芙蓉矿区层滑构造对瓦斯形成富集的制约作用.pdf

中国矿业大学学报990 10 3 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第1期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 1 1999 芙蓉矿区层滑构造对瓦斯形成富集的制约作用* 摘要 通过对珙长背斜西端芙蓉矿区层滑构造系统的井下及室内调绘测试，查明了层 滑所造成的煤层流变、煤粒碎裂、并认为这是制约瓦斯形成与富集的主控因素. 在高瓦 斯矿区内层滑研究不仅是煤田地质工作者的主要任务，更是预测、预报煤与瓦斯突出 的必由之路. 关键词 层滑构造，煤层流变，瓦斯形成与富集 中图分类号 T D 7 12 . 2 Re s t r i c t i o n s o f La y e r Sl i p St r u c t u r e o n Fo r m a t i o n a n d Co n c e n t r a t i o n o f G a s i n Fu r o n g M i n i n g A r e a W a n g G u i l i a n g Co l l e g e o f M i n e r a l Re s o u r c e a n d En v i r o n m e n t Sc i e n c e s , Xu z h o u 2 2 10 0 8 Xu Fe n g y i n Ch i n a No r t h G e n e r a l Co m p a n y o f Pe t r o l e u m a n d Na t u r a l G a s , Be i j i n g 10 0 7 2 4 A b s t r a c t T h e r h e o l o g y a n d c a t a c l a s i s o f c o a l s e a m s h a v e b e e n a s c e r t a i n e d t h r o u g h s y s t e m a t i c s t u d y i n g o f l a y e r s l i p s t r u c t u r e i n Fu r o n g M i n i n g A r e a s i t u a t e d t o t h e w e s t o f G o n g c h a n g a n t i c l i n e . T h e a u t h o r s h o l d t h a t t h e y a r e t h e m a i n f a c t o r s f o r t h e f o r m a t i o n a n d c o n c e n t r a t i o n o f g a s , p o i n t o u t t h a t t h e s t u d y i n g o f l a y e r s l i p s t r u c t u r e i n a h i g h g a s e o u s m i n e i s n o t o n l y t h e m a i n t a s k o f g e o l o g i s t s , b u t a l s o t h e o n l y w a y o f f o r e c a s t i n g c o a l a n d g a s o u t b u r s t . K e y w o r d s l a y e r s l i p s t r u c t u r e , f l o w i n g d e f o r m a t i o n o f c o a l s e a m , f o r m a t i o n a n d c o n c e n t r a t i o n o f g a s 任何沉积岩层在构造变形过程中都会发生层间滑动，而含有软弱夹层的煤系地 层，层间滑动和层内流变更是极为普遍的现象. 层滑运动造成煤层流变是揭示自然界中 应变、介质、环境、能量、动力、时间各因素之间相互关系的突破口；层滑控制着瓦 斯的形成与富集，是制约煤和瓦斯突出最重要的因素. 本文通过四川芙蓉矿区矿井层滑 构造规律及其对瓦斯形成与富集相互关系的研究，总结层滑对瓦斯富集与突出的控制 作用，为防止和减少煤与瓦斯突出，为煤矿安全采掘生产提供科学依据. 1 芙蓉矿区地质构造基本特征 芙蓉矿区位于四川盆地南缘宜宾市南的珙县境内 见图1 ，构造位置位于NW W 的 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 10 3. h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 32 中国矿业大学学报990 10 3 珙长背斜的西端. 东西长30 k m , 南北宽12 k m , 面积36 0 k m 2. 计有杉木树、巡场、芙蓉、白 皎、珙泉等5对矿井生产 另有地方属高县矿 . 矿区地质复杂、瓦斯突出严重；但揭露资 料丰富、地质规律明显，是探索层滑制约瓦斯赋存规律的良好实验场地. 图1 芙蓉矿区区域地质构造简图 Fi g . 1 Sc h e m a t i c m a p s h o w i n g t h e r e g i o n a l g e o l o g i c a l s t r u c t u r e o f Fu r o n g m i n i n g a r e a 1. NW 向背斜；2 . E-W 向背斜；3. NE向褶皱；4. 煤层露头；5. 煤层等高线；6 . 井田 边界 区域内出露的地层由老到新，依次为寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠 系、侏罗系、白垩和第四系，总厚近6 0 0 0 m ，区内无火成岩分布. 煤系地层为二叠系上 统宣威组，厚130 m ，分为下、中、上3个含煤段. 中段B煤组含B2，B3，B43个间距很近 的煤层，上段C煤组含五号煤层；各煤均为无烟煤，煤与瓦斯突出均较严重［1］. 区内主要构造以褶皱为主，计有NW W , E-W , NE等3个方向区域主体构造是NW W 向的珙长背斜；E-W 向褶皱分布于珙长背斜的南北两翼，向斜北陡南缓；NE向褶皱叠 加于前两组构造之上. 西端的杉木树井田位于NE向的滥泥塘向斜上；位于珙长背斜北翼 的巡场井田，地层倾角陡，层滑不甚发育；南翼的芙蓉、白皎和珙泉3个井田层滑十分 发育，瓦斯突出均很强烈. 每个井田内中小断层都很发育，以EW , NE, NW 3组为主， 规模一般较小，但数量很多与层滑构造组合在一起，为瓦斯的形成与富集创造了条件 ［1, 2 ］. 2 矿区层滑断层与层滑构造 层滑断层指受岩性或地层的层面控制，平行或近于平行岩层层面的断层. 形成层滑 断层的构造作用，称为层滑运动. 由层滑运动形成的滑面及滑面上下的伴生构造，共同 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 10 3. h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 32 中国矿业大学学报990 10 3 构成层滑构造［3, 4］. 2 . 1 层滑断层面 在煤矿矿井中的层滑断层多数是在煤层附近发育，断层面沿煤层与顶、底板之 间、煤分层与夹石层之间为光亮型煤构成的软弱煤分层中间通过，所以也有人称为顺 煤层断层［5］. 断面可以单个出现，也可以成组出现，后者可分出主滑面与次滑面主 滑面断面平直，规模较大，滑动明显，芙蓉矿区主滑面上无明显擦痕、阶步，而有一 层土状的软岩或软煤分层，如B4煤层与顶底泥岩之间的主滑面；次级滑面规模小，多 呈弧形，滑动微弱，经常转变为切层发育，芙蓉矿区次级滑面上擦痕阶步明显，有时 可被方解石脉充填，方解石脉也可被揉搓成粉末状. 对杉木树井田B3 4煤层与顶底泥岩之间主滑面断裂构造岩显微镜观察粘土矿物 表现为定向排列；扫描电镜下放大8 0 0 ～110 0 倍时，见粘土矿物被强烈挤压揉皱，遇煤 屑时显环状绕行，边缘轮廓不清，煤屑分布也杂乱. 经X光衍射分析发现滑带内粘土矿 物以伊利石为主，如白皎井田层滑带一个样品几乎主要是伊利石、另一样品中有30 高岑石，但伊利石和蒙脱石仍是主要成分［6 ］. 2 . 2 层滑构造带 层滑运动并非仅仅造成一个顺层滑面，它还引起断带附近的煤岩体揉褶、劈断、 碎裂、流变形成或宽或窄的层滑带，或称层滑构造变动带. 层滑派生的小褶皱一翼缓而长，一翼陡而短，甚至倒转，由此可推断滑面的运动 方向，如在杉木树井田实测一滑面上小褶皱的两翼产状，求出褶皱倒伏方向355. 由此 推断揉皱所在的上盘运动方向为355. 由滑动引起的密集劈理、书斜式断层或是略具S形展布的次级断面也同样可以判断 滑面上下的运动方向. 滑动导致煤体破坏搓碎、碎裂流动，这不仅改变了煤体的结构性质，而且造成煤 层的增厚与减薄，如白皎148 2 瓦斯巷一号煤底板发育的层滑，使煤层结构破坏，煤层 大面积增厚；白皎117 区二、四号煤层因层滑构造，煤层重合，造成无法采全高；另一 方面，滑动时也可造成煤层薄化，甚至尖灭. 2 . 3 层滑带的展布 在垂向柱状剖面上，B煤组的B2与B3 4煤之间只几公分到几米的泥岩，层滑多发育 于B煤组，特别是B3 4煤层顶板页岩中，C组煤层很薄，滑面不发育. 在横向平面分布上，层滑构造主要发育于珙长背斜南翼的芙蓉、白皎、珙泉三个 井区；北翼的巡场矿井也有些，但很少. 层滑带与地层倾角有明显的相关关系，现已揭 露的滑带都集中在地层倾角在15～2 5范围内，尤以2 0 最发育. 层滑构造带在各井田 内的分布，方向性明显，主要是NE方向，层滑构造呈强烈变动带与弱变或不变带相间 出现；除白皎井田与大断层的分布有一定关系外，主要受NE向褶皱作用的控制. 同级的 层滑带具有等距性的特点，如珙泉井田A , C, F, G 4个同级的层滑带，间距为2 10 ～ 2 6 0 m ，平均2 50 m 图2 . 杉木树矿田层滑构造主要集中在滥泥坳向斜NW 翼东部7 0 0 ～ 110 0 m 范围内，延伸方向与褶皱完全一致，该区除受NE褶皱作用制约外，还与EW 向构 造复杂带有制约关系，在NE向及EW 向复杂构造交汇带，层滑最为发育，瓦斯突出的 危险性也最严重. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 10 3. h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 32 中国矿业大学学报990 10 3 图2 芙蓉矿区珙泉井田层滑带平面展布图 Fi g . 2 Pl a n e d i s t r i b u t i o n o f t h e g l i d i n g b e l t o f G o n g q u a n m i n e , Fu r o n g m i n i n g a r e a 1. EW 向背斜； 2 . NE向向斜； 3. 大、小断层； 4. 煤层露头； 5. 层滑带； 单线为巷道 3 矿区瓦斯形成、赋存与突出 植物遗体在成煤作用过程中形成的大量瓦斯，虽然有一部分被逸散、消失，但仍 有相当部分以游离状态和吸附状态保留于煤层和岩层中. 煤中的孔隙和微孔隙是决定煤 中瓦斯含量的重要因素；另外，煤的比表面大小对煤吸附瓦斯 的能力有很大影响，而 煤吸附瓦斯能力的大小决定着瓦斯突出危险的严重程度. 比表面积大的煤层，瓦斯吸附 量增大，这将会提高瓦斯突出的潜能. 而煤层层滑引起的煤层碎裂流动将大大地增加煤 粒的比表面积，也增大了煤中的孔隙，因而增大了瓦斯含量与瓦斯压力. 芙蓉矿区目前开采的五对矿井中，杉木树和巡场井田煤层倾角为30 ～6 0 ，有时 可达7 0 以上，为瓦斯的排放创造了条件，因而瓦斯赋存与突出不严重. 而珙长背斜南 翼的三个井田煤层倾角一般为5～12 ，有利于瓦斯的聚集与赋存. 白皎井田瓦斯含量为 11. 50 2 ～18 . 8 53m 3/ t ，瓦斯压力为1. 6 7 7 M Pa 最大为2 . 57 9M Pa , 最大瓦斯涌出量为8 8 m3/ m i n , 最大相对瓦斯涌出量为49m 3/ t . d , 各种参数均显现高值. 而北翼巡场绝对瓦斯涌出量 仅为10 . 2 2 m 3／m i n 表1 . 表1 芙蓉矿区1992 年瓦斯涌出量统计 T a b l e 1 G a s o u t f l o w o f Fu r o n g m i n i n g a r e a i n 1992 矿 井巡场矿 杉木树矿 芙蓉矿 白皎矿 珙泉矿 上平硐 中平硐 下平硐 绝对量/ m 3 . m i n -1 10 . 2 22 0 . 2 06 . 937 . 7 714. 308 1. 0 22 1. 0 6 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 10 3. h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 32 中国矿业大学学报990 10 3 相对量/ m 3 . t . d -1 2 6 . 8 02 0 . 408 . 7 010 . 6 9 36 . 0 649. 0 058 . 7 0 除了EW 向褶皱控制瓦斯的赋存外，NE向褶皱由西向东褶皱程度由强变弱，宽缓 的白皎背斜更有利于瓦斯的赋存与突出，白皎煤矿煤与瓦斯突出最为强烈. 前述珙泉井 田的那些NE向展布的层滑带，瓦斯涌出量都增大，瓦斯突出的频率也明显增高. 全矿区 6 0 年代建井以来共发生各级煤瓦斯突出17 0 次，特大型突出 突出煤量大于10 0 0 t ／次 有 7 次 表2 . 以白皎井田为主，占全矿区突出的7 0 ；而且白皎井田煤与瓦斯突出与层滑 构造有关，如已发生的12 0 次中，有6 5发生在受层滑构造控制的瓦斯富集带内，突出 的强度也与层滑构造的规模有关. 表2 芙蓉矿区煤与瓦斯突出统计 T a b l e 2 Co a l a n d g a s o u t b u r s t s o f Fu r o n g m i n i n g a r e a 矿井 水平 突出强度／t 合 计 ＜5050 ～9910 0 ～499 50 0 ～999≥10 0 0 突 出 次 数 白皎矿 一水平2 442 30 二水平32162 87790 合计562 0307712 0 巡场矿一水平 8 8 鞭蓉矿 上水平 中水平 下水平33451 43 合 计8 932358717 1 4 层滑构造对瓦斯富集的制约作用 芙蓉矿区的瓦斯赋存与突出严格地受层滑构造展布特征的制约，突出强度也取决 于层滑构造的强度与规模. 瓦斯与层滑的密切关系已经越来越被中外瓦斯工作者所重视 和认定［5，6 ］；层滑构造怎样制约瓦斯的赋存与突出也逐渐被查明. 它们基本上是层滑 引起的构造破坏、煤厚变化、煤体破碎、孔隙率增高、瓦斯富集、压力增大诸因素综 合作用的结果. 构造破坏是制约瓦斯赋存的重要因素，芙蓉矿区的瓦斯突出既与褶皱的叠加作用 和煤层被揉皱强度 可引用揉皱系数R表示 有关，也与断层的破坏情况有关，特别是在 层滑断裂与中小断裂交汇处极易发生瓦斯突出. 由于层滑作用煤层被滑流而增厚或减薄，瓦斯的富集与突出普遍发生在煤厚异常 部位，尤其是厚薄过渡区，即煤厚变化率增大的区域，如珙泉井田1413滑动带内瓦斯 动力现象突出前的煤厚变化率 B 从2 . 2 突然变化到7 . 2 H 为煤层厚度 ，特别是煤与 瓦斯突出点多处于由层滑引起的煤的软分层 A 急骤增厚区内 图3 . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 10 3. h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 32 中国矿业大学学报990 10 3 图3 珙泉井田1413滑动带煤与瓦斯突出位置与各种实测参数变化曲线对比 Fi g . 3 Co m p a r i s o n b e t w e e n t h e l o c a t i o n s o f c o a l a n d g a s o u t b u r s t s a n d v a r i o u s m e a s u r e d p a r a m e t e r v a r i a t i o n c u r v e s i n 1413 g l i d i n g b e l t o f G o n g q u a n m i n e 层滑引起的煤体流动，使煤层整体或部分地揉皱、碎裂、破坏，形成揉皱煤、碎 裂煤、碎粒煤、碎粉煤、糜棱煤等各种构造煤. 巡场井田二水平2 111-1工作面机巷C5煤 层煤体破坏严重，从顶到底分为原生煤、碎粒煤、碎裂煤、糜棱煤和原生煤5个分层， 该区煤层中部碎裂破坏严重的地区，钻孔的钻屑量 Sm a x 和瓦斯放散的初速度都有所增 大. 煤层的破碎必然引起煤粒之间孔隙增多，游离瓦斯与吸附瓦斯含量也急剧增多， 瓦斯的压力增大；当巷道掘露到该位置时，瓦斯涌出速度 q m a x 和瓦斯绝对涌出量 q 也加大. 珙泉井田1413机巷正是在这些参数增大处发生了瓦斯突出 图3 . 当然瓦斯的赋存与突出还与煤的变质程度、煤层的埋藏深度、顶底板岩层的稳固 封闭条件以及采掘施工的过程与工艺有关，但是在诸地质因素中层滑是制约瓦斯突出 的主控因素. 5 结束语 顺层断裂、缓倾角断裂［7 ］或层滑断裂等在岩层和煤层中都非常发育，而且在煤 层中穿过时所造成的煤层流变、煤粒碎裂、能量耗散和瓦斯聚集，更是在实践方面开 拓了一个预测预报瓦斯突出的崭新领域；而且这个领域是一切瓦斯地质工作者必由之 路. 因为由有机残体构成的煤层，岩性最软，在含有煤系地层的沉积岩区，层滑作用一 般都要沿煤层或其顶底板穿过. 层滑运动造成的煤岩流变，不仅改变了煤层的形态和体 积；而且还造成物质成分的变化和应变能量的转化；煤的碎裂流动，使煤粒逐渐变细 的过程中，还造成煤粒表面积的急剧增大、表面能的增加. 所以煤层流变实质上是一种 在时间上和空间上有序的耗散结构［8 ］. 耗散流变的功能作用不仅造成煤粒空隙增多， f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 10 3. h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 32 中国矿业大学学报990 10 3 表面张力增大；而且还引起吸附和吸着瓦斯的能力大大增强，使瓦斯更富集，并增大 了瓦斯的能量和压力，为采掘时煤和瓦斯突出准备一切必要条件. 这就是为什么不仅芙 蓉矿区、而且一切高瓦斯矿井中都要通过层滑研究瓦斯的赋存与聚集，一切瓦斯地质 工作者都必须研究层滑构造的根本原因. 谨以此文敬贺中国煤田地质学的开拓者韩德馨院士八十寿辰. *煤碳科学基金资助项目 96 地10 10 2 作者简介 王桂梁，男，1933年生，教授，博士生导师 作者单位王桂梁中国矿业大学资源与环境科学学院 徐州 2 2 10 0 8 徐凤银中国北方石油天然气总公司 北京 10 0 7 2 4 参考文献 1 徐凤银，朱兴珊，魏铭康等. 芙蓉矿区煤层赋存与突出的构造控制与防治. 成都电 子科技大学出版社，1994. 8 ～17 2 徐凤银，朱兴珊，王桂梁等. 芙蓉矿区古构造应力场及其对煤与瓦斯突出控制的定 量化研究. 地质科学，1995，30 1 7 1～8 4 3 王桂梁，徐凤银，龙荣生等. 矿井构造预测. 北京煤炭工业出版社，1993. 2 8 ～47 4 孙 岩，施泽进，舒良树等. 层滑倾滑断裂构造与油气地质研究. 南京南京大学 出版社，1991. 1～6 , 8 5～8 8 5 曹运兴，彭立世，候泉林. 顺煤层断层的基本特征及其地质意义. 地质论评，1993， 39 6 52 2 ～52 8 6 彭立世，陈凯德. 顺层滑动构造与瓦斯突出机制. 焦作矿业学院学报，198 8 2 10 ～ 16 7 Bs h a t D . Lo w -a n g l e n o r m a l f a u l t i n Eo c e n e Ch a l k s n e a r Be e r Sh e v a . I s r a e l . Jo u r . St r u c t . G e o l . 198 5 7 6 13～6 2 0 8 王桂梁，朱炎铭. 论煤气流变. 中国矿业大学学报，198 8 ，17 3 16 ～2 5 收稿日期 1998 -0 9-0 4 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 1/ 990 10 3. h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 56 32