冀北興隆煤田逆沖推覆構造特征及對瓦斯地質的影響

趙龍海

（承德興隆礦業有限責任公司，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子礦區和興隆縣境內（位置如圖1 所示），燕山沉降帶北部邊緣的山區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。分布在礦區南部、中部和北部。東起西山經老爺廟、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。其次是中侏羅統臺吉組的巖漿巖系所構成。分布在礦區東面的中部和西面的北部。其它為震旦系、前震旦系、第四紀出露，主要在礦區南部的邊緣，在北部主要出露在上臥鋪一帶。第四紀主要分布于古河床、山坡上呈山麓堆積及沖積扇。

圖1 華北地區煤田分布簡圖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巖，為平行不整合接觸。巖漿巖侵入十分嚴重，地質構造非常復雜，包括10 個井田和2 個預測區（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 個層煤，有7 個可采煤層，各煤層均為復合煤層。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境的變化密切相關。

中石炭世時期，地殼開始下降，海水范圍進一步擴大，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），地殼隨后又復下降接受湖泊沉積，形成沼澤環境。當時氣候溫暖，植物繁茂，形成全區較穩定的七、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，由湖泊過渡為瀉湖，沉積了穩定的喇嘛溝層。隨后，地殼上升海水退出，在成陸之前生長出茂盛地鱗木、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、堆積，就形成了結構復雜、煤層巨厚的第二個煤層群—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育，為主要可采煤層。

3 區域構造的演化及控制特征

3.1 區域構造的演化

興隆煤田大地構造體系位于中國三大緯向構造帶之一的陰山東西構造帶中自陰山地區向東延伸的部位，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造帶與陰山東西復雜構造帶交匯的地方，因興隆煤田正處于大地構造折向變化的位置，所以地質構造相當復雜，從圖3 可以看出興隆煤田的復雜地質構造。

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

就其整體來講，興隆煤田是一個規模巨大的倒轉向斜，其兩翼展布的寬度約5～6 km，軸向近似東西，由馬圈子地區往東一直發展到門子溝，超過20 km。倒轉向斜南翼由奧陶紀、寒武紀及部分震旦紀地層組成，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。倒轉向斜北翼主要由奧陶紀、石炭二疊紀煤系地層組成，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，隨著擠壓應力的加劇，巖層傾角逐漸增大，沖斷層的密度增加，規模較大，沖斷層的傾角也有逐漸增大的趨勢，這些沖斷層依次切穿巖層而形成疊瓦式構造（疊瓦式構造演化如圖4 所示）。倒轉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灰巖倒轉的石炭二疊紀的基底礫巖層。

圖4 興隆復式疊瓦扇構造演化Fig. 4 Structural evolution of Xinglong complex imbricate fan

3.2 區域構造的控制特征

逆沖推覆構造對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造。

（1） 東西向逆沖斷層。隨著倒轉向斜的發生和褶皺構造的加劇，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、規模大；而距褶軸較遠的煤田北部，沖斷層密度相應減小、斷層傾角變小。興隆煤田地質構造的主要特點是十數條規模不等的逆沖斷層使煤系地層形成疊瓦式構造，也是本區最為發育的一組壓性結構面。

（2） 北東向逆沖斷層。在煤田西部的馬圈子井田，北東向的壓性結構面發育明顯，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。在這組結構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，往東北伸展十數公里。

（3） 弧形展布和南北向排列的擠壓構造。在煤田東部火神廟井田出現一群弧形展布的擠壓面和南北向的擠壓面，分別形成一個弧形擠壓帶和一個南北向的擠壓帶，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 個并列的褶皺構造組成的小“山” 字型構造，如圖5 所示。

圖5 火神廟井田構造綱要簡圖Fig. 5 Structure of Huoshen mine field

4 逆沖推覆構造與巖漿巖的關系

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。煤田北部和西北部的高山幾乎皆由巖漿巖形成。同時，被揭露的煤系地層和煤層中巖漿巖侵入體普遍存在，對煤層的侵蝕破壞作用十分明顯。

巖漿巖的來源和產狀。根據勘探、生產揭露和地表巖漿巖分布狀況，巖漿活動來源應為煤田之西北方和北方，歸屬地為2 個系統，即煤嶺溝、北馬圈子井田屬煤嶺溝系統，老爺廟二號、火神廟、火神廟東井田和棗子嶺勘探區屬摩天嶺系統。

巖漿巖在煤層中的形態特征大致分為3 種：①巖床，巖體與圍巖層理或片理大致平行，呈層狀、似層狀或串珠狀產出，厚度較穩定，侵入面積大；②巖墻，巖漿經由地層薄弱部位構成通道，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，在平面上呈長條狀，對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；③巖珠，脈狀侵入體，在煤中延層理或裂隙穿插、擴展、尖滅成珠狀、扁豆狀、手指狀和樹枝狀等脈狀產出，巖體界限極不規則，對煤層整體有較大破壞。由于巖漿巖對煤層的破壞侵蝕嚴重，致使部分區域因巖漿巖侵入導致煤質降低，增加了開采難度，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 逆沖推覆構造斷層與巖漿巖的關系

（1） 巖漿活動遇到通向地殼表面斷裂時，則沿此斷裂面上升；如遇煤層時，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少，遠離斷裂處巖漿巖薄而層數多，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，主要沿底板或接近底板，遠離斷裂時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 興隆煤田瓦斯地質規律與構造特征的關系

5.1 興隆煤田瓦斯地質規律

興隆礦區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。礦區受南北向的強擠壓力控制，煤體破壞嚴重，海陸交互相的沉積環境，厚層泥質巖和泥質砂巖為主構成的透氣性極低的圍巖，以及廣泛分布的巖漿巖侵入區，這都是瓦斯生成和積聚的有利條件。

然而，由于受疊瓦式構造的影響，興隆礦區成為開放式煤田，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化帶內，煤層傾角大，經密集地走向逆斷層擠壓形成疊瓦式分布，地應力不易積聚，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，瓦斯卻相對偏低，是未發生煤與瓦斯突出危險的礦區?？偨Y興隆煤田瓦斯規律如下。

（1） 巖漿巖侵入影響。巖漿巖的大規模侵入使興隆煤田煤炭變質程度提升，進而從總體上提高了礦區的瓦斯等級。但是巖漿巖侵入區瓦斯的高低，要看瓦斯存儲的綜合條件判定，汪莊井田內遇巖漿巖普遍瓦斯變大，而老爺廟井田則往往相反，其區別在于受構造條件控制，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，煤體破壞嚴重，構造煤發育，瓦斯增大。極少數地區發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巖，瓦斯在煤層垂向上的運移條件差，煤層傾角大，露頭多，瓦斯順煤層經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關系。但由于地質條件非常復雜，在某些區域表現不顯著甚至相反。

（5） 在興隆煤田范圍內，煤層變質程度由西向東逐漸增大，瓦斯也呈現出由西向東逐漸增大的規律。這一規律和斷裂構造分布有關，位于西側的營子礦張裂和張扭裂隙發育，而東側的汪莊礦張性斷裂不發育，因而瓦斯高于前者。

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

5.2 興隆煤田構造特征對瓦斯賦存的影響

5.2.1 逆沖構造派生斷層、褶皺構造對瓦斯賦存的影響

興隆煤田的主要構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構受到擠壓力的強烈破壞，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，但在營子礦區域較多，有利于瓦斯的釋放，靠近張性、張扭斷層構造密集區瓦斯涌出量明顯降低。

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

5.2.2 逆沖構造影響下的巖漿巖侵入對瓦斯賦存的影響

當受巖漿巖影響的煤層整體封閉性較好時，則瓦斯相比更大；如果該條帶煤有露頭順暢地通到地表，或處于張裂隙構造影響范圍，瓦斯逸散條件較好時，則瓦斯含量相比更小。在礦區內的馬圈子、汪莊礦井田范圍，巖漿巖侵入區瓦斯普遍變大，而在老爺廟井田內，由于張性裂隙較為發育瓦斯排放條件好于前二者，巖漿巖侵入區瓦斯普遍變小。以下通過2 個高瓦斯區域的實例分析，說明逆沖構造影響下的巖漿巖侵入對瓦斯賦存的影響。汪莊井田六煤層2762 采區4 號塊的瓦斯涌出量極高，如圖11 所示，4 號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，六煤層圍巖對瓦斯封閉良好，右側煤層被巖漿巖巖床侵蝕缺失，巖漿巖侵入提高了該區域煤層變質程度，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 號塊瓦斯涌出量倍增。

圖11 汪莊井田2762 采區4 號塊剖面Fig. 11 Section of block 4 of 2762 mining area in Wangzhuang Mine Field

與此相似的區域還有四煤層的主扇煤柱區域，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較大，右側受順層侵入的巖漿巖熱變質作用影響，并被巖漿巖侵入截斷形成封堵，左側高角度逆斷層封閉良好，故而瓦斯增高，涌出量增大。

5.2.3 推覆構造改變上覆基巖埋深和煤層產狀對瓦斯賦存產生影響

由于興隆煤田的逆沖推覆構造發育多個平行地走向逆斷層，造成煤層呈疊瓦狀分布，同時煤層角度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300 m，較煤田形成時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，卻相對而言瓦斯含量不高，涌出不大，沒有煤與瓦斯突出危險的瓦斯地質特征。

6 結 語

興隆煤田在較為獨特的逆沖推覆構造影響下，地質條件十分復雜。各井田的疊瓦式構造廣布，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，逆沖推覆構造不利于深部煤層瓦斯發散，而利于淺部區域瓦斯逸出。逆沖推覆構造形成了大量煤層露頭，對瓦斯地質產生獨特的影響，從而決定了興隆煤田雖處于高瓦斯帶上，但卻相對瓦斯偏低，無煤與瓦斯突出危險瓦斯地質特征。