林南倉礦構(gòu)造煤發(fā)育特征及對瓦斯賦存的影響

王永軍，王 毅

(1.開灤(集團)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000;2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008;3.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

構(gòu)造煤是在一期或多期構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤體原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)生不同程度的脆裂、破碎或韌性變形或疊加破壞，甚至達到內(nèi)部化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)變化的一類煤［1－2］。構(gòu)造煤具有低強度、低透氣性、高吸附性和高解析性，大量的現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計資料表明，煤與瓦斯突出都選擇性地發(fā)生在煤層中的構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)［3］。因此，深入研究構(gòu)造煤的發(fā)育特征、形成機制及其構(gòu)造控制機理等，對煤礦瓦斯災(zāi)害防治具有重要的意義。林南倉煤礦礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造煤發(fā)育。構(gòu)造煤的存在，使瓦斯含量增高，對礦井的通風(fēng)設(shè)計、采掘布置，甚至煤礦安全產(chǎn)生了重要影響。本文以井田生產(chǎn)資料為基礎(chǔ)，研究了林南倉礦構(gòu)造煤發(fā)育的基本特征，并探討了構(gòu)造煤對瓦斯賦存的影響。

1 地質(zhì)構(gòu)造特征

林南倉煤礦位于薊玉煤田林南倉井田范圍內(nèi)，井田面積為22.0 km2。井田范圍內(nèi)自下而上依次發(fā)育有下古生界奧陶系中、下統(tǒng)，上古生界石炭系上統(tǒng)、二疊系，新生界第四系，缺失古生界奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系和石炭系下統(tǒng)，及中生界的地層。主采煤層為晚石炭世的趙各莊組(煤11、煤12)和早二疊世的大苗莊組(煤5、煤6、煤8、煤9)。

林南倉礦地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，以斷層為主，褶曲和火成巖次之。井田內(nèi)共發(fā)育有斷層98條，其中落差大于10 m的有4條。井田斷層以正斷層為主，逆斷層為輔，主要延伸方向為NWW方向和SN方向。林南倉礦整體為一不規(guī)則的盆狀向斜構(gòu)造，其左翼呈NW方向展布，右翼則呈NE方向展布，其軸跡整體呈向SSW凸出的弧形展部。同時，在生產(chǎn)過程中，還發(fā)現(xiàn)一系列的次級褶曲，但褶曲軸延展較短。區(qū)內(nèi)火成巖發(fā)育，被火成巖侵蝕范圍占井田面積的2/5，火成巖的侵入由靠近F2斷層往西逐漸嚴重。整體而言，林南倉礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，整體構(gòu)造異常從東部的NE向展布，逐漸轉(zhuǎn)到西部的NWW向展布，揭示了林南倉向斜是多期構(gòu)造改造，是不同構(gòu)造應(yīng)力場疊加作用的產(chǎn)物，且平面上構(gòu)造變形存在不均一性。

林南倉礦井田構(gòu)造綱要圖見圖1。

2 構(gòu)造煤發(fā)育特征

2.1 構(gòu)造煤煤體結(jié)構(gòu)

構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的主要區(qū)別是煤巖體發(fā)生了構(gòu)造變形，并且具有不同結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征，主要有其宏觀煤巖類型較難分辨，其煤體結(jié)構(gòu)多破碎成粒狀、片狀、糜棱狀夾少量塊狀，常見小褶皺、小斷裂構(gòu)造［1］。

圖1 林南倉礦井田構(gòu)造綱要圖

林南倉礦的各主采煤層受構(gòu)造破壞的程度存在明顯的差異，大量的生產(chǎn)實際和勘探工作表明，礦井的構(gòu)造煤主要發(fā)育在11煤層。當(dāng)受到區(qū)域擠壓作用時，煤層相對較為軟弱，易發(fā)生流變而形成構(gòu)造煤。煤的原生結(jié)構(gòu)被破壞，煤體破碎成塊狀、顆粒狀，煤層層理由隱約可見至消失，具有構(gòu)造擦痕，裂隙發(fā)育密度高。部分煤層破壞嚴重呈鱗片狀，煤中小滑面眾多，發(fā)育有順層斷層，有時還發(fā)育有滑塌構(gòu)造，煤體及頂板均遭受破壞。根據(jù)構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)—成因分類，確定其主要構(gòu)造煤類型從碎裂煤到鱗片煤不等，以碎裂煤為主。構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)往往使得煤的硬度降低(表1)，根據(jù)其煤的破壞類型和力學(xué)性質(zhì)，確定其破壞類型為II型［2］。

表1 林南倉礦各煤層的△p、f實測值

2.2 構(gòu)造煤發(fā)育主控因素分析

構(gòu)造煤的形成除了與成煤的物原、煤巖組分、煤巖類型及煤層的不均一性有關(guān)外，主要是構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果。構(gòu)造煤的區(qū)域分布主要受構(gòu)造控制，擠壓構(gòu)造帶是構(gòu)造煤主要分布區(qū)，伸展構(gòu)造帶的邊緣是構(gòu)造煤的次要分布區(qū)，伸展構(gòu)造帶的內(nèi)部主要是原生結(jié)構(gòu)煤分布區(qū);構(gòu)造煤的層域分布主要受煤厚控制，即構(gòu)造煤主要發(fā)育在厚煤層中?？v彎褶皺作用下構(gòu)造煤主要形成在翼部，后期也形成于轉(zhuǎn)折端。斷層作用下構(gòu)造煤主要形成在上盤［4］。

林南倉礦古生界煤系地層自形成以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動，目前的構(gòu)造是多期次構(gòu)造運動的疊加。研究顯示，林南倉礦主要受五期構(gòu)造演化的影響。海西～印支期受SN向主應(yīng)力作用;燕山早～中期受區(qū)域的NWW－SEE向擠壓，發(fā)育了林南倉向斜;燕山晚期:擠壓應(yīng)力場轉(zhuǎn)為NEE－SSW向，對林南倉向斜的西部區(qū)改造明顯，并沿斷層發(fā)育了大量巖漿巖侵入;燕山末～喜山早期:近SN或SSW－NNE向的伸展作用，發(fā)育了為數(shù)眾多的NWW向正斷層;喜山中期至今近東西向擠壓作用［5］。多期次的構(gòu)造活動，形成了林南倉煤礦復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)條件，從而形成了區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育的基本特征。

3 構(gòu)造煤發(fā)育對瓦斯賦存的影響

煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤體結(jié)構(gòu)三個因素綜合作用的結(jié)果。大量的突出點調(diào)查統(tǒng)計表明，發(fā)生突出的地點及其附近一般都有構(gòu)造煤發(fā)育。構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)是應(yīng)力集中區(qū)，構(gòu)造煤孔隙度大，滲透性差，有利于瓦斯的保存，致使煤層中瓦斯壓力一般也比較高。此外構(gòu)造煤強度及抵抗外力破壞的能力較原生結(jié)構(gòu)煤顯著降低，最容易被破壞和拋出。上述研究表明，構(gòu)造煤對煤與瓦斯突出具有控制作用，構(gòu)造煤最發(fā)育的區(qū)域和層位，一般是煤與瓦斯突出最嚴重的區(qū)域和層位。一般情況下，褶皺的翼部和斷層上盤構(gòu)造煤最發(fā)育，煤與瓦斯突出也最嚴重［4］。

林南倉煤礦開采實踐表明，礦井瓦斯賦存與區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育程度密切相關(guān)。掘進巷道中的瓦斯涌出與煤體的破壞程度有關(guān)。在斷層帶由于煤、巖體破碎而增加了煤的空隙度，導(dǎo)致游離瓦斯增多，因此，在接近斷層時，尤其是正斷層時，瓦斯涌出量會有一定量的增加。另外，從構(gòu)造應(yīng)力分布角度來分析，在斷層尖滅端，有利于地應(yīng)力局部集中，也易形成瓦斯相對集中。因此，在掘進或采煤過程中遇到斷層時，瓦斯含量明顯增加，往往造成斷層附近的局部瓦斯涌出明顯增大(圖2，圖3)。

圖2 斷層附近瓦斯含量等值線示意圖

圖3 －650西大巷遇逆斷層瓦斯涌出量記錄圖

4 結(jié)論

1)林南倉煤礦地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，多期次的構(gòu)造活動形成了區(qū)內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育的基本特征。這些構(gòu)造煤呈碎裂狀至鱗片狀不等，通過井下揭露及煤樣測試，確定本區(qū)構(gòu)造煤主要類型為碎裂煤，煤體結(jié)構(gòu)破壞類型為II型。

2)構(gòu)造煤低強度、低透氣性、高瓦斯壓力的特性對區(qū)內(nèi)瓦斯的賦存狀態(tài)產(chǎn)生了重要影響。開采實踐表明，井田斷裂帶內(nèi)構(gòu)造煤發(fā)育，瓦斯含量增加，涌出量增大。

［1］琚宜文，姜 波，侯泉林，等.構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)－成因新分類及其地質(zhì)意義［J］.煤炭學(xué)報，2004，29(5):513－517.

［2］琚宜文，姜 波，王桂梁，等.構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)及儲層物性［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005:22－40.

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