突出危险性基于构造带呈带分布［9］。本文以新疆大黄山一号井为研究对象，以煤田地质勘探及煤矿生产实测数据为依据，分析研究矿井地质构造及其演化特征以及其对煤层瓦斯赋存的影响，以期为矿井瓦斯灾害防治提供重要基础及理论指导。

1 矿井概况

大黄山一号井位于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州阜康市境内，井田东西走向长1.57～3.45km，南北倾斜宽1.23～1.79km，面积5.491 4km2。井田范围内下侏罗统八道湾组共含煤13层，可采煤层5层，从浅至深依次为五尺槽、四尺槽、米尺槽、中大槽、八尺槽，平均可采煤厚依次为1.65、1.35、2.06、22.79、3.86m，煤类均以45 号气煤为主。矿井开采标高为+400～+1 050m，设计可采储量为4 306.64万t，核定生产能力为100 万t/a，设计服务年限为33.13a。井田划分为2 个水平，一水平标高为+600m，划分为2 个双翼采区，分别为一采区（开采中大槽、八尺槽）、二采区（开采五尺槽、四尺槽、米尺槽）；二水平标高为+400m，划为1 个双翼采区，为三采区（开采中大槽、八尺槽），矿井目前开采一采区。2022 年矿井绝对瓦斯涌出量为33.6m3/min，相对瓦斯涌出量为67.86m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。

2 地质构造特征

2.1 区域地质构造

大黄山一号井区位于新疆博格达山北缘逆冲推覆构造带之山前弧形逆冲断褶带（图1），井田被区域性妖魔山及阜康主控逆冲断裂带所夹持，受由南向北强烈逆冲推覆作用影响，井田南部区域构造变形强烈，发育大量高角度逆冲断层，同时也发育有高角度南向反冲逆断层。区内地层破碎，南倾北冲单断叠瓦状构造及线型紧闭倒转向斜构造为其基本构造样式，井田所在黄山倒转向斜南翼大部亦受逆冲断裂切割破坏，并致使二叠系、三叠系逆冲推覆于侏罗系之上。井田北部区域构造变形较弱，至阜康断裂，地层基本完整，整体表现为一向南倾斜的单斜构造。阜康断裂以北，为山前坳陷区，构造变形弱，地层层序完整稳定。

图1 井田区域构造简图Figure 1 Structural diagram of the mining area

2.2 井田地质构造

井田构造简单，黄山倒转向斜是区内唯一褶曲构造，轴向近东西，东端转向南东115°左右，轴面倾向南，倾角52°～69°，中部较缓，东西部较陡。向斜北翼为正常翼，倾向南，倾角25°～42°，西部陡，东部缓。南翼为倒转翼，倾向南，倾角50°～87°，中部较东、西部略缓，深部地层近直立。向斜轴部为下侏罗统八道湾组含不稳定煤层段（J1b3），向斜两翼依次为八道湾组含次要煤层段（J1b2）、含主要煤层段（J1b1）及上三叠统郝家沟组（T3h）（图2）。另外，井田范围内由向斜南北两翼浅部至核部，煤层厚度逐渐增大。

图2 井田构造纲要图Figure 2 Outline map of mine field structure

井田南部向斜南翼发育三条较大近于平行的NW 向右行走滑斜移断层（图2）。F1断层长度约1 500m，走向10°～315°，断层面倾向南西，倾角85°～90°，水平断距100～150m，垂向断距200～300m，切割了向斜轴部及南翼煤岩层；F2断层长度750m，走向305°～320°，断层面倾向东北，倾角85°～90°，水平断距70～100m，垂向断距150～200m，该断层仅切割了南翼煤岩层；F3断层长度1 850m，走向305°～315°，断层面倾向南西，倾角85°～90°，水平断距150～250m，垂向断距200～300m，该断层仅切割了南翼煤岩层。井田北部向斜北翼发育一条较大NE 向左行走滑斜移断层（图2）。F4断层长度约1150m，断层走向40°～50°，断层面倾向西北，倾角85°～90°，水平断距10～20m，垂深断距6～12m，该断层仅切割了北翼煤岩层。在井田范围内，南北翼走滑断层呈共轭关系。

2.3 构造演化特征

井田下侏罗统八道湾组含煤地层自沉积始主要经历了如下4 个构造演化阶段：①受三叠纪末印支运动远程影响，研究区经历短暂挤压隆升后，于早中侏罗世因应力松弛而转化为伸展环境并开始快速沉降接受沉积，沉积了下侏罗统八道湾组和三工河组、中侏罗统西山窑组和头屯河组，该时期研究区沉积环境主要为河湖沼泽相；②晚侏罗世时期，由于拉萨地块向欧亚大陆板块南缘碰撞拼贴，使我国西北地区由前期伸展构造背景转换为NNESSW 向挤压构造背景，研究区快速隆升，隆升平均速率为52.1m/Ma［10-11］；③晚白垩世时期，由于Kohistan-Dran 岛弧与拉萨地块发生碰撞，天山地区出现挤压构造背景，研究区快速隆升，平均隆升速率为48.7m/Ma［10，12］；④新生代以来，受印度—欧亚板块从初始到强烈碰撞远程作用及塔里木板块旋转影响，天山地区普遍发生隆升，其中于始新世出现快速隆升，隆升平均速率为69.7m/Ma［13］，并且该挤压隆升作用仍持续至今。受新生代SN 向挤压走滑应力环境影响［14］，该时期研究区侏罗系含煤地层发生强烈挤压逆冲推覆变形，发育大量EW 走向高角度叠瓦状逆冲断层及大量NW 向和NE 向共轭走滑平斜移断层，断层进一步切割破坏含煤地层及含煤褶皱构造。

3 煤变质作用和生烃作用

为进一步分析研究区含煤地层构造演化与煤层变质及瓦斯生成的关系，本文利用BasinMod 软件对研究区含煤地层的埋藏史进行了模拟重建（图3），其中埋藏史是结合研究区内实际勘探钻录井岩性及地层分层、厚度资料，研究区几次关键构造期的抬升剥蚀时间及剥蚀量来完成的［15-17］。

图3 井田含煤地层埋藏-抬升史Figure 3 Burial uplift history of coal bearing strata in the mine field

由模拟结果可知，研究区下侏罗统八道湾组含煤地层自沉积以来，于晚侏罗世快速沉降至最大埋深4 000m 左右，依据研究区晚侏罗世平均地温梯度2.9℃/100m［15］，可知此时含煤地层所经历平均地层温度为116℃，深成热变质作用致使煤层达到气煤变质阶段。同时，热成因瓦斯开始大量生成，依据相关热模拟研究［18］，该阶段瓦斯生成量为182～212m3/t。随后受燕山及喜马拉雅构造运动影响，含煤地层于晚侏罗世—早白垩世开始发生倾斜并持续抬升剥蚀破坏，煤层瓦斯大量逸散，依据现有井田标高+676m 水平中大槽煤层最大原始瓦斯含量10.6m3/t 估计，煤层瓦斯逸散率为95%左右。另外，依据煤岩鉴定所测井田镜煤最大镜质体反射率为0.59%～0.75%，利用BARKER 公式［19］可计算煤层所受热变质温度为86～117℃，该温度非常接近于依据煤层最大埋深所计算的平均地层温度，说明研究区煤层虽然遭受新生代强烈的挤压构造变形，但仍然以深成热变质作用为主，而非动力热变质作用。

4 地质构造对煤层瓦斯赋存的影响

4.1 向斜构造对煤层瓦斯赋存的影响

依据井田勘探资料可知井田范围内主要可采煤层厚度均表现出由向斜南北两翼浅部向核部递增的规律，由前述构造演化特征可知，研究区褶皱（向斜）构造动力来源于南北向构造挤压，因此井田向斜构造属主动褶皱作用，结合井田煤层厚度变化规律可知，该规律符合主动褶皱作用中的切向应变褶皱作用由于层间剪切作用常常会造成煤层、泥岩等软弱岩层在褶皱两翼地层厚度一般相对较薄，向转折端部位地层厚度逐渐变厚的特点［20］，因此井田向斜属于切向应变褶皱作用。依据构造动力学可知［20］，切向应变褶皱作用最大应变发生于褶皱转折端处，随着远离转折端应变逐渐减弱，且地层倾角越大所受水平构造挤压应力越大。因此由向斜南北两翼向核部，煤层所受挤压应力越来越大，导致煤层孔隙率、透气性系数愈来愈小，煤层瓦斯逸散难度愈来愈大，瓦斯含量及压力愈来愈高，煤与瓦斯突出危险性愈来愈强（表1）。

表1 井田北翼八尺槽及中大槽不同标高煤层瓦斯参数Table 1 Gas parameters of coal seams at different elevations on the north wing of the mine syncline

4.2 弧形构造对煤层瓦斯赋存的影响

井田受博格达山前弧形逆冲断褶带控制，井田向斜南北翼东西走向上呈现为一弧形构造，北翼地层弧形构造尤为明显。由图1、图2 可知，井田西部相对靠近博格达山前弧形逆冲断褶带弧顶位置，而东部相对远离弧顶位置，由此导致井田西部所受挤压应力明显高于井田东部，进一步导致井田西部地层构造形变明显强于东部，受新生代SN向挤压走滑应力环境影响，相较于东部，井田西部发育有较多的NE、NW 向大型共轭走滑平移断层，含煤地层相对被切割的更为破碎。另外，井田北翼含煤地层倾角由西部的40°向东逐渐降低至24°，含煤地层走向也发生明显变化，出现了明显的拐点。

在这种东西差异性挤压弧形构造背景影响下，通过测试发现，井田北翼可采煤层相近标高东西翼煤层瓦斯含量及瓦斯压力也表现出明显的差异性，下文以矿井开采北翼+676m标高米尺槽及四尺槽实测煤层瓦斯参数进行说明。

由表2 可见，矿井西翼米尺槽及四尺槽煤层瓦斯含量及瓦斯压力均普遍高于东翼，其中矿井西翼米尺槽煤层瓦斯含量4.84～7.64m3/t，平均含量为6.18m3/t；煤层瓦斯压力1.3～2.4MPa，平均压力为1.8MPa。而矿井东翼米尺槽煤层瓦斯含量2.37～3.91m3/t，平均含量为2.96m3/t；煤层瓦斯压力0.5～1.3MPa，平均压力为0.8MPa。矿井西翼四尺槽煤层瓦斯含量4.51～6.96m3/t，平均含量为5.82m3/t；煤层瓦斯压力1.2～2.2MPa，平均压力为1.75MPa。而矿井东翼四尺槽煤层瓦斯含量2.87～5.07m3/t，平均含量为3.73m3/t；煤层瓦斯压力0.5～1.6MPa，平均压力为0.96MPa。另外，除了区段西石门附近煤层瓦斯参数存在局部高值外，米尺槽及四尺槽煤层瓦斯参数均明显表现出由矿井西部向东部逐渐降低趋势，这说明在差异性挤压弧形构造背景下，区段西石门附近煤层瓦斯高值赋存还存在其他主控影响因素。

表2 井田北翼+676m标高米尺槽和四尺槽煤层瓦斯参数Table 2 Gas parameters of the coal seams in the northern wing of the well field at an elevation of+676m in the michicao and sichicao

4.3 断层构造对煤层瓦斯赋存的影响

矿井北翼+676m标高西石门附近米尺槽及四尺槽煤层瓦斯含量及瓦斯压力出现局部高值，通过矿井采掘工程平面图、井上下对照图及井下观察发现，+676m标高西石门处于北翼NE向左行走滑斜移断层附近，东距断层面23m，由此米尺槽及四尺槽西石门附近煤层瓦斯含量及瓦斯压力测点分别位于断层面东侧29m，西侧17m，据此可推测区段西石门附近煤层瓦斯高值赋存的另一主控因素应该为走滑斜移断层。

共轭走滑斜移断层发育的应力模式为最大主应力σ1及最小主应力σ3处于水平方向，中间主应力σ2处于垂直方向，由此可知井田NE、NW 向共轭走滑斜移断层发育的应力模式如图4所示。

图4 井田共轭走滑斜移断层发育应力模式Figure 4 Stress pattern of conjugate strike slip oblique fault development in the mine field

由图4可知，北翼NE 向左行走滑斜移断层属于挤压封闭性断层，在区域挤压构造背景下，断层两盘持续处于相互挤压剪切摩擦状态，造成断层两侧应力不断集中，煤层褶曲形变破碎，透气性降低，煤层瓦斯逸散难度增大。除此，井田侏罗系含煤地层属于河湖沉积相砂泥岩地层建造，地层中含有大量的泥岩、炭质泥岩、膏岩、煤岩等低渗软弱岩石，在断层两盘相互强烈挤压剪切摩擦作用下，软弱岩石被挤压破坏不断涂抹于断层面，加强了断层带的封闭性，进一步阻碍了断层附近煤层瓦斯的逸散。另一方面，受相互挤压摩擦的影响，断层一盘的运动容易被另一盘的相对运动所牵引阻挠，进而造成断层附近两盘地层发生弯曲变形，进一步加剧断层附近应力集中，导致断层区域煤层瓦斯含量及瓦斯压力处于高值。

5 结论

1）井田地处博格达山北缘逆冲推覆构造带之山前弧形逆冲断褶带，受高角度叠瓦状逆冲断层及南北向构造挤压应力控制，井田主体构造表现为一南北翼被NE、NW 向共轭走滑斜移断层切割的轴面南倾的弧形紧闭倒转向斜。

2）受区域构造运动控制，井田内下侏罗统八道湾组含煤地层自沉积开始主要经历两个阶段。第Ⅰ阶段为含煤地层快速沉降并于晚侏罗世达到最大埋深约4 000m，含煤地层所经历平均地层温度为116℃，深成热变质作用致使煤层达到气煤变质阶段，并形成热成因瓦斯第一次生气高峰；第Ⅱ阶段为含煤地层持续挤压抬升形变，沉降阶段产生的煤层瓦斯发生大量逸散。

3）受切向应变主动褶皱作用控制，井田向斜南北两翼向核部，煤层所受挤压应力越来越大，导致煤层孔隙率、透气性系数愈来愈小，煤层瓦斯含量及瓦斯压力愈来愈高。

4）受东西差异性挤压弧形构造背景控制，井田西部地层构造形变明显强于东部，北翼西部煤层瓦斯含量及瓦斯压力普遍高于东部，且表现出由西向东逐步降低的趋势。

5）受走滑斜移断层控制，断层附近煤层瓦斯含量及瓦斯压力出现局部高值。