矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

8月

JOURNALOFCHINACOALSOCIETY

煤　　炭　　学　　报

Vol.44　No.8　Aug.　

2019　

姜波,李明,程国玺,等.矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义[J].煤炭学报,2019,44(8):2306-2317.doi:10.13225/j.cnki.jccs.KJ19.0567

JIANGBo,LIMing,CHENGGuoxi,etal.Minegeologicalstructurepredictionanditssignificanceforgasoutbursthaz-移动阅读

ardevaluation[J].JournalofChinaCoalSociety,2019,44(8):2306-2317.doi:10.13225/j.cnki.jccs.KJ19.0567

矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

姜　波1,2,李　明1,2,程国玺1,2,李凤丽1,2

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州　221116;2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州　221008)

摘　要:矿井构造是制约煤炭生产的最重要因素之一,不仅直接影响到煤矿生产效率,同时对矿井瓦斯突出和突水等严重威胁煤矿安全生产的地质灾害具有重要的控制作用。因此矿井构造预测与评价不仅是煤矿生产中亟待解决的实际问题,也是一个重要的科学难题。本文较为系统地评述了我国矿井构造预测以及矿井构造对瓦斯赋存与突出的控制作用的研究现状,并以阳泉矿区新景矿为例阐释了依据区域地质背景-矿井构造-煤体变形特征-构造煤发育及其瓦斯特性进行瓦斯赋存与突出预测的研究思路、内容与技术方法。研究表明,20世纪80年代以前矿井构造研究以定性评价和预测为主;20世纪90年代至21世纪初,矿井构造预测从定性的描述到定量评价取得了实质性的进展,但近年进展较为缓慢,指出基于地质实际的数理方法、地球物理探测和计算机技术的多源信息融合预测理论与方法是矿井构造定量预测和评价重要发展方向;分别从断裂、褶皱和层滑构造等方面阐释了瓦斯赋存与突出的构造控制的研究现状,指出目前多限于某些特定因素或静态的分析,而以矿井构造预测为基础,深入剖析矿井构造控制下的不同类型构造煤的发育、演化及分布规律,揭示不同类型构造煤的瓦斯地质特征是瓦斯突出预测的发展趋势;新景矿的实例剖析表明,EW向与NNE—NE向褶皱叠加复合独具特色的矿井构造对构造煤发育和瓦斯赋存具有关键控制作用,揭示了瓦斯非均质性分布的构造动力学机制。关键词:矿井构造;预测;瓦斯突出;评价;新景矿

中图分类号:TD712　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2019)08-2306-12

Minegeologicalstructurepredictionanditssignificanceforgasoutburst

hazardevaluation

(1.SchoolofResourcesandGeosciences,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou　221116,China;2.KeyLaboratoryofCoalbedMethaneResourcesandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou　221008,China)

JIANGBo1,2,LIMing1,2,CHENGGuoxi1,2,LIFengli1,2

Abstract:Minegeologicalstructure,oneofthemostimportantfactorsrestrictingcoalproduction,notonlydirectlyin-

fluencestheefficiencyofcoalproduction,butalsosignificantlycontrolsgeologicalhazardsincludinggasoutburstandwaterinrush,whichseriouslythreatenstheproductionsafetyofcoalmines.Thus,thepredictionandassessmentofminegeologicalstructuresarenotonlypracticalproblemsurgentlytobesolvedincoalproduction,butalsoimportantscienceoutburstinChinaaresystematicallyreviewed.Theevaluationtheory,commentandtechnicalmethodsofgasoccurrenceandoutburstpredictionareexplainedonthebasisof“regionalgeologybackground-minegeologicalstructure-coalde-formationcharacteristics-developmentandgaspropertiesoftectonicallydeformedcoal(TDC)”bytakingXinjingmine

收稿日期:2019-05-04　　修回日期:2019-06-10　　责任编辑:韩晋平　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(41430317,41672147)

　　作者简介:姜　波(1957—),男,安徽宿州人,教授,博士生导师。E-mail:jiangbo@cumt．edu．cn

puzzles.Inthispaper,theresearchstatusofminegeologicalstructurepredictionanditscontrolongasoccurrenceand

ofYangquanminingareaasanexample.Researchshowsthatthestudiesonminegeologicalstructurefocusmainlyon

第8期姜　波等:矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

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qualitativeevaluationandpredictionbefore1980s,andsubstantiveprogresswasmadefromqualitativedescriptiontoispointedoutthatthegeological-condition-basedmulti-informationfusionofmathematicalmethods,geophysicalexplo-occurrenceandoutburstisconfinedtostaticanalysisorsomespecificfactors,whilebasedonthepredictionofminege-showsthatthedistinctiveminegeologicalstructuresduetothesuperpositionofEWandNNE-NEfoldsplaysomesig-structuraldynamicsmechanismofgasheterogeneousdistribution.　　矿井构造是指矿井中客观存在的一切中小规模矿井构造研究是一项贯穿于煤田地质勘查、矿井建设和煤矿开采等各个阶段的首要地质任务[1]。影响煤炭开采的因素主要有煤层厚度及其变化、顶底板岩层组合及其空间分布、构造(包括断层、褶曲等)、矿井水文地质及瓦斯地质、煤层中的地质异常体等,查清这些地质因素对不同矿井煤炭开采的影响程度,为煤炭生产提供可靠的地质依据,是现代化安全高效矿井地质保障系统的核心内容[2]。矿井构造不仅直接影响到煤矿生产效率,同时对矿井瓦斯突出和突水等严重威胁煤矿安全生产的矿井地质灾害具有重要的控制作用。矿井构造预测是应用构造地质学及相关学科的理论与方法,对矿井中未开采区的构造类型、变形特征和展布规律及其对煤层开拓、开采的影响进行预测与评价,并进一步拓展到矿井构造对瓦斯突出和因此,矿井构造预测与评价对保障矿井安全高效生产具有重要的理论和实践意义。

矿井突水等地质灾害的控制作用的预测与评价[3]。

Keywords:minegeologicalstructure;prediction;gasoutburst;evaluation;Xinjingmine

ration,andcomputertechniqueswillbeanimportantdevelopmentdirectionofminegeologicalstructurequantitative

quantitativeevaluationfrom1990stotheearly20-thcentury,whiletheprogresswasrelativelyslowinrecentyears.Itpredictionandevaluation.Thecurrentresearchaboutthecontroloffaults,foldsandinterlayerslipstructuresongasologicalstructure,deeplyanalyzingthedevelopment,evolutionanddistributionofdifferentTDCsandrevealingtheirgasgeologicalcharacteristicsarethedevelopmenttrendofgasoutburstprediction.ThecasestudyofXinjingminenificantcontrollingrolesonthedevelopmentoftectonicallydeformedcoalsandgasoccurrencelawandrevealsthe

的构造形迹,主要包括不同性质的断裂和褶皱构造。

80年代初,原西德20世纪80年代初期提出的构造指数法和我国詹才高等[6]提出的“等性块段法”具有一定的代表性。1983年11月在首届全国矿井构造学术讨论会上,针对矿井中小型构造预测等问题展开1．1　矿井构造发育规律预测

了热烈的讨论,引起了人们广泛关注和高度重视。

岩层和煤层中的各种构造形迹,都是在地质历史时期中区域或局部构造应力场的变形产物,它们之间存在着普遍的内在联系。矿井构造发育规律预测是矿井构造预测中最基础和最常用的一种方法,是在充分分析已有地质资料的基础上,依据构造发育和演化规律,揭示不同构造发育的内在联系及其规律性,对未知区构造发育特征进行预测与评价[3]。前苏联主要应用几何作图法分析煤层内的构造条件,预测煤层中褶皱规模和中等断距断层规模以及应用煤层中小构造破坏特征综合图来研究大断层与小断裂之间、断层与褶皱之间及褶皱与小断裂之间的各种相关关系[7]。联邦德国、澳大利亚、意大利等国通过已有矿井资料的系统分析,应用构造力学-构造成因解析法对未采掘区构造情况进行预测[8]。王桂梁等[3]系统阐述了构造规律预测的内容和方法,并通过实例分析论述了方法的有效性,有力地推动了我国矿井构造预测工作。徐凤银和魏铭康[9]从构造发育的介质条件、构造形迹的主要类型和构造展布的基本规律等方面对矿井构造规律预测进行了阐释。

王桂梁[5]提出了应用地质力学预测矿井构造的观点和方法,在河北井陉二矿北斜井区的多字型构造、山东淄博龙泉井田的棋盘格构造和安徽淮南九龙岗井田的入字型构造特征分析的基础上,依据构造发育规律对未采区进行了构造预测,并经生产验证了其可靠性,尤其是河北井陉多字型构造预测作为一个典

矿井构造定量化预测工作始于20世纪70年代末至

1　矿井构造预测研究现状

煤矿生产中常遇见各种中、小型构造,尤其是断裂构造的发育严重影响安全连续采煤,在煤矿机械化开采中更为突出。因此,矿井构造预测与评价是煤矿生产中亟待解决的问题,也是一个重要的科学难点。矿井构造复杂程度是制约大部分煤矿生产的最重要因素之一,它不仅决定煤矿的井型设计、开拓方式和采煤机械的选择,而且常常与井下地质灾害有密切联开展了卓有成效的研究工作,并取得了显著进展。王桂梁[5]提出了矿井构造预测的概念,并归纳为几何作图预测、地质力学预测和数理统计预测3个方面;系[4]。因此,矿井构造预测受到了人们的高度重视,

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型实例被高校《构造地质学》教材所引用。王生全等[10]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。刘志刚[11]探讨了巷道前方隐伏断层和已发现断层的断层参数预测方法,并对断层相关构造、断层带内煤的物理力学性质变化和断层影响带宽度与断层断距的关系等问题展开了讨论。琚宜文和王桂梁[12-13]从矿井地质工应用[22-23]。舒建生等[24]针对涡北煤矿地质构造严重影响煤矿生产问题,通过分析矿井断层发育特征和3方面的因素,建立了矿井构造评价指标模型,采用灰色关联分析方法和等性块段综合指数评价方法,对矿井构造复杂程度作出了定量化综合评价和分类。夏玉成等[25-26]借助于计算机技术,以矿井构造定量评价指标的自动统计与存储技术为突破口,开发了量化预测评价指标的自动统计系统,通过基础数据库的展布规律,综合断层发育特征、沉积介质和经济技术

作入手,通过详尽的井巷剖面调查和资料分析,在海孜矿已采区中小型煤层断层和层滑构造深入分析的基础上,依据构造规律,对未采区进行构造预测,取得了显著效果。

汪吉林等[14]在矿井地质条件分析的基础上,根据岩体破坏过程的规律,以鲍店矿为例分析了燕山期构造应力作用方式和方向,通过对比分析验证了矿井构造的序次,揭示了矿井构造演化的过程。刘磊等[15]将区域构造背景和矿井地质资料综合分析相结合,探讨了多期构造叠加、改造作用对赵楼矿构造发育的控制机理,揭示了矿井构造发育、组合及分布规律。张品刚等[16]在区域构造背景分析的基础上,开展了东欢坨矿断裂构造的定量研究及其分区性特征和变化规律分析。刘军[17]依据区域构造控制机理,将淮北矿区划分为14个3级构造单元,并系统阐述了不同构造单元的构造特征及发育规律。汤政[18]以区域构造演化为主线,系统分析了阳泉矿区构造分布1．规律及其演化特征2　矿井构造定量预测与评价

,并进行了构造分区的划分。

矿井构造定量预测工作始于20世纪70年代末至80年代初期,相继提出的“构造指数法”和“等性块段法”等,这实质上仍属于定性或半定量的方法[4]用于生产实践的不多,但由于评价指标太少。20世纪、人的主观性太强90年代以来,数理方,真正法和计算机技术的应用促进了矿井构造预测从定性1．的规律性探求向定量评价与预测的发展2．1　数理评价方法

。

数理评价方法是在矿井构造发育及演化规律分析的基础上,应用数学方法和计算机技术手段,通过评价指标的定量化研究,对矿井构造复杂程度作出定量化评价。徐凤银等在矿井构造定量评价中指标权重的确定[19-20]途径[21]研究的基础上、煤矿构造复杂程度评价指标的优选,结合芙蓉矿区杉木树煤矿构造特征分析,率先应用模糊综合评判法及灰色系统理论构建了一套较完整的矿井地质构造评价方法,该方法在矿井构造复杂程度定量评价中得到较为广泛的

建立,实现评价单元划分、单元内各评价指标的统计、计算、预侧、存储等工作。邱向荣等[27]开发了矿井地质构造定量评价信息系统(MGS),实现了评价区的网格化剖分、断层构造要素的空间信息自动录入和管理、单元内评价指标的统计和计算以及利用数学方法进行综合评价预测等功能。

朱宝龙和夏玉成[28]基于人工神经网络具有良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、容错及抗干扰能力特点,应用BP神经网络模型对铜川东坡井田进行构造复杂程度定量评价。汪吉林和姜波[29]分析了BP神经网络在研究复杂性问题时存在的局限性,根据模糊人工神经网络模型的构建方法,结合鲍店煤矿的应用研究BP,表明模糊人工神经网络较一般果。神经网络具有更快的收敛速度和更准确的预测效夏玉成等[30]将自组织建模技术(GMDH)与BP人工神经网络结合,提出了GMDH-BP矿井构造评价预测方法,该方法在探采对比基础上,主要根据勘探资料确定和统计评价指标,更有利于对未采区进行构造预测1．2．2　非线性,有较强的实用性和可行性-分形评价方法

。断裂网络是一种复杂的、具有自相似性的分形体系[31]分布均表征出分形特征,断层的数目-尺寸分布[32]不规则性的分维来定量评价矿井断裂网络的复杂程,因此、断层位移和断层间距,可以应用描述几何度。徐志斌等[33-34]较为系统的阐述了矿井断裂网络的复杂程度分形评价的原理与方法,说明断裂网络是一种具有分形结构的系统,其复杂程度可以用分维来描述,并用实例论证了分维指标评价矿井断裂网络复杂程度的合理性和准确性。夏玉成等[35]对霍州矿区断层构造的分形特征分析结果表明,分维值愈大断层构造愈复杂。夏玉成等[36]通过东庞矿已揭露区统计数据的灰色关联分析和逐步回归分析,发现断裂信息维与断裂构造的相对复杂程度呈正相关关系,并通过已知区各单元断裂信息维及其影响因素的人工神经网络训练,用于预测井田不同单元的断裂信息维。汪吉林等[37]通过鲍店矿构造复杂程度的分维评价,说第8期姜　波等:矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

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明目前正在生产的采区构造复杂程度较简单,尤其是采区的北部区域是构造简单区,为进行机械化采煤的有利区域。汪吉林等[38]通过断层带面积统计和信息维计算,认为基于断层带面积的信息维表征的矿井构造复杂性分布特征更加合理和客观,因此更适合作为定量评价矿井构造复杂程度的依据。何俊等[39]研究认为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。张春光等[40]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主要发生在正断层上盘。张子敏和张玉贵[44]从构造演化的角度分析了大平矿瓦斯突出事故,认为先期强烈的逆冲推覆挤压剪切作用与后期滑动构造的叠加,导致构造煤极为发育,是造成煤与瓦斯突出的条件之一,而NE向逆断层是发生突出的重要条件。宋占全和魏国营[45]系统分析了薛湖矿的地质构造特征及不同走向的小断层附近瓦斯赋存和构造煤发育特征,认为小断层附近区域瓦斯富集,构造煤发育,煤体瓦斯放散能力强,具有很强的突出危险性,而薛湖井田经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,反映出分维值越大构造越复杂,突水点的分布就越密集。

综上所述,我国矿井构造预测研究取得的较为突出的进展,尤其是数理方法和计算机技术的应用,使矿井构造预测从定性的描述向定量评价的跨越,矿井安全高效生产起到了重要的支撑作用。但由于矿井构造预测与评价是一个十分复杂的科学难题,面向我国复杂的煤田构造,实现矿井构造的精准预测尚存在诸多难点问题。现今的矿井构造是地质历史长期演化的结果,因此,区域构造演化是揭示矿井构造发育特征和演化规律重要的基础性研究内容之一。多期不同性质、不同方向构造应力的作用致使矿井不同期次构造的相互叠加与改造,形成了一幅较为复杂的构造图像,只有从构造演化的动力学角度分析研究才能从本质上揭示矿井构造发育规律,同期不同方向、不同性质、不同类型构造的形成在力学成因机制上是协调的,其内在的规律性是矿井构造预测的重要基础;矿井构造的叠加与改造特征及其作用机理是矿井构造预测的关键研究内容;而基于地质实际的数理方法、地球物理探测和计算机技术的多源信息融合预测理论与方法是矿井构造定量预测和评价重要发展方向。

2　矿井构造对瓦斯赋存与突出的控制作用研

究现状

　素　,SHEPHERD矿井构造是控制瓦斯赋存及突出的关键地质因等

[41]

研究了发生在澳大利亚、北美、

欧洲和亚洲的瓦斯突出,认为90%以上的突出都集中在强构造变形带,因此,不同性质和类型的矿井构2．造发育特征及其对瓦斯突出的控制作用备受关注1　断裂构造的控制作用

。

CAO等[42]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,认为与断层下盘煤层强烈的构造变形密切相关。

刘咸卫等[43]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,且

过多期构造运动改造后小断层基本呈现压扭性质。

以上研究表明,矿井断裂构造对瓦斯突出具有极为重要的控制作用,但不同的矿区由于构造发育的差异性,断裂控制下的瓦斯突出呈现出不同的特征和机制。瓦斯突出断裂控制的一个共同特点是,断裂构造导致了煤体的强烈变形和不同类型构造煤的发育,尤其是强变形及韧性系列构造煤的发育则是瓦斯突出最为危险的区域[46]的显著特色之一,中国煤田构造具有煤盆地类型多。构造煤的普遍发育是我国煤田样,后期改造强烈,时空差异显著的鲜明特点[47]国多数煤田均经历了多期、不同性质和不同方向构造,我应力场的叠加和改造,形成了形式多样、类型繁多及各具特色的煤田构造类型,致使煤层赋存状态、不同变形特征和结构的构造煤发育和分布的复杂性[48]因此,只有从构造演化及构造动力学角度出发,深刻。

认识矿井构造发育特征及其规律性,进而揭示不同类型构造对构造煤发育的控制机理,才有可能从本质上揭示瓦斯突出的构造控制机理。由于区域构造背景和构造演化的不同,不同矿区或矿井的构造发育会呈现出显著的差异性,而构造煤的发育及分布往往是在关键构造期次所奠定的,后期的构造叠加使其进一步复杂化。因此,关键构造期次的应力作用特征及其对矿井断裂构造发育的控制作用是评价构造煤分布及2．瓦斯突出的关键内容2　褶皱构造的控制作用

。

褶皱构造对煤体变形和构造煤发育也具有重要的控制作用。韩军等[49]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。李恒乐等[50]在重庆煤矿区瓦斯赋存特征研究中,认为在高陡背斜的两翼及向斜区应力得不到松弛,有利于瓦斯富集,是造成龙潭组煤层煤与瓦斯突出严重的主要地质因素。李明等[51]分析了黔西土城向斜对构造煤发育的控制作用,认为在近NS向挤压构造应力作用下土城向斜的形成过程中伴随着煤体的变形,由于煤层结构、局部小构造发育和应力作用的不同,导致不同类型构造煤发2310

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7种模式。王生全等[52]利用褶皱中和面效应对煤体结

育和分布的差异性,提出了褶皱控制下构造煤发育的构破坏类型的控制性规律研究,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,从而实现对煤与瓦斯突出的预测。申建等[53]通过平顶山八矿构造曲率计算,发现煤层瓦斯含量、涌出量、突出煤量和瓦斯量随构造曲率的增加而减少,背斜处于正曲率位置,瓦斯含量、涌出量、突出强度等相对和破坏程度代表了顺煤层断层的规模;王生全和夏玉成[61]在对渭北矿区大量层滑构造现象分析研究的基础上,提出井下识别层滑构造的标志,典型层滑构造发育的基本类型及其表现形式。王桂梁和徐凤银[62]通过芙蓉矿区层滑构造研究,阐释了层滑断层面、层滑构造带特征及其展布规律,指出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。

较低或较弱;而向斜处于负曲率位置,瓦斯含量、涌出量、突出强度等相对较高。李贵中等[54]认为向斜构造的两翼与轴部中和面以上表现为压应力,顶板与煤层断裂或裂隙不发育,阻止了煤层气向上逸散,有利于煤层气在此部位的富集。黄德生[55]对南桐矿区煤与瓦斯突出进行了统计,结果显示突出点主要集中分布在向斜轴、背斜的倾伏端、扭褶带及压扭性断层附近,而背斜轴附近很少有突出点分布。

上述研究表明,褶皱构造(尤其是向斜构造)是控制瓦斯赋存及突出的重要构造类型之一,在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,从而导致不同类型构造煤的发育,一般情况下,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;而在背斜的轴部,次级应力为垂直于轴向的拉张,构造煤发育较弱,且有利于瓦斯的运移和散失,瓦斯突出危险性相对较弱2．3　矿井层滑构造的控制作用

。

矿井层滑构造是指顺煤层发育与煤层层面近于平行或小角度相交的断层滑动而形成的一种构造类型,是在矿井中发育较为普遍的特殊构造类型,往往造成煤层厚度的急剧变化和不同类型构造煤的发育,并对瓦斯突出具有重要影响[56]中期,掀起了矿井层滑构造研,究自的20热世纪潮。80沈修年代志等[57]研究认为,由于构造变动,特别是层滑构造的影响,苏南煤田煤层的稳定性较差,并将苏南龙潭煤系中层滑构造的发生、发展和演变划分为层间滑动,收缩逆冲和伸展错落3个阶段。徐凤银[58]根据川南芙蓉矿区白皎井田层滑构造发育特征,结合受力变形特征将其划分为揉皱型和断裂型两种类型;徐凤银等[59]利用层滑构造力学条件及其与褶皱强度关系的研究,将杉木树矿划分为层滑构造发育强烈区、发育区以及不发育区等3种类型,并得出层滑区发育主要集中在地层倾角20°~45°范围;曹运兴等[60]论述了顺煤层断层的特征及其与其他构造的关系,认为构造煤层实际上就是一个断层破碎带,构造煤分层的厚薄

金发礼等[63]通过利国矿区层滑构造研究,探讨了高倾角断层与层滑构造的关系,认为层滑构造的发育与高角度正断层密切相关,当高角度正断层切入煤层时,由于岩层性质由刚性转变为软弱性质,断层的产状发生了变化,即由切层转变为顺层滑动,并形成一套具层滑特征的变形构造组合,如煤层的强烈流变,形态复杂的不对称、甚至倒转小褶曲等。乐琪浪等[64]研究表明,层滑构造多发育在背斜两翼,而核部相对较少,在背斜两翼,层滑构造的类型及其分布具有明显的对称性,并且以断滑型和揉皱型为主;而在背斜核部区域,层滑构造则以断裂型为主。琚宜文等[65]通过矿井断裂与层滑构造相互关系的研究,提出了断层与层滑构造的同期扩展,断层与层滑构造组成块体滑动以及断层与层滑间的相互切割和限制3种型式,并认为构造煤是层滑引起的煤层流变最显著的特征之一[66]层滑构造是我国煤矿中发育较为普遍的一种构

。

造类型,其发生、发展往往与矿井中的其他构造(断裂和褶皱等)密切相关,但由于其顺层剪切滑动的构造特征,又常常不易识别而被忽视。层间滑动导致的煤层的顺层流变是层滑构造的一个典型特征,层滑运动造成的煤岩流变,不仅改变了煤体结构,而且不同类型的构造煤常成层发育,对瓦斯赋存与突出具有重要的控制作用。如白皎井田已发生的120次煤与瓦斯突出中,有65%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[62]因此,开展层滑构造控制下的构造煤发育、瓦斯赋存。

聚集规律研究及突出危险性评价不仅具有十分重要的理论意义,而且在我国具有实践意义。

以上研究表明,矿井构造(尤其是断裂构造、层滑构造和褶皱构造)对瓦斯赋存与突出具有重要的控制作用,其共同特征是在构造作用下导致煤体变形而形成不同类型的构造煤。不同类型构造煤变形程度和分布的差异性是矿井瓦斯非均质分布重要的影响因素。因此,不同构造作用下煤的变形特征及构造煤发育和分布规律就成为瓦斯赋存及突出预测的关键研究内第8期姜　波等:矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

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容。但前期的研究多限于单因素或静态的分析,动态演化规律性分析较为薄弱。笔者认为,以矿井构造预测为基础,深入研究不同类型、不同性质的矿井构造及其叠加改造对煤变形的控制作用及不同类型构造煤的发育、演化及分布规律,揭示不同类型构造煤的瓦斯地质特征是瓦斯突出预测的发展趋势。

西部及西北部是太原盆地。阳泉矿区地层属于华北地层区山西分区阳泉小区,矿区内除志留系、泥盆系和白垩系沉积缺失外,二叠系、三叠系、石炭系、奥陶系和寒武系均有不同厚度的沉积;含煤地层主要为石炭系上统—二叠系下统太原组和二叠系下统山西组,山西组的3号煤和太原组的15号煤层为矿区的主采煤层。新景煤矿位于矿区西部,矿井构造总体表现为3°~11°,在单斜构造的基础上发育了次一级的褶皱构造。走向NNE—NE向的褶皱贯穿整个矿井,控制着矿井的主要构造形态,例如矿井西部的佛洼西向斜、高岭背斜,中部的佛洼背斜、簸箕掌向斜、芦湖西向斜及芦湖东背斜;东部的车道沟背斜、桃河向斜;而EW向褶皱和NWW—NW向褶皱主要发育在矿井的中部和东部,与NNE—NE向的褶皱构造相互叠加复合形成了特殊的构造类型,如背斜的相互叠加形成穹窿构造,向斜相互叠加为构造凹陷,背、向斜的相互叠加形成马鞍状构造(图1)。

NE高、SW低的不规则单斜构造,倾角平缓,一般为

3　实例分析

山西阳泉矿区是我国最大的无烟煤生产基地,也是全国瓦斯含量最大,瓦斯抽采难度最大的矿区之一,阳煤集团11个生产矿井中高瓦斯矿井7个,煤与瓦斯突出矿井4个。笔者以新景矿为例,以3号突出煤层为主要研究内容,依据区域地质背景-矿井构造-煤体变形特征-构造煤发育及其瓦斯特性的研究3．1　地质概况

思路,探讨矿井瓦斯非均质性特征及构造控制作用。

阳泉矿区位于沁水盆地的东北边缘沾尚—武乡—阳城NNE向褶皱带内,其东部是太行山隆起带,

Fig．1　Coal-floorbottomcontourandstructuraloutlinemapofNo．3coalseamofXinjingMine

图1　新景矿3号煤底板等高线及构造纲要

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矿井中大、中型断层不甚发育,小型断层成群出现,且常常出现在褶皱的转折端、近核部以及向斜和背斜的过渡部位;陷落柱较为发育,无岩浆岩发育。

　　印支运动近NS向的构造挤压应力,在矿井中的表现较弱,形成了近EW向的宽缓褶皱;燕山运动时期,NWW—SEE向的挤压构造应力场,是矿井NNE—NE向褶皱主体构造形成的关键构造期次;从而形成了新景矿EW向与NNE—NE向褶皱叠加复合独具特色的构造特征,并对构造煤发育和瓦斯赋存起到了3．2　构造煤发育及其分布特征重要的控制作用。

揉皱煤及糜棱煤多发育于该滑动变形带内。叠加褶皱的复合部位,早期发生弱褶皱变形的煤层进一步遭受不同方向挤压和剪切构造应力作用,煤体扭曲、变形加剧,强烈的弯滑剪切作用为鳞片煤发育的主控因素。西部的佛洼西区构造发育相对较为强烈,褶皱的多期叠加改造现象较为显著,煤层整体较为破碎,构造煤发育普遍。

为了探讨不同类型构造煤的发育和分布特征,以构造煤与测井曲线的对比分析为基础,按照破坏程度将煤体结构划分为Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ3种类型。Ⅰ类煤体结构主要指构造变形较弱,原生结构保存较好的原生结构煤和部分变形程度较弱的碎裂煤;Ⅱ类煤体结构的原生结构已被破坏,主要包括变形程度较强的碎裂煤、碎斑煤以及片状煤;Ⅲ类煤体结构为强烈变形构造煤,主要包括碎粒煤、鳞片煤以及韧性变形的揉皱煤、糜棱煤。通过112口钻孔测井曲线煤体结构判2(a))、Ⅲ类煤百分比等值线图(图2(b))和Ⅲ类煤厚度等值线图(图3)。

识、分层定厚,绘制了Ⅱ类煤百分比等值线图(图

征分析结果显示,构造煤的类型发育较为齐全,以脆性变形的碎裂煤、片状煤和碎斑煤为主,变形较强的碎粒煤、鳞片煤、揉皱煤和糜棱煤等仅局部发育,总体而言,新景矿构造变形整体较弱,造成了碎裂煤的普遍发育。局部断层、大型裂隙或密集裂隙带发育部位可见碎斑煤和碎粒煤发育;3号煤层夹矸层上下煤层变形多发生分异、夹矸层附近或下部常发育滑动带,

3号煤层74块构造煤样品的宏观与微观变形特

　　Ⅱ类煤主要分布在矿井的北部以及中部地区,矿井北部受到后生冲蚀作用影响,煤体结构破坏程度相对较大,而矿井中部地区由于受到多个方向构造应力作用,不同方向褶皱叠加改造作用强烈,Ⅱ类煤分布范围较广(图2(a)),其他地区呈星状分布,主要受到矿井小构造的影响。强变形的Ⅲ类煤主要分布在矿井的中部及西部区域(图2(b)),主要发育在褶皱的轴部或多期褶皱叠加复合区域(图3),但全层发育

Fig．2　ThicknesspercentagecontourmapsofdifferenttypecoalsinNo．3coalseamofXinjingMine

图2　新景矿不同煤体结构百分比等值线

3．3　瓦斯含量非均质性的构造控制

矿3号煤层瓦斯含量普遍较高,大多在12~24m3/t,最大值出现在矿井中部,达30．71m3/t。矿井内没有中北部及东南部较发育,断层落差多小于5m,一般在2m左右。根据井下工作面实际观察发现,大多数大中型断层的发育,小型断裂和节理在矿井的中部、

瓦斯含量是瓦斯突出重要的指标参数之一,新景

Ⅲ类煤的范围较小、厚度较薄。

第8期姜　波等:矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

2313

造曲率值相对减小,瓦斯含量随之降低,但整体瓦斯含量仍然较大。C区瓦斯含量出现低异常,可能与该区域构造变形和构造煤发育较弱有关,与该区域煤层图3　新景矿Ⅲ类煤厚度等值线

Fig．3　ThicknesscoalcontourseamofmapXinjingoftypeMine

ⅢcoalinNo．3

小断层和节理仅在煤层内发育,是含煤地层发生褶皱变形时由于各岩层变形量不同导致煤层沿层面滑动的结果。由于小断裂构造不完全切穿煤(岩)层,且多为顺层剪切应力作用的产物,故往往阻断煤层气的顺层运移,又不利于纵向逸散,为煤层气的局部富集创造了条件。因此,不同期次构造作用叠加改造的褶皱群是新景矿瓦斯非均质性分布的重要控制因素。构造曲率可以将褶皱不同部位的变化程度量化,能够很好地反映褶皱发育区层面的弯曲特征、构造样式及展布情况,是定量研究褶皱构造的一种有效方法。

新景矿的3号煤层瓦斯含量分布总体具有东部低,中、西部高的特点(图4),与矿井构造煤的发育和分布情况较为吻合,如矿井中强变形的Ⅲ类煤也主要分布在中部及西部区域(图3),即煤体结构破坏程度较大,强变形构造煤较为发育区,瓦斯含量也相对较高。但在中部存在3个瓦斯异常区,其中A区、B区为高异常区,C区为低异常区(图4)。A区为佛洼西向斜与一条NWW—NW向向斜叠加形成的构造凹陷,向斜构造的相互叠加很可能是造成局部高瓦斯含量的主要因素,结合底板构造曲率分析可以发现,A区平均曲率值较大,即煤层底板起伏变化明显,煤体结构遭受破坏严重,构造煤发育,导致瓦斯的富集,形20成高瓦m斯异常区。B区为瓦斯高异常区,含量在

3斜、向斜的发育及其相互叠加复合/t以上,最高可达30．71m3/t,,共同控制着该区该区周边多条背域的瓦斯赋存,从底板构造曲率可以看出,B区构造曲率值相对较大,出现曲率值最高区域,对瓦斯赋存产生一定的影响。A区与B区过渡地区,煤层底板构底板起伏变化不大,平均构造曲率较小,曲率值在0附近的特征相一致。

图4　新景矿3号煤层底板平均构造曲率及煤层瓦斯含量分布

Fig．4　ContourofcoalmapsseamofNo．mean3incurvatureXinjingMine

andgascontent

以上分析表明,新景矿不同期次褶皱构造的叠加复合对构造煤的发育及分布具有重要的控制作用,而随着构造煤变形程度的增强瓦斯含量呈现增大的趋势,这是因为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,而透气性降低,造成瓦斯的富集,形成高瓦斯富集区,反映了矿井构造对瓦斯非均质性分布的主导控制作用。

4　讨论与展望

重要保障(1)矿井构造预测不仅是矿井安全,也是十分重要的科学难题。长期以来、高效生产的

,人们为之坚持不懈、开展了卓有成效的研究工作。2090世纪80年代以前,以定性评价和预测为主;20世纪

矿井构造评价中的应用年代至本世纪初,随着数理方法和计算机技术在,形成了模糊数学及灰色系统综合评判、人工神经网络和构造复杂程度分形评价等理论和方法,开发了相应的矿井地质构造定量评价软件或信息系统,使矿井构造预测从定性的描述到定量评价取得了实质性的进展,并在矿井生产中取得了良好的应用效果,但近年研究进展相对较为缓慢。由于我国煤田和矿井构造的复杂性及区域性特色,矿井构造定量预测任重而道远。采用地质规律、数理方法与2314

煤　　炭　　学　　报

2019年第44卷

计算机技术和地球物理探测相互结合的综合研究方法应为矿井构造评价与预测未来发展的方向,地质规律研究是重要基础、数理计算与计算机技术是定量评价的重要方法、而地球物理探测则是提高预测精准度不可或缺的重要手段,只有将多学科、多方法和多技术有机融合,即基于地质实际的数理方法、地球物理探测及计算机技术的多源信息融合预测理论与方法是矿井构造定量预测和评价重要发展方向,以适应我国煤炭开发对矿井构造定量预测与评价的迫切需求,[5]　王桂梁.矿井构造预测[J].地质力学论丛,1977(4):166-180.

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1杀手,

是矿井瓦斯赋存和突出非均质性分布极为重要的控制因素,强构造变形带(尤其是强脆性变形和韧性变

形系列构造煤的发育区)更是瓦斯突出的危险地带。因此,不同类型、不同性质矿井构造以及构造的复合、叠加、改造对构造煤形成、演化及其分布的控制作用是瓦斯突出预测与评价的关键科学问题。矿井瓦斯的突出评价目前多限于某些特定因素或静态的分析,未能从本质上揭示瓦斯赋存与突出的非均质性特征,从而影响了瓦斯突出危险区带的预测效果和精度,不能完全满足矿井瓦斯突出预测和安全生产实际应用的需要。以新景矿为例,阐释了依据区域地质背景-矿井构造-煤体变形特征-构造煤发育及其瓦斯特性这一主线,采用构造地质、瓦斯地质、数学地质和地球物理多学科相结合的研究思路与技术方法,则有可能实现瓦斯突出评价理论和方法的新突破,为矿井安全生产和瓦斯突出预测与防治提供重要的理论和技术支撑。

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