安徽蘆嶺煤礦Ⅱ88采區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律

王麒翔 董國偉 崔俊飛 覃木廣 陳 敏

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶400037；3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶400043）

1 礦井與采區(qū)概況

蘆嶺煤礦位于安徽省宿州市東南，井田內(nèi)發(fā)育華北型石炭—二疊紀(jì)煤系地層，基本連續(xù)沉積，總厚度約1.1km，上覆第四系。蘆嶺礦為煤與瓦斯突出礦井，主采煤層第8、第9、第10層煤均為突出煤層。

Ⅱ88采區(qū)位于井田西部，采區(qū)內(nèi)煤層底板的海拔高度為－375～－590m，地面海拔高度為24.0m，走向長1 330m，傾向長484m，面積644 200m2。Ⅱ88采區(qū)二疊系含煤地層層位穩(wěn)定，下部山西組含主采煤層的第10煤層，以過渡相沉積為特征；中部下石盒子組含第7、第8、第9層等可采煤層，主要巖性為砂巖和泥巖；上部為上石盒子組第3、第2、第1煤組。采區(qū)內(nèi)第8煤層厚度為1～1.5m，屬穩(wěn)定煤層［1］。

蘆嶺煤礦曾于2005年進(jìn)行過礦井瓦斯地質(zhì)圖編制工作，而本次研究是在礦井與采區(qū)采掘生產(chǎn)過程中最新的瓦斯參數(shù)、瓦斯壓力、含量、涌出量等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的瓦斯地質(zhì)規(guī)律分析，并引入層序地層學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)探討其形成原因。研究成果不僅對II88采區(qū)安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，也對其他礦井采區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究有借鑒作用。

2 區(qū)域構(gòu)造、沉積層序?qū)ν咚官x存的影響

蘆嶺煤礦屬突出礦井，區(qū)域構(gòu)造上由于徐宿弧形構(gòu)造和雙重逆沖構(gòu)造2方面因素的影響，造成其相對于臨宿礦區(qū)其他礦井的應(yīng)力更集中，瓦斯含量較高、壓力較大，突出災(zāi)害危險(xiǎn)性嚴(yán)重。礦井最大一次突出煤炭量10.5kt，瓦斯量1.23×106m3。

圖1 徐宿弧形構(gòu)造示意圖Fig.1 The Xuzhou－Suzhou arc structure

蘆嶺礦井位于宿東向斜，為一軸向NW的不對稱向斜。宿東向斜是徐宿弧形構(gòu)造的組成部分（圖1）。徐宿弧形構(gòu)造是整體呈向西突出的弧形前陸褶皺沖斷帶［2，3］，蘆嶺煤礦基本上位于徐宿弧形構(gòu)造的內(nèi)側(cè)弧頂位置，遭受擠壓而成為應(yīng)力集中帶［4－6］。該帶內(nèi)有利于瓦斯的聚集，且井田內(nèi)發(fā)育壓扭性斷層，突出最嚴(yán)重。值得一提的是，打通一礦同樣位于松藻礦區(qū)弧形構(gòu)造的弧頂部位，1958年至2004年期間共發(fā)生煤與瓦斯突出261次，占松藻礦區(qū)總突出次數(shù)的一半以上。

蘆嶺煤礦所在的宿東向斜由2條逆沖斷層控制，分別位于F4逆沖斷層的下盤和西寺坡逆斷層的上盤（圖2）。F4斷層促使下盤地層擠壓褶曲，西寺坡斷層帶動上盤地層向南西運(yùn)動［6，7］，使得礦區(qū)構(gòu)造異常復(fù)雜，中、小型斷層構(gòu)造帶推、搓、扭壓等特征明顯，常具有細(xì)膩致密的構(gòu)造泥，封閉性較好，對瓦斯賦存起到積極的作用。

蘆嶺礦井下二疊統(tǒng)含煤地層（山西組和下石盒子組）所在的超層序主要表現(xiàn)為海退過程。下石盒子組按層序地層學(xué)［8］可劃分為1個(gè)層序，由海侵體系域和高水位體系域組成。第8煤層為該層序的最大海泛面時(shí)期，沉積物沉積速率與海平面上升速率基本持平，因此煤層發(fā)育較厚且穩(wěn)定，其頂界面為海侵體系域頂界面。蘆嶺礦第8煤層頂板巖性為高水位體系域泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖，底板為薄層狀砂質(zhì)泥巖或泥巖。除上覆區(qū)域蓋層外，太原組、山西組、下石盒子組中的潟湖型、河漫灘型、分流間灣型泥巖為局部蓋層，它們與含瓦斯煤層一同構(gòu)成了太原組和下石盒子組煤與瓦斯成藏系統(tǒng)，煤層瓦斯得以保存富集。第8煤層瓦斯含量高（質(zhì)量體積為9.85～25.6 m3／t），瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出量的75%以上。

3 礦井、采區(qū)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

3.1 礦井構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

據(jù)蘆嶺礦以往多次的實(shí)測及分析資料［5，6］表明，井田內(nèi)受到構(gòu)造應(yīng)力場的影響，其中最大水平主應(yīng)力為SWW方向。宿東向斜及其次級的構(gòu)造形態(tài)主要是受到2期構(gòu)造運(yùn)動的影響而形成的。宿東礦區(qū)的主體構(gòu)造格局形成于印支期，華北板塊與華南板塊對接碰撞為本區(qū)域提供了來自NE方向的非均勻強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力，應(yīng)力持續(xù)作用下形成宿東向斜，屬徐宿推覆體的上覆系統(tǒng)保留下來的一個(gè)向斜。這個(gè)過程中地殼加厚，煤層埋深迅速增加，盆地基底熱流持續(xù)上升，有利于煤層氣生成和賦存。而燕山運(yùn)動期，整個(gè)華北東部巖石圈構(gòu)造體制由原來的擠壓加厚轉(zhuǎn)為大規(guī)模伸展減薄，淮北煤田二疊系含煤地層相對抬升，發(fā)育正斷層，原先生成的煤層氣大量逸散。但多期構(gòu)造應(yīng)力作用使宿東向斜在平面上發(fā)生彎曲，加劇了煤系地層變形程度，破壞了煤層的原生結(jié)構(gòu)，使構(gòu)造進(jìn)一步復(fù)雜化。2期運(yùn)動使得礦區(qū)構(gòu)造異常復(fù)雜，發(fā)育逆斷層和正斷層，構(gòu)造煤發(fā)育，斷層面的力學(xué)性質(zhì)均帶有扭的性質(zhì)，對瓦斯賦存起到積極作用。

3.2 Ⅱ88采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

圖2 宿東向斜地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of the Sudong syncline

Ⅱ88采區(qū)內(nèi)煤層傾角10°～28°，平均為16°，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷距20m以上的斷層共5條（表1），主要走向?yàn)镹E及NW，小斷裂發(fā)育。

表1 Ⅱ88采區(qū)斷層統(tǒng)計(jì)［1］Table 1 Faults in theⅡ88mining area

采區(qū)內(nèi)F14斷層對瓦斯賦存影響較大。F14斷層為正斷層，走向N40°E，傾向 NW，傾角60°～75°，斷距20～40m，控制長度＞1.6km。F14斷層位于8采區(qū)中部，在881軌道巷及881－1工作面揭露時(shí)，斷層面平直光滑，無破碎帶，傾角85°，斷距＞20m，下部巖巷揭露時(shí)為寬2～10m不等的破碎帶。經(jīng)統(tǒng)計(jì)與研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)14斷層兩側(cè)壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量都具有差異性，因此以F14斷層為界劃分為2個(gè)瓦斯地質(zhì)單元。構(gòu)造運(yùn)動使得F14兩側(cè)瓦斯含量、壓力隨海拔高度降低而增大的普遍規(guī)律發(fā)生了改變。東部瓦斯地質(zhì)單元屬F14斷層下盤，海拔高度相對東部瓦斯地質(zhì)單元高但瓦斯壓力大，瓦斯含量和瓦斯涌出量也較大；西部瓦斯地質(zhì)單元屬F14斷層上盤，海拔高度相對較低但瓦斯壓力比東部瓦斯地質(zhì)單元低。

3.3 F14斷層影響瓦斯分布運(yùn)動學(xué)模型

F14斷層如何能使兩盤瓦斯壓力有差異，筆者認(rèn)為斷層上盤海拔高度雖然降低，埋深增加，但上盤在拉張運(yùn)動過程中第8煤層上覆高水位體系域薄層泥巖被拉薄或拉斷，砂巖層在形成微緩滾動背斜過程中產(chǎn)生張裂隙，頂板受到不同程度破壞，部分瓦斯逸散，因此，第8煤層瓦斯壓力較下盤反而較低；而F14下盤海拔高度雖然較高，但斷層拉張過程中下盤第8煤層頂部泥巖未遭受破壞，而煤層斷面又可能因斷層的扭動以及上盤泥巖運(yùn)動過程中的涂抹封堵作用，瓦斯得以儲藏和富集（圖3）。另外，F(xiàn)D13走向斷層下盤由于埋藏較深，靠近宿東向斜深部，瓦斯壓力較大。

4 采區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律

4.1 地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯賦存的影響

圖3 F14斷層影響瓦斯賦存運(yùn)動學(xué)模型Fig.3 The kinematic model affecting gas occurrence by F14

區(qū)域上，由于徐宿弧形構(gòu)造和雙重逆沖構(gòu)造2方面因素造成蘆嶺煤礦相對于臨宿礦區(qū)其他礦井的應(yīng)力更集中，瓦斯壓力較大、含量較高，突出災(zāi)害危險(xiǎn)性嚴(yán)重。蘆嶺煤礦所屬的宿東向斜位于弧形構(gòu)造的凹側(cè)，遭受擠壓而成為應(yīng)力集中帶，該帶內(nèi)有利于瓦斯的聚集和保存。宿東向斜由2條逆沖斷層控制，分別位于F4逆沖斷層的下盤和西寺坡逆斷層的上盤。F4斷層促使下盤地層擠壓褶曲，西寺坡斷層帶動上盤地層向南西運(yùn)動，使得礦區(qū)構(gòu)造異常復(fù)雜，中、小型斷層構(gòu)造帶的推、搓、扭壓等特征明顯，常具有細(xì)膩致密的構(gòu)造泥膜，封閉性較好，對瓦斯賦存起到積極的作用。Ⅱ88采區(qū)平面上不同走向的斷層彼此相交，代表不同期次不同應(yīng)力場在同一地區(qū)的疊加復(fù)合，加大了構(gòu)造的復(fù)雜程度。NE向F42、F14和NW向的FD13交叉切割，破壞了煤體結(jié)構(gòu)，形成部分構(gòu)造煤，是煤與瓦斯突出易發(fā)區(qū)域。Ⅱ88采區(qū)以中部的F14正斷層為界劃分為東、西2個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，兩者瓦斯壓力具有差異性。構(gòu)造運(yùn)動局部改變了瓦斯含量、壓力隨海拔高度降低而增大的普遍規(guī)律。東部單元斷層下盤的海拔高度較高但瓦斯壓力高，西部單元上盤的海拔高度較低但瓦斯壓力低，2個(gè)瓦斯地質(zhì)單元瓦斯含量和瓦斯涌出量東大西小，初步分析與正斷層F14上盤在拉張運(yùn)動過程中頂板被破壞有關(guān)。

4.2 頂?shù)装鍘r性對瓦斯賦存的影響

層序上，蘆嶺礦井第8煤層為層序內(nèi)最厚的穩(wěn)定煤層，發(fā)育在最大海泛面時(shí)期，頂板巖性為高水位體系域泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，底板為薄層狀砂質(zhì)泥巖或泥巖，煤層圈閉性良好，煤層中產(chǎn)生的瓦斯得以保存。第8煤瓦斯含量高（質(zhì)量體積為9.85～25.6m3／t），瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出量的75%以上。

4.3 煤層底板的海拔高度對瓦斯賦存的影響

一般情況，在瓦斯風(fēng)化帶以下，一定深度范圍內(nèi)，瓦斯壓力都隨埋藏深度的增加有規(guī)律地增加。根據(jù)Ⅱ88采區(qū)和鄰近采區(qū)瓦斯壓力實(shí)測值與海拔高度的關(guān)系，在東、西瓦斯地質(zhì)單元分別建立瓦斯壓力梯度模型。Ⅱ88采區(qū)東部瓦斯地質(zhì)單元的瓦斯壓力預(yù)測關(guān)系式為y＝－0.0093 x－1.8028（圖4），瓦斯壓力梯度為9.5kPa／m；Ⅱ88采區(qū)西部瓦斯地質(zhì)單元的瓦斯壓力預(yù)測關(guān)系式為y＝－0.0062 x－1.4286（圖5），瓦斯壓力梯度為6.2kPa／m。通過瓦斯壓力梯度模型計(jì)算，得出Ⅱ88采區(qū)東、西瓦斯地質(zhì)單元的瓦斯壓力及瓦斯含量（表2）。

圖4 Ⅱ88采區(qū)東翼瓦斯壓力與煤層底板海拔高度關(guān)系圖Fig.4 The relation of the gas pressure and elevation in the east wing ofⅡ88mining area

圖5 Ⅱ88采區(qū)西翼瓦斯壓力與煤層底板海拔高度關(guān)系圖Fig.5 The Relation of the gas pressure and elevation in the west wing ofⅡ88mining area

表2 Ⅱ88采區(qū)瓦斯壓力及瓦斯含量預(yù)測Table 2 Prediction results of gas pressure and gas content inⅡ88mining area

4.4 瓦斯地質(zhì)規(guī)律圖

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造、沉積相特征、礦井構(gòu)造特征、采區(qū)構(gòu)造特征等因素，借助重慶煤炭科學(xué)研究院瓦斯地質(zhì)制圖系統(tǒng)繪制了蘆嶺煤礦Ⅱ88采區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律圖（圖6，按蘆嶺礦習(xí)慣方向制圖）。

5 結(jié)論

圖6 Ⅱ88采區(qū)瓦斯地質(zhì)略圖Fig.6 Geological sketch map of the gas inⅡ88mining area

a.蘆嶺煤礦II88采區(qū)瓦斯地質(zhì)規(guī)律受區(qū)域構(gòu)造和局部構(gòu)造影響。一方面蘆嶺煤礦同打通一礦相似，位于弧形構(gòu)造帶內(nèi)側(cè)弧頂位置；另一方面雙重逆沖構(gòu)造控制宿東向斜。印支期和燕山期構(gòu)造運(yùn)動分別對采區(qū)煤層瓦斯施加不同影響。F14正斷層對兩盤瓦斯賦存的影響不同，其上盤頂板在拉張過程中遭到破壞造成瓦斯逸散。

b.第8煤層發(fā)育在沉積層序內(nèi)最大海泛面時(shí)期，頂?shù)装迦﹂]性良好，瓦斯含量高，瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出量的75%以上。

c.采區(qū)沿煤層傾向埋深越大，瓦斯含量越高；而以F14正斷層沿煤層走向分為2個(gè)瓦斯地質(zhì)單元，西部相對東部埋深大，但瓦斯含量相對要低。

［1］淮北礦業(yè)集團(tuán)勘探工程有限責(zé)任公司.淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司蘆嶺煤礦礦井地質(zhì)報(bào)告［R］.淮北：淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司蘆嶺煤礦，2007.

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