黔西土城向斜位于贵州省盘州市北部，具有丰富的煤炭资源，煤系为上二叠统龙潭组，含煤48～54层，累计煤层厚度39.7 m，含可采煤层10～22层，可采厚度17.6 m，主要可采煤层为1,3,5,6,10,12,15,16,17,18和29号煤层[1]，主要有土城矿和松河矿两座大型煤矿。同时煤层气资源丰富、地质条件优越[2]，在土城向斜NE翼松河井田先后实施了1口煤层气参数井与9口开发试验井的示范工程，其中大部分开发试验井已获得工业气流[3]，进一步研究表明松河井田具备多煤层共采、煤系气共采的资源及开发条件[4-5]。然而研究区自晚二叠世煤系形成以来经历了多期的构造活动，形成了控制煤层展布的土城向斜，并造成了向斜内部构造的显著分异[6-7]。各煤层均遭受了不同程度的地质构造破坏，造成了不同变形程度构造煤的发育和煤储层物性的非均质性[8-9]，一方面导致土城矿和松河矿多起煤与瓦斯突出事故的发生[10]，同时也限制了煤层气开发甜点区段的分布以及煤层气开发井位的部署与优化[11]。因此，本文在土城向斜构造特征系统研究的基础上，结合煤矿井下煤壁构造煤分类与发育特征、变形特征观测，系统研究构造煤发育模式及其构造控制机理，为矿井煤与瓦斯突出防治以及煤层气选区评价提供借鉴。
1 构造格局与特征
土城向斜地处扬子准地台黔北台隆六盘水断陷普安旋扭构造变形区的中部[12]的土城NW向弧形断褶带，自北向南依次发育了土城向斜、鸡场坪断裂、坪地背斜、白块向斜、白秧坪背斜、照子河向斜、西龙背斜、照子河断裂和淹伍寨向斜等(图1)。西部褶皱和断裂构造呈NW向延伸，东部构造多发生偏转呈近EW向延伸;褶皱构造表现为紧闭背斜与宽缓向斜平行发育的隔档式褶皱组合特征，背斜核部为呈狭窄条带状出露的龙潭组煤系，向斜构造变形相对较弱，多呈短轴状开阔斜歪向斜。断褶带中部发育有鸡场坪断裂和照子河断裂等大型NW向逆断层构造，具有背冲型组合特征，并对褶皱构造的发育具有显著的控制作用(图2)。向斜的变形特征和变形程度明显的受到鸡场坪和照子河基底断裂的控制[13]，并随着与断裂距离的增大，构造变形程度发生急剧的减弱，由紧闭线状倒转的照子河向斜向短轴开阔斜歪的土城向斜过渡(图2)。同时照子河向斜处于两条逆断层的冲起构造部位、构造变形强烈，中部埋深达2 500 m以上[14]，伴有次级叠瓦状纵向逆断层的发育。土城向斜则处于逆断层的下盘、变形相对较弱，以NE向断层稀疏发育为主。研究区的构造格局及变形主要表现为“弧形断褶组合，基底断裂控制，局部变形强烈，变形衰减迅速”的总体特征。
图1 区域地质简图与构造纲要
Fig.1 Regional structural outline map of the Tucheng syncline
1—中三叠统;2—下三叠统;3—上二叠统龙潭组;4—上二叠统峨眉山玄武岩组;5—中下二叠统;6—地层界线;7—背斜;8—向斜;9—逆断层;10—断层;11—剖面线;12—井田边界;13—采样点位置
图2 土城NW向弧形断褶带A—A′构造剖面
Fig.2 Structural sections of A—A′,Tucheng syncline
土城向斜位于土城NW向弧形断褶带的西北部，南侧以NW向鸡场坪断裂、坪地背斜与照子河向斜相接，北部以哈箐地背斜与发耳菱形构造相接[13]。土城向斜NW向长约33 km，NE向宽约8 km，核部出露地层为中三叠统关岭组(T2g)，向斜两翼依次为下三叠统永宁镇组(T1yn)、飞仙关组(T1f)和上二叠统龙潭组(P3l)。整体上呈一NW向延伸的短轴开阔斜歪向斜，向斜内部构造分异显著。NE翼单斜弱变形区地层倾角相对较缓，一般为10°～35°，构造变形较弱，该区松河井田为走向NW、倾向SW的单斜构造，次级褶皱不发育、断层较为发育，以NE—NEE向的横向高角度正断层稀疏发育为主，NW向次之，且NW向断层被后期错移、改造迹象明显。SW翼陡立强变形区地层倾角30°～70°，且为NW向的鸡场坪逆断层所切割破坏(图2)，构造复杂，无开发矿井。NW部构造复杂区位于土城向斜NW部转折端部位，为NEE向大型普古坪断裂和宽约2 km的NE向洒基断裂带所切割破坏(图1)，同时发育有4条NE向次级宽缓褶皱，控制了土城井田的矿井构造发育。
2 构造煤类型与发育特征
在土城向斜及其矿井构造特征分析的基础上，进行了土城向斜NW部构造复杂区土城矿和NE翼单斜弱变形区松河矿的井下煤体结构与构造煤发育特征实地观测，并系统采集了不同类型构造煤样品(表1)，在室内对煤样进行系统的构造变形特征观测与构造煤类型鉴定(图3)。
2.1 构造煤类型及其变形特征
土城向斜构造煤发育类型较为齐全，主要有碎裂煤、片状煤、碎斑煤、碎粒煤、鳞片煤、揉皱煤和糜棱煤，不同类型构造煤具有不同的结构和变形特征。碎裂煤常发育有2～3组较大规模的构造裂隙(图3(a));片状煤煤体呈扁平板片状，一组平直稳定剪切构造裂隙优势发育，多为顺层裂隙、斜交裂隙次之;碎斑煤以碎斑和碎基所构成的碎斑状结构发育为特征，为不均匀发育的、密集网状裂隙将煤体切割、破碎而成(图3(b));碎粒煤煤体整体破碎成松散的碎粒和碎粉状(图3(c));鳞片煤中弧形压剪性裂隙呈鳞片状组合发育，摩擦面发育(图3(d));揉皱煤煤体表面不规则扭曲状揉皱变形，内部小型密集发育裂隙呈交替连续状定向揉皱弯曲排列(图3(e));糜棱煤煤体破碎呈紧密碎粒碎粉状，主体细微裂隙隐约弥散状密集发育，局部揉皱变形(图3(f))。
表1 土城向斜煤样煤体结构类型统计
Table 1 Statistics of tectonically deformed coal samples collected in Tucheng syncline
图3 土城向斜典型构造煤宏观变形特征
Fig.3 Deformation characteristics of tectonically deformed coal in Tucheng syncline
2.2 构造煤发育差异性特征
不同变形区域、构造部位和不同煤层构造煤发育类型差异明显，且表现出不同的发育特征。
2.2.1 NW部构造复杂区
12号煤层煤体结构简单，整体构造变形较弱，以原生结构煤为主，局部构造裂隙发育、形成碎裂煤。顶部煤分层(0.20 m)常见有弱变形片状煤发育，内部顺层裂隙发育;可见底板软弱泥岩上部发育有强变形揉皱煤分层(0.30 m)，灰分较高，弧形剪切裂隙发育，破碎块体呈透镜状、云母鱼状，煤中黏土矿物的富集发育利于揉皱韧性变形的发生[15]。在掘进头煤层变薄部位煤体变形增强，形成了以碎斑煤为主的构造煤类型，煤层灰分增高、见有鳞片煤发育，表面为强变形光亮摩擦面。巷道中见有4条较大规模的逆断层发育，断层两盘煤体多破碎严重，可见自上而下碎裂煤-片状煤(1.60 m)、揉皱煤(0.20 m)和糜棱煤(0.30 m)的构造煤变形序列发育，不同形态的断层面对煤体结构的影响也有所差异，平直稳定的逆断层面其牵引与伴生构造多不发育，对煤体结构发育影响较小;不规则S型、反S型断层面则会造成强烈伴生构造与构造煤发育，且断层面内凹处煤体破碎严重，碎粒煤和糜棱煤发育。15号煤层煤体坚硬完整，多为原生结构煤，裂隙不发育。17号煤层上分层多为原生结构煤，沿着夹矸层下部形成强变形揉皱煤、鳞片煤剪切变形带，揉皱多为不对称Z型或S型，反映了其剪切力偶成因，下分层碎裂煤发育。
2.2.2 NE翼单斜弱变形区
3号煤层结构简单，含一夹矸层，以原生结构煤为主，下分层局部构造裂隙较为发育、形成碎裂煤。12号煤层整体煤体结构简单，原生结构煤为主，小型垂层内生裂隙发育密集，见有大型穿层垂层裂隙发育，间距数米至数十米，另可见一组与层面斜交约30°的大型构造裂隙稳定发育，间距0.05～0.50 m，以0.20 m为主，形成弱变形片状煤。进风巷中可见煤层厚度变薄处常伴有煤体变形增强现象，顺层滑动和剪切迹象明显，顶部为原生结构煤(0.20 m)分层，向下为顺层发育的碎斑煤条带(0.10 m)，顺层裂隙密集发育，其下为碎裂煤分层(0.60 m)，煤体较为破碎，多组构造裂隙杂乱发育，稳定性较差，以低角度斜交裂隙为主，底部碎裂煤分层(0.70 m)变形较弱，两组高角度斜交构造裂隙稀疏发育，产状分别为180°∠74°和106°∠45°。15号煤层以原生结构煤为主，靠近断层附近变形增强形成揉皱煤、碎粒煤和碎裂煤，同时煤层顶部分层(0.05～0.16 m)顺层发育片状煤和鳞片煤，顺层剪切面发育，可形成低角度透镜状和云母鱼状剪切带。17号煤层厚度变化大、煤层结构复杂，煤层整体构造变形强烈，整个煤层均以糜棱煤为主，煤体破碎呈毫米级细小颗粒，一般粒径1～3 mm，且颗粒摩擦面发育，光滑明亮。局部为揉皱煤发育，煤体呈小型强变形不规则状揉皱。
土城向斜各煤层整体构造变形较弱，以原生结构煤和碎裂煤为主，片状煤、鳞片煤和揉皱煤常呈构造煤分层沿向斜翼部顺层发育，17号煤层则多以揉皱煤和糜棱煤为主。局部断裂构造发育区及煤层变薄或灰分增大构造应力集中部位常发育有强变形碎粒煤、揉皱煤和糜棱煤，加剧了各煤层构造煤平面分布的复杂化，NW部构造复杂区较NE翼单斜弱变形区强变形构造煤发育程度明显增强。
3 构造煤发育模式
在煤矿井下煤体结构观测与构造煤发育特征研究基础上，结合其变形特征与地质构造特征分析，提出土城向斜构造煤发育的10种地质模式(表2，图4)。
表2 土城向斜构造煤发育模式与成因机制统计
Table 2 Geological models and formation mechanism of TDC in Tucheng syncline
图4 土城向斜褶皱成因型构造煤发育模式示意
Fig.4 Schematic diagram of geological models of fold-related TDC in Tucheng syncline
Ⅰ—原生弱构造变形区;Ⅱ—顺层弯滑剪切区;Ⅲ—斜交构造裂隙区;Ⅳ—夹矸层强构造变形区;Ⅴ—顺层塑性流变区;Ⅵ—高灰煤强变形
区;Ⅶ—煤层变薄构造强化区
在近NS向挤压构造应力作用下，土城向斜的形成过程中伴随着煤体的变形，再加上后期构造的叠加与改造，形成了不同类型的构造煤。在褶皱过程中，由于煤层结构、局部小构造发育和应力作用的不同，导致不同类型构造煤发育和分布的差异性。褶皱翼部构造变形相对较弱的区域，煤层受到顺层的挤压应力作用，发育较为稀疏的高角度区域性剪节理或继承性裂隙，煤体变形弱、以原生结构煤为主，局部发育碎裂煤或片状煤(图4中的Ⅰ);弯滑褶皱作用的顺层剪切造成煤层的顶部或底部分层顺层剪切裂隙密集发育，从而形成了片状煤为主顺层弯滑剪切区(图4中的Ⅱ)，同时弯滑褶皱作用常派生斜交羽状剪裂隙发育，表现为褶皱翼部煤层大型顺层剪切滑移面一侧常发育有一组或多组的斜交羽状裂隙，形成以碎裂煤和片状煤为主的斜交构造裂隙区(图4中的Ⅲ);煤层中夹矸层的发育可在弯滑褶皱作用时派生剪切力偶作用、形成夹矸层一侧发育的顺层揉皱剪切带与夹矸层强构造变形区(图4中的Ⅳ)。由于煤层相对较弱的力学性质，在褶皱过程中也常发生弯流褶皱作用，形成顺层塑性流变区，从而导致揉皱煤和糜棱煤等塑性变形构造煤的发育(图4中的Ⅴ)。对于局部煤层变薄或灰分增大也会造成褶皱变形过程中局部构造应力集中和煤体变形的增强，形成煤层变薄构造强化区和高灰煤强变形区(图4中的Ⅵ，Ⅶ)，分别可造成强变形碎斑煤以及鳞片煤和揉皱煤的局部发育。除此之外，在断层构造发育的过程中对两盘煤体结构的影响也有所差异，根据断层的规模、产状和变形程度进一步分为了断层弱构造变形区、强压剪构造变形区和断层强烈构造变形区。
土城向斜不同构造部位与构造类型控制了构造煤的发育模式，进一步归类为褶皱成因型和断裂成因型两大类型(图4)，斜交构造裂隙区、顺层弯滑剪切区、夹矸层强构造变形区、顺层塑性流变区、高灰煤强变形区和煤层变薄构造强化区发育模式为褶皱成因型构造煤发育模式，在土城向斜形成过程中弯滑褶皱作用、弯流褶皱作用及派生剪切力偶作用下煤体变形而形成构造煤，褶皱成因型构造煤发育类型多较为单一，但构造煤发育较为普遍，构造煤分层延伸多较为稳定，为煤体结构垂向分异的主导因素。断层弱构造变形区、强压剪构造变形区和断层强烈构造变形区为断裂成因型构造煤发育模式，为多期断裂发育过程中伴生及派生剪切碎裂作用、强烈压剪碎裂作用与揉皱作用以及高应变速率压剪作用、碎粒流变作用与剪切力偶作用煤体变形产物，与断裂规模、性质、产状和活动期次关联显著[16]，一般断裂成因型构造煤分布范围较为局限，但常发育强变形构造煤、且构造煤变形序列相对较为完整。
4 结 论
(1)土城NW向弧形断褶带具有“弧形断褶组合，基底断裂控制，局部变形强烈，变形衰减迅速”的构造变形特征，而土城向斜为一NW向延伸的短轴开阔斜歪向斜，向斜内部构造分异显著，可以进一步划分为NE翼单斜弱变形区、SW翼陡立强变形区和NW部构造复杂区。
(2)土城向斜构造煤发育类型较为齐全，不同构造部位和不同煤层构造煤发育类型差异明显，各煤层整体构造变形较弱，片状煤、鳞片煤和揉皱煤常呈构造煤分层发育，17号煤层则多以揉皱煤和糜棱煤为主。局部断裂构造发育区及构造应力集中部位加剧了各煤层构造煤平面分布的复杂化，NW部构造复杂区较NE翼单斜弱变形区强变形构造煤发育程度明显增强。
(3)提出了土城向斜构造煤发育的10种地质模式，并进一步归纳为褶皱成因型和断裂成因型两大类型，其中褶皱成因型构造煤发育普遍、但类型较为单一，是煤体结构垂向分异的主导因素;断裂成因型构造煤分布范围较为局限，但常发育强变形构造煤、且构造煤变形序列相对较为完整。
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