安徽芦岭煤矿Ⅱ88采区瓦斯地质规律

王麒翔 董国伟 崔俊飞 覃木广 陈 敏

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院，重庆400037；3.重庆地质矿产研究院，重庆400043）

1 矿井与采区概况

芦岭煤矿位于安徽省宿州市东南，井田内发育华北型石炭—二叠纪煤系地层，基本连续沉积，总厚度约1.1km，上覆第四系。芦岭矿为煤与瓦斯突出矿井，主采煤层第8、第9、第10层煤均为突出煤层。

Ⅱ88采区位于井田西部，采区内煤层底板的海拔高度为－375～－590m，地面海拔高度为24.0m，走向长1 330m，倾向长484m，面积644 200m2。Ⅱ88采区二叠系含煤地层层位稳定，下部山西组含主采煤层的第10煤层，以过渡相沉积为特征；中部下石盒子组含第7、第8、第9层等可采煤层，主要岩性为砂岩和泥岩；上部为上石盒子组第3、第2、第1煤组。采区内第8煤层厚度为1～1.5m，属稳定煤层［1］。

芦岭煤矿曾于2005年进行过矿井瓦斯地质图编制工作，而本次研究是在矿井与采区采掘生产过程中最新的瓦斯参数、瓦斯压力、含量、涌出量等数据基础上进行的瓦斯地质规律分析，并引入层序地层学、构造地质学探讨其形成原因。研究成果不仅对II88采区安全生产具有指导意义，也对其他矿井采区瓦斯地质规律研究有借鉴作用。

2 区域构造、沉积层序对瓦斯赋存的影响

芦岭煤矿属突出矿井，区域构造上由于徐宿弧形构造和双重逆冲构造2方面因素的影响，造成其相对于临宿矿区其他矿井的应力更集中，瓦斯含量较高、压力较大，突出灾害危险性严重。矿井最大一次突出煤炭量10.5kt，瓦斯量1.23×106m3。

图1 徐宿弧形构造示意图Fig.1 The Xuzhou－Suzhou arc structure

芦岭矿井位于宿东向斜，为一轴向NW的不对称向斜。宿东向斜是徐宿弧形构造的组成部分（图1）。徐宿弧形构造是整体呈向西突出的弧形前陆褶皱冲断带［2，3］，芦岭煤矿基本上位于徐宿弧形构造的内侧弧顶位置，遭受挤压而成为应力集中带［4－6］。该带内有利于瓦斯的聚集，且井田内发育压扭性断层，突出最严重。值得一提的是，打通一矿同样位于松藻矿区弧形构造的弧顶部位，1958年至2004年期间共发生煤与瓦斯突出261次，占松藻矿区总突出次数的一半以上。

芦岭煤矿所在的宿东向斜由2条逆冲断层控制，分别位于F4逆冲断层的下盘和西寺坡逆断层的上盘（图2）。F4断层促使下盘地层挤压褶曲，西寺坡断层带动上盘地层向南西运动［6，7］，使得矿区构造异常复杂，中、小型断层构造带推、搓、扭压等特征明显，常具有细腻致密的构造泥，封闭性较好，对瓦斯赋存起到积极的作用。

芦岭矿井下二叠统含煤地层（山西组和下石盒子组）所在的超层序主要表现为海退过程。下石盒子组按层序地层学［8］可划分为1个层序，由海侵体系域和高水位体系域组成。第8煤层为该层序的最大海泛面时期，沉积物沉积速率与海平面上升速率基本持平，因此煤层发育较厚且稳定，其顶界面为海侵体系域顶界面。芦岭矿第8煤层顶板岩性为高水位体系域泥岩、粉砂质泥岩，局部为细砂岩，底板为薄层状砂质泥岩或泥岩。除上覆区域盖层外，太原组、山西组、下石盒子组中的潟湖型、河漫滩型、分流间湾型泥岩为局部盖层，它们与含瓦斯煤层一同构成了太原组和下石盒子组煤与瓦斯成藏系统，煤层瓦斯得以保存富集。第8煤层瓦斯含量高（质量体积为9.85～25.6 m3／t），瓦斯涌出量占矿井瓦斯涌出量的75%以上。

3 矿井、采区构造对瓦斯赋存的影响

3.1 矿井构造对瓦斯赋存的影响

据芦岭矿以往多次的实测及分析资料［5，6］表明，井田内受到构造应力场的影响，其中最大水平主应力为SWW方向。宿东向斜及其次级的构造形态主要是受到2期构造运动的影响而形成的。宿东矿区的主体构造格局形成于印支期，华北板块与华南板块对接碰撞为本区域提供了来自NE方向的非均匀强烈挤压应力，应力持续作用下形成宿东向斜，属徐宿推覆体的上覆系统保留下来的一个向斜。这个过程中地壳加厚，煤层埋深迅速增加，盆地基底热流持续上升，有利于煤层气生成和赋存。而燕山运动期，整个华北东部岩石圈构造体制由原来的挤压加厚转为大规模伸展减薄，淮北煤田二叠系含煤地层相对抬升，发育正断层，原先生成的煤层气大量逸散。但多期构造应力作用使宿东向斜在平面上发生弯曲，加剧了煤系地层变形程度，破坏了煤层的原生结构，使构造进一步复杂化。2期运动使得矿区构造异常复杂，发育逆断层和正断层，构造煤发育，断层面的力学性质均带有扭的性质，对瓦斯赋存起到积极作用。

3.2 Ⅱ88采区地质构造对瓦斯赋存的影响

图2 宿东向斜地质剖面图Fig.2 Geological profile of the Sudong syncline

Ⅱ88采区内煤层倾角10°～28°，平均为16°，地质构造较为复杂，断距20m以上的断层共5条（表1），主要走向为NE及NW，小断裂发育。

表1 Ⅱ88采区断层统计［1］Table 1 Faults in theⅡ88mining area

采区内F14断层对瓦斯赋存影响较大。F14断层为正断层，走向N40°E，倾向 NW，倾角60°～75°，断距20～40m，控制长度＞1.6km。F14断层位于8采区中部，在881轨道巷及881－1工作面揭露时，断层面平直光滑，无破碎带，倾角85°，断距＞20m，下部岩巷揭露时为宽2～10m不等的破碎带。经统计与研究发现，F14断层两侧压力、瓦斯含量、瓦斯涌出量都具有差异性，因此以F14断层为界划分为2个瓦斯地质单元。构造运动使得F14两侧瓦斯含量、压力随海拔高度降低而增大的普遍规律发生了改变。东部瓦斯地质单元属F14断层下盘，海拔高度相对东部瓦斯地质单元高但瓦斯压力大，瓦斯含量和瓦斯涌出量也较大；西部瓦斯地质单元属F14断层上盘，海拔高度相对较低但瓦斯压力比东部瓦斯地质单元低。

3.3 F14断层影响瓦斯分布运动学模型

F14断层如何能使两盘瓦斯压力有差异，笔者认为断层上盘海拔高度虽然降低，埋深增加，但上盘在拉张运动过程中第8煤层上覆高水位体系域薄层泥岩被拉薄或拉断，砂岩层在形成微缓滚动背斜过程中产生张裂隙，顶板受到不同程度破坏，部分瓦斯逸散，因此，第8煤层瓦斯压力较下盘反而较低；而F14下盘海拔高度虽然较高，但断层拉张过程中下盘第8煤层顶部泥岩未遭受破坏，而煤层断面又可能因断层的扭动以及上盘泥岩运动过程中的涂抹封堵作用，瓦斯得以储藏和富集（图3）。另外，FD13走向断层下盘由于埋藏较深，靠近宿东向斜深部，瓦斯压力较大。

4 采区瓦斯地质规律

4.1 地质构造对瓦斯赋存的影响

图3 F14断层影响瓦斯赋存运动学模型Fig.3 The kinematic model affecting gas occurrence by F14

区域上，由于徐宿弧形构造和双重逆冲构造2方面因素造成芦岭煤矿相对于临宿矿区其他矿井的应力更集中，瓦斯压力较大、含量较高，突出灾害危险性严重。芦岭煤矿所属的宿东向斜位于弧形构造的凹侧，遭受挤压而成为应力集中带，该带内有利于瓦斯的聚集和保存。宿东向斜由2条逆冲断层控制，分别位于F4逆冲断层的下盘和西寺坡逆断层的上盘。F4断层促使下盘地层挤压褶曲，西寺坡断层带动上盘地层向南西运动，使得矿区构造异常复杂，中、小型断层构造带的推、搓、扭压等特征明显，常具有细腻致密的构造泥膜，封闭性较好，对瓦斯赋存起到积极的作用。Ⅱ88采区平面上不同走向的断层彼此相交，代表不同期次不同应力场在同一地区的叠加复合，加大了构造的复杂程度。NE向F42、F14和NW向的FD13交叉切割，破坏了煤体结构，形成部分构造煤，是煤与瓦斯突出易发区域。Ⅱ88采区以中部的F14正断层为界划分为东、西2个瓦斯地质单元，两者瓦斯压力具有差异性。构造运动局部改变了瓦斯含量、压力随海拔高度降低而增大的普遍规律。东部单元断层下盘的海拔高度较高但瓦斯压力高，西部单元上盘的海拔高度较低但瓦斯压力低，2个瓦斯地质单元瓦斯含量和瓦斯涌出量东大西小，初步分析与正断层F14上盘在拉张运动过程中顶板被破坏有关。

4.2 顶底板岩性对瓦斯赋存的影响

层序上，芦岭矿井第8煤层为层序内最厚的稳定煤层，发育在最大海泛面时期，顶板岩性为高水位体系域泥岩、粉砂质泥岩，底板为薄层状砂质泥岩或泥岩，煤层圈闭性良好，煤层中产生的瓦斯得以保存。第8煤瓦斯含量高（质量体积为9.85～25.6m3／t），瓦斯涌出量占矿井瓦斯涌出量的75%以上。

4.3 煤层底板的海拔高度对瓦斯赋存的影响

一般情况，在瓦斯风化带以下，一定深度范围内，瓦斯压力都随埋藏深度的增加有规律地增加。根据Ⅱ88采区和邻近采区瓦斯压力实测值与海拔高度的关系，在东、西瓦斯地质单元分别建立瓦斯压力梯度模型。Ⅱ88采区东部瓦斯地质单元的瓦斯压力预测关系式为y＝－0.0093 x－1.8028（图4），瓦斯压力梯度为9.5kPa／m；Ⅱ88采区西部瓦斯地质单元的瓦斯压力预测关系式为y＝－0.0062 x－1.4286（图5），瓦斯压力梯度为6.2kPa／m。通过瓦斯压力梯度模型计算，得出Ⅱ88采区东、西瓦斯地质单元的瓦斯压力及瓦斯含量（表2）。

图4 Ⅱ88采区东翼瓦斯压力与煤层底板海拔高度关系图Fig.4 The relation of the gas pressure and elevation in the east wing ofⅡ88mining area

图5 Ⅱ88采区西翼瓦斯压力与煤层底板海拔高度关系图Fig.5 The Relation of the gas pressure and elevation in the west wing ofⅡ88mining area

表2 Ⅱ88采区瓦斯压力及瓦斯含量预测Table 2 Prediction results of gas pressure and gas content inⅡ88mining area

4.4 瓦斯地质规律图

根据区域构造、沉积相特征、矿井构造特征、采区构造特征等因素，借助重庆煤炭科学研究院瓦斯地质制图系统绘制了芦岭煤矿Ⅱ88采区瓦斯地质规律图（图6，按芦岭矿习惯方向制图）。

5 结论

图6 Ⅱ88采区瓦斯地质略图Fig.6 Geological sketch map of the gas inⅡ88mining area

a.芦岭煤矿II88采区瓦斯地质规律受区域构造和局部构造影响。一方面芦岭煤矿同打通一矿相似，位于弧形构造带内侧弧顶位置；另一方面双重逆冲构造控制宿东向斜。印支期和燕山期构造运动分别对采区煤层瓦斯施加不同影响。F14正断层对两盘瓦斯赋存的影响不同，其上盘顶板在拉张过程中遭到破坏造成瓦斯逸散。

b.第8煤层发育在沉积层序内最大海泛面时期，顶底板圈闭性良好，瓦斯含量高，瓦斯涌出量占矿井瓦斯涌出量的75%以上。

c.采区沿煤层倾向埋深越大，瓦斯含量越高；而以F14正断层沿煤层走向分为2个瓦斯地质单元，西部相对东部埋深大，但瓦斯含量相对要低。

［1］淮北矿业集团勘探工程有限责任公司.淮北矿业（集团）有限责任公司芦岭煤矿矿井地质报告［R］.淮北：淮北矿业集团有限责任公司芦岭煤矿，2007.

［2］王桂梁.华北地台北缘中生代盆－山的耦合转移及其动力学分析［J］.煤田地质与勘探，1998，27（6）：12－15.

［3］徐树桐，陈冠宝.徐－淮推覆体的结构、构造和形成机制［C］／／“八五”地质科技重要成果学术交流会议论文选集.北京：北京治金工业出版社，1994：23－26.

［4］邓宾，刘树根，刘顺，等.川西北松潘－甘孜褶皱带较场弧形构造显微应变机制［J］.地质通报，2010，29（5）：54－61.

［5］李伟，连昌宝.淮北煤田煤与瓦斯突出地质因素分析与防治［J］.煤炭科学技术，2007，35（1）：19－22.

［6］陈富勇.淮北矿区芦岭煤矿构造煤发育特征［J］.中国煤炭地质，2008，17（2）：12－14.

［7］据胡超，姜波，琚宜文.宿南地区构造控气作用［J］.连云港化工高等专科学校学报，2001，14（3）：41－44.

［8］Vail P R，Mitchuxn R M，ThompsonⅢ S，et al.Seismic stratigraphy and global changes of sea level，seismic stratigraphy applications to hydrocarbon exploration［J］.AAPG，1977，26（2）：199－206.