山西晉城礦區成莊井田構造變形的定量與瓦斯賦存的關系

秦 超,曾 勇,劉金津,劉艷沙,陳鳳杰

(中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇徐州221116)

山西晉城礦區成莊井田構造變形的定量與瓦斯賦存的關系

秦 超,曾 勇,劉金津,劉艷沙,陳鳳杰

(中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇徐州221116)

通過對山西晉城陽城礦區成莊井田構造變形的定量研究,根據構造破壞性系數、剖面變形系數和平面變形系數引出構造變形系數,并繪制出煤層構造變形區劃圖,顯示出西北部、西南部、東部的破壞程度依次減小,從而對于瓦斯的儲集和運移的研究有所幫助。

構造破壞性系數;剖面變形系數;平面變形系數;構造變形系數;瓦斯;儲集;運移;山西晉城

0 引 言

成莊井田位于山西省東南部晉城西北20km,跨沁水縣和晉城市,大部分地域屬晉城市下村鄉,西北部位于沁水縣鄭村鄉地域之內。3號煤層位于山西組的下部,為主要可采煤層之一,厚度穩定,頂底板多為粉砂巖,少數為泥巖。

不同類型的地質構造在其形成過程中由于構造應力場及其內部應力狀態的不同,導致煤層及其蓋層的產狀、結構、物性、裂隙發育和地下水徑流條件出現差異,從而影響煤層瓦斯的保存。筆者把構造變形量化,從而較準確地把握瓦斯的賦存規律。

1 煤田構造特征

成莊井田位于太行山復背斜西翼,為陽城山字型構造體系脊柱南端東側及馬蹄形盾地北側與新華夏系構造體系的復合部位,總體構造面貌表現為走向NNE(北部區)—NE(南部區)、傾向北西的單斜構造,地層傾角3°～15°,一般在10°以內。

1.1 褶曲

區內褶曲較為發育,多為幅度不大,兩翼平緩開闊的背斜、向斜。按軸向可分為NNE、NNW、N45°～60°W、NNE和N25°～35°W等6組褶曲。

1.2 斷層

井田內斷層根據勘探報告共見20條,其走向長度除F6、F7、F9在500m以上外,多數均小于300m,最大落差未超過30m(圖1)。

圖1 成莊井田構造綱要圖

2 斷層與褶曲分析

按它們的走向方位經統計后作出了斷層走向玫瑰花圖(圖2)和褶曲軸向玫瑰花圖(圖3)。從兩圖中可以看出,斷層組走向可以明顯地劃分出2組,即以NE—S W向為主的1組和以NW—SE向為輔的1組。褶曲組軸向也可以劃分為2組,即以NW—SE向為主的1組和以NE—S W為輔的1組。從圖3可以看出,本區主應力來自NE—S W方向。圖2雖是以NE—S W向為主,但由于均為正斷層,表明其拉伸方向為NW和SE向,所以受擠壓應力仍是以NE—S W向為主,這個結論與煤層走向所分析的主應力方向一致。由于全區發育正斷層,對于煤層甲烷賦存的影響類似,所以對分析研究本區煤層甲烷相對賦存規律而言,斷層性質可以不考慮。

圖2 成莊井田斷層走向玫瑰花圖

圖3 成莊井田褶曲軸向玫瑰花圖

2.1 煤層斷裂破壞指數(Kg)

斷層對煤層的破壞程度,直接影響到煤層甲烷的賦存條件。煤層斷裂破壞指數是定量評價煤層被斷層破壞程度的一個指標,常用評價參數是斷層數量和斷層總長度,計算公式采用前蘇聯學者格佐夫斯基于1975年所總結的公式:

Kg=0.01e×2.8C·(LV+2max-LV+2min)/ (V+2)(1)式(1)中,e≈2.718 28…;Lmax為區段內斷層在某個長度等級中的最大長度(m);Lmin為區段內斷層在某個長度等級中的最小長度(m);△為按斷層的長度在該區段內的等級間隔。

V,C為破壞性指數。按公式lgN=V·lgL+C求得。N為區段內某個長度等級內斷層的數量,L為區段內斷層在某個長度等級內的斷層平均長度(m)。

根據成莊井田斷層分布情況,將全區分為6個區段。經數理統計得出各區段斷層破壞性系數計算基礎數據表(表1)。

破壞性系數的確定:在以lgN為縱坐標、lgL為橫坐標的直角坐標中,分別將每一區段內長度等級出現的頻率點投在坐標中,得到合適公式lgN=V· lgL+C的直線,求出該直線與橫坐標正向夾角β,利用公式V=tgβ求出系數V;而C直接從縱坐標與直線的交點上量取。

利用以上求得的數值,計算出破壞性指數Kg(表2)。

表1 成莊井田3號煤層斷層破壞性系數計算基礎數據表

表2 成莊井田斷層對3號爆層破壞性指數計算表

從表2明顯看出,成莊井田斷層對3號煤層的破壞性程度可以分成以下4類。

A類:為破壞程度較強類型,包括第Ⅰ區段,位于井田的西北部。區段內分布有9條斷層,破壞性指數平均達到5.286 2。

B類:為破壞程度中等類型,包括第Ⅱ區段,位于井田的西南部。區段內分布有7條斷層,破壞性指數平均為1.468 6。

C類:為破壞程度較弱類型,包括第Ⅲ區段,位于井田的東北部。區段內分布有4條斷層,破壞性指數平均為0.004 7。

D類:為破壞程度極弱類型,包括第Ⅳ區段,位于井田的東南部。在此區段內,在精查和精查(補充)勘探中未發現較大斷層。

2.2 褶皺構造變形系數

變形系數是表示褶皺構造變形程度的定量指標,它是以定量表述層狀巖層在構造應力作用下發生褶皺變形的程度。按測量空間的劃分,變形系數可分為剖面變形系數(Kn)和平面變形系數(Kp),其值越大,構造變形越強。

Kn=(L-Lo)/Lo(Kn≥0)(2)式(2)中,L為剖面上某一層面向兩端點間的實際長度(m);Lo為該層面兩端點間的水平投影長度(m)。

Kp=h·L1/L·L2(3)式(3)中,L為計算單元中心處兩條等高線的平距(m);L1為靠近計算單元中心的等高線在單元內的實際長度(m);L2為靠近計算單元中心的等高線在單元內的割線長度(m)。

2.2.1 剖面變形系數(Kn) 根據成莊井田3號煤層埋深在剖面圖上的標高,利用勘探線剖面圖,采用分段滑動平均取值法,確定了6個計算區段,分別進行各參數值的計算。由計算結果可知,Kn的最小值為0.001 5,最大值0.041,一般均在0.003 0～0.012之間。根據計算結果,可繪制出Kn等值線圖。

2.2.2 平面變形系數(Kp) 為了計算平面系數,在成莊井田范圍內,按坐標線方向共劃分255網格,每個網格邊長為1 000m,作為計算平面變成系數的網格單元。采用滑動窗口法,以任一網格焦點周圍的4個網格作為一個計算單元,以此計算出每一個單元中的Kp值,將計算結果置于單元中心的網格交叉點上。由于相鄰計算單元互相覆蓋了50%的面積,計算時逐格移動,故稱之為滑動窗口法。

由這種方法可知,平面變形系數相對較高值位于井田西部中段地區,相對較低值位于井田西北、東北及西南部地區。

3 構造變形綜合定量分析

根據以上對構造破壞性指數(Kg)、剖面變形系數(Kn)和平面變形系數(Kp)的研究結果,對成莊井田3號煤層構造變形進行綜合定量分析。采用上述定量參數,利用平面變形系數的網格單元進行構造變形綜合指數(CTI)的計算,CTI的值越大,構造變動越大,則煤層構造變形也越大。CTI計算公式為:

式(4)中,Q為個參數的相對權重。

根據CTI值的計算結果,發現它們的變化范圍非常大,且呈階梯式躍變,大致可分出3個臺階,即大于170%者占全部計算數值的27%;20%～60%之間的占25%;小于5%者占48%,為此將成莊井田劃分出3種構造變形類型(表3)。同時繪制3號煤層構造變形區劃圖(圖4)。

表3 3號煤層構造變形類型劃分表

圖4 成莊井田3號煤層構造變形區劃圖

對研究區內3號煤層構造變形分析,引入了構造變形綜合指數(CTI),從而得到煤層破壞程度強弱的分布情況,對于煤層甲烷的儲集和運移的研究有所幫助。

4 結 語

通過對山西晉城陽城礦區成莊井田構造變形的定量研究,可得出以下結論。

①本區均為正斷層,根據斷層和褶皺發育程度,可推斷出構造主應力來自NE—S W方向。

②根據構造破壞性系數(Kg)得出,西北部、西南部、東北部和東南部破壞程度依次減小。

③根據剖面變形系數(Kn)得出,變形程度相對較大的地段位于井田西部。

④根據平面變形系數(Kp)得出,變形程度相對較大的地段位于井田西部中段地區,其他地段相對較低。

⑤根據Kg、Kn和Kp引出構造變形系數(CTI),并繪制出煤層構造變形區劃圖,顯示出西北部、西南部、東部的破壞程度依次減小。另一方面,由于構造破壞區多為應力集中區,所以,在斷層通道被阻或者某些局部地段也會出現瓦斯富集帶,生產中應注意防范。

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Relationship between quantitative tectonic deformation and gas occurrence in ChengzhuangMine, Jincheng Coalfield of Shanxi Province

QIN Chao,ZENG Yong,L IU Jin-jin,L IU Yan-sha,CHEN Feng-jie
(College of Resources and Earth Sciences,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu)

Through quantitative study of tectonic deformation in ChengzhuangMine,Jincheng Coalfield in Shanxi Province,and based on the construction destructive coefficient,profile deformation coefficient and plane deformation coefficient,the structural deformation coefficientwas educed,and the coal seam deformation zoning map was drawn,showing northwest,southwest,east of the destruction was reduced in degree in turn.And the above conclusionswere helpful to the study of gas collection and migration.

Destructive coefficient of structure;Profile deformation coefficient;Plane deformation coefficient;Tectonic deformation coefficient;Gas;Collection;Migration;Jincheng,Shanxi

book=3,ebook=142

P618.11

A

1674-3636(2010)03-0251-04

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.251

2010-03-26;編輯:陸李萍

秦超(1986—),男,碩士研究生,主要研究方向為礦井瓦斯地質和地層古生物.