４０地质构造对告成井田瓦斯分布的控制作用分析翟华（郑州煤业（集团）有限责任公司通风处，河南新密４５２３７１）摘要：通过对登封煤田区域地质构造演化及告成井田地质构造特征的研究，分析不同地质时代构造应力场，特别是滑动构造运动所形成的构造形迹；结果表明：区域地质构造对瓦斯赋存及突出分布具有控制作用，滑动构造造成告成井田瓦斯赋存和煤与瓦斯突出分布的复杂性。针对告成并田二１煤层高分散相、高吸附性能、低强度、低透气性的特点，除采取一般的抽放、卸压、疏放等技术手段外，还必须走科研攻关之路。关键词：地质构造，二１煤层；瓦斯赋存；煤与瓦斯突出Ｏ引言告成并田位于河南省登封煤田东北部，北起告Ｆ５断层，南至告Ｆ２断层，东起一ｌ煤层露头线，西至二１煤层一６００ｍ水平，如图１所示。南北长为１０妯，东西宽为３．５ｈ，面积约３５肼。告成煤矿始建于１９９２年，１９９９年正式投产，矿井设计生产能力为９０万翟华：地质构造对告成井田瓦斯分布的控制作用分析４ｌＬ／ａ，主采煤层为二叠系山西组二，煤层，为煤与瓦斯突出矿井。受不同地质历史时期构造运动的影响，特别是燕山期末滑动构造的影响，井田地质构造具有特殊性，分析地质构造对井田瓦斯分布的控制规律，对矿井瓦斯综合治理具有一定的指导意义。１含煤地层告成井田主要含煤地层赋存于石炭系太原组和二叠系山西组，含煤地层总厚度为７０５．５５ｍ，含煤２０层，煤层厚度为１１．８２ｍ，含煤系数为１．６８％。由石炭系到二叠系共含煤９组。一煤组赋存于石炭系，含煤９层，其中一ｌ煤层大面积可采，厚度为Ｏ。５．８８ｍ，平均为１．１７ｍ，上距二１煤层７３ｍ。二煤组赋存于二叠系下统山西组，含煤３层，其中二ｌ煤层是井田的主要可采煤层，普遍发育，煤层厚度为０。１８．２３ｍ，平均为４．８６ｍ。２地质构造２．１区域构造演化登封煤田是豫西煤田的重要组成部分，位于昆仑一秦岭纬向构造带的北支东段，北依嵩山南临萁山，基本形态为一（颖阳一芦店）向斜构造。嵩山、萁山和颖阳一芦店向斜大致呈东西走向，向斜南翼宽、北翼窄，呈不对称型。构造形成于印支晚期至燕山晚期秦岭造山带隆起的推挤作用，受其作用形成了东西向褶皱轴（嵩山、萁山），以及相平行的断裂，如月湾、夏店等高角度正断层等，其中月湾断层规模较大，构成煤田的北部边界。按照构造形迹的组合关系和成生序次，该期构造是区内一级控制构造。煤田断裂较发育，次级褶曲不甚发育。除东西向展布的月湾断层等一系列先期断裂构造外，北西向和北东向断裂构造也十分发育。煤田南翼以北东向断裂为主。王屯、玉皇池、石淙河等正断层层面均向北倾，依次南升北降呈阶梯状展布。北西向断裂把煤田斜截成几段，郭小寨、五指岭、嵩山及纸坊断层等，北东盘依次向北西方向左行平移，致使煤田由东西向变成北东走向。北西向、北东向构造是同期的共扼断裂，从东西向的褶皱、断裂被北西向的断裂所切割的事实说明，东西向的构造在先，北西向构造在后。对各期构造形迹进行力学分析可知，印支晚期至燕山期存在着两次既有联系而又有所不同的应力场，前期应力场与形成昆仑一秦岭纬向构造帮一致，主要是南北向挤压，受其作用形成了东西向压性褶皱轴以及与其相平行的断裂，同时还伴生有北西向、北东向共扼扭性断裂；也就是说，东西向与北西、北东向构造是同一应力场作用下的产物，只是先后有别。晚白垩世以后，受华北陆块板块运动影响，联合造山后的松弛作用，挤压被拉张所取代，煤田内的压扭性断裂变为张扭性断裂。另外，燕山期末至喜山期形成的芦店滑动构造属于该构造应力场作用的结果。芦店滑动构造西起煤田东部的芦店勘探区与告成井田，向东一直延伸到新密煤田东南部的大隗镇以南，东西长约４２ｌ【Ｉｎ，南北宽约１～８‰，面积达２６４ｋｍ２，滑动地层达千米以上，规模比较大。对煤炭资源的赋存和开发都有很大的影响。滑动构造不是～个４２瓦斯地质理论与实践简单的低缓倾角正断层，而是在区域构造控制下受重力作用而形成的大型复杂构造。２．２井田主要地质构造告成井田位于颖阳～芦店向斜的东段南翼，受区域构造的控制与影响，其地质构造具有两个特点：～是因处于北西向的嵩山与五指岭平移断层之间，地层呈北东走向：二是因位于芦店滑动构造西部，井田大部分受滑动构造影响。滑动构造是在特定的条件下受重力作用的结果。在拖拉下滑的过程中，上盘地层破碎分离呈断块状，下盘地层被切蚀，当切蚀到二，煤层附近时，即大体沿其上部向下滑动。在滑动过程中，上下盘直接接触部位的岩石在相互碰撞、挤压、揉搓中脱离母岩，形成混杂的构造岩（即断裂带）；相邻的岩石也受到一定的影响，一般来说距离越近受的影响也越大，根据受影响的程度分别定为破碎带或裂隙带。断裂带和破碎带合称为滑动构造破碎带，加上裂隙带称之为滑动构造带。滑动构造带的厚度变化较大，中浅部次滑面发育，滑程大，厚度也比较大，向深部逐渐变小。滑动构造是控制井田的主体构造，另有数量较多的小型断裂、褶曲发育。地质构造对瓦斯分布的控制３．１区域构造的控制从区域构造的演化过程分析，印支晚期至燕山晚期秦岭造山带隆起的推挤作用，该期构造使登封煤田遭受强烈挤压、剪切破坏。受北西、北东向构造运动的影响，使煤层再次遭受强烈破坏…。在同一应力场作用下，原始煤层的组织结构和赋存状态受到受到两次强烈的破坏，形成了初期的构造煤。挤压、剪切应力作用下的构造形迹和构造组合起到了保存和封闭瓦斯的作用；登封煤田基本形态为一（颖阳一芦店）向斜构造，不利于瓦斯逸散，故登封煤田二１煤层多具有突出危险性。告成井田位于向斜构造的东段南翼，地层较缓，更利于瓦斯保存，这造成告成井田煤层瓦斯含量高（平均为１７．３５ｍ３／ｔ），具有煤与瓦斯突出危险性。３．２滑动构造的控制３．２．１煤厚变化对瓦斯赋存的影响在井田范围内，二１煤层的分布面积约为３０ｋｍ２，其中滑动构造的覆盖面积达２７ｋｍ２；未受滑动构造影响的面积仅３ｋｍ２。滑动构造的主滑面沿着二ｌ煤层上部通过，受其铲蚀和推挤的影响，煤层厚度变化大，煤层厚度突变点较多，出现了１２块无煤带和不可采带，合计面积达２ｋｍ２之多，占二，煤层分布面积的６．７％；煤厚两极值为０—１８．２３ｍ，出现了零点、不可采点和特厚点。因煤层厚度的差异性，井田内分布有规模不等、数量较多的煤包，煤包往往是瓦斯的富集区。告成矿２１０２ｌ掘进工作面有煤与瓦斯突出动力现象，根据揭露和探测情况，该区域平均每掘进３０一５０ｍ，煤厚剧变一次，瓦斯赋存极不稳定，经工作面突出危险性预测，Ｒ值最高达２０以上。３．２．２煤层物理性质变异对瓦斯赋存的影响受滑动构造的压挤、剪切和揉搓应力的作用，先期构造运动所形成的构造煤，再次遭受强烈破坏，呈现塑性变形特征，滑面、摩擦镜面及擦痕十分发育，且往往呈交错翟华：地质构造对告成井田瓦斯分布的控制作用分析４３状，煤质松软易碎，呈粉末状或鳞片状，６５％以上为糜棱煤，厂值仅为ｏ．１４，按其破坏程度，属典型的Ⅳ、Ｖ类煤。煤层结构致密，透气性系数为Ｏ．００５３ｍ２／（ＭＰａ２・ｄ），属低透气性煤层。据煤炭科学研究总院重庆分院测定，煤层瓦斯放散指标△ｐ达２４～３０。在构造应力的作用下，告成井田二ｌ煤层物理性质发生剧烈变异，呈现出高分散相、高吸附性能、低强度、低透气性的特点，属典型的构造软煤，具备了发生煤与瓦斯突出的物质基础。３。２。３滑动构造带对瓦斯赋存的影响二１煤层顶板分为正常顶板区和构造岩顶板区。正常顶板区包括两部分：一是沿煤层露头一带井田的浅部未受滑动构造的影响，面积约３ｋｍ２，占二１煤层分布面积的１０％；二是滑动构造滑面上翘而保存有煤层原生顶板的部分，分布于井田中部，面积约５．５ｋｍ２，占二１煤层分布面积的１８．３％，二者共计８．５ｋｍ２，占二１煤层分布面积的２８．３％。正常顶板为深灰色细（大占）砂岩，局部相变为粉沙岩或砂质泥岩，滑动构造下局部保存的原生顶板厚度为２．７０～２５．４４ｍ，一般厚度为６．６ｍ。在井田的中部，分布有原生的顶板砂岩；在井田的中北部，煤层顶板由原生的顶板泥岩、砂质泥岩和破碎的砂岩构成。构造岩顶板区即二１煤层直接顶板为滑动构造断裂带，大多为断层泥或断层角砾岩，面积达２１．５ｋｍ２，占二１煤层分布面积的７１．７％。滑动构造是井田的主体构造，它对瓦斯的赋存起着控制作用。在构造运动过程中，由于滑动构造带的存在，使瓦斯沿构造带垂向逸散，减少了煤层瓦斯含量。滑动构造形成后，构造破碎带多为泥质胶结，成为断层角砾岩和断层泥，起到了封闭瓦斯的作用。滑动构造为平缓复式断裂构造，推覆、切割了早期形成的广为发育的断裂构造，封闭了瓦斯逸散通道，而且，构造的复合作用加剧了应力集中。滑动构造带的分布是不均匀的，其厚度、破碎程度及胶结物的差异，对瓦斯的影响也不尽相同。在矿井北翼一１００ｍ水平以上的部分区域，滑动构造活动剧烈，构造带直接与上赋含水层沟通，加上次生构造的影响，顶板淋水，裂隙发育，形成了瓦斯向顶部的流动通道。该区域的１３１５１、１３１２１采面瓦斯涌出量均不超过８ｌＩｌ３／ＩＩｌｉｎ。在井田的中、北部，部分地段保留有原生顶板，有利于瓦斯相对富集，蕴含煤与瓦斯突出危险性。矿井投产初期回采的１３０３ｌ、１３０５１工作面，顶板多为原生砂质泥岩，掘进过程中曾发生１５次瓦斯涌出异常，其中有３次被定性为瓦斯动力现象，回采期间瓦斯经常超限。２１０２ｌ工作面断裂构造十分发育，２００４年１月１５日，该工作面下顺槽发生一次煤与瓦斯突出。滑动构造的形成是一个复杂的区域地质运动过程，上赋地层滑拖行程、速度、层间互动位移以及对煤层的铲蚀程度具有差异性，这也决定了煤层瓦斯赋存的不稳定性。同样是构造岩顶板，但瓦斯逸散条件却有区别，这也与滑面下切时，岩煤接触面的岩性、力学性质及接触时间有关。通过在现有开拓巷道内，对不同标高水平的煤层进行测定，瓦斯压力由浅及深不呈梯度增加，在一１６０ｍ水平施工测压孔时，发生喷孔、顶钻等情况，测得瓦斯压力为１．１Ｍ氏；一２４０ｍ水平施工测压钻孔无异常情况发生，孔口瓦斯不足１％，测不出瓦斯压力。此种情况充分说明了告成井田瓦斯赋存和突出分布的复杂性。瓦斯地质理论与实践４瓦斯综合治理建议４．１采掘工作面实行中高压注水因煤层极度松软，其屈服载荷相对异类煤层要小得多，在瓦斯和应力作用下，易发生突出。优化煤层注水相关参数，实行中高压注水，增加煤体水分，可改变煤体的物理力学性质，降低弹性模量，增强煤体的塑性，使应力分布变得均匀，在采掘过程中，煤的弹性能得以缓慢释放；水的表面张力可阻止煤体瓦斯由吸附状态扩散到裂隙和采掘空间，减少瓦斯涌出；在注水作用下，煤体发生有控制的动态流变，耗散瓦斯膨胀能和应力，使应力集中区前移。４．２开辟区域防突之路可考虑首先开采一，煤，作为二。煤层远距离保护层，使二。煤层透气性结构充分发育，透气性能增加数百倍以上，通过采取强有力的瓦斯抽放措施，可消除二ｌ煤层的突出危险陛，解放矿井生产力。但是，针对一１煤层的开采，要充分考虑水害的威胁，必须进行必要的技术论证。另外，也可考虑在二Ｉ煤层底板施工预抽巷道，对二１煤层实行高密度穿层钻孔抽放措施。参考文献：［１］张子敏．中国华北地区煤层瓦斯形成和分布的地质背景．张子戌，张子敏，罗开顺．瓦斯地质新进展．郑州：河南科学技术出版社，２００１．作者简介：翟华，１９６６年出生，男，河南杞县人，工程师，从事矿井煤田地质的研究工作。
