西山煤田主控应力场的分析

付君华

(西山煤电股份有限责任公司 山西古交西山义城煤业有限责任公司， 山西 古交 030003)

太原西山煤田地质构造较发育，主控应力场对断层、褶皱以及瓦斯的分布规律与形成机理有着主要控制作用，对煤矿设计、开采地质条件影响甚大。因此，有必要结合矿井地质实际资料从理论上对西山煤田主应力场深化研究，总结其赋存与发育规律。《瓦斯地质学》中丁国瑜绘制了中国及邻区现代应力场图[1];韩贝贝等[2]对西山煤田现代应力场最大张拉应力进行了模拟研究;邓强等[3]对西山煤层气结合构造演化史探讨了主成藏期；朱亚茹等[4]结合地质控制机理与水文地质单元划分，讨论了不同单元的含气量特征；曹爱国[5]对西山煤层与主应力相关的内生裂隙进行了研究。上述研究方向较客观地从不同角度分析了构造应力场的影响，但结合矿井地质的实践经验较少，未系统地分析、综合地研究应力场的控制作用，对煤矿生产应用效果欠佳。本文通过研究西山煤田主控应力场方向为主体构造的控制机理、构造影响与煤层气影响提供参考。

1 西山煤田概况

西山煤田位于山西省中部太原地堑盆地西面，吕梁山东面，主控构造位于西部古交、呈南北走向的马兰复向斜系，由北东向及南北向若干地垒式断裂带构成的石炭-二叠系含煤建造；面积541 km2、含2#—9#可采煤层；其西部的古交矿区为重要的主焦煤基地、带压开采；其东部的前山矿区为动力煤基地、不带压。

2 煤田最大主应力场的绘制

2.1 构造地质学对最大主压应力的分析

由力偶P诱导产生的最大主压应力σ1为290°方向，同生的最小主应力σ3即P主扭应力面为20°方向；S1组节理为明显的左型剪切压性节理、断层组为NE向36°、代表性断裂带为系列地垒断层；其与主压应力面锐夹角θ/2(θ为岩体内摩擦角)约16°指示本侧扭动方向；而S2组则为发育不甚明显的另一组节理NW向(拉张性)。S1-S2组成共轭剪节理系。S2组为右型张应力性质的一组张性节理或断裂，与共轭羽状节理平行而生成。t为同生张应力结构面，与σ1方向290°相同。煤田所在大地构造单元为华北准地台中部，受北面西伯利亚板块、东面太平洋-菲律宾板块、西南面印度板块三面挤压，相互制约，成为该区域的主要影响力。前期主控受北面板块的影响，形成祁-吕-贺“山字型”构造体系的东翼弧中段，东西向主压应力场作用下形成经向挤压褶皱构造及左型北东向的断裂构造，同时相伴形成近东西向的t张性结构面，对区域影响最大。后期受西南面板块叠加东面板块相互挤压应力联合作用，对先期的北东向左型断层进行局部右型化改造或影响。而南北两端局部存在南北向应力衍生出近东西向的张应力σ3，对该区瓦斯地质、水文地质条件起控制作用。自西向东的断层走向由北北东到北东、北东东弧形偏转的形态。

2.2 西山煤田主压应力场的展布特征

煤田北部最大主压应力σ1为110°～290°向，如煤田西北部的镇城底矿井田西部71°～152°两组共轭羽状节理的角平分线为111°向；同区同期形成20°走向的褶轴。再如煤田东西两部的边缘大断裂—经向构造一级主控体系；空间上继承了太古吕梁期、晚古华力西期、燕山期西部近东西向的岩浆岩岩墙等期应力场。

煤田西部中段受燕山Ⅰ期(J3-K1)狐偃山岩体的影响，向东、向东北、东南面放射状隆-拱-推效应作用，呈同心半圆圈状向斜轴。表现为庙前山隆起、马兰向斜主控构造、煤田西部接触变质带等。

煤田西南部最大主压应力σ1向北偏转为70°，如水峪贯地区寺沟西梁刘家沟组与大小沟石千峰组转平后的共轭节理σ1方位为74°～68°.

在煤田南端最大主压应力σ1为近东西向、米家庄-西社断层(北西向左型)与靛头-泉泉寺断层(北东向右型)组成的共轭节理σ1方位为90°.

南、北两端受早古生代NS向主压应力作用，形成两处砥柱式局部应力场:1) 嘉乐泉砥柱式局部应力场构造背景为纬向构造体系38°,分割了宁武煤田与本煤田。 2) 云梦山砥柱式局部应力场为煤田南部清交断层(从燕山-喜山期继承并改造)向东延入地堑，分割了本煤田与沁水煤田；同时叠加了东区祁县早燕山期隐伏侵入岩体(T3-J1)影响。西山煤田构造纲要图及主应力场分布见图1.

2.3 与早期最大主压应力有关的正逆断层的特征

正断层断面的倾角一般为45°～90°. 而逆断层一般倾角较小，倾角<45°称为低角度逆断层与逆掩断层；而个别高角度逆断层倾角>45°，常在正断层发育区出现，如太原西山煤田东北部的“磺厂沟，见小型逆断层产状335°∠35°”[6]，与附近正断层倾向相同。逆断层规模愈大，推移距离愈远，断层面倾角也愈平缓。在西山煤田西北部的义城井田，见断距较大正逆断层相伴而生的情况，F141断层产状255°∠73°，断距15.4；其下盘方向即东侧有F139正断层，243°∠56°；二者产状相近。据煤田各矿井粗略统计，多数大断层倾向与煤层倾向相反，即西部区域断层多倾向西或西北，而东部区域断层多倾向东或东南方向；无论正、逆断层均有这样的规律，从而控制煤断块与采空积水的分布。

2.4 后期最大主应力有关的地应力

综合模拟据震源机制分析得出太原西山煤田的区域构造应力场特征与山西地堑系的构造背景一致，西山煤田的现代构造作用以NW—NNW向的近水平拉张作用为主；均由四周向内部逐渐增大[2].

“煤层的内生裂隙较为发育，是由于其处于中等变质阶段所致，从生产矿井及钻探采取的煤芯中均 可观察到，主要发育NWW, NNE、NE、NW向四组裂隙。 NE和NW向两组裂隙平直且紧密，裂隙宽度1～1.5 mm，NWW和NNE向两组裂隙呈张开状态，但轨迹平直，宽度3～5 mm,前者属压扭性，后者属张扭性，二者互相切割。煤层裂隙中一般无充填物，局部见少量方解石脉”[5]. NWW和NNE向两组裂隙分别代表东西向与南北向的最大主压力方向，并显示出后者对前者的改造作用。

3 最大主应力对本煤田煤层气的控制

煤田西部深埋区为较典型的瓦斯突出区、潜在的地应力较高区、深层潜在的东西向奥灰基岩岩溶裂隙水迳流通道系统。上述3期挤压分别对应煤层气的生成、贮藏、压存作用阶段。西区裂隙先后受东西向压裂、左型扭裂最后到闭合深埋；东区则先后受东西向压裂、右型扭裂最后到隆升南北向张裂，造成了差别较大的瓦斯与水文地质条件。

3.1 最大主应力有关的煤层气成因侵入方向

通过西山煤田东、西区煤层差异热演化史特征和聚气史的对比研究，认为东区受祁县隐伏侵入岩体影响，二次生烃时期为T3-J1(燕山早期)；西区受狐偃山岩体的影响，二次生烃期为J3-K1(燕山中期)[3]. 证实西区煤层气不仅遭受散失时间相对短，主要还是受区域最大主应力作用强，向斜构造下陷深度大，故煤层气对煤层气藏的保存有利。

3.2 构造主控应力对西山煤田煤层气的控制

以西山煤田古交矿区为研究对象，分析产出水离子浓度、水质水型、矿化度和煤层含气量分布特征结合地下水动力场分布特征，划分了3种水文地质单元，其中滞留区含气量最高、弱径流区次之、补给径流区最低；古交矿区煤层气在屯兰中部形成单斜-水力封堵型煤层气藏，为现在全区煤层气最为富集区；东曲断层比较发育，形成地垒-水力封堵型煤层气藏，为煤层气较为富集区[4]. 预测在马兰东部形成向斜-水力封堵型煤层气藏，将为全区煤层气最为富集区。

图1 西山煤田构造纲要图及主应力场分布图

“从区域构造背景比较，挤压构造背景时间长、次数多的区域，高瓦斯矿区、矿井分布居多；拉张背景时间长、风化剥蚀时间长的区域，低瓦斯矿区、矿井分布居多”[6]. 整个西山煤田自西向东、先后经受了吕梁山压应力期(-200～-65 MPa)、狐偃山压应力期(-90～-80 MPa)和石千峰应力期(-48～-10 MPa)3次明显的挤压作用。吕梁山、狐偃山与石千峰依次受压隆升[6]. 从整个西山煤田看，西区较东区更接近吕梁山-狐偃山压应力区，张性结构面深埋、封闭条件好，一方面有助于煤层气的高压存贮，另一方面造成了煤层气的低渗透率与抽采难度大。综合评定西山煤田各矿井地质类型条件划分,见表1.

表1 西山煤田各矿井主控最大应力方向与地质类型条件划分表

4 最大主应力对本煤田陷落柱的控制

“由于地势西高东低，地下水由西北向东南方向流动， 形成一些由西北向东南方向的地下水迳流带。马兰矿南四采区正位于此径流带上，在此迳流带上，随地下水侵蚀加剧形成了岩溶，进而形成陷落柱[7]. 陷落柱的发育区域与主压力方向造成的局部构造张裂、扭裂有关。凡陷落柱发育地段正是瓦斯较低的区域。

5 应用实例

5.1 实例一

杜儿坪井田在煤田东部杜儿坪断层上盘采区布置采面顺槽时，出现一中型向斜构造复合陷落柱影响，施工遭受较大影响，后经综合区域煤岩层特征与等高线形态、伴生构造等分析受北东向的区域最大主压应力场的作用，产生为一向北东倾斜的中型逆断层控制，推断其落差10 m以上。绕开此断层重新施工一条顺槽，实现了工作面巷道的闭合。

5.2 实例二

义城井田在煤田西北部，受煤田北部纬向构造体系与煤田西部经向构造体系压应力作用的综合影响，基建布置首采面时煤层产状较煤田补充勘探钻孔勾绘的倾角陡一倍以上，在施工该工作面切眼、回风顺槽时先后揭露同一条大的正断层，据编录成果结合钻探成果发现其落差达40 m，走向北东向、倾向北西向，其上盘2#煤层与8#煤层均被整合前小窑采空，积存了大量采空水。后在该断层下盘抬升断块上才成功布置出首采面。受东西向与南北向多期最大压应力场叠加作用影响，由此预测与此井田毗邻的镇城底井田西部、马兰井田北部等未采区域还将赋存同系列的20～40 m落差的大型断层构造。

5.3 实例三

西曲煤矿大埋深煤岩层风氧化带主要分布在井田东北部，位于倾向北西的红崖子大断层(落差90～140 m) 的东南盘，大埋深煤系地层局部区域顶板、陷落柱及构造附近裂隙发育，具有良好的水循环条件[8]. 上述风化陷落柱均位于红崖子大断层附近，长轴多为北西走向，主要受北西向主控压应力的控制。

5.4 实例四

屯兰矿南五盘区位于马兰向斜东翼，主应力场为东西向叠加南北左型应力，从而产生北东方向的断层占优势。而针对此盘区的三维地震报告因未考虑这个情况，最早的成果图误以为北西向断层为主，造成工作面顺槽沿北西向布置，结果掘进与回采均受到数条北东向断层的影响，影响施工。说明同一主应力场优势方向断层对采区工作面走向布置的影响大。

6 结 论

西山煤田逆断层少见，与本区域主要压应力方向垂直；在呈雁行状排列的北东向断层占主导的情况下仍可能有少量北西向的断层共轭出现；20 m以上的大断层少见，其倾向多与上盘煤层相向而生；同生或派生小断层是接近大断层的预兆，受区域统一主应力场的控制；不同构造部位其主控应力方向及组合不同，受边界构造场的影响大，应分区研究。

7 建 议

研究煤田区域主应力场，需要结合西山煤田构造纲要图与井下实见资料，绘制主控应力场分布图，掌握其对大中型构造分布的控制作用，结合矿井地质编录成果与开采煤层的底板等高线图、地质剖面图，确定构造的性质与规模，以便寻找断失煤层最可能的方向、距离，为钻探与巷探检验提供靶区。不断深入分析最大主控应力方向与断层、褶皱的相关关系，以及断层面擦痕侧伏角的产状，理解其控制作用，对于构造及其他开采地质条件的预判具有较好的实用前景。