石彥強

(北京大地高科煤層氣工程技術研究院，北京 100073)

0 引言

井田構造是勘查工作的關鍵，井田構造控制的準確與否直接影響到礦井設計、采區(qū)布置的實效性和煤炭開采的難易程度，直接暴露了勘查工作存在的問題。

井工三礦位于寧武煤田平朔礦區(qū)北端，行政區(qū)屬朔州市平魯區(qū)向陽堡鄉(xiāng)、榆嶺鄉(xiāng)境內(nèi)，井田面積18km2，含石炭-二疊紀煤層，太原組4、9、11號煤層可采。本次補勘施工21個孔，勘查及補勘階段共施工鉆孔285個，鉆孔間距大多在200～500m。施工中我們對以往鉆孔資料和生產(chǎn)揭露的地質資料全部進行了認真的分析研究，對以往鉆孔全部進行了重新對比，發(fā)現(xiàn)并控制斷層4條；詳細觀測編錄鉆孔巖心，及時將資料繪制成圖與附近鉆孔、測井資料以及煤質資料進行分析對比，補勘新控制斷層1條，新發(fā)現(xiàn)陷落柱2個；，對井田構造進行梳理，進一步控制了主要煤層的起伏形態(tài)和斷層、陷落柱等構造發(fā)育情況。補充收集相關資料，結合區(qū)域構造演化對井田構造發(fā)育規(guī)律進行了分析，對井田構造有了系統(tǒng)的認識。

1 區(qū)域構造

寧武煤田地處山西地臺北中部，煤田南北長、東西窄，呈北東向斜列，展布于五臺地塊與鄂爾多斯地臺之呂梁地塊之間，為繼承性上疊構造盆地。寧武向斜貫穿煤田南北，其走向：井坪-陽方口近南北，陽方口-靜樂為N30°E，向斜軸除朔縣平原偏向西部外，一般偏向東部，且東翼地層傾角大于西翼，為不對稱向斜。

擔水溝斷層以北是寧武向斜的北端，走向北北西，自北向南貫穿于平朔礦區(qū)的中東部，在歇馬關一帶斜交于擔水溝斷層，延伸長度約20km，向斜東翼地層傾角在15°～30°，地層起伏不大，近似一個單斜；西翼地層較為平坦，傾角在10°以下，伴生北東、北東東向次級小型褶皺和斷層，從北到南依次發(fā)育二鋪向斜、蘆子溝背斜、下窯子向斜、堡子溝斷層、歇馬關逆斷層、安家?guī)X逆斷層等。

2 井田構造

井田位于寧武煤田平朔礦區(qū)西北部，總體為軸向近東西平緩的向斜構造(東坡向斜)，與區(qū)域的寧武大向斜近似垂直；西南部為近似平行排列的北西-北西西向的5條褶皺，即補501背斜、OX-25向斜、木瓜界背斜、335向斜、安2背斜等，地層傾角2°～15°；斷裂構造較發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)斷層159條，均為正斷層，其中落差大于30m的斷層3條，大于10m小于30m的斷層15條， 5～10m的斷層39條，小于等于5m的斷層102條；井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)大小陷落柱9個，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入體，構造中等(圖1)。

2.1 褶曲

(1)東坡向斜。為井工三礦的主體構造，位于井田中北部，橫貫東西，總體軸向N100°E，西部波狀彎曲。11號煤層軸心沿水2孔-補1102孔分布，向東西兩側抬升，其西側軸轉向南西西，經(jīng)補勘15鉆孔又轉向北西西， 經(jīng)補勘18鉆孔于OX-10鉆孔延出井田。向斜軸延展距離約5 700m，南翼高差100m左右、 北翼高差在260m； 4號煤層的向斜西部軸心略向北偏移。

圖1 4號煤層底板等高線及構造綱要圖Figure 1 Coal No.4 floor contour and structural outline map

(2)補501背斜。位于井田西首采區(qū)北部，總體軸向N110°E，寬弧狀向南彎曲。自110-133、OX-104、OX-107、159-131等鉆孔通過，從159-131鉆孔開始向東傾伏，背斜幅度變小，于補363-126鉆孔附近尖滅，井田內(nèi)軸向長3 000m，兩翼傾角較緩，北翼地層傾角8°，南翼地層傾角5°左右。

(3)OX-25向斜。位于井田西首采區(qū)中北部，總體軸向N92°E，近東西向展布，緩波狀彎曲。西自OX-54、OX-25鉆孔進入井田，經(jīng)133-123、C-10孔向東，于補363-126鉆孔附近尖滅。向斜軸垂向也是波狀起伏，西部幅度達120m，向東于133-123孔附近抬起形成一鞍狀，向東又傾伏，井田內(nèi)軸向長3 250m。由鉆孔和9號煤39107主輔運輸巷道、39110主運巷控制。

(4)木瓜界背斜。位于首采區(qū)南部，北西-SE向展布，礦界內(nèi)自疏7、332、C-7、C-9孔附近通過，井田內(nèi)延展直線距離約1 750m，已有證據(jù)顯示其穿過F20斷層仍有反映，主要由鉆探判斷、9號煤39105、39104工作面進一步控制，其西南翼較平緩，但東北翼較陡，高差達100m以上。正是受其影響，OX-25向斜東段出現(xiàn)了兩個鞍部，且首采區(qū)東南部4號煤層也出現(xiàn)了風氧化區(qū)。

2.2 斷層

(1)FS26正斷層。位于二采區(qū)西部，走向北東，傾向北東，傾角60～80°，落差15.6～28.8m，延伸長度約890m，水補-20孔226m左右見斷層，4-2號煤層底板-7號煤層頂板以上斷失、斷距15m(圖2)。由34201輔運順槽、34202輔運順槽發(fā)現(xiàn)，34202主運順槽、34203輔運順槽、34203主運順槽控制，屬查明斷層。

圖2 水補-20號孔FS26正斷層剖面對比Figure 2 FS26 normal fault sectional comparisons in borehole SB-20

(2)FS82正斷層。位于二采區(qū)中部，走向近東西，傾向近北，傾角80°，落差25.4m，延伸長度約500m，由34203主運順槽發(fā)現(xiàn)，屬初步查明斷層(圖3)。

圖3 34203主運巷順槽(4號煤層)剖面圖Figure 3 Main haulage road crossheading (coal No.4) section

(3)FS63正斷層。位于二采區(qū)中部偏南，走向東偏南，傾向北偏東，傾角85°，落差12～22m，井田內(nèi)延伸長度約3 070m，由34202工作面中南部向東偏南方向延伸至區(qū)外。補1003孔300.90m見斷層破碎帶，破碎帶厚度0.95m，9號煤層下部11-1號煤層斷失，斷距22m(圖4)。由掘進34202主運順槽、34203輔運順槽、34203主運順槽時發(fā)現(xiàn)，又經(jīng)34206輔運探巷、34206主運探巷進行了控制， 其中段仍然存在，根據(jù)地層對比推斷，此斷層應向東繼續(xù)延伸，屬基本查明斷層。目前此斷層未影響34203工作面的布置。

圖4 補1003號孔Fs63正斷層剖面對比Figure 4 FS63 normal fault sectional comparisons in borehole B1003

(4)FS63正斷層。位于二采區(qū)東部偏南，由補547-130鉆孔孔深349.87m揭露(圖5)，缺失7號煤層底板-9號煤層上部地層，斷距18m。該斷層位于FS63正斷層北側，應該是FS63的分支斷層，推斷走向東西，東部延伸情況有待進一步查明。

圖5 補547-130號孔FS63正斷層剖面對比Figure 5 FS63 normal fault sectional comparisons in borehole B547-130

(5)DF10正斷層。位于井工三礦一采區(qū)中東部，走向北西西的弧狀，傾向北北東，傾角70～80°，落差0～16m， 延伸長度約500m。補勘11號鉆孔深286.09～288.36m見斷層破碎帶，與附近鉆孔對比，缺失9號煤層中部至11號煤層頂部泥灰?guī)r，地層斷距16m(圖6)。由補勘11號鉆孔和三維地震控制，該斷層基本查明。

該斷層由三維地震發(fā)現(xiàn)，落差0～8m，經(jīng)補勘11號鉆孔證實。在補勘11號鉆孔附近平面誤差21m，斷距誤差8m。

(6)FS13正斷層。位于二采區(qū)西側偏南，走向北西，傾向北東，傾角64°，落差5.8～9m，延伸長度約90m，由34201主運順槽發(fā)現(xiàn)；由補337-132鉆孔孔深286.16m揭露(圖7)，缺失9號煤層底板-L1泥灰?guī)r頂板地層，斷距9m。該斷層基本查明。

該斷層東與FS30斷層遙相呼應，西延可與補勘11鉆孔揭露的DF10正斷層相接。因此，該斷層東西延伸情況有待進一步控制。

2.3 陷落柱

(1)X1陷落柱。位于首采區(qū)近中部，由鉆孔水補-6發(fā)現(xiàn)，195-122孔進行了控制。水補-6號孔孔深169.30～194.40m的4號煤層下見空洞, 該段砂巖膠結松散，鉆探進尺快，無心，坍塌掉塊嚴重，在深度247.50～252.50m處也發(fā)生同樣現(xiàn)象；195-122孔159.36m巖心風化為黃褐色、棕紅色，水蝕嚴重，呈碎塊狀，采取率極低，以下至終孔由于塌孔，下取煤管也未取上心，其間0.20～0.30m的掉鉆達7次，全孔漏水；9號煤東翼輔運大巷曾對其進行過專門巷探。X1陷落柱呈北西西向的橢圓，4號煤層陷落柱長軸138m、短軸65m，對工作面巷道布置影響不大。

圖6 補勘11號孔DF10正斷層剖面對比Figure 6 DF10 normal fault sectional comparisons in borehole BK11

圖7 補337-132號孔FS13正斷層剖面對比Figure 7 FS13 normal fault sectional comparisons in borehole B337-132

(2)X2陷落柱。位于首采區(qū)東南角，由鉆孔283-111發(fā)現(xiàn)，4號煤層風氧化，7號煤層位以下巖心風化破碎、采取率低，取心主要為泥巖，呈棱角狀小碎粒，顏色成分混雜、膠結松軟，泥漿浸泡后具塑性；其東北109.59m的C-11孔9號煤風化。陷落柱范圍根據(jù)物探異常形態(tài)勾畫，近圓形，9號煤層陷落柱直徑116m。

(3)X5陷落柱。位于一采區(qū)東部，由補勘10號孔揭露，孔深183.82m、4號煤層頂上1.33m見陷落柱，4號煤層頂部泥巖節(jié)理面見風化形成的鐵銹痕，4號煤層頂板含炭泥巖直立，4號煤層具輕微氧化、破碎，4號煤層下部可見煤心陡立、扭曲擾動(圖8)，以下一直到孔底巖心破碎、雜亂。與相鄰鉆孔對比無論是地層結構，還是煤層結構都截然不同，并且一直到孔底都是煤巖混雜(圖9)。推測陷落柱呈北北西向的橢圓，9號煤層陷落柱長軸162m、短軸120m。

圖8 補勘10號孔4號煤層下部可見煤心陡立、扭曲擾動Figure 8 Borehole BK10 coal No.4 lower part coal core steep rising, torsional disturbance can be seen

(4)X6陷落柱。位于一采區(qū)中西部，由補勘8號孔揭露，從開始全取心到120.20m巖石正常、未風化；120.20～120.44m的砂質泥巖又出現(xiàn)風化，巖石泛黃，裂隙發(fā)育，裂隙附近鐵質林慮沉淀成后生褐鐵礦結核，屬風化巖；120.44～120.64m為0.20m的紅黏土(圖10),為陷落柱與其頂部正常巖體平衡拱之間的空腔充填物;120.64～187.32m為厚度66.68m的陷落柱體堆積物，其中120.64～125.00m為4.36m的陷落柱體頂部風化巖；120.64～187.32m，巖性雜亂、巖心破碎，巖層傾角直立(圖11、圖12)、變化不定，巖層多處出現(xiàn)錯動(圖13、圖14)；到孔深187.32m穿過陷落柱進入正常地層。

該陷落柱為沿早期斷裂面發(fā)育的側向陷落柱。陷落柱體與相鄰鉆孔正常地層對比，無論是地層結構，還是煤層結構都截然不同(圖15)。推測陷落柱呈近南北向的橢圓，4號煤層陷落柱長軸75m、短軸23m。

圖9 補勘10號孔揭露的X5陷落柱體與相鄰鉆孔正常地層、煤層對比Figure 9 Comparison of borehole BK10 revealed subsided column X5 and neighboring borehole normal strata and coal seams

圖10 補勘8號孔揭露陷落柱體頂部巖心特征Figure 10 Borehole BK8 revealed subsided column top part core features

圖11 補勘8號孔揭露陷落柱體151.80～152.10m巖心直立Figure 11 Borehole BK8 revealed subsided column 151.80～152.10m core up-right

圖12 補勘8號孔揭露陷落柱體145.00～146.50m砂巖、 粉砂巖直立Figure 12 Borehole BK8 revealed subsided column 145.00～146.50m sandstone, siltstone up-right

圖13 補勘8號孔揭露陷落柱體148.90～149.00m 半泥巖半砂巖Figure 13 Borehole BK8 revealed subsided column 148.90～149.00m semi mudstone, semi sandstone

3 構造特征分析

井工三礦位于寧武向斜的北端,總體為一軸向近東西的向斜構造，西南部為近似平行排列的北西-北西西向褶皺，斷裂構造較發(fā)育，特別是中小型斷層，并且主要表現(xiàn)為高角度正斷層，斷層走向以北西、近東西向為主，其次為北東向。

海西期華北聚煤盆地C-P翹板運動，西北物源區(qū)活躍，沉積中心向南遷移，井田西南部煤系沉積厚度較大，導致東坡向斜4號煤層的西部軸心比11號煤層軸心略向北偏移。

印支期華北板塊向北擠壓，受到內(nèi)蒙地軸的碰撞，北緣形成東西向褶皺(內(nèi)蒙隆起)與逆沖斷裂，加之后伸展重力塌陷、巖石圈拆沉和軟流圈上涌等，導致北緣近東西向裂陷沉積盆地和張性斷裂十分發(fā)育，井田受其影響形成近東西向的東坡向斜和Fs63、Fs26、F20、F29、Fs79等斷層。

燕山期太平洋板塊向亞洲大陸俯沖，形成寧武大向斜的同時，在井田內(nèi)構成北東-北北東向拉張、北西-北北西向壓扭性質的剪切應力場環(huán)境，導致東坡向斜向北紐動與OX-25向斜錯開，補501背斜、木瓜界背斜、335向斜等軸向扭轉，形成北西-北北西向雁列式斷層。

喜山期印度板塊向歐亞板塊擠壓，在山西境內(nèi)為右旋走滑作用，以斷裂為主，南部擔水溝東西走向平推正斷層切割寧武向斜，斷距200～300m，將切斷北盤上升并東推近30km，并伴生一系列次級正斷層，遠離擔水溝斷層的北部斷層規(guī)模變小、密度變稀，井田內(nèi)斷距大于30m的斷層僅F25、FS35、FS39等3條；喜山期在井田內(nèi)擠壓作用相對較弱，主要呈現(xiàn)為北北西-南南東向的張應力場，造就了北東東向平行排列的斷層組合，這些斷層產(chǎn)狀比較接近，落差相對不大，斷層面明顯，沒有斷層破碎帶；而其它前期形成的斷層，受到后來構造運動的多次改造及重新活化，多期構造作用疊加使得斷層線扭曲、斷層破碎帶及斷層附近裂隙均較為發(fā)育。

4 地質構造對采區(qū)合理劃分的影響

研究發(fā)現(xiàn)， 井田主體向斜和主要斷層走向近東西向，與二采區(qū)工作面近似垂直，對采煤工作面布置和推進產(chǎn)生很大影響。如井田中南部走向近東西向的FS26、Fs82和Fs63正斷層，落差均大于10m，與工作面近似垂直。尤其是Fs63正斷層，該斷層延伸長度很大，基本上東西向貫穿整個二采區(qū)，對二采區(qū)的工作面布置有很大影響。34202工作面主運順槽在掘進到FS26號斷層時煤層消失，向前掘進了約70m時煤層重新出現(xiàn)，30m之后煤層再次消失，大約150m后煤層變?yōu)檎?如圖16所示)。34203工作面主運順槽也是同樣的情況，煤層兩次消失，之后變?yōu)檎?圖3)。加之，近東西向的斷層形成較老，受到后來各期構造的疊加改造，斷層附近裂隙及斷裂帶均較為發(fā)育，巷道及工作面穿越會增加冒頂、坍塌及突水事故的發(fā)生幾率。

圖14 補勘8號孔揭露陷落柱體154.20～156.40m半泥巖半砂巖Figure 14 Borehole BK8 revealed subsided column 154.20～156.40m semi mudstone, semi sandstone

圖15 補勘8號孔揭露的X6陷落柱體與相鄰鉆孔正常地層、煤層的詳細對比Figure 15 Detailed comparison of borehole BK8 revealed subsided column and neighboring borehole normal strata and coal seams

總之，斷層及陷落柱等地質構造的出現(xiàn)，對巷道的掘進、對工作面的連續(xù)性均影響較大，因此在今后采區(qū)和工作面布置時要充分考慮到斷層及陷落柱的分布和發(fā)育情況，將安全隱患降到最低。

圖16 34202工作面主運巷剖面圖Figure 16 Main haulage road section of working face No.34202

5 結論

(1)井田內(nèi)新控制斷層1條，新發(fā)現(xiàn)陷落柱2個；通過對比以往鉆孔發(fā)現(xiàn)并控制斷層4條，對以往構造進行了梳理。進一步控制了4-1、4-2、9、11-1、11-2號煤層的起伏形態(tài)和斷層、 陷落柱等構造發(fā)育情況。結合區(qū)域構造演化對井田構造發(fā)育規(guī)律進行了分析。

(2)井工三礦位于寧武煤田平朔礦區(qū)北端，總體為一平緩的向斜構造—東坡向斜，軸向近東西向；西南部為近似平行排列的5條北西-北西西向褶皺，地層傾角2°～15°；斷裂構造較發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)斷層159條，其中落差大于30m的斷層3條，大于10m小于30m的斷層15條，落差5～10m的斷層39條，落差小于等于5m的斷層102條；井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)大小陷落柱9個，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入體，構造中等。

(4)印支期華北板塊與內(nèi)蒙地軸的碰撞，奠定了井田近東西向的構造主體；燕山期北西-北北西向擠壓扭轉，導致東坡向斜向北紐動與OX-25向斜錯開，補501背斜、木瓜界背斜、335向斜等軸向扭轉，及北西-北北西向雁列式斷層；喜山期北北西-南南東向的拉張，造就了北東東向平行排列的斷層組合，這些斷層產(chǎn)狀比較接近，落差相對不大，斷層面明顯，沒有斷層破碎帶；而其它前期形成的斷層，受到后來構造運動的多次改造及重新活化，多期構造作用疊加使得斷層線扭曲、斷層破碎帶及斷層附近裂隙均較為發(fā)育。

(3)井田主體向斜和主要斷層走向近東西向，與工作面近似垂直，對工作面布置產(chǎn)生很大影響。