格目底向斜地质构造特征及其对瓦斯赋存的影响研究

田焕志，江明泉，余照阳，李 薇

（贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025）

瓦斯作为煤炭伴生的有害气体，是影响矿井安全生产的重要因素[1]，而矿井瓦斯赋存特征受地质构造、煤变质程度、煤层顶底板岩性、煤层埋藏深度、煤的物质成分、地下水活动以及岩浆活动等综合控制[2-4]，其中地质构造作用直接决定了瓦斯生成、运移及储存等相关环节，且区域构造背景及其演化控制煤层气积聚带的形成和分布，进而控制瓦斯突出危险区的分布[5-7]。近年来国内外学者对其做了大量研究。王海军[8]对火烧铺井田瓦斯地质特征、控制因素及其富集规律进行研究；黄政祥等[9]研究了黔北煤田绿塘井田主采煤层的埋藏-生烃史，并分析了瓦斯赋存的主要地质控制因素；刘义生等[10]通过利用淮南煤田大构造褶皱断裂形态与华北克拉通地史学、地层学、区域构造进行相互验证对比，深入分析华北型淮南煤田大构造4 期成因及其构造控水作用；杨兆彪等[11]基于地质构造是控制瓦斯赋存的最重要因素，深入分析了开平向斜地质构造特征及其分异性。为此，以水城县格目底向斜构造矿井为研究对象，以煤田地质勘探及煤矿实测数据为依据，分析研究格目底向斜矿井区域构造特征及其对瓦斯赋存控制的规律性，以期为该区矿井瓦斯灾害防治提供重要基础。

1 格目底向斜地质构造特征

格目底向斜构造位于贵州省六盘水市水城县，向斜构造北以水城-紫云断裂为界，南以公鸡山背斜为界，呈NW 走向的长条带状，长约70 km，宽7～21 km，面积612 km2，向斜两翼不对称。

向斜构造所含矿井共17 个，格目底向斜构造纲要与矿井分布示意图如图1。距离向斜中心构造1～4.5 km 左右，可见各类矿井的瓦斯赋存明显受控于地质构造。

图1 格目底向斜构造纲要与矿井分布示意图Fig.1 Gemudi syncline structure outline and mine distribution diagram

格目底向斜北东翼地层倾角陡立，由新兴煤矿向东南端小牛煤矿地层倾角逐渐变缓，从85°逐渐减小为45°，中部地层呈近直立产出，局部甚至倒转，至东端向斜转角处马场煤矿、捡材沟煤矿，地层倾角在15°～35°之间，趋于平缓。北东翼及东部褶皱端构造相对复杂，且发育一系列断层，以平推断层为主，至东端向斜转角处马场煤矿、捡材沟煤矿，地层倾角在15°～35°之间，趋于平缓。

与北西翼相比，格目底向斜南东翼地层倾角较为平缓，一般在15°～25°之间，向NW 方向逐渐增大变陡，到支都煤矿地层倾角为18°～32°，一般为24°，次级小褶皱发育且构造相对简单，断裂的展布方向与褶皱方向一致，以规模较大的压性逆断层为主，其余断层规模均较小，垂直断距均小于30 m，且多数断层断距在10 m 以内。

2 构造演化与向斜对聚煤地层控制

煤层气形成于地质历史演化的过程，并且煤层气的运移、积累都和地质构造有关[12]，主要体现在区域构造演化控制煤层气积聚区形成和分布；不同的构造样式控制煤层气赋存；构造通过对裂隙系统影响控制煤层渗透率及其非均质特性[13]。

2.1 格目底向斜构造演化

格目底向斜地处黔西地区，在大地构造上属于上扬子地块滇东-黔中隆起东部[14]。主要含煤地层形成于晚二叠系龙潭期。格目底向斜煤层气储层特征具有以下特征：中生代构造抬升剧烈、煤层瓦斯埋藏浅、煤层瓦斯经历了多个生烃阶段、含气量高、煤层气成藏过程复杂。

受东吴运动影响，水城-紫云裂陷槽盆NW 段关闭，黔西地区整体沉陷，形成海进序列沉积，中晚三叠世发生安源运动后，格目底向斜进入全面挤压阶段。晚三叠世，黔西地区挤压抬升，开始陆相沉积，随后，贵州地区进入新特提斯构造域发展阶段[15]。燕山中期，格目底向斜处于NE-SW 向挤压应力场中，在块体边界的控制下首先在边界处产生NW 向的褶皱和逆冲断层，断裂两侧多处的对冲和背冲构造显示了两侧块体的相向运动，燕山晚期黔西地区处于近NS 向挤压应力场中，形成近EW 向构造。

2.2 煤层变质与瓦斯生成

贵州省黔西地区在中三叠世末的安源运动后整体抬升成陆，在燕山中期和晚期NE-SW、近NS、NW-SE 向挤压应力作用和区域性伸展作用，形成以褶皱和断裂为主体的复杂构造格局，在水城-紫云断裂带内常见逆冲推覆构造，主要控煤构造为大型向斜和复向斜。向斜主体由于逆冲断层的保护作用，有利于煤层气的储存。

格目底向斜主要经历2 期沉降埋藏、2 期抬升剥蚀和三期生径作用，在燕山中期的构造-热事件使得最大量的热成因甲烷生成。受喜马拉雅期隆升幅度巨大影响，向斜所含矿井主采煤层埋深一般在1 000 m 以浅，使得煤层气大量逸散。但由于燕山中期构造-热事件影响，以及良好的封盖条件，使得向斜煤层气保存良好，含气量高。

向斜主要为贫煤和瘦煤，北翼和东翼出现焦煤和肥煤。水城地区有一低变质带，呈NW 向展布，这与格目底向斜构造轨迹线相符合。受构造作用，向斜西南侧埋深变大导致变质程度增高。

2.3 构造对聚煤地层特征控制

1）聚煤地层特征。格目底向斜矿井含煤层数和开采煤层数如图2。北东翼中部区新兴煤矿至阿戛煤矿，含煤层数和开采煤层数差别较少；而向斜东翼区小牛煤矿至顺发煤矿，含煤层数较多，最高由67层，可采煤层数占比相对较少，这是由于东部区域褶皱端构造相对复杂，造成煤层分化严重，同时会导致原本厚煤层变薄，煤层间距减小，造成煤层赋存不稳定和生产条件多变等问题；向斜南西翼矿井含煤层数和可采煤层数相对东部较少，这说明该区域受到褶皱构造作用较弱，但煤层分层化问题依旧存在。在整体上向斜表现为含煤层数多，成群组赋存，单一煤层较薄，煤层层间距小，沉积差异较大等特点。

图2 格目底向斜矿井含煤层数和开采煤层数Fig.2 Number of coal seams and the number of coal seams mined in Gemudi syncline

2）向斜煤层厚度特征。通过对向斜17 个矿井可采煤层厚度数据共243 组进行统计，向斜主要以薄煤层和中厚煤层为主，其中薄煤层占比54.3%，中厚煤层占比44%，厚煤层仅占比0.017%，且无太大煤层厚度梯度明显差异。进一步说明格目底向斜区域煤层分化严重，与上述分析煤层数多但可采煤层数少造成煤层变薄分析一致。

3 格目底向斜控制瓦斯赋存规律

格目底向斜北东翼构造复杂，南西翼断层较少，构造简单。南西翼倾角较缓，加上围岩以及盖层封闭性较好，非常有利于瓦斯保存，属突出敏感地带。

3.1 向斜北东翼

受构造作用影响，对向斜北东翼9 处矿井29 组瓦斯含量、压力统计数据进行研究，向斜北东翼瓦斯含量和压力分布图如图3。

图3 向斜北东翼瓦斯含量和压力分布图Fig.3 Gas content and pressure distribution diagrams of northeast wing of syncline

北东翼所含9 处矿井均为突出矿井，其中测点瓦斯含量大于8 m3/t 的占比为86.2%，由图3（a）可以看出，越靠近东翼如马场煤矿、检材沟煤矿、吉源煤矿等瓦斯含量越大，煤层埋藏深度也越大。由图3（b）可以看出，测点瓦斯压力大于0.74 MPa 的为82.6%，并且北东翼瓦斯压力呈向东至马场煤矿逐渐增加，转角处检材沟煤矿和吉源煤矿瓦斯压力反而下降。

对向斜北东翼煤层瓦斯含量与压力进行拟合，瓦斯含量Q 与瓦斯压力p 拟合关系式为：Q=0.123 6p-0.207 4，相关系数为0.343 8，尽管瓦斯含量随压力增大而增大，但是相关性系数不是很大。

3.2 向斜南西翼

统计了南西翼8 处矿井煤层测点瓦斯含量与压力数据，向斜南西翼瓦斯含量与压力关系图如图4。其中瓦斯含量超过8 m3/t 的矿井占比72%，瓦斯压力超过0.74 MPa 的矿井占比76%，说明构造作用封盖条件良好使得煤层气得以保存。

图4 向斜南西翼瓦斯含量与压力关系图Fig.4 Relationship between gas content and pressure in southwest wing of syncline

由图4（a）可知，在向斜东部拐角区，褶皱构造复杂，区域内断裂构造较发育，瓦斯含量大，而南部顺发煤矿往西至大坪煤矿，瓦斯含量逐渐升高，如南西翼西段大坪煤矿煤层测点瓦斯含量最高到14.378 m3/t。由图4（b）可知，南西翼瓦斯压力梯度并无明显差异，但到大坪煤矿时瓦斯压力最高为2 MPa。

对向斜南西翼煤层瓦斯含量与压力进行拟合，瓦斯含量与压力拟合关系式为：Q=0.102 5p-0.139 8，相关系数为0.816 6。该区域内瓦斯含量和压力呈正相关，相关性系数高达0.811 6，这是由于该区域地层倾角较为平缓，次级小褶皱发育且构造相对简单，构造作用影响相对较小。

3.3 构造对瓦斯赋存的控制

向斜构造的瓦斯赋存特征受控于整体构造格局与局部构造分布。受格目底向斜构造发育特征作用，向斜两翼瓦斯赋存存在明显差异，格目底向斜两翼瓦斯赋存对比如图5。除去异常值的影响，可以看出向斜北东翼瓦斯含量主要集中在10～12 m3/t，瓦斯压力主要集中在0.9～1.3 MPa，而南西翼的瓦斯含量主要范围在8～9 m3/t，瓦斯压力主要集中在0.7～0.99 MPa，说明整体上向斜北东翼瓦斯含量与压力是高于南西翼的。

图5 格目底向斜两翼瓦斯赋存对比Fig.5 Comparison of gas occurrence in two wings of Gemudi syncline

格目底向斜是1 个不对称向斜，断层、褶皱等构造造成向斜两侧瓦斯赋存存在差异性，南西端瓦斯涌出量出现明显差异，格目底向斜主采煤层瓦斯地质图如图6。向斜构造南翼矿井煤层瓦斯涌出量主要集中在>15 m3/min 这个范围，其次为10～15 m3/t。

图6 格目底向斜主采煤层瓦斯地质图Fig.6 Gas geological diagram of main coal seam in Gemudi syncline

3.4 矿井内部瓦斯差异

向斜区域性构造是矿井内瓦斯赋存的主控因素，不同形态的地质构造、地质构造的不同位置、不同力学性质以及封闭情况对瓦斯起着赋存或者逸散作用。如向斜北东翼杨家寨煤矿，构造形态为向西南急倾斜的单斜构造，煤层倾角75°～85°，对矿井开采有影响断层主要有F21、F22、F28这3 条，均为平推断层，使得煤层气运移相对困难，导致杨家寨煤矿煤层测点埋深未超过200 m，但瓦斯含量均大于8 m3/t，瓦斯含量Q 与埋深H 拟合关系式为：Q=0.167 5H-20.582，R2=0.933 4，瓦斯含量随煤层埋深而增加。

鲁能煤矿位于玉舍中井煤矿西侧，两者都位于向斜南西翼，该区域地层倾角为18°～25°，9 号煤层瓦斯瓦斯涌出量示意图如图7。

图7 9 号煤层瓦斯瓦斯涌出量示意图Fig.7 No.9 coal seam gas emission diagrams

其中，玉舍中井矿区内褶曲不发育，断层以压性逆断层为主，上盘受水平挤压形成良好的瓦斯赋存条件，并且两侧均有大断层不利于瓦斯逸散，导致瓦斯涌出量偏高，靠近南侧方向瓦斯涌出量逐渐降低（图7（a））。

位于西侧的鲁能煤矿，矿井内部以张性正断层为主，开采煤层瓦斯集中在6～8 m3/t 带内，存在明显梯度差异（图7（b））。究其原因：断层带内煤层拉伸变薄，使得矿井左翼煤层瓦斯赋存降低；其次，矿井次级小褶皱发育少，距离向斜构造中心距离相对较远，不利于煤层瓦斯赋存。

4 结 论

1）格目底向斜是1 个呈NW 走向的不对称向斜，北东翼地层倾角陡立变化大，中部地层呈近直立产出，局部甚至倒转；而南西翼地层相对较平缓，次级小褶皱发育。

2）受挤压应力和区域性伸展构造综合作用结果，导致向斜煤层分化严重，使得含煤层数多但可采煤层数少，以薄煤层和中厚煤层为主，加起来占比98.3%。

3）北东翼瓦斯含量主要集中在10～12 m3/t，高于南西翼8～9 m3/t 瓦斯含量范围，向斜南翼矿井煤层瓦斯涌出量主要在大于15 m3/min 这个范围，其次为10～15 m3/t。

4）向斜由于受到次级构造影响，导致同一瓦斯区中，玉舍中井煤矿受到压性逆断层作用，上盘受水平挤压形成良好的瓦斯赋存条件，瓦斯涌出量为20～30 m3/min，鲁能煤矿瓦斯涌出量在3～12 m3/min。由于受到张性正断层影响，即使在同一矿井中，鲁能煤矿南侧瓦斯赋存降低，瓦斯涌出量梯度差异明显，存在小于5、5～<10、10～15 m3/min 3 个梯度差。