羅 躍, 朱炎銘, 王懷勐

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221008; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

開平煤田呂家坨礦 7#煤層斷裂構(gòu)造特征

羅 躍1,2, 朱炎銘1,2, 王懷勐1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221008; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

為探究呂家坨井田地質(zhì)構(gòu)造格局,根據(jù)鉆孔勘探資料,采用分形理論和趨勢(shì)面分析方法,研究了井田 7#煤層斷裂構(gòu)造分布特征。結(jié)果表明:呂家坨井田發(fā)育褶皺構(gòu)造,煤層走向變化較大;主要構(gòu)造線近 EW向,最大主應(yīng)力近NS向;構(gòu)造發(fā)育呈復(fù)雜—中等—較復(fù)雜的分帶特征,復(fù)雜區(qū)的延伸方向主要近NW向;D4F1斷層從淺部向深部落差增大,D4F3斷層延伸方向近 EW向,落差較大。該研究可為煤礦的工程布設(shè)與煤層開采提供參考。

呂家坨礦;斷裂構(gòu)造;分形理論;趨勢(shì)面分析

礦井構(gòu)造是控制煤系形態(tài)、位態(tài)和體態(tài)的首要因素[1]。構(gòu)造作用通過(guò)改變煤層瓦斯、巖漿活動(dòng)、煤層頂?shù)装宓鹊刭|(zhì)條件,控制煤系和煤層的形成、形變及賦存[2-3],而構(gòu)造變動(dòng)不僅決定煤田勘查類型,也決定礦井開發(fā)的難易程度,影響煤礦建設(shè)和正常安全生產(chǎn)。因此,礦井構(gòu)造研究至關(guān)重要。

斷層是構(gòu)造變形和地殼演化的重要產(chǎn)物之一[4],是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中最為常見的地質(zhì)構(gòu)造類型。斷層網(wǎng)絡(luò)是具有分形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)[5-6],采用分形理論定量評(píng)價(jià)其復(fù)雜程度[7]對(duì)采掘生產(chǎn)部署、提高采煤機(jī)械化程度以及合理開發(fā)煤炭資源意義重大。

趨勢(shì)面分析是利用數(shù)學(xué)曲面模擬地質(zhì)構(gòu)造要素在空間上的分布及變化趨勢(shì)的一種數(shù)學(xué)分析方法[8-9]。它依據(jù)回歸分析原理,運(yùn)用最小二乘法擬合多維非線性函數(shù),模擬地質(zhì)構(gòu)造要素在空間上的分布規(guī)律[10-11]。

筆者借助分形理論和趨勢(shì)面分析方法研究開平煤田呂家坨礦 7#煤層斷裂構(gòu)造特征,以期為該礦下一步的工程布設(shè)及煤層開采提供參考。

1 區(qū)域構(gòu)造特征

呂家坨礦位于開平煤田東南翼中段。井田含煤地層由石炭、二疊紀(jì)含煤巖系組成,含煤 20余層,含煤地層總厚度約 500 m,煤層平均總厚度約 19 m,含煤系數(shù)為 3.85%。其中,設(shè)計(jì)開采煤層 6層,即二疊系下統(tǒng)大苗莊組的 5、7、8、9煤層和石炭系上統(tǒng)趙各莊組的 11、12煤層,可采煤層總厚度約 14 m。井田淺部煤層多屬肥煤類,深部煤層多屬焦煤類。礦井采用立井多水平集中大巷上山、煤層群聯(lián)合開采開拓方式,生產(chǎn)能力為 330萬(wàn)t/a。

井田主體構(gòu)造為褶皺構(gòu)造 (圖 1),自北至南依次發(fā)育有黑鴨子向斜、呂家坨背斜、范各莊向斜、畢各莊向斜、南陽(yáng)莊—嶺上背斜及小張各莊向斜六個(gè)主要褶皺構(gòu)造,其中呂家坨背斜為礦井的主體構(gòu)造,約占井田面積的 70%,其深部還發(fā)育有次一級(jí)的褶皺構(gòu)造。斷裂構(gòu)造主要集中在褶皺軸部,據(jù)統(tǒng)計(jì),其方向主要以NE向、近EW向、NW向?yàn)橹?近EW向斷層較多,其中對(duì)工程影響較大的大中型斷層有 80條,平均 0.91條/km2。

圖1 呂家坨礦地質(zhì)構(gòu)造綱要Fig.1 Outline tecton ic of Lüjiatuo coalm ine

呂家坨礦區(qū)發(fā)育有淺層侵入巖體,侵入形態(tài)復(fù)雜,主要分布于井田東部NNW向高角度巖脈帶和呂家坨背斜軸部巖床區(qū),對(duì)煤層的破壞和生產(chǎn)影響較嚴(yán)重。

2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化

呂家坨井田處于開平向斜轉(zhuǎn)折端附近,由于局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向改變及開平向斜往北逐漸轉(zhuǎn)為近 EW向的原因,井田內(nèi)的主要構(gòu)造線方向?yàn)榻麰W向,最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼S向。

受開平煤田構(gòu)造影響,燕山期和喜山期應(yīng)力場(chǎng)對(duì)礦區(qū)構(gòu)造影響巨大。燕山早—中期,構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)為NW—SE向擠壓,東部開平向斜的北西翼地層多陡立、局部倒轉(zhuǎn),并發(fā)育與開平向斜同方向的逆斷層,煤層復(fù)雜。開平向斜轉(zhuǎn)折端受遵化背斜的限制發(fā)生偏轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)為近 EW向。

燕山晚期—喜山早期,擠壓應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)為NNE—SS W向,與燕山早中期近于垂直。應(yīng)力場(chǎng)在早期褶皺的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了疊加作用,除在變形較弱的北東翼之上形成一組軸向近 EW的小型褶皺外,還改造了早期形成的斷層,使其同時(shí)具有正、逆斷層的特點(diǎn),疊加作用表現(xiàn)為西強(qiáng)東弱。

此外,喜山晚期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)還在一定程度上改造了礦區(qū)煤層形態(tài)。

3 構(gòu)造復(fù)雜程度

為定量分析研究區(qū)的分帶性特征,根據(jù)分形理論,運(yùn)用分維指標(biāo)定量評(píng)價(jià)構(gòu)造復(fù)雜程度[4],如圖 2所示。

圖2 呂家坨礦構(gòu)造復(fù)雜程度分布Fig.2 D istribution of complex degree in structure in Lüjiatuo coalm ine

由圖 2可見,井田內(nèi)有三個(gè)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)或較復(fù)雜區(qū),范圍最大的是北部的呂家坨背斜中深部復(fù)雜區(qū)。該區(qū)域整體呈近 EW向延伸,西部比東部更復(fù)雜,構(gòu)造復(fù)雜程度指數(shù)可達(dá) 0.8以上,為整個(gè)井田構(gòu)造最復(fù)雜的塊段,對(duì)開采影響極為不利。第二個(gè)構(gòu)造較復(fù)雜區(qū)位于井田南部,構(gòu)造復(fù)雜程度指數(shù)在0.7左右,但范圍較小,主要影響的采區(qū)有 -950 m水平二采區(qū)東翼及五采區(qū)西翼。第三個(gè)構(gòu)造較復(fù)雜區(qū)位于井田東南,與第二個(gè)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)相似,但主要影響的采區(qū)是 -950 m水平五采區(qū)東翼。

從復(fù)雜區(qū)的延伸方向來(lái)看,礦井構(gòu)造復(fù)雜程度主要呈近NW向延伸,與總體構(gòu)造線方向一致。從北向南構(gòu)造復(fù)雜程度呈復(fù)雜—中等—較復(fù)雜的變化趨勢(shì),-950 m水平四采區(qū)、六采區(qū)構(gòu)造最復(fù)雜,其次是五采區(qū)。

4 趨勢(shì)面分析

對(duì)鉆孔揭露的主采煤層 7#煤底板標(biāo)高進(jìn)行歸一化處理,繪制 7#煤底板標(biāo)高的一至三次趨勢(shì)面及偏差圖,同時(shí)結(jié)合部分采區(qū)的三維地震勘探資料,對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行補(bǔ)充解譯,以降低邊緣效應(yīng)[12-13]的影響。

由于井田的總體構(gòu)造為一背斜,為避免趨勢(shì)面分析過(guò)程中斷裂構(gòu)所反映的異常受到呂家坨背斜的影響,以背斜軸為界將該井田分為呂家坨背斜北翼和南翼兩區(qū)。

(1)呂家坨背斜北翼

該區(qū)見煤鉆孔 31個(gè)。由圖 3a可見,零值線構(gòu)成了一個(gè)向斜,呂 13孔和 804孔連線的零值線與三維地震資料解釋的D4F35和D4F28[14]斷層位置吻合。根據(jù)趨勢(shì)面分析推斷,斷層最大落差約 20 m。深部開 2孔附近的零值線,由于鉆孔較少且靠近邊緣,判斷為一小斷層,可靠程度較低。東北部出現(xiàn)零值線,是由于該區(qū)域只受距其他鉆孔較遠(yuǎn)的林 10孔資料控制,且存在邊緣效應(yīng)。

圖 3b中除了 D4F35和 D4F28斷層仍有明顯反映外,呂 14和呂 8孔連線又出現(xiàn)一個(gè)零值線,與地震資料中的D4F1斷層的轉(zhuǎn)折部位相吻合,由于一次偏差圖中沒(méi)出現(xiàn),推斷該斷層向東逐漸尖滅,落差小于10 m。呂 47和洼 2孔連線也出現(xiàn)了零值線,是由于鉆孔較少且靠近邊緣,推測(cè)此處存在一近 NS向的小斷層,且可靠程度低。

三次偏差圖與二次偏差接近,故略去。

(2)呂家坨背斜南翼

該區(qū)分布范圍大,煤層形態(tài)復(fù)雜,次級(jí)褶皺較發(fā)育,見煤鉆孔 140個(gè)。圖 4a主要反映了 14孔和錢12孔連線附近的向斜構(gòu)造,該區(qū)塊的零值線近于圈閉的特征是畢各莊向斜的明顯反映。向斜波幅在350 m以上,表明其對(duì)生產(chǎn)影響較大。零值線在呂補(bǔ) 3孔和 22孔附近呈向北突出的彎曲,是 D5F6斷層的反映,但受到畢各莊向斜的影響,落差不好推斷。呂 24、呂 22和呂補(bǔ) 11孔連線附近的零值線是D4F1斷層的反映,據(jù)零值線兩側(cè)的偏差值推斷其最大落差接近 30 m。D4F1斷層延伸形態(tài)由 NE逐漸變?yōu)榻?EW,落差為 58～93 m,其從南向北的落差逐漸由 30 m減小到 10 m左右,進(jìn)而尖滅。

圖 3 呂家坨背斜北翼 7#煤底板標(biāo)高偏差Fig.3 7#coal floor deviation in north of Lüjiatuo anticline

圖 4b中畢各莊向斜仍有明顯反映,最北部的零值線形態(tài)與一次偏差圖不同,呂 49與呂 22孔連線北部反映D4F3逆斷層的零值線呈近 EW向延伸,由于受到 D4F1斷層影響,偏差圖中的方向會(huì)有誤差。根據(jù)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律,該逆斷層是與呂家坨背斜同期形成的,延伸方向會(huì)向近 EW偏轉(zhuǎn),但落差不好推斷。

圖 4c中畢各莊向斜、D4F1斷層、D4F3逆斷層仍有反映,此外,在井田南部邊界林 62孔和錢 42孔連線附近出現(xiàn)了一個(gè)背斜形態(tài),為南陽(yáng)莊—嶺上背斜,因一、二次偏差圖中未見明顯反映,推測(cè)其規(guī)模較小,對(duì)生產(chǎn)影響不大。

圖 4 呂家坨背斜南翼 7#煤底板標(biāo)高偏差Fig.4 7#coal floor deviation in south of Lüjiatuo anticline

5 結(jié) 論

(1)呂家坨井田發(fā)育褶皺構(gòu)造,煤層走向變化較大,特別是呂家坨背斜中深部的復(fù)背斜構(gòu)造。井田內(nèi)的主要構(gòu)造線近 EW向,最大主應(yīng)力近NS向。

(2)礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育由北向南呈復(fù)雜—中等—較復(fù)雜的分帶特征。構(gòu)造復(fù)雜區(qū)位于呂家坨背斜中深部,較復(fù)雜區(qū)分布于井田南部和東南部,但展布范圍較小,其他區(qū)域構(gòu)造為中等或較簡(jiǎn)單。井田內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的延伸方向主要呈近NW向,與總體構(gòu)造線方向一致。

(3)D4F1斷層從淺部向深部落差增大,對(duì)生產(chǎn)有較大影響;D4F3逆斷層向近 EW向延伸,落差較大,影響采區(qū)的合理劃分。

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7#coal seam fracture character in Lüjiatuo coa lmine,Ka iping coalfield

LUO Yue1,2,ZHU Yanm ing1,2,WANG Hua im eng1,2
(1.School of Resource&Earth Science,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China; 2.CoalbedMethane Resources&Reservoir For mation Process KeyLaboratory ofMinistry of Education, China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

This paper is an attempt to investigate geological tectonic framework in Lüjiatuo coa lmine, by identifying the distribution of 7#coal seam structural structure using method of fractal dimension and trend surface analysis in Lüjiatuo coalmine of Kaiping coalfield.The result shows that:Lüjiatuo coalmine is characterized by folds and a greater change in strike in the seam of coal;the main structure presents the direction of EW,the maximum stress presents the direction ofNS;the tectonic feature presents complexity-moderate to complex-more complex,while the bearing of trend presents NW;The fault throw of D4F1growswith the depth,and trend ofD4F3changes in EW when the fault throw changing heavily.The result provides reference formine project quasi-geoid and coalmine production.

Lüjiatuo coalmine;structural structure;fractal dimension;trend surface analysis

P618.11

A

1671-0118(2011)02-0093-04

2011-02-21

羅 躍(1987-),男,江蘇省徐州人,碩士,研究方向:煤與煤層氣賦存及開采,E-mail:luoyue888@126.com。

(編輯荀海鑫)