王輝

（河南永錦能源有限公司 云蓋山煤礦一礦，河南 禹州 461670）

1 概 況

層滑構(gòu)造是指沿煤層發(fā)育的剪切面和煤層以小角度相交或者近于平行的剪切帶，是地層斷塊相對滑動的結(jié)果，其力學(xué)本質(zhì)是地層由于其低強度而充當了構(gòu)造作用下的剪切帶而發(fā)生破壞，薄弱層越厚，剪切帶寬度越大，越易破壞。它對地質(zhì)勘探、煤礦生產(chǎn)、礦井工程災(zāi)害防治、煤層氣開發(fā)以及油氣藏勘探有著重要影響。近年來，研究者對于華北地區(qū)煤礦沿著煤層及其頂、底板間發(fā)育的層滑構(gòu)造特征、組合型式、形成機制和定量評價進行了分析，取得進一步的認識。樂琪浪等以潘集礦區(qū)為例，分別研究了模糊綜合評判方法在層滑構(gòu)造中的應(yīng)用、構(gòu)造煤分布發(fā)育規(guī)律與層滑構(gòu)造的關(guān)系、褶皺構(gòu)造與層滑構(gòu)造的關(guān)系，認為層滑構(gòu)造多發(fā)育于背斜兩翼，且以斷滑型和揉皺型為主，而在背斜核部則以斷裂型為主。張帥等研究青東礦8-2 煤層層滑構(gòu)造主要表現(xiàn)形式為斷裂式層間滑動，并對其采用模糊綜合評判進行了定量評價，認為結(jié)果是可靠的。琚宜文等得到了淮北海孜煤礦斷層與層滑構(gòu)造組合型式及其形成機制。解國愛等探討了淮南顧橋煤礦層滑構(gòu)造形成機制。

作為河南能源集團的主力生產(chǎn)礦井之一，云蓋山井田在礦井生產(chǎn)過程中，多次發(fā)現(xiàn)煤層厚度、傾角急劇變化，呈現(xiàn)出煤層底斷頂不斷、頂斷底不斷、煤層頂（底）板隆起或陷凹、煤層急劇變薄或變厚等異常地質(zhì)構(gòu)造，難以判定確定其構(gòu)造類型，對礦井瓦斯防治和采掘安全生產(chǎn)影響較大。因此，本文將根據(jù)地質(zhì)勘探、礦井實際揭露資料，系統(tǒng)地分析研究層滑構(gòu)造與瓦斯賦存規(guī)律之間的耦合關(guān)系。有利于指導(dǎo)安全生產(chǎn)，同時其他生產(chǎn)礦井可以借鑒。

2 地質(zhì)背景

云蓋山井田位于河南省禹州市西部27 km 處，隸屬磨街鄉(xiāng)、文殊鎮(zhèn)管轄。井田東北邊界為竹園溝斷層（F13）和文殊店斷層（F17），北西邊界為煤層露頭，西南邊界為牛頸山斷層（F9），東南邊界為下白峪斷層（F1），走向長16 km，傾向?qū)?～5 km，面積約50 km2。井田內(nèi)含煤地層屬石炭—二疊系，其中二1 煤層為各礦井主要的可采煤層。

2.1 構(gòu) 造

云蓋山井田位于秦嶺緯向構(gòu)造帶北亞帶中段南側(cè)，新華夏系第二沉降帶西緣的禹州煤田西部邊緣，屬嵩箕構(gòu)造區(qū)嵩箕斷隆東南端之薈萃山鳳后嶺背斜南西翼，其構(gòu)造形態(tài)受NW 向構(gòu)造所控制，以斷層為主，局部伴有小型褶曲。其構(gòu)造形態(tài)受許禹背斜所控制，構(gòu)造以斷層為主，局部伴有小型褶曲。背、向斜被不同期次、不同規(guī)模、不同方向的斷裂構(gòu)造疊加、破壞。

井田內(nèi)發(fā)育斷層有北西西、北西和北東向三組，其中以北西西向為主，多為大致平行的北東盤上升南西盤下降正斷層，組成階梯狀形態(tài)，為區(qū)域主干斷裂，對含煤地層的賦存起區(qū)域的控制作用；北西和北東向斷層多集中分布于背、向斜軸部和主干斷層轉(zhuǎn)折部位。斷裂沿走向呈舒緩波狀，多具壓扭性力學(xué)性質(zhì)，也可見不明顯張扭性的構(gòu)造形跡，呈多期構(gòu)造活動影響結(jié)果（圖1）。

圖1 云蓋山井田構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure outline of Yungaishan minefield

2.2 地 層

云蓋山井田內(nèi)出露地層從老到新，依次為寒武系毛莊組、徐莊組、張夏組、崮山組，上石炭統(tǒng)太原組，二疊系山西組、石盒子組、石千峰組，三疊系劉家溝組、和尚溝組以及第四系黃土及坡積物（圖2）。

圖2 綜合地層柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram

晚石炭世末陸表海緩波型的碳酸鹽沉積是一個由生物碎屑堆積而成的復(fù)水極淺的寬廣平臺，為隨后早二疊世海退潮坪上大面積發(fā)育的成煤沼澤創(chuàng)造了有利的古地理條件。從太原組頂部至二1 煤底板為一套典型半閉塞海灣內(nèi)的海退潮坪沉積，云蓋山井田大部分地區(qū)在混合坪上直接發(fā)育二1 煤的成煤沼澤。二1 煤成煤沼澤的發(fā)生、發(fā)展與演化受海陸分布制約，從而制約著區(qū)域范圍內(nèi)煤層厚度變化。二疊系山西組的二1 煤為主要可采煤層，厚度0～14.05 m，平均4.34 m。煤層呈厚薄相間的復(fù)煤包體，厚度變化很大，具有突然增厚、變薄以至尖滅、擠滅現(xiàn)象。

2.3 煤層頂?shù)装?/h3>

二1 煤的直接頂板通常為中、細粒巖屑石英砂巖（大占砂巖），主要碎屑成分是石英，次為長石和巖屑。砂巖以細粒為主，分選中等，圓度差。層面常富含白云母片和炭屑，具大型板狀交錯層理。厚度2.9～38.1 m，平均厚18.0 m。

二1 煤底板巖層為根土泥巖，砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細砂巖互層一套細碎屑巖，厚度約5～12 m。該套細碎屑巖下伏地層為太原組上段和下段，主要由數(shù)層厚度不一的灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和細砂巖互層組成。

3 層滑構(gòu)造的表現(xiàn)形式

云蓋山井田中，受層滑構(gòu)造影響導(dǎo)致煤層的形態(tài)各種各樣，分析總結(jié)大致分為頂平底推型、底平頂推型、頂?shù)谆ゴ晷?、膝橈拉伸型和擠缺構(gòu)造五種類型。

3.1 頂平底推型

云蓋山井田中，煤巷掘進工作面經(jīng)常揭露煤層頂板大范圍內(nèi)比較平整，煤層底板產(chǎn)狀突變，導(dǎo)致煤層厚度急劇增厚或變薄，如圖3（a）、圖3（b）所示?？偨Y(jié)分析，該類型構(gòu)造煤層頂板常以厚層狀的粗粒砂巖、中粒砂巖為主，煤層底板多以炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等為主，煤層頂板較堅硬，煤層底板較軟弱，煤層夾在硬頂和軟底之間發(fā)生上下不均衡的層間滑動時，導(dǎo)致形成煤層上界面較平整，煤層下界面多起伏，厚度不均。

3.2 底平頂推型

井田局部沉積環(huán)境變化，煤層頂板為厚層泥巖、砂質(zhì)泥巖等相對較軟的巖層，底板以中粒砂巖、細粒砂巖等相對較硬的巖層時，煤層夾在軟頂和硬底發(fā)生上下不均衡的層間滑動時，導(dǎo)致形成煤層，煤層上界面多起伏，下界面較平整的構(gòu)造形態(tài)。常表現(xiàn)為煤層頂板產(chǎn)狀突變，煤層底板相對平整，煤層厚度急劇變化，有時出現(xiàn)煤層分層，或上分層規(guī)律零星分布等，如圖3（c）所示。

3.3 頂?shù)谆ゴ晷?/h3>

采掘過程中有時呈現(xiàn)出煤層上下分層，煤層中夾雜頂板的砂巖包體或底板的泥巖包體，包體多呈扁長的透鏡狀，且上分層或下分層經(jīng)常呈現(xiàn)出沿某一方向的規(guī)律排列，如圖3（d）、圖3（e）所示。在煤層與頂板或底板界面上經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，煤層受力揉搓的遺跡，如煤層層理紊亂、出現(xiàn)明顯的鏡面滑痕、煤層結(jié)構(gòu)破碎等。

3.4 膝橈拉伸型

煤層頂板和底板均為厚層且相對堅硬的巖層時，受拉伸地質(zhì)應(yīng)力影響，煤層頂板和底板發(fā)生斷裂并明顯相對上下錯動，形成顯著的正斷層。但煤層未被斷層錯開，煤層形態(tài)發(fā)生突變，傾角迅速發(fā)生變化，煤層厚度無顯著變化，形成像膝橈型的構(gòu)造。如云煤一礦井田中23 采區(qū)?；匮由鞂嶋H揭露，如圖3（f）所示。

圖3 層滑構(gòu)造形態(tài)Fig.3 Layer slip structure morphology

3.5 擠缺構(gòu)造

擠缺構(gòu)造是指發(fā)生在柔性地層中受褶曲形態(tài)影響，導(dǎo)致地層變薄、缺失的一種小型構(gòu)造，在大的層位空間上，地層具有無跨層越位的連續(xù)性。但又因受擠壓發(fā)生層間滑動而缺失的部分巖層，甚至造成不正當?shù)膶有蚪佑|。擠缺構(gòu)造一般情況為局部的小構(gòu)造，規(guī)模不大，受褶曲形態(tài)控制，多發(fā)生在褶曲內(nèi)柔性巖層中。背斜的頂部往往出現(xiàn)擠缺現(xiàn)象，使地層變薄缺失，向斜的核部往往出現(xiàn)擠厚現(xiàn)象，使地層增厚。如井田中全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育的二1 煤層，在1002、1003、1005 等勘探鉆孔中顯示為二1 煤和L8或L9燧石灰?guī)r將要接觸，中間只留下1～2 m的劈理化，滑面發(fā)育的砂泥巖，這是層間滑動的一個典型擠缺現(xiàn)象，而不是斷失。

4 形成機制探討

4.1 多期次構(gòu)造疊加

石炭二疊紀沉積以后，受燕山早期運動影響，本區(qū)隆起遭受剝蝕，而缺失中生代地層，受NE—SW 方向擠壓作用影響，區(qū)域上生成寬緩的向斜和狹窄的背斜。

嵩箕地區(qū)二疊紀成煤以后，依次經(jīng)歷了晚二疊世早期末的“箕山運動”、三疊紀末的印支運動、侏羅紀末的燕山早期運動、自堊紀末的燕山晚期運動、古近紀末的喜山早期運動和新近紀末的喜山晚期運動。在這多期次構(gòu)造應(yīng)力場作用之下，形成多種多樣構(gòu)造形式。

4.2 軟弱夾層相對運動

二1 煤層位于山西組大占砂巖下，太原組上段灰?guī)r之上。大占砂巖厚度10～40 m 和太原組上段灰?guī)r厚度8～15 m，均相對堅硬，而處于中間的二1 煤及下伏泥巖厚度約10 m，相對于頂板的大占砂巖和底板太原組石灰?guī)r地層的堅硬程度相比，自然要軟弱的多，尤其是二1 煤層機械強度最低。在地史發(fā)展過程中，在側(cè)應(yīng)力多次的作用下，就產(chǎn)生了層間滑動構(gòu)造。在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，煤層的原生結(jié)構(gòu)及煤巖組分空間排列關(guān)系被破壞，形成構(gòu)造煤，宏觀特征表現(xiàn)為質(zhì)軟而松散，一般呈粉未狀，少量呈碎屑狀。井下二1煤開采和鉆孔中均以證實，本區(qū)煤層呈粉未狀、塊狀相間。

強烈層滑與煤巖流變還程度不同地影響到二1 煤層頂?shù)装鍘r層使其碎裂化、透鏡化、劈理化，并褶皺流變。在臨近的平頂山礦區(qū)二1 煤層受構(gòu)造變動影響程度不同，出現(xiàn)了二1 煤層結(jié)構(gòu)差異化的體現(xiàn)，如受構(gòu)造影響較嚴重的平頂山十三礦，二1 煤層呈現(xiàn)出粉粒狀、碎粒狀。受構(gòu)造影響較小的平頂山二礦，二1 煤原巖構(gòu)造保存相對完好。

5 層滑構(gòu)造與瓦斯賦存規(guī)律分析

云蓋山井田的地質(zhì)構(gòu)造經(jīng)歷不同期次的沉降、抬升等復(fù)雜演化歷程，在此期間，煤中有機質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)作用，不斷生烴演化。生成的大量甲烷逸散到圍巖中并消散，一少部分呈吸附態(tài)被保留在煤層及圍巖中。煤層埋深以及上覆地層的有效厚度、煤層圍巖的透氣性等同瓦斯賦存呈正相關(guān)關(guān)系。影響煤層瓦斯運移的主要是地質(zhì)構(gòu)造。一般情況，開放性斷層附近煤層瓦斯容易運移散失，同時構(gòu)造應(yīng)力得到釋放，煤層瓦斯壓力較??；擠壓性斷層附近煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤儲層孔隙裂隙增高，吸附瓦斯的能力增強，且構(gòu)造附近應(yīng)力集中，煤層瓦斯壓力較大，易發(fā)生煤與瓦斯突出。

云蓋山井田中明顯斷裂的斷層發(fā)育較少，但是層滑構(gòu)造較為多見。層滑構(gòu)造不等同于擠壓性斷層，但是具有擠壓性斷層的地質(zhì)體受擠壓導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裂隙發(fā)育、應(yīng)力集中等特性，造成井田內(nèi)二1 煤層厚度和形態(tài)變化，形成諸多的煤層變薄帶、尖滅帶、增厚帶、煤層傾角變化等。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，在煤層厚度較大且整體穩(wěn)定的區(qū)域，煤層瓦斯含量等參數(shù)不高。而在煤層厚度、傾角變化急劇的區(qū)域，煤體出現(xiàn)破碎、微裂隙發(fā)育、光澤暗淡、煤體干燥、透氣性變差等特征，測定瓦斯含量等參數(shù)相對較高，往往也具有突出危險性。

6 結(jié) 論

（1）云蓋山井田二疊紀成煤以后，普遍遭受了的多期次構(gòu)造運動，形成了NE、NW 和EW 向斷層普遍發(fā)育，局部褶曲發(fā)育的單斜構(gòu)造格局。同時受到多期的構(gòu)造應(yīng)力，使得煤層大范圍地剪切滑移，導(dǎo)致二1 煤及頂?shù)装逍巫兊牟恢C調(diào)，底板多出現(xiàn)不諧調(diào)的褶曲、撓折的層滑構(gòu)造。

（2）研究表明，層滑斷層主要造成云蓋山井田局部的煤層厚度、傾角的急劇變化，煤體出現(xiàn)破碎、裂隙發(fā)育，煤體及圍巖地應(yīng)力增高。

（3）在同一瓦斯地質(zhì)單元內(nèi)，因?qū)踊瑯?gòu)造形成構(gòu)造煤及應(yīng)力集中區(qū)增加了煤與瓦斯突出的危險性。