中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分.pdf

第 45 卷第 7 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 7 2020 年7 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJuly 2020 移动阅读 曹代勇,占文锋,李焕同,等. 中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分[J]. 煤炭学报,2020,457 2376-2388. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DZ20. 0694 CAO Daiyong,ZHAN Wenfeng,LI Huantong,et al. Tectonic setting and risk zoning of dynamic geological disasters in coal mines in China[J]. Journal of China Coal Society,2020,4572376-2388. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. DZ20. 0694 中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分 曹代勇1,2,占文锋3,李焕同4,李小明5,刘德民5,魏迎春1,2 1. 中国矿业大学北京 地球科学与测绘工程学院,北京 100083; 2. 中国矿业大学北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083; 3. 北京工业职业技术学院,北京 100042; 4. 西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054; 5. 华北科技学院 安全工程学院,北京 101601 摘 要煤与瓦斯突出、矿井突水、冲击地压、冒顶等煤矿动力地质灾害对煤炭安全生产构成严重威 胁,加强煤矿动力地质灾害形成机理和分布规律研究是确保煤矿安全生产的前提条件和基础工作。 煤矿动力地质灾害是静态地质环境与开采扰动耦合作用的结果,区域构造背景通过构造变形产物、 构造形成过程和构造应力场等方式决定煤矿床赋存方式和动力环境,从而影响煤矿动力地质灾害 的发生。 通过实例研究和理论分析,把致灾构造因素归纳为断层构造、褶皱构造、构造复杂程度、构 造活动性、煤变形-变质特征、煤层赋存深度等六大类,各类构造因素对不同地质灾害的影响程度 不同。 研究表明,受煤田构造格局的控制,中国煤矿动力地质灾害具有东强西弱、北强南弱的基本 特点;规模大、损失严重的煤矿动力地质灾害主要发生在东部煤田构造域,尤其是大兴安岭太行 山二级构造带以东的东北赋煤构造区中东部、华北赋煤构造区东部和华南赋煤构造区中部,以及受 特提斯地球动力学体系与太平洋地球动力学体系复合作用控制的华南赋煤构造区西部。 根据致灾 构造因素和动力地质灾害特征,结合煤系赋存特点和煤炭开发现状,将基于区域构造背景控制的煤 矿动力地质灾害风险等级分为Ⅰ级低风险、Ⅱ级中风险和Ⅲ级高风险等3 个等级。 从中国 煤田构造格局的时空差异性出发,在中国赋煤构造单元框架内进行煤矿主要动力地质灾害风险区 带划分,东北、华北、华南和西北四大赋煤构造区共划分煤矿动力地质灾害Ⅲ级区带 11 个、Ⅱ级区 带 7 个,其余地区属于Ⅰ级区带或未评价区域。 关键词煤矿动力地质灾害;致灾构造因素;煤田构造;区域构造背景;风险区带划分 中图分类号P694 文献标志码A 文章编号0253-9993202007-2376-13 收稿日期2020-04-24 修回日期2020-05-26 责任编辑韩晋平 基金项目国家自然科学基金资助项目41772156;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目2020YJSDC09 作者简介曹代勇1955,男,重庆人,教授,博士生导师。 E-mailcdy cumtb． edu． cn Tectonic setting and risk zoning of dynamic geological disasters in coal mines in China CAO Daiyong1,2,ZHAN Wenfeng3,LI Huantong4,LI Xiaoming5,LIU Demin5,WEI Yingchun1,2 1. College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining 3. Beijing Polytechnic College,Beijing 100042,China; 4. College of Geology and Environment,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 5. College of Safety Engineer- ing,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China AbstractCoal and gas outburst,mine water inrush,rock burst,roof fall and other dynamic geological disasters in coal 第 7 期曹代勇等中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分 mines have seriously threatened the coal mining safety. Further research on the ation mechanism and distribution law of mining dynamic geological disasters is the precondition and basic work to ensure the safe production of coal mine. The ation of dynamic geological disasters in coal mines is the result of coupling action of the static geological environment and the mining disturbance. The regional tectonic setting determines the occurrence feature and dynamic environment of coal deposits by means of the structural deation products,the structural ation process and the tectonic stress field,and result in the risk of dynamic geological disasters. Based on the cases study and theoretical analysis,the disaster-causing structure factors can be summarized into six typesfaults,folds,structural complexity, tectonic activity,coal deation-metamorphism,coal seam buried depth,etc. ,and the different types of structural factors have different effects on different geological disasters. Controlled by the coalfield tectonic framework,the inten- sity of mining dynamic geological disasters increases from west to east and from south to north in China. The large- scale and serious-damaged disasters mainly occur in the eastern coalfield tectonic domain,especially to the east of the secondary-order structure belt of Daxinganling Mountain-Taihang Mountain,in the east-central part of Northeast China coal occurrence structural areas,the east part of North China coal occurrence structural areas and the central part of South China coal occurrence structural areas,and the western part of South China coal occurrence structural areas which is controlled by the Tethys geodynamics system and the Pacific geodynamics system. According to the character- istics of disaster-causing structure factors and dynamic geological disasters,and combined with the coal measures oc- currence and coal mining status,the mining dynamic geological disasters controlled by regional tectonic setting can be divided into three risk gradesgrade I low risk,grade II medium risk and grade III high risk. Based on the space-time difference of China’s coalfield tectonics,the risk zone division of main dynamic geological disasters in coal mines is carried out within the framework of coal occurrence structural units in China,there are 11 zones of grade Ⅲ and seven zones of grade Ⅱ in four major coal occurrence structural areas of Northeast China,North China,South Chi- na and Northwest China,the rest belong to grade I zones or unuated areas. Key wordsdynamic geological disasters in coal mines;disaster-causing structure factors;coalfield structure;regional tectonic setting;risk zones dividing 中国煤田地质的显著特点是成煤盆地类型多样、 煤系后期改造强烈、煤层赋存条件复杂,煤田构造格 局在很大程度上决定了煤炭资源开发的难易程度。 煤与瓦斯突出、矿井突水、冲击地压、冒顶等是威胁煤 炭安全生产的主要动力地质灾害,这些动力地质灾害 是静态地质环境与开采扰动耦合作用的结果,采动破 坏了矿井地质环境原有平衡状态,地质环境中积聚的 能量瞬时爆发,导致动力地质灾害发生。 影响煤矿动 力地质灾害的地质因素有很多,包括地质构造、煤层 与围岩结构、水文地质、工程地质、瓦斯、地温和地压 等等,人们早已认识到构造因素对煤矿动力地质灾害 的重要控制作用,开展了大量研究工作,取得丰硕成 果[1-12],相继提出煤矿瓦斯赋存地质构造逐级控制理 论[13]、煤与瓦斯突出预测和冲击地压预测的地质动 力区划方法[14]。 我国在全球大地构造格架中的特殊 位置导致中国煤田构造格局的复杂性和时空差异性, 构成影响煤炭资源赋存状态和开采条件的首要地质 因素[15-17],加强煤矿动力地质灾害的区域构造背景 研究,将有助于深化对动力地质灾害成因机理和分布 规律的认识,为煤矿动力地质灾害的科学预测和有效 防治提供基础依据。 1 地质构造对煤矿动力地质灾害的控制 1． 1 影响煤矿动力地质灾害的主要构造因素 煤属于典型的沉积矿床,成煤期后复杂的构造运 动,使成煤原型盆地遭受不同程度的分解破坏、叠合 反转[16,18],形成于煤盆地中呈近水平连续展布的含 煤岩系经历后期构造运动,发生变形和变位,被分割 为大小不等、埋深不同的赋煤块段煤田、矿区和井 田,成为资源勘查和开发的对象[19]。 现代构造地质 学研究包括几何学构造形态与构造样式、运动 学构造形成路径与演化历史和动力学构造成因 与构造应力场3 方面[20],区域构造背景通过构造变 形产物、构造形成过程和应力-应变分布等方式决定 煤矿床的赋存状态和动力环境,从而影响煤矿动力地 质灾害发生的风险程度。 通过实例研究和理论分析, 可以将主要致灾构造因素归纳为断层构造、褶皱构 造、构造复杂程度、构造活动性、煤变形-变质特征、 煤层赋存深度等六大类,各类致灾因素对不同地质灾 害的影响程度不同表 1。 7732 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 表 1 影响煤矿动力地质灾害的构造因素 Table 1 Structural factors affecting dynamic geological disasters in coal mines 构造因素 动力地质灾害 煤与瓦斯突出突水冲击地压冒顶片帮 断层构造 褶皱构造 构造复杂程度 构造活动性 煤变形-变质 煤层赋存深度 注为显著影响;为影响;为轻微影响。 1． 2 断层构造 断层构造的致灾效应主要体现在断层的力学性 质与断层的几何特征等两方面。 前者体现在断层作 为力学性质不连续界面和软弱带,造成断层两盘岩性 和应力-应变突变,在采动应力叠加作用下,原有平 衡状态破坏,断层以不同方式重新活动引发动力地质 灾害。 后者表现为断层产状、规模等要素对动力地质 灾害发生可能性的影响。 矿井断层构造对瓦斯突出具有极为重要的控制 作用[1],CAO 等2001通过平顶山 4 个矿与逆断层 相关的瓦斯突出现象分析,发现突出几乎都发生在逆 断层的下盘,认为与下盘煤层强烈的构造变形密切相 关[21],刘咸卫等2001通过北票煤田瓦斯突出事故 的统计分析,认为正断层对突出的影响比逆断层更为 重要[22]。 逆冲推覆构造中主断层倾角极缓、上盘逆 冲岩席规模往往较大,可形成区域性封盖条件而有利 于瓦斯保存,使突出危险性增加[23]。 层滑构造顺层 断层是煤矿中较发育的构造样式,对瓦斯赋存具有 重要的控制作用,如四川白皎井田的 120 次煤与瓦斯 突出中,65发生在层滑构造带[5]。 断层构造是造成矿井突水的重要原因之一,大量 突水事例表明,断层构造往往是构成各种水源进入矿 井的通道,引发矿坑突然涌水甚至大规模淹井事 故[6-7],如河北的峰峰、井陉矿区的多次突水大多为 断层突水或断层破碎带突水成因[24]。 断层导水性与 断层的力学性质密切相关,压性或压扭性断层破碎带 窄且致密、透水性弱;张性或张扭性断层断裂破碎带 疏松、透水及富水性强,易造成突水[7]。 华北石炭 二叠纪煤系下伏奥陶系灰岩含水层往往处于高承压 状态,常通过构造裂隙、断层或陷落柱与煤系含水层 产生水力联系,以断层作为突水通道的煤矿突水事故 占总数的 80 以上[25]。 断层的存在不仅降低了岩 体的强度,其上、下盘相互错动缩短了煤层与含水层 之间的距离[24],如霍州矿区断层使煤层及顶底板 含透水层基本与灰岩对接,灰岩水可能通过断层 通道补给煤层上覆含透水层,回采后顶板垮落形 成采空区突水[26]。 潘一山等2003 我国冲击地压分为煤体压缩 型、顶板断裂型和断层错动型等 3 种类型[27],近年来 的一个重要研究进展就是发现了断层类型与冲击地 压的相互作用机制[8],姜福兴等2010提出了断层 类型与冲击地压的相互作用机制,工作面过正断层时 为减压型,一般不易发生冲击地压;工作面过逆断层 时为增压型,容易引发强烈的冲击地压[28]。 王书文 等2019则认为,由于正断层内没有能量积聚,其诱 发冲击地压主要是构造应力与采掘扰动应力的叠加, 采掘工程开挖后,正断层下盘进一步发生应力集中诱 发冲击地压[29]。 1． 3 褶皱构造 在含煤岩系所处的浅层次或中浅层次构造域中, 受顺层挤压形成的纵弯褶皱实最常见的褶皱成因类 型。 纵弯褶皱不同部位的应力-应变分布呈规律性 变化,根据中和面理论,褶皱核部内侧中和面之下 处于挤压状态,是地应力和瓦斯压力集中区域,背斜 核部外侧中和面之上处于拉伸状态,形成垂直层 面的张裂,造成围岩结构破坏;纵弯褶皱发育过程中, 顺层剪切的弯滑和弯流作用使煤层发生强烈变形和 固态流变,上述因素均不同程度地影响动力地质灾害 发生的趋向性。 韩军等2008认为向斜构造同时具备的高地应 力、高瓦斯压力含量和构造煤发育等 3 个因素,是 其发生煤与瓦斯突出的主要原因[30],姜波等2019 认为,在向斜的两翼和轴部应力作用较为强烈,强变 形构造煤发育,是瓦斯突出的危险区域,而背斜轴部 的次级应力为垂直轴向的拉张,有利于瓦斯的运移和 散失且构造煤不发育,瓦斯突出危险性相对较弱[1]。 王生全等2006基于褶皱中和面效应对煤体结构破 坏类型的控制规律研究,提出了中和面之上背斜上层 瓦斯逸散型、向斜上层瓦斯聚集型和中和面之下背斜 下层瓦斯聚集型、向斜下层瓦斯逸散型 4 种类型[31]。 由于向斜轴部应力集中,统计资料表明煤矿冲击 地压常发生在向斜轴部[8]。 据陈国祥等2008 研 究,向斜、背斜内弧的波谷和波峰部位呈现水平压应 力集中,易发生片帮;向斜、背斜外弧的波谷和波峰部 位呈现拉应力集中,易发生冒顶和冲击地压[32]。 王 存文等2012将褶皱各部位受力状态分为 5 个区, 其中向斜轴部、背斜轴部、翼部是冲击地压的易发 区[9]。 8732 第 7 期曹代勇等中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分 1． 4 构造复杂程度 构造复杂程度通常用构造密度褶皱、断层、构 造方位 多组交织、 构造期次等定量参数来表 示[1,33-34]。 构造复杂程度反映了地质体非均质性和 力学性质的差异性,一般说来,随着构造复杂程度的 增大,煤矿动力地质灾害的危险性增大。 如断裂密度 加大导致岩层破碎,岩石力学性质差,顶板裂隙发育 则会将上覆含水层水导入采掘空间,且顶板易松动垮 落发生冒顶灾害;底板断层密度大,不足以抵抗高承 压水则会发生底板突水。 SHEPHERD 等1981分析了发生在欧洲、北美、 亚洲和澳大利亚的瓦斯突出,认为90 以上都集中在 褶皱、断层和裂隙带、强构造变形附近带等构造复杂区 域[11]。 王生全等1989以南桐煤矿 5 号煤层为例,开 展了小型地质构造带预测,指出小型地质构造带既是 各项地质指标在同地段的同步变化带,又是小断层密 集带,而煤与瓦斯突出主要发生在小型地质构造带 上[35]。 何俊等2002研究表明断层分维和褶曲分维 与瓦斯突出危险性之间存在正相关关系[4]。 张晓东 等2001认为煤与瓦斯突出突出与构造复杂程度呈正 比,并划定了构造复杂程度系数的突出临界值[36]。 刘伟等2019分析了矿井构造复杂程度与矿井 涌突水的耦合关系,表明断裂分维值、断层强度指 数和褶皱平面变形系数越大,涌突水点分布越密 集[37]。 张春光等2011以淮北祁南井田为例,运用 分形分维理论,采用容量维对祁南井田构造复杂程度 进行了定量评价,并进一步分析了构造分形定量评价 与矿井突水的关系,发现分维值越大构造越复杂、 突水点的分布就越密集[38]。 1． 5 构造活动性 构造活动性是指现今构造运动和构造应力特征。 构造活动性显著区域的地壳稳定程度差,区域挤压应 力场背景下,容易发生煤与瓦斯突出、冲击地压、围岩 变形等动力地质灾害;区域拉张应力场构成相对开放 的构造背景,容易发生矿井突水灾害。 由煤矿褶皱、 断层、岩层陡变带和岩性突变等形成的应力集中带则 是动力地质灾害发生的直接原因[39],构造应力集中 带积聚了大量的弹性能,在动态的采动应力场触发 下,极易失稳,能量瞬时释放,引发动力地质灾害。 我国多个矿区的开采实践及监测分析表明,构造 活动区或活动断裂分布区易发生煤和瓦斯突出、冲击 地压、 巷 道 变 形、 矿 井 突 水 等 煤 矿 动 力 地 质 灾 害[12,40-41]。 近年来一项有意义的工作就是发现了天 然地震与冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿动力地质灾 害之间联系,天然地震与矿井动力灾害同受区域地壳 构造活动和应力场的影响,具有相同的动力源和能量 基础。 张建国等2019发现平顶山东部矿区天然地 震的震级和发生频次空间分布与煤与瓦斯突出等矿 井动力灾害具有明显相关关系,反映不同级别的活动 断裂对煤与瓦斯突出的控制[42]。 陈波2016 对 20002006 年期间发生的 5 825 起煤矿灾害进行了 空间定位,与中国大陆同期发生天然地震活动按照时 空顺序进行了“回放”,发现 48． 7 的煤矿灾害呈现 典型的丛集特征,认为大量伴随煤矿灾害的微地震有 可能成为煤矿灾害前后构造应力场发生扰动并致灾 的地球物理证据[43]。 煤矿动力地质灾害风险与现今应力方位和应力 强度有关,京西煤矿地应力测量表明,区域主应力方 向与井田内局部应力方向相同时,则发生应力的叠 加,形成冲击地压[44]。 1． 6 煤层变形-变质特征 煤是一种对温度、压力等地质环境因素特别敏感 的有机岩,煤层形成后经历的各种构造-热事件,无 一不在煤层形态和物质成分变化方面留下深刻的烙 印,引起结构、构造和煤级的变化[45]。 中国煤田构造 格局复杂,煤层变形-变质时空差异显著,对动力地 质灾害发生具有不同程度的影响。 煤体结构变形是发生煤与瓦斯突出的必要条件。 褶皱、断层尤其是层滑等矿井构造导致煤体变形,形 成不同类型的构造煤,随着煤体结构变形程度的增 大,构造煤的孔容、比表面积以及瓦斯吸附能力增强, 透气性降低,形成高瓦斯富集区,大量的突出点调查 统计表明,几乎所有发生煤与瓦斯突出的煤层都发育 有一定厚度的构造煤[46-47]。 我国煤田地质和矿井地 质工作者在构造煤成因机制与控制因素、构造煤分类 与分布规律、构造煤物理化学性质与瓦斯赋存关系的 等诸多方面开展了大量研究工作, 取得丰硕成 果[1,3,46-51]。 深入研究不同构造作用下煤体变形特征 及构造煤分布规律,揭示不同类型构造煤的瓦斯地质 特征,是瓦斯赋存规律研究及突出预测的基础性工作 和核心内容。 除煤体结构之外,煤变质程度也是影响 煤与瓦斯突出危险性的因素之一,瓦斯煤层气含 量和煤体吸附性与煤变质程度密切相关[52],低煤 阶褐煤和高煤阶超无烟煤瓦斯含量低、突出危 险性较小,前者如我国西北和内蒙东部广大低变质烟 煤和褐煤分布区,后者包括华南东部闽西南、赣南、湘 南超无烟煤-煤系石墨分布区。 赵毅鑫等2007和姜耀东等2015研究发现 煤的冲击倾向性与煤的细观结构特征紧密相连,可以 用煤体微晶参数来判断煤层冲击倾向性的大小,微晶 9732 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 参数值越大,表明冲击的危险性越大[8,53]。 1． 7 煤层赋存深度 煤层赋存深度是成煤后多期构造运动综合作用 的结果,煤层现今埋藏深度与动力环境密切相关,垂 向上地应力梯度发生变化、煤层承受的自重应力、流 体压力和地温等随深度增加而增加,煤岩体中积聚的 弹性能也随之增加,发生煤与瓦斯突出、冲击地压、高 承压岩溶水突出、软岩大变形等动力灾害的危险性明 显加大,事故频度和强度也明显增加[54-55]。 深部煤层开采受高地应力影响、瓦斯压力达到高 峰,煤岩体会聚集较高的气体能量,同时煤岩层透气 性变差,造成瓦斯含量高、压力增大,在采掘扰动的作 用下,煤与瓦斯复合动力灾害风险加剧,成为煤矿安 全生产的重要威胁[56]。 统计表明,由于瓦斯突出和 爆炸引起的死亡 10 人以上的煤矿事故 70 出现在 我国东部深部矿井[54]。 深部煤层承压水位高,水头压力大,水文地质条件 复杂化。 在高地应力和水压力长期作用下,围岩有效隔 水层厚度降低,加上采掘扰动造成断层裂隙活化,形成 渗流通道相对集中,突水几率明显增加。 华北晚古生代 煤系之下的奥陶纪灰岩是古岩溶十分发育的层位,深部 煤炭资源开采面临的主要水害威胁来自煤层底板的高 压岩溶水[57],如河南义煤集团义安矿及孟津矿煤层底板 承压达7．5 MPa,江苏徐矿三河尖矿底板承压8．32 MPa, 淮南矿区 A 组煤底板承压10 MPa[57-59]。 深部硬岩随地质条件恶化、碎裂岩体增多,而软 岩煤层中地应力状态随埋深增加,且更早处于各 向等压状态[60],1 000 m 以深的垂直原岩应力和构造 应力基本已经超过工程岩体的抗压水平,根据南非地 应力测定结果,1 000 5 000 m 深度地应力达 50 135 MPa[61],工程开挖尤其是大规模的开采活动所导 致的应力集中水平更是远超工程岩体的抗压水平,使 围岩剧烈变形、巷道和采场失稳,并易发生破坏性的 冲击地压。 研究表明,冲击地压存在一个临界深度, 超过此深度开采时,冲击地压将频繁出现,我国典型 冲击地压矿井的临界开采深度为400 630 m[27]。 因 此,随着我国中部、乃至西部地区煤炭工业发展,动用 深部煤层时,也应充分考虑冲击地压发生的风险。 2 中国煤田构造格局与煤矿地质灾害分布 2． 1 中国煤田构造格局划分 中国大陆是一个由众多构造活动带和稳定地块 经多次拼合而成的复合陆块,活动带密度大、经历了 长期多旋回的造山过程,稳定地块规模小、基底刚性 程度低、盖层变形显著[62]。 发育于这一复合大陆上 的成煤盆地类型多样、后期改造强烈,呈现明显的分 区、分带特征[15]。 控制中国煤田构造格局的区域构 造活动带包括1 条一级带即贺兰山龙门山哀牢 山南北向构造带,3 条二级带即阿尔泰阴山构造 带、昆仑秦岭大别山构造带、大兴安岭太行 山武陵山构造带,上述区域性构造带将中国煤田构 造格局划分为东、西两大煤田构造域、3 条煤系变形 构造组合带和五大赋煤构造区[16-17]图 1,构成控 制煤矿动力地质灾害发生的基本构造背景。 2． 2 中国煤田构造基本特征 2． 2． 1 两大煤田构造域 贺兰山龙门山哀牢山南北向构造带分划东 部煤田构造域和西部煤田构造域。 东部煤田构造域 含煤层位多、煤盆地类型多、构造-热演化史复杂、构 造变形时空差异显著;东北区和华北区东部以新生代 负反转构造为特征,华南区以多期持续挤压变形为特 征,煤田构造线展布以北东北北东向为主。 西部煤 田构造域以早中侏罗世煤系占绝对优势,煤田构造 格局的形成与演化受特提斯地球动力学体系控制,新 生代盆地正反转显著,现今控煤构造样式以北西北 西西向展布挤压性构造为主。 2． 2． 2 3 条煤系变形构造组合带 东部复合变形带位于大兴安岭太行山武陵 山以东。 秦岭大别山以南以挤压背景为主,华北和 东北则以伸展背景为主。 构造组合以北东北北东 向展布、平行排列的条带结构组合为基本格局,变形 幅度和强度由东向西递减。 中部过渡变形带位于贺兰山龙门山哀牢山 构造带与大兴安岭太行山武陵山构造带之间,地 壳结构稳定,鄂尔多斯盆地和四川盆地的构造单元组 合具有典型的“地台型”同心环带变形分区结构[15]。 西部挤压变形带位于贺兰山龙门山哀牢山 以西,煤田构造以挤压变形为特色,区域构造线走向 呈北西北西西北北西弧形展布,变形强度向北递 减。 构造变形组合由滇藏赋煤构造区的平行条带结 构,转换为西北赋煤构造区的多中心环带结构[15]。 2． 2． 3 五大赋煤构造区 东北赋煤构造区以兴蒙造山系及其中间地块为 基底,印支运动以后卷入滨太平洋活动大陆边缘,燕 山运动早、中期以北北东南南西走向的压性构造形 迹为特征,中生代晚期东亚大陆边缘裂解,以由铲式 正断层控制的箕状断陷和堑垒组合为主,由西向东, 构造改造作用逐步增强。 东部赋煤构造亚区三江 穆棱河盆地群发育向北西扩展逆冲断层和轴面南东 倾的斜歪褶皱等挤压构造样式。 中部亚区以松辽盆 0832 第 7 期曹代勇等中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分 Ⅰ东部复合变形带Ⅰ1东北华北伸展变形分区,Ⅰ2华南叠加变形分区;Ⅱ中部过渡变形带;Ⅲ西部挤压变形带 Ⅲ1西北正反转变形分区,Ⅲ2滇藏挤压变形分区;NECCA东北赋煤构造区;NCCA华北赋煤构造区;SCCA华南赋 煤构造区;NWCCA西北赋煤构造区;YXCA滇藏赋煤构造区 图 1 中国煤田构造格局示意[17] Fig． 1 Sketch map of coalfield tectonic framework of China[17] 地为主体,煤系分布于盆地周缘,中生代后期被断裂 分割为断块格局。 西部亚区海拉尔盆地群和二连盆 地群后期改造轻微,保存了成盆期的伸展构造格局。 华北赋煤构造区位于华北陆块区主体部位,煤田 构造格局具有明显的分区分带特征。 华北北缘赋煤构 造亚区受板缘活动带影响,沿阴山燕山辽东吉 南发育一系列走向近东西的早中生代逆冲断裂或推覆 构造。 鄂尔多斯煤盆地构造亚区由西缘褶皱逆冲带、 东缘挠褶带、北部隆起、南部断隆、陕北单斜和天环坳 陷等构成完整的赋煤构造单元。 山西块拗陷构造亚区 以轴向北东和北北东的宽缓波状褶皱为主,大型褶皱 两翼多被区域性断裂破坏。 太行山以东为伸展变形 区,以多组断层控制的复杂断块构造格局为特征。 南 华北赋煤构造亚区主体构造格架为宽缓大型褶皱以及 配套剪切断裂和压性断裂系统,徐淮地区发育逆冲推 覆构造、豫东隐伏区为新生代负反转断块格局、豫西含 煤区则以重力滑动构造发育为鲜明特征。 华南赋煤构造区跨扬子陆块区和华南造山系,划 分为扬子赋煤构造亚区和华夏赋煤构造亚区,煤系变 形复杂,时空差异显著,构造变形强度和岩浆活动强 度均有由板内向板缘递增的趋势。 扬子赋煤构造亚 区的上扬子四川盆地构成赋煤构造单元组合分带的 稳定核心,川中赋煤构造以宽缓的穹隆构造、短轴状 褶皱变形和断层稀疏为特征,由此向周边,煤系变形 强度递增。 华夏赋煤构造亚区自晚古生代以来经历 多次挤压与拉张等不同构造机制的交替作用,煤系变 形十分复杂,煤田推覆和滑覆构造广泛发育,闽湘赣 地区以“红绸舞状褶皱”的形象比喻而著称[63]。 西北赋煤构造区跨越天山兴蒙造山系、塔里木 陆块区、秦祁昆造山系等不同的一级大地构造单元, 早中侏罗世聚煤盆地形成于造山期后伸展的地球 动力学背景,中生代末期以来印度板块与欧亚板块碰 撞的远距离效应使盆地不同程度正反转。 本区划分 为 3 个相对完整的赋煤构造单元组合,准噶尔盆 地北疆赋煤构造亚区盆地周缘发育紧闭褶皱和逆 冲推覆构造,盆内以宽缓褶皱或断块格局为主。 塔里 木盆地南疆赋煤构造亚区北缘和南缘均为指向盆 内的逆冲推覆构造带,盆内煤系埋藏深,为舒缓波状 起伏或断块组合。 祁连河西走廊赋煤构造亚区处 于对冲挤压的变形环境,煤系多呈北西南东走向平 行条带状分布,褶皱和逆冲推覆构造较发育。 滇藏赋煤区的大地构造区划主体为西藏三江 造山系,由欧亚大陆和冈瓦纳大陆的若干陆块地 体及其间的缝合带构成,地质演化历史复杂,特提 斯构造域各板块之间相互作用控制了含煤盆地的形 成与改造。 煤系主要赋存于青藏高原北部和滇西地 1832 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 区,划分为 3 个赋煤构造亚区青南藏北赋煤亚区、 藏中冈底斯赋煤构造亚区和滇西赋煤构造亚区。 煤田构造形态复杂、褶皱、断裂极为发育,尤其是强烈 的新构造运动造成含煤块段分布零星、规模小,工作 程度极低。 2． 3 中国煤矿动力地质灾害分布的基本特征 前人从不同角度分别研究了我国几种典型煤矿 动力地质灾害的分布特征。 韩军等2010以区域构 造演化对煤与瓦斯突出的控制作用为主线,分析了东 北、华北和华南聚煤区煤与瓦斯突出特征[2]。 张子 敏等2013按照煤矿瓦斯赋存地质构造逐级控制研 究思路,将中国煤矿瓦斯赋存分布划分为 16 个高突 瓦斯区、13 个瓦斯区[13]。 董书宁和虎维岳等2007 研究了中国煤矿水害的基本特征及其产生原因,把中 国煤矿床水害类型分区划分为西北区、北方区、南方 区和西南区[64]。 武强等2013根据中国聚煤区的水 文地质特征以及矿井充水对安全生产的危害程度,划 分了全国六大矿井水害区[65]。 潘一山等2003总结 我国煤矿冲击地压主要集中分布在华北、东北地区 4 个条带,即北纬 26、北纬 34、北纬 39和北纬 42的 黑、吉、辽、京、冀、豫、鲁、皖、川、黔、湘、赣等 12 省 市[27]。 我国具有工业价值的煤炭资源最早形成于石炭 纪湘中测水煤系,晚古生代、中生代、新生代均有 聚煤作用发生。 自晚古生代以来,中国大陆经历了海 西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等 4 个 主要的构造旋回,多期性质、方向、强度不同的构造运 动造就复杂而有序的煤田构造格局和赋煤构造单元 组合[17-18]。 中生代以来中国东部强烈的构造-岩浆 活动[62],使煤层变形-变质及赋存状态的时空差异显 著。 活动论观点认为,区域构造应力场主要来源于板 块边界和板内深部物质活动,中国大陆位于特提 斯喜马拉雅和西太平洋两大巨型板块动力学边界 夹持交汇部位,现代构造应力背景复杂[17-18,62],水平 应力方位和强度以及垂向应力梯度变化显著。 上述 区域构造背景导致不同赋煤构造单元内致灾构造因 素不同,从而决定了煤矿动力地质灾害发生风险的空 间差异性。 中国煤矿动力地质灾害分布具有东强西 弱、北强南弱的基本特点,规模大、损失严重的煤矿动 力地质灾害主要发生在东部煤田构造域,尤其是大兴 安岭太行山北北东向二级构造带以东的东北赋煤 构造区中东部、华北赋煤构造区东部和华南赋煤构造 区中部,以及受特提斯地球动力学体系与太平洋地球 动力学体系复合作用控制的华南赋煤构造区