矿井瓦斯赋存规律 古汉山矿井瓦斯赋存构造逐级控制特征与_图文

矿井瓦斯赋存规律古汉山矿井瓦斯赋存构造逐级控制特征与_图文导读就爱阅读网友为您分享以下“古汉山矿井瓦斯赋存构造逐级控制特征与_图文”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对92TOCOM的支持摘要瓦斯是地质作用的产物，瓦斯生成、运移、保存条件受着综合地质作用的控制。现今煤层瓦斯的赋存状态是含煤地层经受复杂地质历史演化作用的结果。本文运用板块构造理论和区域地质演化理论，研究了太行山造山带和焦作矿区的大地构造位置及其在历次构造运动中的构造演化、构造应力场分布特征，结合古汉山矿井实际生产揭露的大量实测的瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯压力数据，依据瓦斯地质理论和瓦斯赋存构造逐级控制理论揭示了古汉山矿井的瓦斯地质规律和瓦斯赋存构造逐级控制特征，研究表明（1）焦作矿区位于华北板块、太行山隆起带南段近南北向（NNE向）向东西方向弧形转折部位，构造类型上划分为造山带推挤作用控制型。属于太行山造山带东缘高突瓦斯带，主要受北北东向展布的太行山造山带的控制；（2）井田内NE、NNE向断层发育较广且受多期次挤压、剪切构造作用，对瓦斯赋存及煤与瓦斯突出有利，而NW向断层为张性断层，对瓦斯释放有利；（3）以团相断层为界，将井田划分为两个瓦斯地质单元，分别讨论影响瓦斯含量的因素；（4）煤层埋深是影响古汉山矿井瓦斯含量的主控因素；矿井水文地质条件对瓦斯具有封堵作用；（5）根据煤层瓦斯含量、瓦斯压力等值进行煤与瓦斯突出危险性预测；（6）估算了古汉山矿井煤层气资源量为453983MM3。研究归纳总结出古汉山矿井瓦斯地质规律，为矿井规划、通风设计、瓦斯治理与抽采、防治煤与瓦斯突出危险性提供了可靠的理论依据。关键词古汉山；瓦斯地质；瓦斯含量；瓦斯赋存构造逐级控制ABSTRACTGASISAPRODUCTOFGEOLOGICALPROCESSES,MIGRATIONANDPRESERVATIONCONDITIONSARECONTROLLEDBYCOMPREHENSIVEGEOLOGYTHECURRENTCOALSEAMGASOCCURRENCEISTHERESULTOFCOALSEAMWITHCOMPLEXGEOLOGICALEVOLUTIONANDGASGENERATIONTHISPAPERUSESTHETHEORYOFPLATETECTONICSANDEVOLUTIONOFREGIONALGEOLOGYTHEORY,STUDYONTHETWOPARTSOFTAIHANGMOUNTAINOROGENICBELTINJIAOZUOMININGAREAANDTHEREGIONALSTRUCTUREOFTECTONICPOSITIONANDINSEVERALTECTONICMOVEMENTSOFTECTONICEVOLUTION,TECTONICSTRESSFIELDDISTRIBUTIONCHARACTERISTICSOFGUHANSHANCOALMINE,COMBINEDWITHTHEACTUALPRODUCTIONTOEXPOSEOFTHEMASSOFTHEGASCONTENT,GASEMISSION,GASPRESSUREDATA,ACCORDINGTOTHETHEORYOFGASGEOLOGYANDGASOCCURRENCETECTONICCASCADECONTROLTHEORYREVEALSINGUHANSHANCOALMINEGASGEOLOGYRULEANDGASOCCURRENCECONTROLCHARACTERISTICS,STUDYSHOWS（1）THEJIAOZUOMININGAREAISLOCATEDINTHENORTHCHINAPLATE,TAIHANGMOUNTAINUPLIFTBELTNEARNORTHSOUTHNNETOTHEEASTWESTDIRECTIONARCTURNINGPARTS,STRUCTURETYPEISDIVIDEDINTOPUSHINGROLEINCONTROLLINGTYPEOROGENICBELTBELONGSTOTHEEASTERNEDGEOFTAIHANGMOUNTAINOROGENICBELTINHIGHOUTBURSTGASZONE,MAINLYBYTHENNETRENDINGTAIHANGMOUNTAINOROGENICBELTCONTROL（2）NEFAULTDEVELOPMENTBROADER,ANDTHEMULTISTAGECOMPRESSION,SHEARSTRUCTUREOFTHETRANSFORMATION,EASYGASOCCURRENCE,INCREASINGCOALANDGASOUTBURSTHAZARD,ANDNWFAULTISEASYFORGASRELEASE（3）INTHEGROUPPHASEFAULTASTHEBOUNDARY,THEMINEFIELDISDIVIDEDINTOTWOGASGEOLOGICALUNIT,RESPECTIVELY,TODISCUSSTHEINFLUENCEOFGASCONTENTFACTOR（4）THEBURIALDEPTHOFCOALSEAMISTHEIMPACTOFGUHANSHANCOALMINEGASCONTENTOFTHEMAINCONTROLFACTORSMINEHYDROGEOLOGICALCONDITIONONGASHASABLOCKINGEFFECT（5）ACCORDINGTOTHECOALSEAMGASCONTENT,GASPRESSUREANDSOONPERFORMEDCOALANDGASOUTBURSTHAZARDPREDICTION（6）ESTIMATECBMRESOURCEINGUHANSHANCOALMINEIS453983MM3RESEARCHSUMMARIZEDGASGEOLOGYRULEOFGUHANSHANCOALMINEPROVIDESTHERELIABLETHEORYBASISFORMINEPLANNING,VENTILATIONDESIGN,GASCONTROLANDEXTRACTION,PREVENTIONANDCONTROLOFCOALANDGASOUTBURSTDANGERKEYWORDSGUHANSHANCOALMINE；GASGEOLOGY；GASCONTENT；GASOCCURRENCETECTONICCASCADECONTROL目录摘要IABSTRACTIII目录V1概述111选题背景及意义112国内外研究现状213主要研究思路、方法及内容514研究技术路线62区域地质构造演化及瓦斯赋存构造逐级控制特征721中国大地构造归属及动力学特征722华北陆块构造单元划分1123太行山造山带的构造演化1424焦作矿区瓦斯地质规律和瓦斯分布特征17241矿区概况17242矿区构造演化及对瓦斯控制19243构造煤对瓦斯赋存的影响22244水文地质条件对瓦斯赋存的影响22245焦作矿区瓦斯赋存构造控制特征243古汉山矿井瓦斯赋存构造控制特征2931矿井地质概况29311矿井概况29312地层30313含煤地层及煤质31314地质构造32315水文地质特征33316瓦斯3432矿井构造对瓦斯赋存影响35321构造特征35322断层、褶曲对瓦斯赋存的影响3633矿井瓦斯地质单元划分384古汉山矿井瓦斯含量和瓦斯涌出量预测4141瓦斯含量预测41411瓦斯含量影响因素分析41412瓦斯含量分布及预测研究4642瓦斯涌出量预测47421瓦斯地质图法预测瓦斯涌出量47422分源预测法预测瓦斯涌出量545古汉山矿井煤与瓦斯突出危险区预测5751煤与瓦斯突出危险性参数测定及统计5752煤与瓦斯突出危险性影响因素分析5853煤与瓦斯区域突出危险性预测606古汉山井田煤层气资源量预测6361瓦斯地质图法确定煤层气资源量6362古汉山矿井二1煤煤层气资源量估算结果及评价657结论与展望67参考文献69VI1概述11选题背景及意义煤炭是我国的主要能源，在未来很长的一段时期内，我国仍将是以煤炭为主的能源结构。在国家相关文件中和重要会议上，明确确定了“坚持以煤炭为主体，电力为中心，油、气和新能源全面发展的能源战略”1。2011年全国原煤产量为352亿吨，同比增加28亿吨，增量为历史最高水平。煤炭在一次能源生产结构中的比重接近80，继续发挥主体能源作用。到2015年全国煤炭年需求将达到39亿吨。“十三五”以后，全国煤炭需求量在40亿吨以上逐年增长2。而瓦斯是一种不稳定的气体地质体，瓦斯涌出与煤炭生产如影随形，不仅易燃易爆，而且无色、无味，是威胁煤矿安全生产和矿工生命的最大灾害源。“瓦斯是我国煤矿安3全的第一杀手”，而且我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，煤与瓦斯突出事故频发。1990年中国煤矿共有突出矿井274余对，共发生煤与瓦斯突出10867余次；2011年中国煤矿共有突出矿井1047余对，共发生煤与瓦斯突出16741余次，近20年平均每年增加突出矿井37对、增加煤与瓦斯突出280余次4。根据最新的统计结果显示，2010年发生145起、死亡623人，比2005年别下降65、713；2011年，全国煤矿发生瓦斯事故119起、死亡533人，同比减少36起、90人，分别下降179和147。2010年煤矿瓦斯事故百万吨死亡率从2005年的281下降到2010年的07495。但与世界先进国家相比，差距仍然较大，中国煤矿百万吨死亡率是澳大利亚的75倍、美国的42倍、印度的43倍、俄罗斯的39倍6。我国历届政府高度重视煤矿瓦斯的治理工作，国家“十二五”规划要求到2015年，煤矿瓦斯事故起数和死亡人数比2010年下降40以上；新增煤层气探明地质储量1万亿M3；煤层气（煤矿瓦斯）产量达到300亿M3。2011年，我国煤层气（煤矿瓦斯）抽采量115亿M3，利用量53亿M3，同比分别增加367和5147。但我国煤矿安全形势依然严峻，主要原因是我国煤层赋存条件比较复杂，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井约占1/3，防治煤矿瓦斯事故始终是安全生产的重中之重，很长一段时间以来都是影响和危害煤矿安全状况和矿工生命的最大灾害。瓦斯是煤层在地质演变历史过程中形成的伴生物，是经过数千万年至数亿年煤的变质作用形成的，其生成条件、保存条件、赋存和分布规律都受着极其复杂的地质作用控制。瓦斯在煤层中产生、存储煤岩体之中。经过煤体的沉积作用、在煤层形成后，煤层受到地质构造作用的改变，煤层中瓦斯的赋存分布受到影响。其中，煤层的埋藏深度、煤层厚度、煤的变质程度都对瓦斯有一定的影响，地质构造对煤层的改变以及围岩透气性系数也对瓦斯的赋存产生影响。现在人们对瓦斯的研究很重要的一个领域是研究地质构造对煤层瓦斯赋存的影响。一般来说，煤层在形成后，在后期地质构造作用下，地应力集中，煤体围岩遭到破坏，对煤层瓦斯的分布产生重要的影响。焦作矿区是全国严重的煤与瓦斯突出矿区之一，截止2005年底发生过330次突出，历史上造成了多起重大伤亡事故。其中有3次特大型煤与瓦斯突出，占全国特大型突出总次数的8。2005年8月23日发生的特大型煤与瓦斯突出，突出煤量2398T，突出瓦斯量23万M3，突出强度居长江以北第二位；2011年10月27日零时36分，河南焦作九里山煤矿发生煤与瓦斯突出事故，7造成人遇难，11人下落不明的惨剧。目前矿区绝对瓦斯涌出量为155M3/MIN，相对瓦斯涌出量2545M3/T，最高达155M3/T，煤层瓦斯含量1538M3/T（吨煤瓦斯突出量达120150M3），瓦斯压力为126242MPA。随着开采的延深，瓦斯含量、瓦斯压力、绝对瓦斯涌出量逐年增加，煤与瓦斯突出危险性将越来越大，给安全生产带来严重的威胁。12国内外研究现状国外许多国家诸如澳大利亚、苏联、美国都较早的开展了瓦斯地质工作的研究。澳大利亚的JSHHERD8对地质构造研究的基础上，对瓦斯突出作了广泛的研究。BIBLESCJ等学者9、英国的DAVIDP都对地质演化理论进行了研究，最重要的是他提出了煤层中瓦斯受到地质构造作用的影响10，地质构造使主导因素。英国的FRODSHAMK、HUOYINLI等人1112认为地质构造的作用容易在含煤地层的周围形成构造煤。前苏联通过研究，指出煤的变质程度，煤层围岩、构造的复杂程度影响着煤层瓦斯的赋存，受地质因素的控制，瓦斯的分布具有不均匀性1314，伴随着计算机技术的飞速发展，在外国学者模式识别技术应用于数字图像处理，字符识别、语音识别，并取得了一些进展15。在我国，六七十年代以来瓦斯地质工作逐步开展起来，对影响瓦斯赋存的地质条件进行了研究，一些学者划分出瓦斯集中涌出带16。80年代著名安全专家杨力生教授1718与张子敏等人（1983）建立了“编制全国煤矿瓦斯地质图”煤炭工业部重大项目，大力推进了瓦斯地质学科的进步。张子敏从板块构造运动学说入手，分析地质构造演化历史，研究构造演化对瓦斯的生储盖条件的影响，有效的预测了矿区、矿井的瓦斯涌出情况1922。张玉贵等揭示了构造煤的动力变质作用及其演化规律2325。宋三胜等从影响矿井瓦斯的断层构造因素分析，阐述了断层构造与工作面瓦斯涌出量之间的关系，总结了断层构造对瓦斯赋存的影响。康继武通过对褶皱构造控制煤层瓦斯的基本类型及其意义进2行研究，对褶皱构造控制煤层瓦斯的两种实例进行分析，得出褶皱构造对煤层瓦斯控制的四种基本类型。张岳桥等（2003）认为，新近纪以来，太行山南段经历了两期重要的印张变形时期。中心是中晚期，伴随着华北地区广泛的急性霍山湓溢活动，太行山南段受近NESW向引张应力的作用，构造变形集中而且发生在南段东苑和南苑断裂带上。进入21世纪以来，张子敏、张玉贵等人编制河南省煤矿瓦斯地质图，阐述了河南省瓦斯的四个带，分别为太行山造山带东缘高突瓦斯带、豫西强变形三软煤层高突瓦斯带、秦岭造山带北缘逆冲推覆构造系高突瓦斯带、鲁西南豫东断隆低瓦斯带26。张子敏教授成功申报了“十二五”国家科技重大专项课题“全国重点煤矿区瓦斯赋存分布规律和控制因素”的专题“全国58个重点煤矿瓦斯地质图”的编制工作，编制了1250万中国煤矿瓦斯地质图，完成了中国煤矿瓦斯地质图及全国矿井矿区省区瓦斯地质图编制科技成果鉴定材料，有效地促进瓦斯地质学科的发展，为煤矿瓦斯防治和国家煤层气开发规划提供了依据。本论文研究的焦作矿区古汉山矿井，瓦斯赋存和煤与瓦斯突出受构造控制作用比较典型，前人已取得的研究成果为本研究提供了丰富的研究参考资料。焦作煤田是华北晚古生代聚煤盆地的一部分，位于华北板块之内的太行山断隆区南缘山前断裂带，为太行山背斜的东南翼。牛树银（1994），罗照华（1999），王同和（1995）等对太行山造山带的形成、地壳演化及成矿规律进行了研究2729。太行山山前断裂带位于太行山脉与华北平原的过渡地带，是华北及我国东部地区一条重要的构造带。此断裂带不仅是地形地貌分区的界线，而且也是区域地质构造和地球物理场中一条重要的边界，一些研究者认为它属深大断裂带（黄汲清，1980；商宏宽等，1985；河北省地质矿产局，1989；河南省地质矿产局，1989），也有认为它是一条活动断裂带和地震构造带（李绍等，1984；江娃利等，1984）。张岳桥等（2003）认为，新近纪以来，太行山南段经历了两期重要的引张变形时期30,31。中新世中晚期，伴随华北地区广泛的基性火山喷溢活动，太行山南段受近NESW向引张应力作用，构造变形集中在南段东缘和南缘断裂带上。上新世至早更新世时期，强烈的NWSE向地壳引张导致太行山隆起南段夷平地貌的解体和地堑盆地的形成32。万天丰和朱鸿教授（2003）一起，通过两年多的努力，选择了古地磁资料精度相对较高的81篇文献，采用了时代不同、地区不同的255个古地磁数据，编制了中国大陆及邻区古生代以来各地块的古地磁数据表和一系列古构造复原图件，恢复了中国大陆各构造期构造应力场3334。籍此，可以搞清各个不同方向构造线在各个构造演化时期经历的构造应力作用，以及对煤体挤压剪切作用，掌握构造煤的分布规律和瓦斯富集区，从而搞清现阶段各期次构造运动对煤与瓦斯突出危险性的控制作用。何建坤（1994）通过对焦作矿区盖层构造演化、二1煤层变质作用和生烃过程研究，探讨了不同构造演化阶段二1煤层产出气体的运移和赋存规律。宋志敏、孟绍平（2002）分析了焦作矿区煤层气含量的分布规律；探讨了断块构造、煤层埋深、上覆地层有效厚度等对煤层气的控制作用35,36。张广德（1995）、陈家清（2000）、何俊（2000）等对焦作矿区煤与瓦斯突出区域预测指标进行了探讨3739。前人在本区的研究工作为本研究提供了良好的借鉴和参考依据。13主要研究思路、方法及内容板块构造理论区域地质构造演化理论构造运动演化印支运动演化燕山运动演化喜山运动演化现代地球动力学其区域岩浆活动矿区瓦斯赋存构造逐级控制特征矿区大地构造位置与构造应力场演化扭图11瓦斯赋存构造逐级控制理论扭性性断断FIG11THETHEORYOFGASOCCURRENCESTRUCTURECONTROLCHARACTERISTIC裂裂带带矿井瓦斯赋存构造逐级控制特征压张向斜构造背斜构造滑动构造构造煤分布岩浆侵入水文地质瓦斯赋存构造逐级控制主要包含三个内容瓦斯赋存受地质构造控制，板块构造采区采面瓦斯地质规律与瓦斯预测控制区域地质构造，区域地质构造控制矿区地质构造，矿区构造控制矿井构造；地质构造演化控制着瓦斯的生成、赋存及构造煤、瓦斯渗透性及瓦斯突出危险区的分布；通过研究区域地质构造演化及对瓦斯的控制作用，掌握瓦斯赋存规律、构造煤的形成规律，进行瓦斯（煤层气）抽采区块分级和突出危险性预测，从而更好的掌握煤层的瓦斯赋存特征，分析矿井瓦斯地质规律，结合分析的瓦斯地质赋存控制特征进行瓦斯含量和涌出量的预测，更加准确的圈定煤与瓦斯突出危险区，以便能更好的指导煤矿井下和地面煤层气抽采，防治煤与瓦斯突出，减少煤矿瓦斯灾害。图12瓦斯赋存构造逐级控制理论技术路线图FIG12PROCESSCHARTOFGASOCCURRENCESTRUCTURECONTROLCHARACTERISTICTECHNOLOGY本文根据瓦斯赋存构造逐级控制理论和技术（1）运用板块构造理论和区域地质构造演化理论，分析了华北板块和太行山造山带所处的大地构造位置，进而研究了焦作矿区的区域地质构造和构造应力场演化历史及构造形迹分布特征。（2）搜集大量太行山造山带和焦作矿区的大量资料，研究矿区、矿井以及构造演化特征，厘清不同时期构造应力场对矿区、矿井构造的影响，进而分析构造演化对瓦斯赋存的影响，最终得出古汉山矿井的瓦斯地质规律。（3）收集和整理古汉山矿井历年的瓦斯资料、通风和产量报表、所有的地质勘探资料等相关资料，在瓦斯地质理论的指导下，运用瓦斯赋存逐级控制理论，将古汉山矿井划分为两个瓦斯地质单元。（4）根据古汉山矿井实际的瓦斯地质特征和瓦斯赋存规律进行瓦斯含量、瓦斯涌出量预测，依据含量估算瓦斯（煤层气）资源量，进行瓦斯（煤层气）抽采区块分级和突出危险性预测，进而更加准确的圈定煤与瓦斯突出危险区。14研究技术路线图13古汉山井田瓦斯赋存构造逐级控制技术路线图FIG13PROCESSCHARTOFGASOCCURRENCESTRUCTURECONTROLCHARACTERISTICTECHNOLOGYINGUHANSHANMINE2区域地质构造演化及瓦斯赋存构造逐级控制特征21中国大地构造归属及动力学特征中国大陆板块北为西伯利亚板块，西南印度板块，东南太平洋板块、菲律宾板块。四个板块分别以东准噶尔贺根山、雅鲁藏布江印度河及台湾大纵谷东台湾裂谷三条缝合线为其接触界线。中国大陆板块以塔里木华北板块，华南板块和藏滇板块为主体，并包括西伯利亚板块，印度板块和菲律宾海板块的一部分（图21）。图21中国大陆及邻区构造分区简图FIG21CHINAMAINLANDANDITSADJACENTAREATECTONICSKETCH中国大陆由六大板块在不同时期拼结而成。第一次拼接于晚元古代中期，塔里木陆块与华北陆块拼接，并与扬子陆块和华夏陆块汇合形成原始中国古陆；第二次拼接于晚古生代后期，西伯利亚板块南缘与塔里木华北板块北缘连为一体，形成了天山兴安活动带；第三次拼接于中生代早期，塔里木华北板块南缘与华南板块北缘、西缘，以及华南板块西缘与藏滇板块北缘连为一体，同时形成了横贯中国东、西部的昆仑秦岭活动带；第四次拼接于新生代早期，印度板块北缘与藏滇板块南缘连为一体，形成了川滇青藏活动带。至此，作为统一的中国大陆形成。中国大陆的基本构造单元，主要为以陆块（地台）为代表的稳定区和以陆缘（地槽）为代表的活动带。主要稳定区有华北陆块、塔里木陆块和扬子陆块。主要活动带有天山兴安活动带，昆仑秦岭活动带，川滇青藏活动带，南华活动带，台湾活动带，以三个地台为核心，周围围绕着一系列不同时代的褶皱系。华北塔里木地台以北，为天山兴蒙褶皱系；以南为秦、祁、昆褶皱系；西南方为滇藏褶皱系；扬子地台东南侧为华南褶皱系和台湾褶皱系（图22）。图22中国大地构造分区略图FIG22SKETCHOFTECTONICUNITSINCHINA中国东部及邻区的滨太平洋系构造域可分为古太平洋系和今太平洋系，是两个完全不同的动力学体系。中国东部及邻区的古太平洋体系是一个碰撞挤压型的动力学体系，与之相关的构造岩浆成矿带是古太平洋封闭、西太平洋古陆与亚洲大陆碰撞作用的结果。这一作用过程从印支旋回开始，燕山旋回达到高潮。白垩纪，特别是晚白垩世和第三纪以来，中国东部属今太平洋体系，其地壳上地幔条、块，在地质图上表现为北东北北东方向的弧形和直线形展布的格局，这就是现今中国东部十分醒目的呈北北东方向展布的裂陷带及与之相关的隆起带和著名的呈北东北北东方向的西太平洋沟、弧、盆体系（图23）。图23濒太平洋地区中新生代板块相互作用机制图据李思田等1990简化FIG23THEINTERACTIONMECHANISMMAPOFPACIFICOCEANREGIONMESOZOICCENOZOICPLATE地块；1073；主应力迹线；62；1图13濒太平洋地区中新生代板块相互作用机制图中国东部及邻区的今太平洋体系，是重叠在古太平洋体系上一个新的地球动力学体系。尽管沿西太平洋毕鸟夫带亚洲大陆与西太平洋之间呈明显的挤压状态，但从总体上讲，这是一个裂陷引张型动力学系统，特别是晚白垩世、第三纪以来西太平洋古陆全面裂解、沉没，亚洲大陆东部边缘大规模裂陷而形成的动力学体系。图24中国及邻区大地构造及动力学略图FIG24CHINAANDPROVISIONALREGIONALTECTONICANDDYNAMICMAP1近代海洋俯冲碰撞带；2大陆碰撞逆冲断裂带；3大型走滑断裂带；4大型断裂带；5推测及隐伏断裂带；6大洋中脊；7大洋伸展裂谷；8大洋海岭；9边缘海伸展盆地；10陆内伸展裂谷；11中生代以来块体相对运移方向处于欧亚板块东南隅的中国大陆，被印度和西伯利亚板块、太平洋和菲律宾大洋板块所夹持，中国大陆内部的板块活动性与活动断裂、活动褶皱、活动盆地与地震活动等紧密相关，块体活动性反映了区域应力场的特点，而区域的特点又构成中国大陆动力学的总体背景。现代应力场（图24）反映中国大陆动力学总体背景是西部挤压、东部拉张（丁国瑜等，1991；马杏垣，2004）。而中国东部是以华北为代表的总体为拉张、伸展背景下的正走滑断裂和断陷盆地型，正断裂和地堑、半地堑盆地的发震构造模型，常常是拉张区中地壳滑脱带以上的地壳脆性变形，下地壳陡倾角走滑断裂带的活动和发展，利用GPS技术，中国大陆地壳的整体主压应变方向为北北东至北东方向，它反映的是现阶段地壳活动的主应力方向。22华北陆块构造单元划分华北板块的北界是阴山东西向构造带；其南界为秦岭、大别山构造带；西界为贺兰山、六盘山构造带；东界在郯庐断裂带以东。在华北板块内部还有从西到东的四条北北东向的小板块边界带，它们是（1）山西断陷带；（2）太行山山前断裂带；（3）沧东断裂带；（4）郯庐断裂带。因此，在华北板块内部又出现五个小的板块（1）晋西、鄂尔多斯板块；（2）晋冀板块；（3）冀中板块；（4）冀鲁板块；（5）辽鲁板块。华北陆块进一步划分为十个三级构造单元，分别是阿拉善隆起地块；华北边缘隆起带（内蒙地轴）；燕辽中元古裂谷带；鄂尔多斯中生代拗陷；鄂尔多斯边缘新生代地堑；山西隆起；华北南缘中元古裂谷带；胶辽隆起；鲁淮断隆；华北新生代裂陷盆地（图25）。图25华北陆块构造分布图FIG25THENORTHCHINABLOCKTECTONICMAP华北陆块与塔里木陆块共同组成了塔里木华北板块的主体，北与天山兴安活动带（褶皱区）相邻，南与昆仑秦岭活动带（褶皱区）接壤，自西向东，跨越甘肃、陕西、宁夏、内蒙、山西、河南、河北、辽宁、山东、安徽，江苏等十一个省（区），在中国构造格架中起着中枢作用。形成于吕梁运动，基底为太古宙和早元古代的各种变质岩；盖层包括中、晚元古代，寒武纪中奥陶世浅海碎屑岩和广海碳酸盐岩，晚石炭世二叠纪沉积了我国最重要的海陆交替相含煤地层；中新生代为陆内裂陷盆地沉积（图26）。图26华北地区活动构造与块体运动学模型FIG26NORTHCHINAREGIONALACTIVETECTONICSANDBLOCKKINEMATICSMODEL华北板块中新生代构造应力场，华北板块的最大主压应力轴，主要为挤压体制，如图27、28所示。同时由于西伯利亚板块、印度板块、太平洋库拉板块三大构造域的演化发展及其不同地质历史阶段的相互制约，控制了华北中生代构造应力场的演化。尤其是燕山运动以来的强烈活动，使中新生代以来成为地壳运动最活跃的时期，造就了丰富多彩的构造形迹。1背斜2向斜3逆断层4区域挤压力方向图28太行山及周边地区中生代构造略图图27华北断块构造变形力学模型FIG27NORTHCHINABLOCKMECHANICALMODELFIG28TAIHANGMOUNTAINSANDTHEMESOZOICTECTONICSKETCHMAPOFTHESURROUNDINGAREAOFTHEMESOZOTICTECTONICDEFORMATION而从晚侏罗世开始至新生代转为引张体制，受NWSE向强烈拉张，主压应力方位为NE（西部）、NEE（东部）。晚白垩世至早第三纪，在欧亚大陆的阻隔之下在拉张的作用下，使得中国东部大陆向洋蠕散，加上造山后陆块发生松弛及造山带向沿海迁移后引起的后缘扩张作用，华北陆块以裂陷活动为主，形成了下辽河渤海华北裂陷盆地、汾渭裂陷盆地等，煤层瓦斯得到大量的释放，进一步发展形成了那里的低瓦斯带4042。构造演化如图29所示，现代构造应力场如图210所示。图29喜马拉雅阶段华北陆块构造示意图FIG29SCHEMATICSTRUCTUREOFNORTHCHINAPLATEINHIMALAYANSTAGE图210华北板块现代构造应力场分布图FIG210THENORTHCHINAPLATEANDTHEMODERNTECTONICSTRESSFIELDDISTRIBUTIONMAP图232华北板块现代构造应力场分布图23太行山造山带的构造演化焦作矿区是华北晚古生代聚煤盆地的一部分，位于华北板块之内的太行山断隆区南缘山前断裂带，为太行山背斜的东南翼。本区构造受太行山隆起及山前断裂带的控制。太行山山前断裂带位于华北断块区的中部，为太行山断块隆起区与华北平原裂陷盆地区的构造分界线，由黄庄高丽营、徐水、保定石家庄、邯郸、汤东和汤西等十多条NENNE向断裂组成（图211）。根据太行山山前断裂带及其邻区岩相古地理的资料（叶连俊等，1983；河北省地质矿产局，1989；山西省地质矿产局，1989），古生代时华北断块区总体上是海相、海陆交互相直至陆相的沉积环境，断裂带两侧地区基本上具有统一而稳定的沉积古地理条件，普遍发育沉积盖层，三叠系也以面状沉积为主。在这漫长的地质时期中，太行山山前断裂带两侧地区的岩相古地理和地层分布无明显差异，表明此断裂带在该时期尚未形成。自侏罗纪起，中生代裂陷作用使华北东部在相对隆起的背景上开始出现一系列断陷盆地。在现今太行山山前断裂带分布的一些地段发育有上侏罗统和下白垩统，一般厚（残留）10002000M，保定石家庄一带最厚达4000余米，这说明作为太行山山前断裂带组成部分的八宝山、保定石家庄和邯郸等断裂可能已开始形成，控制了晚侏罗世早白垩世断陷盆地的沉积。早白垩世末以SENW向挤压为主的燕山运动，使华北地区绝大多数断陷盆地封闭消亡，同时形成褶皱及逆平移断裂。从未受到新生代反转活动改造的八宝山断裂为逆断裂性质、邻区构造变形特征，以及东边同样控制了中生代盆地的沧东断裂此时转为逆断裂（吴涛等，1993）等情况看，太行山山前断裂带中已产生的断裂可能都反转为逆断裂。在晚白垩世和新生代初，太行山山前断裂带和其它断裂都基本稳定，华北断块区整体抬升遭受剥蚀并逐渐均夷而准平原化，最后形成广泛分布的北台期的华北准平原（吴忱等，1999）。4039383736八宝山断裂，黄庄高丽营断裂，顺义良乡断裂，南苑通县断裂，徐水断裂，大兴断裂，保定石家庄断裂，晋县断裂，邯郸断裂，汤东断裂，11汤西断裂，12南口孙河断裂，13东垒子涞水断裂，14夏垫断裂，15安新断裂，16新河断裂，17隆尧断裂，18任县断裂，19永年断裂，20磁县大名断裂，21南山村岔口断裂，22临漳断裂23安阳南断裂，24新乡兰考断裂，25林县西断裂，26紫山西断裂，27晋城获鹿裂，28沧东断裂，29九里山断裂，30西仓上断层，31许河断层，32凤凰岭断层，33朱村董村断层图211太行山山前断裂带沿线断裂和中生代地层分布图（据徐杰，2000修改）FIG211FAULTSANDMESOZOICSTRATAALONGTHEPIEDMONTFAULTZONEOFTAIHANGMOUNTAIN到早第三纪以NWSE向拉张为主的新生代裂陷作用使华北准平原的地壳强烈拉张断陷，太行山山前断裂带的先存断裂重新开裂反转为正断裂，同时形成一些新断裂，控制了一系列不同级次断陷盆地的发育，经强烈拉张、拆离滑脱，进一步发展成为渤海湾裂陷盆地（北华北盆地）的西部边界。断裂带东侧作为盆地基底面的北台期准平原面，被一系列NNENEE向断陷主断裂及其控制的断陷盆地（凹陷）分割解体，形成复式盆岭构造系统，断陷盆地的基底面被埋藏于10006000M厚的下第三系之下。同时，断裂带西侧的太行山地区整体相对隆升，北台期准平原面估计被抬升到现今海拔1500M左右的高度。早第三纪末出现相对挤压，盆地区断陷作用消失，下第三系遭到一定程度的挤压变形和剥蚀，形成上第三系与下第三系之间的区域不整合面，而太行山东麓则形成甸子梁剥夷面（吴忱等，1999）。晚第三纪和第四纪，渤海湾盆地由早第三纪的断陷（裂陷）阶段进入拗陷（后裂陷）阶段，盆地整体下沉，上第三系和第四系广覆于早第三纪的盆岭构造之上，形成统一的大型坳陷盆地，造就了华北大平原。太行山山前断裂带大部分被埋藏于平原之下。西侧的太行山体仍有不同程度的间歇性隆升，形成唐县期剥夷面和河谷四级阶地（吴忱，1984、1999；程绍平等，1981），从而塑造出太行山山前断裂带两侧反差强烈的构造地貌景观4345。24焦作矿区瓦斯地质规律和瓦斯分布特征241矿区概况焦作煤田位于豫西北太行山南麓，矿区内构造以高角度正断层为主，局部有宽缓的褶曲，煤系地层为石炭二叠系。主采山西组二1煤层为单一可采煤层（邻近层不可采或受突水威胁），开采深度200900M，煤层平均厚度6M，倾角620，为中灰低硫高发热量优质无烟煤；二1煤顶底部一般分布有软分层，硬度为00802，中部煤质较硬，局部全层为酥软煤；煤层直接顶以砂质泥岩为主，局部为砂岩，老顶为砂岩，底板为砂质泥岩或泥岩，气体封闭条件好，有利于瓦斯保存，煤层瓦斯压力06242MPA，瓦斯含量1542M3/TR，透气性系数011564M2/MPA2D。焦作矿区位于华北板块、太行山隆起带南段由近南北向（NNE向）向东西方向弧形转折部位，同时也是太行山造山带向南华北构造带过渡的地带。焦作矿区石炭一二叠系含煤地层沉积之后，主要经历了印支期、燕山期和新生代四川期、华北期、喜马拉雅期等多次构造运动。印支期，如同华北地台其他煤田一样，主要受南北方向挤压，形成近东西向的断裂和宽缓的褶皱构造。燕山期，随同太行山隆起，形成北东北北东向的断裂和褶皱，主要表现为以挤压构造作用为主，是造成构造煤比较发育的重要原因（图212、图213）。图212焦作矿区构造纲要图FIG212OUTLINEDIAGRAMOFSTRUCTUREINJIAOZUOMINEFIELD焦作煤田西段倾向示意剖面125000（焦作矿务局）焦作煤田东段倾向示意图图213焦作煤田倾向示意图FIG213JIAOZUOCOALFIELDTENDENCYDIAGRAM焦作矿区瓦斯赋存分布可以划分为三个分区，可由2条大的控制性断层划分为三个分区，分别是近东西向的凤凰岭大断层和北西向展布的峪河口断层。位于凤凰岭断层以北、峪河口断层以西所围限的区域，主要发育北东、北北东向断裂，燕山期以挤压作用为主，后期受拉张作用，反转为正断层。其中包括了中马村、小马村、冯营、韩王、古汉山、位村、古汉山、方庄、演马庄9对矿井，全为高瓦斯突出矿井。峪河口断层是新生代形成的正断层，峪河口断层以东，由于位于断层的上升盘，上部因受隆起作用，主要为低瓦斯分布，如赵固矿井。凤凰岭断层为近东西向的大断层，对矿区起分划性控制作用，在断层以南的恩村，焦南等井田，主要为近东西向的断裂、褶皱构造，而北北东向的构造没有凤凰岭断层以北发育，相比之下，没有凤凰岭断层以北的构造复杂，目前煤层气施工钻孔取样，构造煤不发育，二1煤层厚7M左右，构造煤厚度大的地方仅占煤厚的1/10。煤层瓦斯含量普遍在30M3/T可燃基以上，最高42M3/T可燃基。位于凤凰岭断层以北、峪河口断层以西所围限的区域，主要发育北东、北北东向断裂，燕山期以挤压作用为主，后期受拉张作用，反转为正断层。其中包括了中马村、小马村、冯营、韩王、古汉山、位村、古汉山、方庄、演马庄9对矿井，全为高瓦斯突出矿井。凤凰岭断层以南以EW向构造为主，新构造作用阶段，据挽近M625级地震震源机制分析，现代应力场为12655，24083，31725。从而造成EW走向断裂的反扭和NE走向断裂的顺向压扭,瓦斯保存比较好，含量普遍较高，如恩村井田最高瓦斯含量可达45M3/T以上。NW向的峪河口断层以东地层隆起，地层受区域构造控制，其构造类型以断裂为主，断裂构造具有多期活动性，使煤系地层经历了长期暴露和强烈剥蚀，造成煤层上覆基岩有效地层厚度残留较薄，基岩的抬升剥蚀为瓦斯逸散提供了通道，使原始地层压力降低，原始的吸附平衡状态被打破，造成煤层的含气量降低。如赵固井田以北主要处于瓦斯风化带。242矿区构造演化及对瓦斯控制焦作矿区石炭二叠系含煤地层沉积之后，主要经历了印支期，燕山期和新生代四川期、华北期、喜马拉雅期等多次构造运动。（1）印支期（T1J1）华北板块受到北缘的西伯利亚板块以及南缘的扬子板块的俯冲碰撞作用，东秦岭洋封闭，使华北古大陆板块与华南古大陆板块完全对接，造成区域性主压应力为SN向，使区内EW向大断裂形成。（2）燕山期（JK2）由于东部太平洋板块对华北板块的俯冲，区域主压应力为NWSE向，太行山主体隆起，同时也使凤凰岭断层以北隆起区形成NE向挤压逆断层。（3）早第三纪时期（E1Q1）以NWSE向拉张为主的新生代裂陷作用，使原来的NE向逆断层反转为现如今的反向正断层，且伴有NW向断裂生成，NE向断裂被NW向断裂截切或封闭，共同发育并围限了一系列地堑、地垒或阶梯式断块。（4）新构造时期（Q2至今）中更新世以来，太行山南缘构造应力场以NEESWW向挤压和NNWSSE向引张力占主导地位。从而造成EW走向断裂的反扭和NE走向断裂的顺向压扭。煤储层的生成条件和保存条件控制了煤层瓦斯含量的大小，而煤储层保存条件对瓦斯含量的控制更为重要。瓦斯的生成贯穿于煤化作用的整个过程，而煤化作用和地壳构造作用密切相关。不同地质时代发生的地层隆起、剥蚀、沉积、凹陷或者岩浆活动，很大程度影响了煤化作用过程的瓦斯生成，也控制了瓦斯的保存或逸散。焦作矿区含煤地层沉积之后经历了印支、燕山和喜马拉雅三次主要构造运动，区域构造应力场主要发生了四次改变。不同构造演化阶段的断裂力学性质以及断裂规模控制了煤层中瓦斯的运移、保存，并决定了煤层如今的瓦斯含量。（1）从二1煤形成到三叠纪末，区内近EW向断裂处于同沉积作用。而NE、NW向断裂尚未形成，此时的含煤沉积地层是一个泄气通道不发育的完整沉积块体。且煤层埋深又大，因而使早期产出的气体大部分得到暂时保存。（2）燕山期（JK1），由于东部太平洋板块对华北板块的强烈俯冲，太行山在此期开始隆起，构造挤压应力场主方向为NWWSEE，形成一系列NNE方向的压性逆断层，对瓦斯的释放作用较小；近EW向断裂结束了早期同沉积作用，而在NWSE向主压应力的作用下处于右旋压扭，对早期产出的气体具有封闭作用；此期产气达到鼎盛，且总体上构造对瓦斯具有保存作用。（3）到K2E2时，区域应力场变为NESW向拉张作用，原来的NE向逆断裂反转为正断层，且太行山区在深部挤压、浅部伸展控制下快速隆起，此时NE向断层成为主要的泄气通道，瓦斯得到大量的释放；近EW向断裂挤压较强，对瓦斯释放较少（表21）。表21不同产气阶段断层动力特征及控气作用（据何建坤，1994改）TAB21RELATIONBETWEENFAULTDYNAMICANDMETHANEACCUMULATIONATDIFFERENTMETHANEGENERNATIONSTAGES第一产气阶段断层走向断层力学性质作用NE近EWNW未形成同沉积未行成封气压扭压扭张引印支期控气断层力学性质作用封气封气排气引张压扭压扭燕山期控气断层力学性质作用排气封气封气压扭张引压扭第二产气阶段早第三纪控气断层力学性质作用封气排气封气残留气运移阶段新构造期控气（4）新构造作用阶段，区域主应力方向为NEESWW向，规模巨大的近东西向断裂处于反扭拉张，并使煤层与对接盘强透气性奥陶系灰岩对接，构成主要的泄气通道，造成断层周围一定范围内瓦斯得到了排放。据统计，靠近东西向断裂250M内瓦斯含量比正常梯度下的瓦斯含量最大下降了55，大于250M含量处于正常（表22）。表22朱村断层对瓦斯控制作用（焦南井田）距朱村断层钻孔距离/M1511195115126529310150M100M200M250M300M750M870M300400200240550360220标高/M含量/M11022005979783275418616943实际瓦斯正常梯度下下降百分比瓦斯含量/M186622791453161827752114153641123352112103北东向断裂处于压扭断面紧闭状态，且与对盘弱透气性含煤岩系对接，排气作用微弱。但这组断层由于在燕山晚期对瓦斯进行了大量的排放，故两侧含量也有一定下降。一般距断面100M内含量均下降了3455。据研究在落差为1050M的北东向断层60M内，垂深为250300M时，含量为4955M3/T；距断层60150M内，同样深度内含量达1015M3/T；而距断层150M以外，含量处于正常。当断层落差大于50M时，同样深度，在距断层0200M内含量小于58M3/T；在150350内，含量达1520M3/T；大于350M外含量趋于正常。而古汉山断层断距280650M，在断层两侧600M内瓦斯都有一定下降。243构造煤对瓦斯赋存的影响利用测井曲线对构造煤进行分析和解译，获得构造煤厚度和破坏类型等参数，并填绘到瓦斯地质图上，日积月累，可获得构造煤发育分布规律。另一方面，依据构造控制理论，构造煤发育具有分区性和选层性。构造强烈变形地带是构造煤发育地带，尤其是构造挤压、剪切作用带，层间滑动构造是构造煤普遍发育的构造背景。一般背斜构造控制地带，构造煤主要分布于煤层上部，向斜构造控制地带，构造煤主要分布于煤层下部。焦作矿区凤凰岭大断层以南，构造煤的分布主要受近东西的褶皱构造控制。如恩村井田为一轴向近东西的向斜，构造煤主要分布于二1煤层底部，厚度一般不大于05M。凤凰岭大断层以北，燕山期构造作用强烈，NNE向构造叠加在近EW向构造上，构造比较复杂，构造煤普遍发育，厚度为0510M左右。如演马庄井田构造煤主要受燕山期北东北北东向构造挤压和剪切作用，使煤层发生顺煤层韧性剪切而形成。主要分布于煤层的顶板，厚度一般在70CM左右。占煤层总厚度的1/101/5，构造煤渗透性差，不利于瓦斯释放，从而容易引发煤与瓦斯突出。244水文地质条件对瓦斯赋存的影响焦作矿区以北为太行山区，海拔标高2001700M，为构造剥蚀的中低山地貌，广泛出露奥陶寒武系巨厚（8001000M）的碳酸盐岩，地形陡峭，深山峡谷，岩溶裂隙发育。大气降水后由地表短暂径流转入地下径流，地下水由高向低，自北和西北方向向矿区内径流，在矿区南部受到武陟隆起（前震旦系地层）和断距千米以上断层（董村、朱村、耿黄等）的阻挡（表43），使地下水在矿区内排泄。六十年代以前以天然泉水的形式排泄地下水，如古汉山前泉群总流量达16M3/S。六十年代后以矿井排水和工农业用水的形式排泄地下水。表23焦作矿区主要断层几何特征及控水意义TAB23MAINFAULTGEOMETRYCHARACTERISTICS断层名称凤凰岭断层朱村断层九里山断层方庄断层39井断层3井断层天宫区断层中站断层王封断层冯封断层走向倾角EWEWNENWNENENENENENE80757065656570657065长度/M落差/M70000200007000010000950045001000050008000900020030070010003001000200170280120601106012080120性质张性张性张性张性张性张性张性张性张性张性岩性脆性为主一软一硬脆性为主脆性为主脆性为主脆性为主脆性为主脆性为主脆性为主脆性为主及控水意义突水量4/S强径流带岩溶发育强径流带泉流量12/S强径流带多次底板突水富水性强多次突水富水性强强导水岩溶发育连EW向两大断层导水垂向导水突水量148/S连EW向断层多次突水连接凤凰岭断层与朱村断层按岩性、岩溶、裂隙发育程度、水力性质和富水程度、矿区含水岩组自下而上可分为4组（图43）。图214焦作矿区煤系水文煤质柱状图FIG214HYDROLOGYCOALCOLUMNOFCOALMEASURESINJIAOZUOMININGAREA（1）碳酸盐岩岩溶液裂隙含水层组主要为寒武、奥陶系的厚层状灰岩、泥质灰岩，总厚度8001000M。裸露区或断裂带带有大泉出露，泉流量0017M3/S。矿区北部双头泉水位标高为850M、山前为110M。区内岩溶液裂隙发育不均匀，煤矿涌出量10005000M3/D，水文标高11082M，属强富水含水层。（2）碎屑岩夹碳酸盐岩溶液裂隙含水层组由太原组石灰岩夹砂岩组成，其中灰岩含水层9层，以上段L8、下段L2灰岩层含水最丰富，厚度分别是68M和812M，岩溶裂隙较发育，渗透系数115M/D。L8简称八灰，上距煤层20M左右