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軒崗礦區(qū)焦家寨煤礦5號煤層瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究

宋志剛 郭景林

（山西省煤炭工業(yè)廳資源地質(zhì)局,山西 太原 030045）

摘  要：基于瓦斯賦存構(gòu)造逐級控制理論，研究了軒崗礦區(qū)區(qū)域構(gòu)造演化及控制特征，總結(jié)了焦家寨礦構(gòu)造分布特征及對瓦斯賦存的控制作用。分析了地質(zhì)構(gòu)造、上覆基巖厚度、煤層厚度等對瓦斯賦存的影響，確定影響瓦斯賦存的主控因素，并進(jìn)行了瓦斯含量預(yù)測；結(jié)合井田構(gòu)造特點(diǎn)，進(jìn)行煤與瓦斯區(qū)域突出危險性預(yù)測。研究結(jié)果表明：井田內(nèi)正斷層發(fā)育使得瓦斯大量逸散，上覆基巖厚度是瓦斯賦存的主控因素。礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，落掉山旋扭構(gòu)造使本礦井?dāng)鄬映蕭咧銧钫共?span>，5號煤層構(gòu)造煤發(fā)育，控制了井田煤與瓦斯突出的危險。研究方法對類似地質(zhì)條件的煤礦瓦斯預(yù)測及防治具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造；瓦斯賦存；主控因素；煤與瓦斯突出

0引言

查明瓦斯賦存的地質(zhì)主控因素，是制定瓦斯治理措施、保障煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。瓦斯是復(fù)雜的氣體地質(zhì)體，生于煤層、儲存于煤層，受地質(zhì)因素的影響，煤層瓦斯分布是不均衡的，高瓦斯礦井中存在低瓦斯區(qū)域，同樣，低瓦斯礦井中也有瓦斯較高的區(qū)域^[1-3]。井田范圍內(nèi)發(fā)育開放性正斷層，利于瓦斯運(yùn)移、釋放。井田范圍內(nèi)存在局部高瓦斯區(qū)，尤其在構(gòu)造復(fù)合部位，構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，易發(fā)生煤與瓦斯突出，是安全生產(chǎn)的重點(diǎn)。因此，研究構(gòu)造、瓦斯賦存因素對礦井的安全生產(chǎn)和安全管理起著至關(guān)重要的作用^[4]。

1 軒崗礦區(qū)構(gòu)造演化及控制特征

軒崗礦區(qū)位于山西省寧武向斜東北部仰起端，總體構(gòu)造形態(tài)呈走向北東，傾向北西的單斜，以軒崗為中心，南部各井田均受以落掉山斷裂為主形成的帚狀構(gòu)造的控制。各斷裂區(qū)域走向NE30°～60°，為北西側(cè)滑落的走向平移斷裂。落掉山大斷裂從落掉山主峰起開始分叉成幾條弧形的斷裂構(gòu)造。向六畝地等井田撒開，構(gòu)成了落掉山帚狀構(gòu)造。水平砥柱在南參食背斜處，其北側(cè)落掉山為其收斂部分。在落掉山大斷裂東側(cè)，產(chǎn)生與此大斷裂斜交的中小型斷裂。這些斷裂大部分為東南側(cè)下降的正斷層，與大斷裂形成帚狀構(gòu)造。因此，上述幾個井田內(nèi)的斷層，一組為北西側(cè)滑落的弧形斷層；一組為南東側(cè)下降的正斷層。同時，各井田內(nèi)的大部分?jǐn)鄬用娑喑驶⌒?。?/span>面傾角大，向深部變緩，以至消失。這可能是由于地表附近所受的旋扭力比較大，向深部水平扭運(yùn)動逐漸變?nèi)?，并且伴生垂直旋扭運(yùn)動的結(jié)果。軒崗礦區(qū)后期受新華夏構(gòu)造體系控制，動力來源于SE70°向水平壓力，屬燕山運(yùn)動初幕的產(chǎn)物，一個巨型的多字型構(gòu)造體系。由于多字型地塊相對運(yùn)動中產(chǎn)生了云中山旋扭性的帚狀構(gòu)造，為斷陷槽地所形成，顯示出東北部淺、南西深，即由北北東，向南南西方向下陷移動，而軒崗礦區(qū)位于云中山旋鈕性帚狀構(gòu)造的北中部^[5-6]。

軒崗礦區(qū)北部各井田系受黃甲堡大斷裂、段家堡大斷裂及其分叉的官地斷層的控制。黃甲堡井田受黃甲堡大斷層與其平行的后口斷層的相對扭動，井田內(nèi)出現(xiàn)兩組規(guī)模較小的扭斷層，斷距在0.5米至8.5米。其中一組為NW50°，另一組為NE40°，互相交切成X形，組成一對共扼裂面。幾條斷層為北東走向，北西側(cè)下降，構(gòu)成階梯式斷層構(gòu)造，制約著井田構(gòu)造的發(fā)展，整體上礦區(qū)正斷層發(fā)育，為張性斷層，利于瓦斯逸散，區(qū)內(nèi)主要斷層如下：黃甲堡斷層、段家堡斷層、牛食堯斷層、后口斷層，本礦區(qū)地層總體呈一單斜構(gòu)造，走向NE，傾向NW，傾角8～20°，局部達(dá)32°，淺部傾角較陡，深部傾角變緩。

圖1  軒崗礦區(qū)構(gòu)造綱要圖^[5]

2 礦井構(gòu)造分布特征

焦家寨井田位于軒崗礦區(qū)西南部，經(jīng)地面勘查及井下揭露，本井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等～復(fù)雜，以軒石鐵路為界，南部為復(fù)雜構(gòu)造，北部為中等構(gòu)造。受區(qū)域構(gòu)造的控制，井田內(nèi)地層走向NE、傾向NW，呈單斜。地層傾角10～15°，平均12°左右，為緩傾斜地層。井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，尤其是層間小斷層十分發(fā)育，直接影響礦井生產(chǎn)。本井田褶曲不發(fā)育，在西北部有一寬緩褶曲，在511采區(qū)1140和1160m煤層底板等高線構(gòu)成馬鞍形構(gòu)造。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱，無巖漿巖體侵入。

焦家寨井田共發(fā)現(xiàn)落差3m以上的大中型斷層有68條，該礦采掘工程共揭露落差小于3m的小型斷層260余條，均為正斷層。大中型斷層均為高角度正斷層，小型斷層多為層間斷層。除個別斷層的走向近SN向以外，大部分?jǐn)鄬幼呦?/span>NE，傾角48～75°，近平行排列，往往組合成地塹或地壘。部分成組出現(xiàn)，形成斷裂帶。大型斷層旁側(cè)常常發(fā)育小型斷層，呈“入”字形排列，對煤層切割破壞較為嚴(yán)重。

圖2  焦家寨井田構(gòu)造綱要圖

層間斷層只發(fā)育在某層段之間，在5號煤層中較為發(fā)育，由于層間滑動，使5號煤層發(fā)生塑性流動，煤層減薄或增厚。煤層直接底板砂巖或砂質(zhì)泥巖也受滑動擠壓影響，厚度變化較大，造成底板高低起伏。5號煤層頂?shù)装宕嘈詭r層因滑動斷裂，形成層間斷層，頂斷底不斷或底斷頂不斷。頂?shù)装宕嘈詭r層插入煤層中，形成一些空間展布不規(guī)則的巖體，成為本區(qū)5號煤層中層間斷層的一種特殊形式-穿刺構(gòu)造，一般以底板穿刺為主。

3 煤層瓦斯賦存影響因素分析

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

礦井整體屬于帚狀扭性構(gòu)造區(qū)，勘探及實(shí)際揭露的地質(zhì)情況表明，區(qū)域內(nèi)全部為正斷層，在斷層層面處，斷層交叉部位，是瓦斯逸散的優(yōu)良通道，瓦斯含量普遍偏低，生產(chǎn)實(shí)踐中很好的驗(yàn)證了這一結(jié)論。臨近劉家梁煤礦發(fā)現(xiàn)歷次奧陶系巖溶突水點(diǎn)、地質(zhì)構(gòu)造薄弱，斷層、裂隙發(fā)育處，瓦斯逸散明顯，伴有大量的瓦斯涌出。

3.2 上覆基巖厚度 

隨著煤層理藏深度的增加，地應(yīng)力增高，圍巖的透氣性降低，瓦斯向地表運(yùn)移的距離相應(yīng)也增大，這種變化有利于封存瓦斯、不利于放散瓦斯。在瓦斯帶內(nèi)，瓦斯含量、涌出量及瓦斯壓力主要隨煤層理藏深度增加而變大。

根據(jù)焦家寨煤礦的鉆孔資料、瓦斯含量和地質(zhì)資料，對主采的5號煤層上覆基巖厚度與瓦斯含量進(jìn)行了線性回歸分析，如圖3所示。

由圖可知，5號煤層瓦斯含量隨上覆基巖厚度增加而增加，線性規(guī)律明顯，其中瓦斯含量與上覆基巖的定量關(guān)系式為：

W=0.0086H+2.243                       （1）

式中，W為瓦斯含量，m³/t；H為上覆基巖厚度，m；相關(guān)性系數(shù)R=0.91，為較高的相關(guān)性，瓦斯含量梯度為0.86m³/hm，目前開采深度范圍內(nèi)，瓦斯含量范圍應(yīng)該在3~6.5m³/t，實(shí)測結(jié)果很好的驗(yàn)證了這一結(jié)論。

圖3  上覆基巖厚度與瓦斯含量關(guān)系圖

由圖可知，5號煤層瓦斯含量受上覆基巖厚度控制，對瓦斯含量8、10m³/t等值線的控制程度可達(dá)到80%，受其他因素影響的擺動幅度一般不大于20%。結(jié)合生產(chǎn)測點(diǎn)、地勘瓦斯含量數(shù)據(jù)，上覆基巖厚度對瓦斯含量5m³/t等值線的控制程度達(dá)到85%以上。

利用實(shí)測瓦斯含量、煤的工業(yè)分析，反演了瓦斯壓力，5號煤層瓦斯壓力在0.7~0.95，大部分區(qū)域大于0.74MPa，具有煤與瓦斯突出危險性^[7]；實(shí)測瓦斯壓力介于0.6~0.91MPa，與推算的瓦斯壓力基本吻合，由于井下實(shí)測數(shù)據(jù)豐富，可以認(rèn)為預(yù)測結(jié)果符合實(shí)際。

3.3 煤層厚度

研究表明，煤層厚度增大，瓦斯含量一般也增大，二者成正相關(guān)關(guān)系。煤厚增大瓦斯含量增大的主要原因在于，煤層相對圍巖透氣性差，對于厚煤層來說，靠近煤層頂?shù)装宓姆謱酉鄬χ虚g分層起到了阻止瓦斯逸散的作用，因此，煤層中部瓦斯含量較高，厚煤層可以形成瓦斯分層。對薄煤層來說，煤層瓦斯直接向圍巖逸散，全層瓦斯含量降低，以致煤層不具備發(fā)生煤與瓦斯突出的基木瓦斯條件^[8-9]。

煤層厚度5.10～22.15m，平均12.34m，為穩(wěn)定厚～特厚煤層，全區(qū)可采，層位穩(wěn)定，厚度變化較大，減薄區(qū)多分布在大中型斷層下盤，與斷層走向基本平行。利用焦家寨煤礦鉆孔資料、瓦斯含量和地質(zhì)資料，對主采的5號煤層煤厚與瓦斯含進(jìn)行了回歸分析，得到

W=0.4974H-1.9111                       （2）

式中，W為瓦斯含量，m³/t；H為煤層厚度，m；相關(guān)性系數(shù)R=0.84，為較高的相關(guān)性。

圖5  煤層厚度與瓦斯含量關(guān)系圖

在生產(chǎn)中，在232、259、227鉆孔對應(yīng)開采區(qū)域瓦斯涌出量普遍低于正常值，在下一步生產(chǎn)中遇到厚煤層區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)瓦斯預(yù)測。

3.4 頂、底板巖性

煤層與頂板砂巖局部直接接觸，成煤初期煤層被沖刷、初期瓦斯逸散；在漫長的地質(zhì)成煤變質(zhì)作用、地質(zhì)構(gòu)造搓動、煤層瓦斯不斷擴(kuò)散，根據(jù)臨近劉家梁煤礦煤層瓦斯含量測定結(jié)果分析，煤層瓦斯含量與其頂板砂巖分布有關(guān)，頂板為砂巖時的煤層瓦斯含量低于頂板泥巖煤層瓦斯含量0.5m³/t。

煤層含夾石0～7層，多數(shù)為2～3層，單層夾石厚度一般為0.1～0.6m。在煤層底部含有較多的黃鐵礦結(jié)核，形狀一般為橢圓狀、不規(guī)則球狀等，最大直徑10～15cm。煤層直接頂板一般為砂質(zhì)頁巖，平均厚度6.87m，底板為中粒砂巖，平均厚度1.47m。在軒崗礦區(qū)，5號煤層受構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生塑性流變，使煤層和夾石發(fā)生了破碎、揉皺、滑動等變形，導(dǎo)致煤層時薄時厚，夾石時斷時續(xù)，給回采帶來一定的影響。

煤層頂?shù)装鍨?/span>孔隙率大的砂巖或節(jié)理裂隙發(fā)育時，瓦斯有擴(kuò)散的條件，煤層瓦斯含量可能降低。如：79年四橫貫進(jìn)風(fēng)軌道石門掘進(jìn)遇煤線瓦斯涌出量增大，從底板上水中冒氣泡。

4 瓦斯賦存分布規(guī)律

由上述分析可知，本井田瓦斯賦存的主控因素為上覆基巖厚度，并建立了上覆基巖厚度與瓦斯含量的相關(guān)關(guān)系，依次預(yù)測，井田由南向北，瓦斯含量逐級增大，北部瓦斯含量最大達(dá)到13m³/t。

礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，落掉山旋扭構(gòu)造使本井田斷層呈掃帚狀展布。經(jīng)多期次構(gòu)造運(yùn)動影響，在西北部形成馬鞍形構(gòu)造。同時由于層間滑動，使5號煤層發(fā)生塑性流動，煤層變薄或增厚，該煤層構(gòu)造煤發(fā)育。此外，該煤層瓦斯含量高，瓦斯壓力大（最大實(shí)測值為0.91 MPa），預(yù)測5號煤層具有煤與瓦斯突出危險性，在有利于瓦斯封閉的構(gòu)造復(fù)合區(qū)是煤與瓦斯突出發(fā)生的部位。

5 結(jié)論

（1）焦家寨井田構(gòu)造中等，井田范圍內(nèi)全部為正斷層，斷層對區(qū)域內(nèi)瓦斯逸散有利。

（2）上覆基巖厚度是瓦斯賦存的主控因素，并建立了上覆基巖厚度與瓦斯含量的相關(guān)關(guān)系。經(jīng)預(yù)測，井田由南向北，瓦斯含量逐級增大，北部瓦斯含量最大達(dá)到13m³/t。

（3）礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，落掉山旋扭構(gòu)造使本井田斷層呈掃帚狀展布。5號煤層構(gòu)造煤發(fā)育，預(yù)測5號煤層具有煤與瓦斯突出危險性，在有利于瓦斯封閉的構(gòu)造復(fù)合區(qū)是煤與瓦斯突出發(fā)生的部位。

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作者簡介：宋志剛，男，生于1982年，2009年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，安全技術(shù)及工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，電話：0351-2389335，Emali:zgsong507@126.com。