西山煤田主控應力場的分析

付君華

(西山煤電股份有限責任公司 山西古交西山義城煤業有限責任公司， 山西 古交 030003)

太原西山煤田地質構造較發育，主控應力場對斷層、褶皺以及瓦斯的分布規律與形成機理有著主要控制作用，對煤礦設計、開采地質條件影響甚大。因此，有必要結合礦井地質實際資料從理論上對西山煤田主應力場深化研究，總結其賦存與發育規律。《瓦斯地質學》中丁國瑜繪制了中國及鄰區現代應力場圖[1];韓貝貝等[2]對西山煤田現代應力場最大張拉應力進行了模擬研究;鄧強等[3]對西山煤層氣結合構造演化史探討了主成藏期；朱亞茹等[4]結合地質控制機理與水文地質單元劃分，討論了不同單元的含氣量特征；曹愛國[5]對西山煤層與主應力相關的內生裂隙進行了研究。上述研究方向較客觀地從不同角度分析了構造應力場的影響，但結合礦井地質的實踐經驗較少，未系統地分析、綜合地研究應力場的控制作用，對煤礦生產應用效果欠佳。本文通過研究西山煤田主控應力場方向為主體構造的控制機理、構造影響與煤層氣影響提供參考。

1 西山煤田概況

西山煤田位于山西省中部太原地塹盆地西面，呂梁山東面，主控構造位于西部古交、呈南北走向的馬蘭復向斜系，由北東向及南北向若干地壘式斷裂帶構成的石炭-二疊系含煤建造；面積541 km2、含2#—9#可采煤層；其西部的古交礦區為重要的主焦煤基地、帶壓開采；其東部的前山礦區為動力煤基地、不帶壓。

2 煤田最大主應力場的繪制

2.1 構造地質學對最大主壓應力的分析

由力偶P誘導產生的最大主壓應力σ1為290°方向，同生的最小主應力σ3即P主扭應力面為20°方向；S1組節理為明顯的左型剪切壓性節理、斷層組為NE向36°、代表性斷裂帶為系列地壘斷層；其與主壓應力面銳夾角θ/2(θ為巖體內摩擦角)約16°指示本側扭動方向；而S2組則為發育不甚明顯的另一組節理NW向(拉張性)。S1-S2組成共軛剪節理系。S2組為右型張應力性質的一組張性節理或斷裂，與共軛羽狀節理平行而生成。t為同生張應力結構面，與σ1方向290°相同。煤田所在大地構造單元為華北準地臺中部，受北面西伯利亞板塊、東面太平洋-菲律賓板塊、西南面印度板塊三面擠壓，相互制約，成為該區域的主要影響力。前期主控受北面板塊的影響，形成祁-呂-賀“山字型”構造體系的東翼弧中段，東西向主壓應力場作用下形成經向擠壓褶皺構造及左型北東向的斷裂構造，同時相伴形成近東西向的t張性結構面，對區域影響最大。后期受西南面板塊疊加東面板塊相互擠壓應力聯合作用，對先期的北東向左型斷層進行局部右型化改造或影響。而南北兩端局部存在南北向應力衍生出近東西向的張應力σ3，對該區瓦斯地質、水文地質條件起控制作用。自西向東的斷層走向由北北東到北東、北東東弧形偏轉的形態。

2.2 西山煤田主壓應力場的展布特征

煤田北部最大主壓應力σ1為110°～290°向，如煤田西北部的鎮城底礦井田西部71°～152°兩組共軛羽狀節理的角平分線為111°向；同區同期形成20°走向的褶軸。再如煤田東西兩部的邊緣大斷裂—經向構造一級主控體系；空間上繼承了太古呂梁期、晚古華力西期、燕山期西部近東西向的巖漿巖巖墻等期應力場。

煤田西部中段受燕山Ⅰ期(J3-K1)狐偃山巖體的影響，向東、向東北、東南面放射狀隆-拱-推效應作用，呈同心半圓圈狀向斜軸。表現為廟前山隆起、馬蘭向斜主控構造、煤田西部接觸變質帶等。

煤田西南部最大主壓應力σ1向北偏轉為70°，如水峪貫地區寺溝西梁劉家溝組與大小溝石千峰組轉平后的共軛節理σ1方位為74°～68°.

在煤田南端最大主壓應力σ1為近東西向、米家莊-西社斷層(北西向左型)與靛頭-泉泉寺斷層(北東向右型)組成的共軛節理σ1方位為90°.

南、北兩端受早古生代NS向主壓應力作用，形成兩處砥柱式局部應力場:1) 嘉樂泉砥柱式局部應力場構造背景為緯向構造體系38°,分割了寧武煤田與本煤田。 2) 云夢山砥柱式局部應力場為煤田南部清交斷層(從燕山-喜山期繼承并改造)向東延入地塹，分割了本煤田與沁水煤田；同時疊加了東區祁縣早燕山期隱伏侵入巖體(T3-J1)影響。西山煤田構造綱要圖及主應力場分布見圖1.

2.3 與早期最大主壓應力有關的正逆斷層的特征

正斷層斷面的傾角一般為45°～90°. 而逆斷層一般傾角較小，傾角<45°稱為低角度逆斷層與逆掩斷層；而個別高角度逆斷層傾角>45°，常在正斷層發育區出現，如太原西山煤田東北部的“磺廠溝，見小型逆斷層產狀335°∠35°”[6]，與附近正斷層傾向相同。逆斷層規模愈大，推移距離愈遠，斷層面傾角也愈平緩。在西山煤田西北部的義城井田，見斷距較大正逆斷層相伴而生的情況，F141斷層產狀255°∠73°，斷距15.4；其下盤方向即東側有F139正斷層，243°∠56°；二者產狀相近。據煤田各礦井粗略統計，多數大斷層傾向與煤層傾向相反，即西部區域斷層多傾向西或西北，而東部區域斷層多傾向東或東南方向；無論正、逆斷層均有這樣的規律，從而控制煤斷塊與采空積水的分布。

2.4 后期最大主應力有關的地應力

綜合模擬據震源機制分析得出太原西山煤田的區域構造應力場特征與山西地塹系的構造背景一致，西山煤田的現代構造作用以NW—NNW向的近水平拉張作用為主；均由四周向內部逐漸增大[2].

“煤層的內生裂隙較為發育，是由于其處于中等變質階段所致，從生產礦井及鉆探采取的煤芯中均 可觀察到，主要發育NWW, NNE、NE、NW向四組裂隙。 NE和NW向兩組裂隙平直且緊密，裂隙寬度1～1.5 mm，NWW和NNE向兩組裂隙呈張開狀態，但軌跡平直，寬度3～5 mm,前者屬壓扭性，后者屬張扭性，二者互相切割。煤層裂隙中一般無充填物，局部見少量方解石脈”[5]. NWW和NNE向兩組裂隙分別代表東西向與南北向的最大主壓力方向，并顯示出后者對前者的改造作用。

3 最大主應力對本煤田煤層氣的控制

煤田西部深埋區為較典型的瓦斯突出區、潛在的地應力較高區、深層潛在的東西向奧灰基巖巖溶裂隙水逕流通道系統。上述3期擠壓分別對應煤層氣的生成、貯藏、壓存作用階段。西區裂隙先后受東西向壓裂、左型扭裂最后到閉合深埋；東區則先后受東西向壓裂、右型扭裂最后到隆升南北向張裂，造成了差別較大的瓦斯與水文地質條件。

3.1 最大主應力有關的煤層氣成因侵入方向

通過西山煤田東、西區煤層差異熱演化史特征和聚氣史的對比研究，認為東區受祁縣隱伏侵入巖體影響，二次生烴時期為T3-J1(燕山早期)；西區受狐偃山巖體的影響，二次生烴期為J3-K1(燕山中期)[3]. 證實西區煤層氣不僅遭受散失時間相對短，主要還是受區域最大主應力作用強，向斜構造下陷深度大，故煤層氣對煤層氣藏的保存有利。

3.2 構造主控應力對西山煤田煤層氣的控制

以西山煤田古交礦區為研究對象，分析產出水離子濃度、水質水型、礦化度和煤層含氣量分布特征結合地下水動力場分布特征，劃分了3種水文地質單元，其中滯留區含氣量最高、弱徑流區次之、補給徑流區最低；古交礦區煤層氣在屯蘭中部形成單斜-水力封堵型煤層氣藏，為現在全區煤層氣最為富集區；東曲斷層比較發育，形成地壘-水力封堵型煤層氣藏，為煤層氣較為富集區[4]. 預測在馬蘭東部形成向斜-水力封堵型煤層氣藏，將為全區煤層氣最為富集區。

圖1 西山煤田構造綱要圖及主應力場分布圖

“從區域構造背景比較，擠壓構造背景時間長、次數多的區域，高瓦斯礦區、礦井分布居多；拉張背景時間長、風化剝蝕時間長的區域，低瓦斯礦區、礦井分布居多”[6]. 整個西山煤田自西向東、先后經受了呂梁山壓應力期(-200～-65 MPa)、狐偃山壓應力期(-90～-80 MPa)和石千峰應力期(-48～-10 MPa)3次明顯的擠壓作用。呂梁山、狐偃山與石千峰依次受壓隆升[6]. 從整個西山煤田看，西區較東區更接近呂梁山-狐偃山壓應力區，張性結構面深埋、封閉條件好，一方面有助于煤層氣的高壓存貯，另一方面造成了煤層氣的低滲透率與抽采難度大。綜合評定西山煤田各礦井地質類型條件劃分,見表1.

表1 西山煤田各礦井主控最大應力方向與地質類型條件劃分表

4 最大主應力對本煤田陷落柱的控制

“由于地勢西高東低，地下水由西北向東南方向流動， 形成一些由西北向東南方向的地下水逕流帶。馬蘭礦南四采區正位于此徑流帶上，在此逕流帶上，隨地下水侵蝕加劇形成了巖溶，進而形成陷落柱[7]. 陷落柱的發育區域與主壓力方向造成的局部構造張裂、扭裂有關。凡陷落柱發育地段正是瓦斯較低的區域。

5 應用實例

5.1 實例一

杜兒坪井田在煤田東部杜兒坪斷層上盤采區布置采面順槽時，出現一中型向斜構造復合陷落柱影響，施工遭受較大影響，后經綜合區域煤巖層特征與等高線形態、伴生構造等分析受北東向的區域最大主壓應力場的作用，產生為一向北東傾斜的中型逆斷層控制，推斷其落差10 m以上。繞開此斷層重新施工一條順槽，實現了工作面巷道的閉合。

5.2 實例二

義城井田在煤田西北部，受煤田北部緯向構造體系與煤田西部經向構造體系壓應力作用的綜合影響，基建布置首采面時煤層產狀較煤田補充勘探鉆孔勾繪的傾角陡一倍以上，在施工該工作面切眼、回風順槽時先后揭露同一條大的正斷層，據編錄成果結合鉆探成果發現其落差達40 m，走向北東向、傾向北西向，其上盤2#煤層與8#煤層均被整合前小窯采空，積存了大量采空水。后在該斷層下盤抬升斷塊上才成功布置出首采面。受東西向與南北向多期最大壓應力場疊加作用影響，由此預測與此井田毗鄰的鎮城底井田西部、馬蘭井田北部等未采區域還將賦存同系列的20～40 m落差的大型斷層構造。

5.3 實例三

西曲煤礦大埋深煤巖層風氧化帶主要分布在井田東北部，位于傾向北西的紅崖子大斷層(落差90～140 m) 的東南盤，大埋深煤系地層局部區域頂板、陷落柱及構造附近裂隙發育，具有良好的水循環條件[8]. 上述風化陷落柱均位于紅崖子大斷層附近，長軸多為北西走向，主要受北西向主控壓應力的控制。

5.4 實例四

屯蘭礦南五盤區位于馬蘭向斜東翼，主應力場為東西向疊加南北左型應力，從而產生北東方向的斷層占優勢。而針對此盤區的三維地震報告因未考慮這個情況，最早的成果圖誤以為北西向斷層為主，造成工作面順槽沿北西向布置，結果掘進與回采均受到數條北東向斷層的影響，影響施工。說明同一主應力場優勢方向斷層對采區工作面走向布置的影響大。

6 結 論

西山煤田逆斷層少見，與本區域主要壓應力方向垂直；在呈雁行狀排列的北東向斷層占主導的情況下仍可能有少量北西向的斷層共軛出現；20 m以上的大斷層少見，其傾向多與上盤煤層相向而生；同生或派生小斷層是接近大斷層的預兆，受區域統一主應力場的控制；不同構造部位其主控應力方向及組合不同，受邊界構造場的影響大，應分區研究。

7 建 議

研究煤田區域主應力場，需要結合西山煤田構造綱要圖與井下實見資料，繪制主控應力場分布圖，掌握其對大中型構造分布的控制作用，結合礦井地質編錄成果與開采煤層的底板等高線圖、地質剖面圖，確定構造的性質與規模，以便尋找斷失煤層最可能的方向、距離，為鉆探與巷探檢驗提供靶區。不斷深入分析最大主控應力方向與斷層、褶皺的相關關系，以及斷層面擦痕側伏角的產狀，理解其控制作用，對于構造及其他開采地質條件的預判具有較好的實用前景。