云盖山井田层滑构造及瓦斯赋存规律分析与研究

王辉

（河南永锦能源有限公司 云盖山煤矿一矿，河南 禹州 461670）

1 概 况

层滑构造是指沿煤层发育的剪切面和煤层以小角度相交或者近于平行的剪切带，是地层断块相对滑动的结果，其力学本质是地层由于其低强度而充当了构造作用下的剪切带而发生破坏，薄弱层越厚，剪切带宽度越大，越易破坏。它对地质勘探、煤矿生产、矿井工程灾害防治、煤层气开发以及油气藏勘探有着重要影响。近年来，研究者对于华北地区煤矿沿着煤层及其顶、底板间发育的层滑构造特征、组合型式、形成机制和定量评价进行了分析，取得进一步的认识。乐琪浪等以潘集矿区为例，分别研究了模糊综合评判方法在层滑构造中的应用、构造煤分布发育规律与层滑构造的关系、褶皱构造与层滑构造的关系，认为层滑构造多发育于背斜两翼，且以断滑型和揉皱型为主，而在背斜核部则以断裂型为主。张帅等研究青东矿8-2 煤层层滑构造主要表现形式为断裂式层间滑动，并对其采用模糊综合评判进行了定量评价，认为结果是可靠的。琚宜文等得到了淮北海孜煤矿断层与层滑构造组合型式及其形成机制。解国爱等探讨了淮南顾桥煤矿层滑构造形成机制。

作为河南能源集团的主力生产矿井之一，云盖山井田在矿井生产过程中，多次发现煤层厚度、倾角急剧变化，呈现出煤层底断顶不断、顶断底不断、煤层顶（底）板隆起或陷凹、煤层急剧变薄或变厚等异常地质构造，难以判定确定其构造类型，对矿井瓦斯防治和采掘安全生产影响较大。因此，本文将根据地质勘探、矿井实际揭露资料，系统地分析研究层滑构造与瓦斯赋存规律之间的耦合关系。有利于指导安全生产，同时其他生产矿井可以借鉴。

2 地质背景

云盖山井田位于河南省禹州市西部27 km 处，隶属磨街乡、文殊镇管辖。井田东北边界为竹园沟断层（F13）和文殊店断层（F17），北西边界为煤层露头，西南边界为牛颈山断层（F9），东南边界为下白峪断层（F1），走向长16 km，倾向宽4～5 km，面积约50 km2。井田内含煤地层属石炭—二叠系，其中二1 煤层为各矿井主要的可采煤层。

2.1 构 造

云盖山井田位于秦岭纬向构造带北亚带中段南侧，新华夏系第二沉降带西缘的禹州煤田西部边缘，属嵩箕构造区嵩箕断隆东南端之荟萃山凤后岭背斜南西翼，其构造形态受NW 向构造所控制，以断层为主，局部伴有小型褶曲。其构造形态受许禹背斜所控制，构造以断层为主，局部伴有小型褶曲。背、向斜被不同期次、不同规模、不同方向的断裂构造叠加、破坏。

井田内发育断层有北西西、北西和北东向三组，其中以北西西向为主，多为大致平行的北东盘上升南西盘下降正断层，组成阶梯状形态，为区域主干断裂，对含煤地层的赋存起区域的控制作用；北西和北东向断层多集中分布于背、向斜轴部和主干断层转折部位。断裂沿走向呈舒缓波状，多具压扭性力学性质，也可见不明显张扭性的构造形迹，呈多期构造活动影响结果（图1）。

图1 云盖山井田构造纲要图Fig.1 Structure outline of Yungaishan minefield

2.2 地 层

云盖山井田内出露地层从老到新，依次为寒武系毛庄组、徐庄组、张夏组、崮山组，上石炭统太原组，二叠系山西组、石盒子组、石千峰组，三叠系刘家沟组、和尚沟组以及第四系黄土及坡积物（图2）。

图2 综合地层柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram

晚石炭世末陆表海缓波型的碳酸盐沉积是一个由生物碎屑堆积而成的复水极浅的宽广平台，为随后早二叠世海退潮坪上大面积发育的成煤沼泽创造了有利的古地理条件。从太原组顶部至二1 煤底板为一套典型半闭塞海湾内的海退潮坪沉积，云盖山井田大部分地区在混合坪上直接发育二1 煤的成煤沼泽。二1 煤成煤沼泽的发生、发展与演化受海陆分布制约，从而制约着区域范围内煤层厚度变化。二叠系山西组的二1 煤为主要可采煤层，厚度0～14.05 m，平均4.34 m。煤层呈厚薄相间的复煤包体，厚度变化很大，具有突然增厚、变薄以至尖灭、挤灭现象。

2.3 煤层顶底板

二1 煤的直接顶板通常为中、细粒岩屑石英砂岩（大占砂岩），主要碎屑成分是石英，次为长石和岩屑。砂岩以细粒为主，分选中等，圆度差。层面常富含白云母片和炭屑，具大型板状交错层理。厚度2.9～38.1 m，平均厚18.0 m。

二1 煤底板岩层为根土泥岩，砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩互层一套细碎屑岩，厚度约5～12 m。该套细碎屑岩下伏地层为太原组上段和下段，主要由数层厚度不一的灰岩和砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩互层组成。

3 层滑构造的表现形式

云盖山井田中，受层滑构造影响导致煤层的形态各种各样，分析总结大致分为顶平底推型、底平顶推型、顶底互搓型、膝桡拉伸型和挤缺构造五种类型。

3.1 顶平底推型

云盖山井田中，煤巷掘进工作面经常揭露煤层顶板大范围内比较平整，煤层底板产状突变，导致煤层厚度急剧增厚或变薄，如图3（a）、图3（b）所示。总结分析，该类型构造煤层顶板常以厚层状的粗粒砂岩、中粒砂岩为主，煤层底板多以炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩等为主，煤层顶板较坚硬，煤层底板较软弱，煤层夹在硬顶和软底之间发生上下不均衡的层间滑动时，导致形成煤层上界面较平整，煤层下界面多起伏，厚度不均。

3.2 底平顶推型

井田局部沉积环境变化，煤层顶板为厚层泥岩、砂质泥岩等相对较软的岩层，底板以中粒砂岩、细粒砂岩等相对较硬的岩层时，煤层夹在软顶和硬底发生上下不均衡的层间滑动时，导致形成煤层，煤层上界面多起伏，下界面较平整的构造形态。常表现为煤层顶板产状突变，煤层底板相对平整，煤层厚度急剧变化，有时出现煤层分层，或上分层规律零星分布等，如图3（c）所示。

3.3 顶底互搓型

采掘过程中有时呈现出煤层上下分层，煤层中夹杂顶板的砂岩包体或底板的泥岩包体，包体多呈扁长的透镜状，且上分层或下分层经常呈现出沿某一方向的规律排列，如图3（d）、图3（e）所示。在煤层与顶板或底板界面上经常发现，煤层受力揉搓的遗迹，如煤层层理紊乱、出现明显的镜面滑痕、煤层结构破碎等。

3.4 膝桡拉伸型

煤层顶板和底板均为厚层且相对坚硬的岩层时，受拉伸地质应力影响，煤层顶板和底板发生断裂并明显相对上下错动，形成显著的正断层。但煤层未被断层错开，煤层形态发生突变，倾角迅速发生变化，煤层厚度无显著变化，形成像膝桡型的构造。如云煤一矿井田中23 采区专回延伸实际揭露，如图3（f）所示。

图3 层滑构造形态Fig.3 Layer slip structure morphology

3.5 挤缺构造

挤缺构造是指发生在柔性地层中受褶曲形态影响，导致地层变薄、缺失的一种小型构造，在大的层位空间上，地层具有无跨层越位的连续性。但又因受挤压发生层间滑动而缺失的部分岩层，甚至造成不正当的层序接触。挤缺构造一般情况为局部的小构造，规模不大，受褶曲形态控制，多发生在褶曲内柔性岩层中。背斜的顶部往往出现挤缺现象，使地层变薄缺失，向斜的核部往往出现挤厚现象，使地层增厚。如井田中全区稳定发育的二1 煤层，在1002、1003、1005 等勘探钻孔中显示为二1 煤和L8或L9燧石灰岩将要接触，中间只留下1～2 m的劈理化，滑面发育的砂泥岩，这是层间滑动的一个典型挤缺现象，而不是断失。

4 形成机制探讨

4.1 多期次构造叠加

石炭二叠纪沉积以后，受燕山早期运动影响，本区隆起遭受剥蚀，而缺失中生代地层，受NE—SW 方向挤压作用影响，区域上生成宽缓的向斜和狭窄的背斜。

嵩箕地区二叠纪成煤以后，依次经历了晚二叠世早期末的“箕山运动”、三叠纪末的印支运动、侏罗纪末的燕山早期运动、自垩纪末的燕山晚期运动、古近纪末的喜山早期运动和新近纪末的喜山晚期运动。在这多期次构造应力场作用之下，形成多种多样构造形式。

4.2 软弱夹层相对运动

二1 煤层位于山西组大占砂岩下，太原组上段灰岩之上。大占砂岩厚度10～40 m 和太原组上段灰岩厚度8～15 m，均相对坚硬，而处于中间的二1 煤及下伏泥岩厚度约10 m，相对于顶板的大占砂岩和底板太原组石灰岩地层的坚硬程度相比，自然要软弱的多，尤其是二1 煤层机械强度最低。在地史发展过程中，在侧应力多次的作用下，就产生了层间滑动构造。在构造应力的作用下，煤层的原生结构及煤岩组分空间排列关系被破坏，形成构造煤，宏观特征表现为质软而松散，一般呈粉未状，少量呈碎屑状。井下二1煤开采和钻孔中均以证实，本区煤层呈粉未状、块状相间。

强烈层滑与煤岩流变还程度不同地影响到二1 煤层顶底板岩层使其碎裂化、透镜化、劈理化，并褶皱流变。在临近的平顶山矿区二1 煤层受构造变动影响程度不同，出现了二1 煤层结构差异化的体现，如受构造影响较严重的平顶山十三矿，二1 煤层呈现出粉粒状、碎粒状。受构造影响较小的平顶山二矿，二1 煤原岩构造保存相对完好。

5 层滑构造与瓦斯赋存规律分析

云盖山井田的地质构造经历不同期次的沉降、抬升等复杂演化历程，在此期间，煤中有机质发生物理化学作用，不断生烃演化。生成的大量甲烷逸散到围岩中并消散，一少部分呈吸附态被保留在煤层及围岩中。煤层埋深以及上覆地层的有效厚度、煤层围岩的透气性等同瓦斯赋存呈正相关关系。影响煤层瓦斯运移的主要是地质构造。一般情况，开放性断层附近煤层瓦斯容易运移散失，同时构造应力得到释放，煤层瓦斯压力较小；挤压性断层附近煤层结构复杂，煤储层孔隙裂隙增高，吸附瓦斯的能力增强，且构造附近应力集中，煤层瓦斯压力较大，易发生煤与瓦斯突出。

云盖山井田中明显断裂的断层发育较少，但是层滑构造较为多见。层滑构造不等同于挤压性断层，但是具有挤压性断层的地质体受挤压导致结构复杂、裂隙发育、应力集中等特性，造成井田内二1 煤层厚度和形态变化，形成诸多的煤层变薄带、尖灭带、增厚带、煤层倾角变化等。实际生产中发现，在煤层厚度较大且整体稳定的区域，煤层瓦斯含量等参数不高。而在煤层厚度、倾角变化急剧的区域，煤体出现破碎、微裂隙发育、光泽暗淡、煤体干燥、透气性变差等特征，测定瓦斯含量等参数相对较高，往往也具有突出危险性。

6 结 论

（1）云盖山井田二叠纪成煤以后，普遍遭受了的多期次构造运动，形成了NE、NW 和EW 向断层普遍发育，局部褶曲发育的单斜构造格局。同时受到多期的构造应力，使得煤层大范围地剪切滑移，导致二1 煤及顶底板形变的不谐调，底板多出现不谐调的褶曲、挠折的层滑构造。

（2）研究表明，层滑断层主要造成云盖山井田局部的煤层厚度、倾角的急剧变化，煤体出现破碎、裂隙发育，煤体及围岩地应力增高。

（3）在同一瓦斯地质单元内，因层滑构造形成构造煤及应力集中区增加了煤与瓦斯突出的危险性。