淮南煤田逆沖推覆構造對煤與瓦斯突出的影響分析

喬國棟，高 魁，2

(1.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001； 2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

逆沖推覆構造帶是煤與瓦斯突出的敏感地帶，二者之間存在密切關系。許多學者對二者之間的關系做了深入研究，韓軍[1]、王健[2]等認為逆沖推覆構造對煤與瓦斯突出礦井有著控制作用；陳萍[3]、張鳴[4]等研究了逆沖推覆構造的控煤機理。但是目前針對逆沖推覆構造對煤與瓦斯突出影響的研究多集中于動力學方面，對幾何學特征研究的資料非常少；對影響煤與瓦斯突出的三大因素——煤、瓦斯、應力的研究多集中在煤和瓦斯，缺乏對應力的研究分析?；茨厦禾锬鏇_推覆構造特征明顯，煤與瓦斯突出礦井數量較多。筆者通過對淮南煤田逆沖推覆構造的幾何學、動力學特征的分析，結合該構造對煤體結構、瓦斯賦存、構造應力的影響，探討淮南煤田逆沖推覆構造對煤與瓦斯突出的作用機理，可為煤礦的安全生產提供指導。

1 淮南煤田逆沖推覆構造幾何學特征

淮南煤田地處秦嶺—大別山造山帶北部，東起郯廬斷裂，西至阜陽深斷裂，東西向長達180 km，北部劉府斷裂連接蚌埠隆起，南部以穎上—定遠斷層和合肥盆地毗鄰，南北向相距15～25 km，面積3 600 km2。淮南煤田構造形式為近東西向的對沖構造盆地，逆沖推覆構造主要分布在煤田南北兩緣，中間為復向斜構造?；茨厦禾锏刭|構造如圖1所示。

(a)平面圖

(b)A—A剖面圖

①—阜陽深斷裂；②—劉府斷裂；③—尚塘—明龍山斷層；④—胡集正斷層；⑤—陳橋正斷層；⑥—阜鳳逆沖斷層；⑦—阜李逆沖斷層；⑧—穎上—定遠斷層；⑨—山王集斷層；⑩—舜耕山逆斷層；—郯廬正斷層；—唐集—朱集背斜；—尚塘—耿村向斜；—陳橋背斜；—潘集背斜；—謝橋—古溝向斜；—口孜集—南照集斷層。

圖1 淮南煤田地質構造圖

根據Elliott的弓箭法則判斷，煤田南緣的逆沖推覆構造自南向北運動，推覆距離最大達數十公里，向前鋒斷裂逐漸減小為數公里，前鋒帶整體上沿謝橋—古溝向斜南翼展布。煤田南緣逆沖推覆構造的外來推覆體在燕山期由太古界霍邱群至二疊系構成。

由圖1(b)可以看出推覆體剖面呈疊瓦扇構造。在強烈的擠壓作用下，逆沖斷層系在侏羅紀迅速向北擴展，逆沖斷層系前段將推覆體分成4個主要的逆沖斷層：阜陽—鳳臺(阜鳳)逆沖斷層、山王集斷層、舜耕山斷層、阜陽—李郢孜(阜李)逆沖斷層。4個斷層形成依次向北逆沖的疊瓦狀斷夾塊的組合體，斷層面上陡下緩，收斂于呈波狀起伏的基底滑脫面[5]。阜鳳逆沖斷層和舜耕山斷層構成了八公山、舜耕山、劉莊SN向推覆體，其斷層傾角30°～60°，淺部大，深部小，由南向北推覆，將太古界霍邱巖群推覆至煤層地層上方。煤田北緣逆沖推覆構造是由于南緣逆沖推覆構造的前緣推覆至蚌埠隆起后，受到蚌埠隆起的阻擋然后反向逆沖而形成的[6]。煤田北緣逆沖推覆構造將太古界向南推覆至三疊系和二疊系之上，形成一系列反向推覆構造，組成了尚塘、明龍山由北向南的逆沖推覆體。該推覆體東起郯廬正斷層西至阜陽深斷裂呈NWW-SEE走向，東寬西窄。推覆體的主滑脫面斷面上陡下緩，北傾70°左右。在燕山運動早期，原來存在于二疊紀煤系中的初始正斷層受到拉伸作用的影響，斷層落差達到了50～300 m。燕山運動晚期，NW和NNE向的正斷層發育，如胡集正斷層、陳橋正斷層、郯廬正斷層等，這些正斷層將EW向的逆斷層切割，切割特征明顯。

2 淮南煤田逆沖推覆構造動力學特征

淮南煤田處在華北聚煤區南緣，宏觀上看該煤田的逆沖推覆構造帶是秦嶺—大別山造山帶指向華北板塊的巨型逆沖推覆構造的前鋒帶，造山帶示意圖如圖2所示。

圖2 秦嶺—大別山造山帶示意圖

在印支構造期，揚子克拉通和華北克拉通發生猛烈碰撞，產生了大范圍、多層次以大別山為根帶的逆沖推覆構造。在擠壓應力的作用下大別山以北的前陸地區因巖石圈的彎曲使初始正斷層在克拉通表層開始發育[7]。在燕山期，秦嶺—大別山造山帶產生了南北方向的擠壓應力，其中最大主應力的方向大概分布在175°～187°，接近水平方向。秦嶺—大別山北部的區域性逆斷層系向華北板塊內傳遞，通過前展方式向華北聚煤區南部拓展，形成了淮南煤田南緣的逆沖推覆構造。

煤田南緣逆沖推覆構造向北推覆擠壓，以前期形成的凹陷為基礎，EW走向的褶皺及伴生斷裂系統得以發育，當受到蚌埠隆起的阻擋后發生反向逆沖作用，形成淮南煤田北緣的逆沖推覆構造(尚塘—明龍山推覆構造)。進入燕山晚期后，歐亞大陸受到了來自太平洋板塊NNW向的擠壓碰撞，最大主應力方向分布在300°～330°內，NW向正斷層及NNE向走滑正斷層發育，即著名的郯廬正斷層。除此之外，一組NNE向的平行于郯廬斷裂的正斷層也在淮南礦區發育。在晚第三紀后，在歐亞板塊和印度板塊的共同作用下產生了主應力方向為NE20°，近NS向的擠壓應力場。在該應力場的作用下，華北板塊沿東西走向做伸展運動，導致NNE向斷裂活化。在塊斷掀斜作用的影響下淮南煤田南緣的逆沖推覆構造和秦嶺—大別山造山帶分離[8]。至此，淮南煤田逆沖推覆構造基本發育完成。宏觀認為淮南煤田逆沖推覆構造的動力來源于揚子克拉通與華北克拉通的相互擠壓作用。

3 淮南煤田逆沖推覆構造對煤與瓦斯突出的影響

3.1 對煤體結構的影響

由于揚子克拉通與華北克拉通的相互擠壓，淮南煤田逆沖推覆構造帶內的巖體處于被擠壓狀態，煤體出現揉皺現象。揉皺作用會影響煤層的產狀和厚度，表現為褶皺狀起伏、直立、倒轉等。在淮南新集二礦部分煤系地層出現了強烈的揉皺現象，其中 4-2 煤層揉皺現象尤為明顯[4]。

在逆沖推覆構造帶內，煤、巖層受擠壓應力作用發生應變，煤層作為軟弱夾層為適應巖層的變形而隨之發生滑動，產生層滑構造。在主滑動面的影響下，受煤、巖層中順層應力的影響，煤層和頂底板之間或煤層與夾矸層之間會產生次一級的層滑構造。原邊界條件和原區域應力場因層滑作用而遭到破壞，強度較弱的煤體在擠壓、剪切的作用下遭到破壞，導致構造煤較發育。以位于阜鳳逆沖推覆構造下的新集井田為例，該井田內滑動構造系統的主滑面為阜鳳逆沖斷層面，在主滑動面的影響下井田內的次級層滑構造較發育，13#煤層內的層滑構造尤為發育[9]。

由上述分析可知，淮南煤田逆沖推覆構造帶內煤層在揉皺作用和層滑作用的影響下煤體結構被破壞，為煤與瓦斯突出提供了物質條件。

3.2 對瓦斯賦存的影響

在逆沖推覆構造區域內，外來推覆體推覆至原生系統之上，煤層埋深增大，對瓦斯賦存起到了良好的密封作用?；茨厦禾锬媳眱删壍哪鏇_推覆構造是逆沖推覆構造控制瓦斯賦存的典型。結合淮南煤田逆沖推覆構造幾何學特征和動力學特征可知，煤田南緣的阜鳳逆沖斷層由南向北推覆，煤田北緣的尚塘—明龍山斷層由北向南推覆，形成了反向相背傾斜的構造系統，為瓦斯儲存創造了條件。

此外，逆沖推覆構造帶內發育的逆斷層、斷裂在整體上呈現壓性、壓扭性特征，這種特征的構造面對瓦斯賦存也具有良好的儲存作用[10]。而逆斷層的壓性、壓扭性特征使斷層構造帶內的瓦斯處于高壓狀態。被斷層破壞的煤體內有大量裂隙，煤體裂隙的張應力與裂隙中瓦斯壓力關系如下：

Δp=2σmsinθ(La-Lb)

(1)

式中：Δp為煤體破裂前后的瓦斯壓力差，MPa；σm為煤體裂隙張應力，MPa；θ為最大主應力與煤體裂隙所成角度，(°)；Lb、La分別為煤體破裂前后的裂隙表面積，m2。

平均應力的斷裂極限公式可表示為：

(2)

式中：E為煤巖體的彈性模量，MPa；T為煤體的表面能，MJ/m2。

聯立式(1)、式(2)得：

(3)

由式(3)可以看出，煤體破裂前后的瓦斯壓力差與煤體破裂前后的裂隙表面積有關。假設Lb不變，La越大，則瓦斯壓力差Δp也就越大。瓦斯壓力差為煤體內瓦斯的運移提供動力，構造帶煤體中的微小裂隙成為了瓦斯運移的聚集區，導致了高瓦斯富集區的形成。這也是逆沖推覆構造帶內的逆斷層處高瓦斯富集區數量較多的原因之一。

3.3 對構造應力特征的影響

由淮南煤田逆沖推覆構造的動力學特征可知，淮南煤田的逆沖推覆構造于印支—燕山時期在揚子克拉通和華北克拉通擠壓碰撞作用下形成。在燕山運動中秦嶺—大別山造山帶持續南北擠壓，故逆沖推覆構造帶內的主要斷裂帶——阜鳳斷裂、舜耕山斷裂、阜李斷裂，以及淮南煤田北緣的尚塘—明龍山逆斷層均呈現壓性或壓扭性特征[11]。舜耕山斷裂帶和阜李斷裂帶內的糜棱巖、擠壓片等擠壓作用的特有產物也證實了該構造應力的擠壓特性。根據野外小構造可以測定應力方向，通過實測可知因位置的不同，應力的大小和方向也有所不同，但總體上構造應力方向為由南向北。淮南八公山西側為NE10°，東側轉為NE50°～60°。用平均位錯密度方法計算舜耕山斷裂和阜李斷裂應力大小分別為150.54、170.20 MPa，均呈現出西強東弱的特點。

構造應力會促進煤層的孔隙結構發育，對煤體結構起到強烈的破壞作用。在構造應力和原巖應力的共同作用下逆沖推覆構造帶內的瓦斯處于高壓狀態，根據瓦斯等溫吸附規律，高壓狀態對瓦斯的吸附有著促進作用，這就增加了煤層瓦斯含量。因此構造應力對瓦斯賦存和煤體結構發育有一定的影響[12]。逆沖推覆構造帶內較高的構造應力又為煤與瓦斯突出提供了地質動力條件[13]，當瓦斯富集區域受到采掘活動擾動，就可能誘發煤與瓦斯突出。這也是淮南煤田高突礦井多的原因。

4 淮南望峰崗礦“1.5”煤與瓦斯突出事故原因分析

4.1 望峰崗礦地質特征

望峰崗礦是淮南礦業集團謝李煤礦的深部礦井，是該區域內的淺部礦井謝一礦的接替礦井。望峰崗礦位于淮南煤田南緣的逆沖推覆構造帶內，處于舜耕山逆斷層下盤，阜鳳逆沖斷層上盤。望峰崗礦地質特征如圖3所示。

①—穎上—定遠斷層；②—阜李逆沖斷層；③—舜耕山逆斷層；④—山王集斷層；⑤—阜鳳逆沖斷層；⑥—謝橋—古溝向斜；⑦—潘集背斜。

圖3 望峰崗礦地質特征

望峰崗礦井東南自Ⅳ線及隗店斷層，西北到新莊孜礦及F11-9斷層，淺部起于A1煤層-660 m底板等高線,深部止于C13煤層-1 200 m底板等高線,井田走向長約為8.1 km,傾向平均寬約為2.4 km,面積約為19.56 km2[14]。

4.2 望峰崗礦“1.5”煤與瓦斯突出過程

2006年1月5日13時48分，望峰崗礦主井井筒施工揭開C13煤層，引發煤與瓦斯突出事故。事故發生在-928 m水平，突出煤炭2 831 t，涌出瓦斯29.27萬m3，事故造成12名人員遇難，是一起特大煤與瓦斯突出事故。

4.3 煤與瓦斯突出原因分析

望峰崗礦所處井田受淮南煤田南緣的逆沖推覆構造影響明顯，井田淺部地層直立，深部地層倒轉后又變成正常傾斜，呈反“S”狀褶曲[15]，復雜的地質構造導致礦井所處地區的構造應力集中，且構造應力是引發本次事故的主導因素。筆者從逆沖推覆構造對煤體結構、瓦斯賦存、構造應力3個要素的影響來分析望峰崗礦“1.5”事故的原因。

1) 構造煤發育。發生突出的C13煤層受逆沖推覆構造及次生構造的控制，煤體破壞嚴重，構造煤發育。井田內的C13煤層平均厚度為5.89 m，最大厚度可達9.04 m，屬于較厚煤層。構造煤厚度達到1.19～2.26 m,超出突出臨界厚度[16](0.40～0.50 m)的138%～465%， C13煤層具有嚴重的突出危險性。

2) 瓦斯含量高。舜耕山逆沖推覆體將新地層推覆至老地層之上，導致井田上覆土層增厚，煤層埋藏深度大，瓦斯壓力高。同時舜耕山斷層壓性特性對瓦斯起到封閉作用，游離瓦斯不易逸散。據統計C13煤層瓦斯含量為5.54～23.65 m3/t，平均為12.50 m3/t[12]，瓦斯含量高是導致C13煤層發生煤與瓦斯突出事故的重要原因之一。

3) 構造應力集中?；茨厦禾锬暇壞鏇_推覆構造帶內的構造應力多呈現壓性、壓扭性特征，望峰崗礦井田位于舜耕山逆斷層下盤，屬于深部礦井，發生突出的地點在-928 m水平，地應力大。井田內構造應力和原巖應力共同作用使C13煤層瓦斯處于高壓狀態。當全面揭開C13煤層時，由于存在一定厚度的殘留硬煤抵抗煤與瓦斯的突出，使得煤與瓦斯突出事故并未立刻發生。但是揭煤后的原應力場平衡狀態被打破，構造應力集中。當煤層被全斷面揭開 3 m 后，在構造應力的作用下破碎煤體內積聚的能量突破了殘余硬煤的抵抗能力，高壓瓦斯攜帶著大量破碎煤體涌進巷道，發生煤與瓦斯突出事故。綜上分析可知，構造應力是造成本次事故的主導因素。

5 結論

1)淮南煤田逆沖推覆構造于印支—燕山期在揚子克拉通和華北克拉通相互擠壓、碰撞作用下而形成，主要分布在淮南煤田的南緣和北緣。

2)淮南煤田逆沖推覆構造對該煤田的煤體結構、瓦斯賦存、構造應力有重要的影響。構造帶內構造煤發育，瓦斯含量高，構造應力對瓦斯賦存及煤體結構發育有一定影響。

3)受逆沖推覆構造的影響，構造帶內瓦斯含量高、構造煤發育是煤與瓦斯突出的物質基礎條件，而較高的構造應力及較高的瓦斯壓力為煤與瓦斯突出提供了動力條件。這些也是造成淮南望峰崗礦發生煤與瓦斯突出事故的重要原因。