冀北興隆煤田逆沖推覆構(gòu)造特征及對(duì)瓦斯地質(zhì)的影響

趙龍海

（承德興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 承德 067000）

1 興隆煤田概況及煤田分布

興隆煤田位于河北省承德市鷹手營(yíng)子礦區(qū)和興隆縣境內(nèi)（位置如圖1 所示），燕山沉降帶北部邊緣的山區(qū)中地層屬于華北型地層，但出露不完整。主要地層為古生界的沉積巖系。分布在礦區(qū)南部、中部和北部。東起西山經(jīng)老爺廟、煤嶺溝到蕎麥嶺，在西部和中部基本沿柳河兩岸呈條帶狀分布。其次是中侏羅統(tǒng)臺(tái)吉組的巖漿巖系所構(gòu)成。分布在礦區(qū)東面的中部和西面的北部。其它為震旦系、前震旦系、第四紀(jì)出露，主要在礦區(qū)南部的邊緣，在北部主要出露在上臥鋪一帶。第四紀(jì)主要分布于古河床、山坡上呈山麓堆積及沖積扇。

圖1 華北地區(qū)煤田分布簡(jiǎn)圖Fig. 1 Distribution of coal fields in North China

興隆煤田為石炭、二疊系煤層，系海陸交替相沉積而成，煤系地層的基底是奧陶系灰?guī)r，為平行不整合接觸。巖漿巖侵入十分嚴(yán)重，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，包括10 個(gè)井田和2 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)（井田分布如圖2 所示）。煤系地層一般厚度660 m，煤層走向東西和北東，傾向南和南東，傾角20°～45°。共有4 個(gè)含煤地層，分別為馬圈子層、張家莊層、荒神山層和茂山層。含11 個(gè)層煤，有7 個(gè)可采煤層，各煤層均為復(fù)合煤層。煤種為氣煤、肥煤、貧煤、肥煤和焦煤。

圖2 興隆煤田井田分布簡(jiǎn)圖Fig. 2 Distribution of mines in Xinglong Coalfield

2 興隆煤田的形成

興隆煤田的形成與古地理環(huán)境的變化密切相關(guān)。

中石炭世時(shí)期，地殼開(kāi)始下降，海水范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，接受濱海湖泊沉積，形成興隆煤田的十一層、十層和九層煤，為薄煤層局部可采。中石炭系本溪群沉積之后，地殼上升海水退出形成晚石炭世底部的陸相沉積（北山礫巖層），地殼隨后又復(fù)下降接受湖泊沉積，形成沼澤環(huán)境。當(dāng)時(shí)氣候溫暖，植物繁茂，形成全區(qū)較穩(wěn)定的七、六層煤，是興隆煤田的主要可采煤層。隨后地層又均勻下降，海水侵入，由湖泊過(guò)渡為瀉湖，沉積了穩(wěn)定的喇嘛溝層。隨后，地殼上升海水退出，在成陸之前生長(zhǎng)出茂盛地鱗木、蘆木、高特木和羊齒類植物。這樣，隨著地殼頻繁升降和植物的不斷生長(zhǎng)、堆積，就形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤層巨厚的第二個(gè)煤層群—五層和四層煤，四層煤是興隆煤田的主要可采煤層。第二煤層群剛剛沉積完，地層又上升形成河流，然后地盤又下降逐漸形成沼澤，故沉積了極不穩(wěn)定的第一煤層群的三層、二層和一層煤。二層煤在馬圈子井田發(fā)育，為主要可采煤層。

3 區(qū)域構(gòu)造的演化及控制特征

3.1 區(qū)域構(gòu)造的演化

興隆煤田大地構(gòu)造體系位于中國(guó)三大緯向構(gòu)造帶之一的陰山東西構(gòu)造帶中自陰山地區(qū)向東延伸的部位，也是祁呂賀蘭“山” 字型東翼反射弧的褶皺帶和大興安嶺、太行山脈等北北東向構(gòu)造帶與陰山東西復(fù)雜構(gòu)造帶交匯的地方，因興隆煤田正處于大地構(gòu)造折向變化的位置，所以地質(zhì)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜，從圖3 可以看出興隆煤田的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造。

圖3 煤嶺溝井田六煤層三維建模簡(jiǎn)圖Fig. 3 Three - dimensional modeling of six coal seams in Minlinggou mine field

就其整體來(lái)講，興隆煤田是一個(gè)規(guī)模巨大的倒轉(zhuǎn)向斜，其兩翼展布的寬度約5～6 km，軸向近似東西，由馬圈子地區(qū)往東一直發(fā)展到門子溝，超過(guò)20 km。倒轉(zhuǎn)向斜南翼由奧陶紀(jì)、寒武紀(jì)及部分震旦紀(jì)地層組成，巖層走向近似東西，傾向南，傾角50°～80°，巖層層序由北往南是由新到老，層序明顯顛倒。倒轉(zhuǎn)向斜北翼主要由奧陶紀(jì)、石炭二疊紀(jì)煤系地層組成，巖層走向東西，傾向南，傾角比南翼小，一般為15°～55°，巖層層序正常，由下往上按由老到新排列，由北往南，隨著擠壓應(yīng)力的加劇，巖層傾角逐漸增大，沖斷層的密度增加，規(guī)模較大，沖斷層的傾角也有逐漸增大的趨勢(shì)，這些沖斷層依次切穿巖層而形成疊瓦式構(gòu)造（疊瓦式構(gòu)造演化如圖4 所示）。倒轉(zhuǎn)向斜南翼靠近褶軸部位，在煤嶺溝等地還保存一部分隨同奧陶紀(jì)灰?guī)r倒轉(zhuǎn)的石炭二疊紀(jì)的基底礫巖層。

圖4 興隆復(fù)式疊瓦扇構(gòu)造演化Fig. 4 Structural evolution of Xinglong complex imbricate fan

3.2 區(qū)域構(gòu)造的控制特征

逆沖推覆構(gòu)造對(duì)興隆煤田的主要控制特征是東西向逆沖斷層、北東向逆沖斷層和南北向排列的擠壓構(gòu)造。

（1） 東西向逆沖斷層。隨著倒轉(zhuǎn)向斜的發(fā)生和褶皺構(gòu)造的加劇，東西向的逆沖斷層逐漸形成。在靠近煤田南部，處于褶軸部位附近的斷層密度大、傾角陡、規(guī)模大；而距褶軸較遠(yuǎn)的煤田北部，沖斷層密度相應(yīng)減小、斷層傾角變小。興隆煤田地質(zhì)構(gòu)造的主要特點(diǎn)是十?dāng)?shù)條規(guī)模不等的逆沖斷層使煤系地層形成疊瓦式構(gòu)造，也是本區(qū)最為發(fā)育的一組壓性結(jié)構(gòu)面。

（2） 北東向逆沖斷層。在煤田西部的馬圈子井田，北東向的壓性結(jié)構(gòu)面發(fā)育明顯，主要由一群北東向沖斷層和褶皺軸面組成，其走向一般在北東40°～ 50°，方向很少變化。在這組結(jié)構(gòu)面中最明顯的是馬圈子井田東南邊界上的逆沖斷層，向西南深入到平安堡的山區(qū)，往東北伸展十?dāng)?shù)公里。

（3） 弧形展布和南北向排列的擠壓構(gòu)造。在煤田東部火神廟井田出現(xiàn)一群弧形展布的擠壓面和南北向的擠壓面，分別形成一個(gè)弧形擠壓帶和一個(gè)南北向的擠壓帶，弧形擠壓帶展布在火神廟井田北部，弧頂在張家莊北，南北向擠壓帶展布在小南溝一帶，弧形展布主要由3 個(gè)并列的褶皺構(gòu)造組成的小“山” 字型構(gòu)造，如圖5 所示。

圖5 火神廟井田構(gòu)造綱要簡(jiǎn)圖Fig. 5 Structure of Huoshen mine field

4 逆沖推覆構(gòu)造與巖漿巖的關(guān)系

4.1 巖漿巖特征

巖漿巖在興隆煤田分布較廣，地面出露隨處可見(jiàn)。煤田北部和西北部的高山幾乎皆由巖漿巖形成。同時(shí)，被揭露的煤系地層和煤層中巖漿巖侵入體普遍存在，對(duì)煤層的侵蝕破壞作用十分明顯。

巖漿巖的來(lái)源和產(chǎn)狀。根據(jù)勘探、生產(chǎn)揭露和地表巖漿巖分布狀況，巖漿活動(dòng)來(lái)源應(yīng)為煤田之西北方和北方，歸屬地為2 個(gè)系統(tǒng)，即煤嶺溝、北馬圈子井田屬煤嶺溝系統(tǒng)，老爺廟二號(hào)、火神廟、火神廟東井田和棗子嶺勘探區(qū)屬摩天嶺系統(tǒng)。

巖漿巖在煤層中的形態(tài)特征大致分為3 種：①巖床，巖體與圍巖層理或片理大致平行，呈層狀、似層狀或串珠狀產(chǎn)出，厚度較穩(wěn)定，侵入面積大；②巖墻，巖漿經(jīng)由地層薄弱部位構(gòu)成通道，切穿圍巖及煤層，形成與圍巖層理或片理斜交或近于垂直的脈狀侵入巖體，在平面上呈長(zhǎng)條狀，對(duì)煤層破壞一般僅限于巖墻侵入部分的吞蝕及兩翼煤的接觸變質(zhì)；③巖珠，脈狀侵入體，在煤中延層理或裂隙穿插、擴(kuò)展、尖滅成珠狀、扁豆?fàn)?、手指狀和?shù)枝狀等脈狀產(chǎn)出，巖體界限極不規(guī)則，對(duì)煤層整體有較大破壞。由于巖漿巖對(duì)煤層的破壞侵蝕嚴(yán)重，致使部分區(qū)域因巖漿巖侵入導(dǎo)致煤質(zhì)降低，增加了開(kāi)采難度，如圖6 所示。

圖6 巖漿巖侵入破壞煤層Fig. 6 Magmatic rock intrusion and destruction of coal seam

4.2 逆沖推覆構(gòu)造斷層與巖漿巖的關(guān)系

（1） 巖漿活動(dòng)遇到通向地殼表面斷裂時(shí)，則沿此斷裂面上升；如遇煤層時(shí)，則沿煤層侵入，巖漿巖多在斷裂下盤侵入煤層，在上盤侵入的情況較少，上盤巖漿巖不發(fā)育，如圖7 所示。

圖7 巖漿巖延斷層侵入Fig. 7 Magmatic extension fault intrusion

（2） 靠近斷裂處巖漿巖厚而層數(shù)少，遠(yuǎn)離斷裂處巖漿巖薄而層數(shù)多，如圖8 所示。

圖8 巖漿巖侵入厚度變化Fig. 8 Change of intrusive thickness of magmatic rocks

（3） 巖漿在斷裂處附近侵入煤層時(shí)，主要沿底板或接近底板，遠(yuǎn)離斷裂時(shí)巖漿巖就逐漸向煤層頂板靠近，如圖9 所示。

圖9 巖漿巖侵入煤層頂、底板變化Fig. 9 Changes of magmatic rock invading the roof and floor of coal seam

5 興隆煤田瓦斯地質(zhì)規(guī)律與構(gòu)造特征的關(guān)系

5.1 興隆煤田瓦斯地質(zhì)規(guī)律

興隆礦區(qū)位于陰山燕遼高瓦斯帶，該高瓦斯帶上分布著下花園、北票等高瓦斯、煤與瓦斯突出煤田。礦區(qū)受南北向的強(qiáng)擠壓力控制，煤體破壞嚴(yán)重，海陸交互相的沉積環(huán)境，厚層泥質(zhì)巖和泥質(zhì)砂巖為主構(gòu)成的透氣性極低的圍巖，以及廣泛分布的巖漿巖侵入?yún)^(qū)，這都是瓦斯生成和積聚的有利條件。

然而，由于受疊瓦式構(gòu)造的影響，興隆礦區(qū)成為開(kāi)放式煤田，深部煤層隨地層逆沖至地表附近，煤層埋藏淺，多為0～280 m，很大一部分煤層處于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)，煤層傾角大，經(jīng)密集地走向逆斷層擠壓形成疊瓦式分布，地應(yīng)力不易積聚，且煤層露頭多，瓦斯順層逸散距離短，逸散條件好，從而決定了興隆煤田雖處于高瓦斯帶上，瓦斯卻相對(duì)偏低，是未發(fā)生煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的礦區(qū)?？偨Y(jié)興隆煤田瓦斯規(guī)律如下。

（1） 巖漿巖侵入影響。巖漿巖的大規(guī)模侵入使興隆煤田煤炭變質(zhì)程度提升，進(jìn)而從總體上提高了礦區(qū)的瓦斯等級(jí)。但是巖漿巖侵入?yún)^(qū)瓦斯的高低，要看瓦斯存儲(chǔ)的綜合條件判定，汪莊井田內(nèi)遇巖漿巖普遍瓦斯變大，而老爺廟井田則往往相反，其區(qū)別在于受構(gòu)造條件控制，瓦斯保存條件差異較大。

（2） 受密集的走向逆斷層控制，斷層面封閉性好，有利于瓦斯的保存。逆斷層多為壓性斷層，煤體破壞嚴(yán)重，構(gòu)造煤發(fā)育，瓦斯增大。極少數(shù)地區(qū)發(fā)育張性斷層和張扭性斷層，在煤層埋藏較淺的情況下，能夠顯著降低煤層瓦斯含量。這是老爺廟井田成為低瓦斯礦井的主要因素。

（3） 興隆煤田煤系地層圍巖中分布厚層的泥質(zhì)巖，瓦斯在煤層垂向上的運(yùn)移條件差，煤層傾角大，露頭多，瓦斯順煤層經(jīng)露頭排放和順張性裂隙排放是最重要的逸散通道。

（4） 瓦斯與埋深總體上呈正相關(guān)關(guān)系。但由于地質(zhì)條件非常復(fù)雜，在某些區(qū)域表現(xiàn)不顯著甚至相反。

（5） 在興隆煤田范圍內(nèi)，煤層變質(zhì)程度由西向東逐漸增大，瓦斯也呈現(xiàn)出由西向東逐漸增大的規(guī)律。這一規(guī)律和斷裂構(gòu)造分布有關(guān)，位于西側(cè)的營(yíng)子礦張裂和張扭裂隙發(fā)育，而東側(cè)的汪莊礦張性斷裂不發(fā)育，因而瓦斯高于前者。

（6） 興隆煤田范圍內(nèi)，瓦斯呈現(xiàn)由北向南逐漸增大的規(guī)律。主要原因是受鷹手營(yíng)子向斜控制，礦區(qū)位于其北翼，煤層傾角向南，向斜的南翼發(fā)生倒轉(zhuǎn)，并經(jīng)逆掩斷層向北推覆，增加了蓋層厚度，從北向南，趨向于向斜軸部，地應(yīng)力加大，埋深也增大，因而瓦斯呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

5.2 興隆煤田構(gòu)造特征對(duì)瓦斯賦存的影響

5.2.1 逆沖構(gòu)造派生斷層、褶皺構(gòu)造對(duì)瓦斯賦存的影響

興隆煤田的主要構(gòu)造特征是壓性逆斷層密集（如圖10 所示），這也較好地封閉了瓦斯，而且斷層附近煤層結(jié)構(gòu)受到擠壓力的強(qiáng)烈破壞，瓦斯涌出往往明顯增加。張性正斷層、張扭性平移斷層總體密度不大，但在營(yíng)子礦區(qū)域較多，有利于瓦斯的釋放，靠近張性、張扭斷層構(gòu)造密集區(qū)瓦斯涌出量明顯降低。

圖10 興隆煤田典型地質(zhì)剖面Fig. 10 Typical geological section of Xinglong Coalfield

5.2.2 逆沖構(gòu)造影響下的巖漿巖侵入對(duì)瓦斯賦存的影響

當(dāng)受巖漿巖影響的煤層整體封閉性較好時(shí)，則瓦斯相比更大；如果該條帶煤有露頭順暢地通到地表，或處于張裂隙構(gòu)造影響范圍，瓦斯逸散條件較好時(shí)，則瓦斯含量相比更小。在礦區(qū)內(nèi)的馬圈子、汪莊礦井田范圍，巖漿巖侵入?yún)^(qū)瓦斯普遍變大，而在老爺廟井田內(nèi)，由于張性裂隙較為發(fā)育瓦斯排放條件好于前二者，巖漿巖侵入?yún)^(qū)瓦斯普遍變小。以下通過(guò)2 個(gè)高瓦斯區(qū)域的實(shí)例分析，說(shuō)明逆沖構(gòu)造影響下的巖漿巖侵入對(duì)瓦斯賦存的影響。汪莊井田六煤層2762 采區(qū)4 號(hào)塊的瓦斯涌出量極高，如圖11 所示，4 號(hào)塊左邊是密集的高角度走向逆斷層，斷層附近煤體擠壓破碎，六煤層圍巖對(duì)瓦斯封閉良好，右側(cè)煤層被巖漿巖巖床侵蝕缺失，巖漿巖侵入提高了該區(qū)域煤層變質(zhì)程度，并且封堵了瓦斯順層向地表逸散的通道，且該處六煤層埋深大，不利因素疊加，因此六煤層4 號(hào)塊瓦斯涌出量倍增。

圖11 汪莊井田2762 采區(qū)4 號(hào)塊剖面Fig. 11 Section of block 4 of 2762 mining area in Wangzhuang Mine Field

與此相似的區(qū)域還有四煤層的主扇煤柱區(qū)域，如圖12 所示。

圖12 汪莊井田主扇房煤柱剖面Fig. 12 Coal pillar section of Wangzhuang mine field

該位置處四煤層埋深相對(duì)較大，右側(cè)受順層侵入的巖漿巖熱變質(zhì)作用影響，并被巖漿巖侵入截?cái)嘈纬煞舛拢髠?cè)高角度逆斷層封閉良好，故而瓦斯增高，涌出量增大。

5.2.3 推覆構(gòu)造改變上覆基巖埋深和煤層產(chǎn)狀對(duì)瓦斯賦存產(chǎn)生影響

由于興隆煤田的逆沖推覆構(gòu)造發(fā)育多個(gè)平行地走向逆斷層，造成煤層呈疊瓦狀分布，同時(shí)煤層角度20°～ 45°，形成了眾多的露頭，上覆基巖埋深較淺，最大埋深一般不超過(guò)300 m，較煤田形成時(shí)期上覆基巖埋深減少300～500 m。大量的煤層露頭顯著降低了興隆煤田的總體瓦斯含量，從根本上決定了興隆煤田雖然處于高瓦斯帶，卻相對(duì)而言瓦斯含量不高，涌出不大，沒(méi)有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的瓦斯地質(zhì)特征。

6 結(jié) 語(yǔ)

興隆煤田在較為獨(dú)特的逆沖推覆構(gòu)造影響下，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。各井田的疊瓦式構(gòu)造廣布，深部煤層推覆至地表形成大量露頭，巖漿巖延斷層侵入煤層，逆沖推覆構(gòu)造不利于深部煤層瓦斯發(fā)散，而利于淺部區(qū)域瓦斯逸出。逆沖推覆構(gòu)造形成了大量煤層露頭，對(duì)瓦斯地質(zhì)產(chǎn)生獨(dú)特的影響，從而決定了興隆煤田雖處于高瓦斯帶上，但卻相對(duì)瓦斯偏低，無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)瓦斯地質(zhì)特征。