邱占林馮金煒寇貴存羅保榮周維貴黃聰明陳萬(wàn)煌

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建省龍巖市,364012; 2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川省成都市,610059)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

東坑仔礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響?

邱占林1馮金煒2寇貴存2羅保榮2周維貴2黃聰明1陳萬(wàn)煌1

(1.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建省龍巖市,364012; 2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川省成都市,610059)

為了精確計(jì)算煤炭資源儲(chǔ)量和正確指導(dǎo)礦井采掘生產(chǎn)工作,需要總結(jié)及掌握地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響及其規(guī)律。根據(jù)永安東坑仔礦區(qū)已有的地質(zhì)資料,并結(jié)合前人的研究成果,在分析礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)上,揭示了構(gòu)造對(duì)煤層結(jié)構(gòu)、分布、厚度及煤層開(kāi)采與儲(chǔ)量等方面的影響。結(jié)果表明：礦區(qū)內(nèi)褶皺可導(dǎo)致煤層發(fā)生塑性流變,影響煤層形態(tài)及厚度;密集發(fā)育的斷層嚴(yán)重破壞煤層的連續(xù)性并形成無(wú)煤三角區(qū);巖漿巖的順層侵入導(dǎo)致煤層發(fā)生焦化或蝕變并出現(xiàn)分層現(xiàn)象。該研究對(duì)查明煤炭資源賦存特征及指導(dǎo)充分開(kāi)采利用均具有一定的理論和實(shí)踐意義。

東坑仔礦區(qū) 地質(zhì)構(gòu)造 煤層厚度 影響

在煤礦采掘過(guò)程中,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響會(huì)嚴(yán)重制約礦井的正常生產(chǎn),亦會(huì)提高開(kāi)采成本、降低煤炭資源的充分回收利用。能否準(zhǔn)確預(yù)判及處理已知或未知地質(zhì)構(gòu)造是事關(guān)煤礦高效生產(chǎn)的主要技術(shù)因素之一,而地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響主要體現(xiàn)在煤層結(jié)構(gòu)、分布、厚度、形態(tài)、穩(wěn)定性及煤層開(kāi)采與儲(chǔ)量等方面。因此,通過(guò)從地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖漿活動(dòng)入手,結(jié)合鉆孔和井下地質(zhì)編錄資料,分析并研究東坑仔礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及其對(duì)煤層的影響,可為福建省地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜含煤區(qū)的找煤預(yù)測(cè)提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 礦區(qū)概況

東坑仔礦區(qū)位于福建省永安苔茹村,東以蔡地至南院溪為界,西以F1斷層為界,北以F2斷層為界,南以50勘探線為界與半羅山井田毗連。礦區(qū)面積為8.9491 km2,開(kāi)采深度標(biāo)高由575 m降至-200 m,可采煤層主要分布在中二疊統(tǒng)童子巖組(P2t),其中第一段(P2t1)地層出露厚度小,煤層可采性差;第二段(P2t2)為不含煤的海相泥巖段;第三段(P2t3)含煤層(包括煤線)有7個(gè)層面,可采或局部可采煤層有4層,總厚度為7.93 m,該段地層可分為4個(gè)帶,其中第四帶含煤3層,即C0、C1、C2煤層;第二帶含煤6層,即C6、C6＋1、C7、C8、C9、C10煤層;第一帶含煤2層,即C11、C12煤層,主采煤層為C1、C9和C10煤層。區(qū)內(nèi)地層出露較豐富,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,褶皺和斷層較發(fā)育,巖漿巖體呈巖株產(chǎn)出,煤層厚度變化較大。井田構(gòu)造綱要圖見(jiàn)圖1。

圖1 井田構(gòu)造綱要圖

2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

東坑仔礦區(qū)地處加福復(fù)式向斜的東翼,含煤地層屬緩傾角的單斜構(gòu)造,該向斜東部?jī)A角平緩(25°),中部陡(45°)且局部倒轉(zhuǎn),西部平緩(30°)呈撓曲構(gòu)造形態(tài)?？傮w產(chǎn)狀較穩(wěn)定,沿傾向至深部有簡(jiǎn)單的寬緩褶皺,偶見(jiàn)撓曲。井內(nèi)斷層發(fā)育且規(guī)模不一,近F2斷層處派生斷裂密集,井田深部斷距小于20 m的斷層頻繁出現(xiàn),并有一定的巖漿巖侵入,對(duì)煤層形態(tài)、厚度、連續(xù)性及穩(wěn)定性的破壞較大。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬I(mǎi)I類(lèi)——構(gòu)造中等類(lèi)型。

2.1 褶皺

區(qū)內(nèi)次一組褶皺除1號(hào)背斜外,多為兩翼不對(duì)稱(chēng)、寬緩型的短軸褶皺,軸向以北北東為主,多為向北傾狀,受斷裂破壞影響,在東南部出露不完整。其中,1號(hào)背斜分布在46～50線的童子巖組第一段附近,軸向?yàn)镹NE∠25°,軸長(zhǎng)1070 m,北端偏NE向,軸面較直立,微向東南扭曲。2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)褶皺均為NNE向,4號(hào)為正常背斜及倒轉(zhuǎn)向斜。其余次一級(jí)褶皺主要分布在斷裂發(fā)育地段及高一級(jí)褶皺附近,多為傾向上波狀起伏,所見(jiàn)垂直落差小于10 m,水平變化幅度小于40 m。含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化較大。

2.2 斷裂

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,地層斷距在20 m以上的斷裂有22條,編號(hào)為F0～F21,其中正斷層20條,逆斷層2條。斷層走向以NNE向?yàn)橹?其次為NNW向,前者主要分布在井田東南部,展布與褶皺方向一致,后者則分布于井田東北角。除F4斷層外,均有派生斷裂,并伴生較多的次一級(jí)小斷層,對(duì)含煤地層有一定的影響。

2.2.1 主要斷層

區(qū)內(nèi)所揭露的22條斷層主要分布于礦區(qū)東南部且沿NNE向展布,除了F9和F11為逆斷層外,其余均為正斷層,礦區(qū)內(nèi)主要斷層特征如表1所示。斷層走向總體與加福復(fù)式褶皺延伸一致,隨著后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓或重力作用的增強(qiáng),所產(chǎn)生的斷裂和褶皺有相似的方向性。

2.2.2 派生斷層

區(qū)內(nèi)所派生的次一級(jí)斷層會(huì)與主斷層呈銳角相交,形成“倒轉(zhuǎn)入字”型斷層,如44線附近的一些規(guī)模較小的伴生斷層與F18構(gòu)成“倒轉(zhuǎn)入字”形態(tài),F16延伸到深部與F18形成較大的此類(lèi)構(gòu)造。其中,F16為傾向正斷層,傾向NW向,傾角為66°～77°,落差大于30 m,出露長(zhǎng)達(dá)900 m,上盤(pán)為P2t3地層,下盤(pán)為P2t2地層,將6#煤層錯(cuò)開(kāi); F18為走向正斷層,傾向NW向,傾角25°～60°,落差大于30 m,出露長(zhǎng)達(dá)1900 m以上,主要位于43～50線之間,上盤(pán)為P2t3地層,下盤(pán)為P2t2地層,受ZK33控制。38線附近F5、F7與F12銳角相交形成銳角型斷層構(gòu)造,發(fā)育于F16及F18之間,總體呈現(xiàn)“倒轉(zhuǎn)入字”型構(gòu)造,區(qū)間斷層落差較大,煤體剖面位移程度大,如圖2所示。

表1 礦區(qū)內(nèi)主要斷層特征

圖2 派生斷層構(gòu)造樣式

2.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)所見(jiàn)巖漿巖體均為輝綠巖侵入巖體,多呈巖墻、巖脈或巖株產(chǎn)出,個(gè)別見(jiàn)順層侵入,將煤層吞蝕或擠壓變薄,其分布方向以NE為主,其次為NNW向、NNE向,侵入共見(jiàn)59處,其中地表20處,深部33處。區(qū)內(nèi)巖脈雖較發(fā)育,但規(guī)模均較小,對(duì)含煤地層破壞不大。

3 構(gòu)造對(duì)煤層的影響

3.1 褶皺對(duì)煤層的影響

據(jù)已有開(kāi)采資料可知,褶皺對(duì)煤層形態(tài)、厚度等具有一定的影響。一般情況下,受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用,褶皺軸部煤層厚度較大,兩翼煤層厚度相對(duì)較小,尤其在向斜的核、軸部常呈巨厚煤包,但東坑仔礦區(qū)煤層厚度出現(xiàn)反常現(xiàn)象。由于該礦區(qū)褶皺主要受垂直方向應(yīng)力作用發(fā)生塑性變形,褶皺兩翼受力小于核部,煤體由壓力大的地方向壓力小的地方發(fā)生塑性流動(dòng),造成褶皺兩翼煤層增厚,核部煤層變薄,呈“藕節(jié)狀”或“串珠狀”煤層。褶皺兩翼煤層厚度基本大于1 m,最厚可達(dá)1.6 m,核部只有0.7 m,出現(xiàn)頂薄現(xiàn)象,如圖3所示。

圖3 10#煤層隨褶皺變化圖

此外,本礦區(qū)較大規(guī)模的背、向斜構(gòu)造所引起的煤層加厚、減薄及尖滅在平面上與褶曲軸方向基本一致,并與主應(yīng)力軸方向正交。區(qū)內(nèi)有1條兩翼對(duì)稱(chēng)、出露完整的和多條兩翼不對(duì)稱(chēng)、出露不完整的褶皺構(gòu)造,以層間褶皺、牽引褶皺的形態(tài)出現(xiàn),其垂直幅度都在10 m以下,對(duì)煤層的厚度產(chǎn)生了一定的影響,在生產(chǎn)巷道中存在發(fā)育的小褶皺——撓曲構(gòu)造,使煤層變厚或變薄。同時(shí),也存在一些小褶皺構(gòu)造使煤層層位尖滅丟失,呈“尖刺”或“穿刺”狀,使地層更加復(fù)雜,且煤層分叉后導(dǎo)致煤分布不均勻,分散煤量的同時(shí)形成“煤包”或“煤尖子”,局部底板巖石顆粒變粗,由細(xì)砂巖變?yōu)樯百|(zhì)泥巖,出現(xiàn)與正常層位相反的現(xiàn)象,使在層位對(duì)比研究中產(chǎn)生誤導(dǎo),運(yùn)巷掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生誤差。

3.2 斷層對(duì)煤層的影響

3.2.1 對(duì)煤層結(jié)構(gòu)及分布的影響

在斷層的發(fā)育過(guò)程中,由于構(gòu)造應(yīng)力的作用,斷層兩盤(pán)運(yùn)動(dòng)使煤層受到剪切破壞,使得煤層中滑面發(fā)育,裂隙增多,導(dǎo)致煤巖性松軟破碎,開(kāi)采過(guò)程中容易混入矸石,增加灰分的含量,降低煤的發(fā)熱量。

大斷層的出現(xiàn)可導(dǎo)致煤層斷開(kāi),同時(shí)大斷層的出現(xiàn)往往伴生一系列的小斷層將煤層切割得比較分散,不僅破壞其完整性和連續(xù)性,還造成煤層變薄甚至形成無(wú)煤區(qū)。但亦可形成一些有利條件,如斷層導(dǎo)致煤層的重復(fù),引起煤炭資源相對(duì)集中,含煤密度加大;或因斷層切割,含煤巖系上覆蓋層缺失變薄,使可采煤層埋深變淺而易于勘查等。在圖4 (a)中,煤層被F0長(zhǎng)距離斷開(kāi),嚴(yán)重破壞了煤層的連續(xù)性,增加同一水平的開(kāi)采成本,還給找煤帶來(lái)一定的難度。礦區(qū)F15及派生小斷層相交形成一個(gè)無(wú)煤三角區(qū),使之前的掘進(jìn)巷道廢棄,如圖4 (b)所示。

圖4 斷層影響煤層連續(xù)性及分布

3.2.2 對(duì)煤層厚度的影響

煤層屬軟弱巖層,在構(gòu)造應(yīng)力及地應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生柔性變形或塑性流動(dòng)。當(dāng)多條斷層同時(shí)作用于同一段煤層時(shí),該煤層容易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而引起斷層兩側(cè)的煤層尖滅。當(dāng)煤層及其頂?shù)装迨艿絺?cè)向壓應(yīng)力時(shí),就會(huì)因力的作用產(chǎn)生剪切滑動(dòng),造成煤層頂板下凹或底板上隆,煤層因流變和揉皺變形,厚度變薄或增厚。如303采區(qū)的10#煤層在斷層F18和F5斷層的共同作用下,在沿煤巷掘進(jìn)10 m后變薄,在25 m處發(fā)生尖滅,如圖5所示。

圖5 10#煤層厚度隨斷層變化圖

此外,該礦區(qū)在F4正斷層(傾角43°,落差60 m)附近,煤層厚度在0.55～0.82 m之間,遠(yuǎn)離斷層煤層逐漸增厚,局部煤層厚度高達(dá)1.3 m,表明由于受到正斷層的拉張拖曳作用而使煤層厚度隨斷層遠(yuǎn)離而增厚,如圖6(a)所示。但在F11逆斷層(傾角75°,落差60 m)附近,煤層厚度為1.1 m,而離斷層較遠(yuǎn)處層厚度僅為0.25 m,表明受逆斷層擠壓應(yīng)力作用的影響,其兩盤(pán)出現(xiàn)煤層重復(fù)疊加或擠壓集聚,形成厚煤帶,遠(yuǎn)離區(qū)域則出現(xiàn)變薄甚至尖滅,如圖6(b)所示。

圖6 斷層引起的煤厚變化情況

3.2.3 對(duì)煤層開(kāi)采及儲(chǔ)量的影響

受斷層運(yùn)動(dòng)影響一般會(huì)出現(xiàn)兩種效應(yīng)：

(1)處于斷層下降盤(pán)的煤層埋深逐漸增大,造成本水平該號(hào)煤層開(kāi)采中斷,而開(kāi)采水平變深,對(duì)開(kāi)采技術(shù)要求較高,增加了開(kāi)采成本;

(2)上升盤(pán)或斷距較大的斷層出現(xiàn)會(huì)將下水平的煤層抬升,這不僅緩解了煤礦的開(kāi)采壓力,還節(jié)省了探巷及石門(mén)的費(fèi)用。

斷層的發(fā)育伴生很多裂隙的產(chǎn)生,使煤層的頂板巖石強(qiáng)度降低,易破碎,開(kāi)采時(shí)容易造成工作面頂板冒頂事故。斷層作用使煤層產(chǎn)狀發(fā)生極大變化,經(jīng)常出現(xiàn)立槽煤(煤層傾角近乎90°)。實(shí)際開(kāi)采可發(fā)現(xiàn)斷層的斷距愈大,煤層變薄范圍也愈大;斷層切過(guò)煤層頂板或底板巖石的強(qiáng)度愈小,則該煤層變薄范圍愈小;斷層傾角愈大,則煤層變化范圍愈小。

此外,斷層還是涌水的通道,東坑仔煤礦中F4斷層大部分區(qū)段導(dǎo)水,F2、F7、F9、F11、F16、F18斷層導(dǎo)水性弱,其他斷層導(dǎo)水性極弱或不導(dǎo)水。一般見(jiàn)導(dǎo)水?dāng)鄬颖仨毩粼O(shè)保安煤柱,從而減少可采煤層的儲(chǔ)量。

3.3 巖漿巖對(duì)煤層的影響

巖漿巖對(duì)煤層的破壞程度受多種因素控制,主要受侵入體規(guī)模、巖性、產(chǎn)狀及層位的影響。礦區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的侵入巖基本為輝綠巖,多呈巖株?duì)町a(chǎn)出。巖漿巖順斷層面或其他構(gòu)造結(jié)構(gòu)面擠入煤層,使煤層厚度、形態(tài)等發(fā)生改造,或使得原先形成的煤層及其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。巖漿巖的侵入所形成高溫使得煤質(zhì)發(fā)生焦化作用,相當(dāng)一部分煤層被吞蝕。當(dāng)煤層受到巖漿熱力及擠壓力作用時(shí),煤層發(fā)生流變,促使煤層物質(zhì)發(fā)生運(yùn)移導(dǎo)致煤層發(fā)生局部厚度增減,并且影響煤層穩(wěn)定性。煤層受到熱接觸變質(zhì)作用,引起圍巖發(fā)生蝕變,采掘過(guò)程中可見(jiàn)一些石英、綠泥石和方解石脈等變質(zhì)礦物。巖漿巖侵入使得煤層出現(xiàn)“中間侵入型”分層現(xiàn)象,如圖7所示。

圖7 9#煤層分層現(xiàn)象

4 結(jié)論與建議

(1)東坑仔礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬I(mǎi)I類(lèi)——構(gòu)造中等類(lèi)型,煤層主要受褶皺和斷層的雙重影響,并有一定的巖漿巖侵入,對(duì)煤層的破壞程度較大。

(2)礦區(qū)主要受垂向應(yīng)力控制,軸部受力大于兩翼,造成該區(qū)賦煤情況異于正常褶皺區(qū)域,即兩翼煤厚均大于軸部,出現(xiàn)頂薄現(xiàn)象。局部出現(xiàn)的倒轉(zhuǎn)或平臥褶皺,正常翼煤層常被擠壓變薄且厚度變化較大,而倒轉(zhuǎn)翼煤層厚度一般較厚且穩(wěn)定性較好。

(3)礦區(qū)斷層對(duì)煤層影響所誘發(fā)的效應(yīng)表現(xiàn)在：當(dāng)多條斷層同時(shí)作用于同一段煤層,易產(chǎn)生斷層兩側(cè)煤層減薄甚至尖滅;當(dāng)煤層及其頂?shù)装迨軅?cè)向擠壓力時(shí),會(huì)產(chǎn)生剪切滑動(dòng),引起底鼓或頂板下沉,煤層因流變、揉皺變形,造成厚度變薄或增厚。

(4)礦區(qū)巖漿巖體基本為輝綠巖侵入體,呈巖株?duì)铐様鄬忧秩?。侵入巖漿的余熱導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)煤體焦化及蝕變現(xiàn)象,在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中可利用石門(mén)或小眼揭露的侵入巖分布規(guī)律指導(dǎo)采煤。

(5)在同一礦區(qū),地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響規(guī)律基本上是一致的,可利用采空區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層的影響規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)未知采區(qū)可能出現(xiàn)的煤層變化情況,對(duì)于布置采掘巷道,提高開(kāi)采效率具有一定的參考價(jià)值。

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Influence of geological structure on seam in Dongkengzai mining area

Qiu Zhanlin1,Feng Jinwei2,Kou Guicun2,Luo Baorong2,Zhou Weigui2, Huang Congming1,Chen Wanhuang1
(1.School of Resource Engineering,Longyan University,Longyan,Fujian 364012,China; 2.College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China)

In order to accurately calculate the coal resource reserves and correctly guide the coal mining production,it was needed to summarize and grasp the influence of geological structure on seam and its regularity.According to the existing geological data of Dongkengzai mining area,combined with previous research results,based on the analysis of the mine geological structure,the influences of structure on seam were revealed from texture,distribution,thickness and coal mining and reserve,etc.The results showed that the folds caused a plastic flow of coal seam in the mining area,influenced the seam form and thickness;intensive faults severely damaged the continuity of seam and caused triangle zone without coal;incursive magmatic rocks leaded to the coking or alteration of seams and made the seams separated.The research had certain theoretical and practical significance to find out the occurrence characteristics of coal resources and to guide the full exploitation and utilization.

Dongkengzai mining area,geological structure,seam thickness,influence

TD163.1

A

邱占林(1985-),男,福建上杭人,工學(xué)碩士,講師,主要從事礦井地質(zhì)與構(gòu)造地質(zhì)的教學(xué)與研究工作。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201611312021),福建省教育廳JK類(lèi)科技項(xiàng)目(JK2014050),福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(S20141036),龍巖學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)學(xué)科“地質(zhì)資源與地質(zhì)工程”項(xiàng)目