施龍青 宋忠航 呂大煒 宋永文

(1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東省青島市，266590；2.棗莊礦業(yè)集團蔣莊煤礦，山東省棗莊市，277500)

新汶井田位于魯西地區(qū)的斷陷盆地中，井田內小斷層構造的研究直接影響到對煤層賦存和分布狀況的了解，進而制約著煤礦的開采效率和安全生產。以新汶礦區(qū)翟鎮(zhèn)井田2＃煤層為例，探究井田內小斷層的發(fā)育特征和規(guī)律，為采區(qū)的巷道布置及采掘方案提供依據，對煤礦的高效生產和災害預防具有重要意義。

1 翟鎮(zhèn)井田地質背景

翟鎮(zhèn)井田位于新汶向斜中段的軸部，由于被斷層圍限而呈菱形展布，如圖1(a)所示。井田地層走向多變，以近東西向為主，傾角多在6°～20°之間，含煤地層屬華北型石炭—二疊系海陸交互相含煤沉積。井田的構造形態(tài)是EW向的羊村次背斜、NEE向的大港向斜、李家莊鞍部和羊村以東平緩地帶所組成的復式寬緩的褶皺構造，井田中共發(fā)現(xiàn)大中型斷層20余條，斷層方向性明顯，大致可分為NNW向、NW向、NEE向和NE向4組。

2 井田2＃煤層小斷層的基本特征

井田內錯綜復雜的斷層構造將其分成具差異性的斷塊，通過對比分析大斷層的發(fā)育規(guī)模、展布特征及小斷層走向，最終，以大型斷層作為分區(qū)邊界將井田劃分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，然后統(tǒng)計分析各區(qū)小斷層構造，如圖1(b)所示。

圖1 翟鎮(zhèn)井田基本地質構造圖

2.1 斷層性質特征

新汶礦區(qū)翟鎮(zhèn)井田2＃煤層共揭露斷層1596條，其中正斷層1523條，逆斷層73條，正、逆斷層所占比例分別占95%和5%。線性斷層1421條，弧形斷層175條，所占比例分別為89%和11%。各區(qū)斷層數(shù)目按其性質和形狀特征進行了統(tǒng)計，見表1。統(tǒng)計結果表明，Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)斷層數(shù)較多，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)斷層數(shù)較少。各區(qū)正斷層和線形斷層的數(shù)量占絕對優(yōu)勢，逆斷層和弧形斷層數(shù)量較少，但相對集中。

2.2 斷層走向特征

根據翟鎮(zhèn)井田2＃煤層各區(qū)采掘揭露的斷層走向分布數(shù)據，繪制出斷層走向玫瑰花圖，見圖2。從玫瑰花圖可以看出，2＃煤層開采揭露的斷層走向集中在340°～90°范圍內，以NE向為主，但每個區(qū)的斷層走向有差異，Ⅰ區(qū)主要發(fā)育NE向斷層，Ⅱ區(qū)則主要發(fā)育NNE向斷層，Ⅲ區(qū)斷層走向以NNW向為主，Ⅳ區(qū)斷層走向以NEE向和NNW向為主。

表1 2＃煤層各區(qū)斷層性質統(tǒng)計表 條

圖2 2＃煤層斷層走向玫瑰花圖

2.3 斷層落差特征

井田內2＃煤層按各區(qū)的斷層落差分為4個區(qū)間進行統(tǒng)計，如表2所示，2＃煤層小斷層的落差主要集中在0～5m的范圍內，該部分共占83%，在5～10m落差的范圍內揭露的斷層數(shù)量最少。各區(qū)斷層落差特征存在差異。

表2 2＃煤層各區(qū)斷層落差統(tǒng)計表

2.4 斷層傾角特征

由于同一條斷層在不同部位的傾角也不相同，因此，分析2＃煤層斷層傾角特征時以斷層的最大傾角為研究對象。按采掘工程平面圖上經緯線組成的網格為單元進行統(tǒng)計，得出2＃煤層不同傾角與標高的斷層數(shù)，見表3，相同傾角斷層在不同標高時其數(shù)目差別較大，相同傾角時，標高在-200～-300m之間斷層數(shù)目最多。相同標高時，傾角在60°～70°之間斷層數(shù)目最多。

表3 2＃煤層不同傾角與標高的斷層數(shù)量統(tǒng)計表

2.5 斷層密度特征

由于井田斷裂體系在空間中分布數(shù)量、規(guī)模及組合方式在密度圖中都能夠很好地體現(xiàn)，因此，煤礦斷層密度特征可作為評價煤層破壞程度的一個重要指標。在統(tǒng)計和計算2＃煤層中斷層分布時采用網格覆蓋法，首先將比例尺為1∶2000的翟鎮(zhèn)井田采掘工程平面圖按400m×400m的網格單元面積進行劃分，然后統(tǒng)計各網格單元內的斷層條數(shù)，在此基礎上繪制出2＃煤層的斷層密度等值線圖，見圖3。若每個網格單元內所穿過的斷層數(shù)小于10條，則把該網格定為低密度區(qū)；若穿過的斷層數(shù)在10～20條之間，則將該網格單元定為中密度區(qū)；若穿過的斷層數(shù)大于20條，則將該網格單元定為高密度區(qū)。

圖3 2＃煤層斷層密度等值線圖

從密度等值線圖中可看出，斷層密度從西向東呈現(xiàn)出 “中—低—高—中—高”的變化趨勢。井田內斷層的高密度區(qū)分布不均勻，常呈條帶狀，與低密度區(qū)交替出現(xiàn)，規(guī)律性較差。

3 井田2＃煤層小斷層地質特征分析

3.1 煤層小斷層性質特征分析

新汶煤田東部的控煤構造在區(qū)域上全為正斷層，如蓮花山斷層、洋流斷層等，井田內的主干斷層也都為正斷層，在井田所在區(qū)域內，無論是主要斷層還是次生斷層，由于在形成時期受同一個構造應力場的控制，因此，在斷層性質上次生斷層與主要斷層一致，井田內小斷層以直線型正斷層為主，這與華北型煤田中的斷層發(fā)育特征規(guī)律也相吻合。

3.2 煤層小斷層走向特征分析

井田斷層走向集中在340°～90°范圍內，不同走向之間的斷層數(shù)量是漸變的。早期構造應力場中所形成的斷層雖經受后期多階段構造應力，但斷層發(fā)育過程中的繼承性特點使其走向不會發(fā)生突變，在整體上表現(xiàn)出漸變的特征。井田內這種區(qū)域性、階段性的構造應力場會導致小斷層發(fā)育復雜，使各分區(qū)斷層走向特征顯現(xiàn)差異。從構造演化具體分析，作為井田邊界的大型正斷層是在印支運動時期形成，作垂直運動的地層在受NS向的擠壓后發(fā)生斷裂而形成，隨后在燕山運動第一幕時期，井田受NE-SW向壓力的支配發(fā)育了與區(qū)域帚狀斷裂性質相同的大斷層、III區(qū)NNW向小斷層和IV區(qū)NEE向的小斷層，井田內I區(qū)、II區(qū)斷裂塊體在燕山運動第二幕時受NW向的局部擠壓，分別形成了NE向、NNE向為主的小斷層。NE向小斷層與NNW向小斷層構成了一組X型斷裂，在喜山運動期繼續(xù)活動。

3.3 煤層小斷層落差特征分析

斷層發(fā)育過程發(fā)生的構造作用控制著斷層落差發(fā)育程度，雖然印支運動時期地層以垂直運動為主，但后來的地質活動則主要為水平運動，因此斷層落差發(fā)育不是很大，基本在1～5m之間。在平面上，NEE向斷層在井田中部落差大，井田兩端落差小，形成階梯狀斷層。同時，III區(qū)的NNW向斷裂截斷NEE向斷裂，又與地層斜交，造成NNW向斷層落差較大，最終形成現(xiàn)在的斷層落差分布格局。

3.4 煤層小斷層傾角特征分析

當斷層傾角越小時，其內摩擦角也就越小，塑性變動作用也就越強，因此，井田在經歷印支運動、燕山運動及喜山運動時，小傾角斷層更易于向大傾角斷層發(fā)育，形成的斷層傾角以50°～70°之間為主，其次在40°～50°之間和70°～80°之間。

3.5 煤層小斷層密度特征分析

煤層小斷層密度分布不均勻，小斷層高密度區(qū)主要集中于大型斷裂構造的邊緣及斷裂構造交匯處，結合井田區(qū)域構造背景，認為這種分布規(guī)律是因為大斷裂構造及其交匯處的構造活動比其他地區(qū)更強，從而導致次生小斷層的發(fā)育程度較高，發(fā)育規(guī)模較大，因此該地區(qū)斷層密度相對其他地區(qū)更高。如井田西部F16、F17之間地塊內的小斷層密度高。

4 井田小斷層發(fā)育規(guī)律

4.1 分區(qū)性

基于大中型斷層作為邊界斷層，并結合小斷層的走向等特征，井田分為4個區(qū)。各區(qū)的構造特征互不相同，西部及北部區(qū)域在形成斷層的同時也形成了褶曲，為達到應力平衡，東部區(qū)域地層相對平緩，只形成了大小不等的斷塊且分布密度大，因此較西部更為復雜。

4.2 分級控制性及方向性

井田內小斷層的發(fā)育受大、中型斷層控制，這種控制作用主要體現(xiàn)在兩個方面:一是在斷層性質上，井田內的主干斷層特征與華北型煤田斷層的發(fā)育規(guī)律相一致，各主干斷層周圍的小斷層性質又與之基本相同，如F10斷層與其周圍斷層都為直線型正斷層；二是在斷層走向上，大斷層的構造線方向與周圍小斷層構造線方向相同，如井田內羊村背斜形成期X型斷裂中的NE向大斷層周圍多見NE向小斷層。大、小斷層的這種分級控制關系是在發(fā)育時處于相同的構造應力場下造成的，利用這種成生聯(lián)系有助于根據已探明大斷裂對其次生小斷層進行預測。

井田內小斷層走向受上級斷裂控制，方向性明顯，盡管各區(qū)斷層走向有差異，但整體上井田小斷裂構造以NE向為主。

4.3 成帶性

井田內斷層成帶性的特征主要表現(xiàn)為:

(1)多個斷裂及斷片一起組合形成了大的斷裂構造；

(2)后期多次繼承性的活動導致大斷層的兩側及褶曲的轉折端部位形成了密集成帶分布的小斷層，如F10斷層左右150m范圍內與之平行延伸的分支小斷裂帶；

(3)其余小斷層雖不受大斷裂控制，但其平面組合分布也常密集成帶，形成了平行式、雁列式、交織式等多種形式。

5 結論

(1)井田斷層以NE向線性延展的正斷層為主，各區(qū)斷層方向有差異，斷層切割關系復雜，整體來說，后期構造運動形成的NE向斷層切割早期的NW向斷層。

(2)井田斷層的落差主要集中在1～5m，斷層的傾角以50°～70°之間為主，其變化特征隨深度的增加趨向復雜。小斷裂密度分布不均勻，規(guī)律性較差，井田東部斷層密度較高，高密度區(qū)常呈條帶狀，與低密度區(qū)交替出現(xiàn)。

(3)井田內小斷裂發(fā)育規(guī)律具有方向性、分區(qū)性、分級控制性和成帶性特點。

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