舒蘭街煤礦構造型式力學性質(zhì)的分析

劉海濤，楊忠習，曹乃文

1. 吉林省地質(zhì)資料館， 吉林 長春 130061；2.吉林省煤田地質(zhì)物探公司， 吉林 長春 130033

舒蘭煤田大地構造位置位于天山—興安地槽褶皺區(qū)(Ⅰ)，吉黑褶皺系(亞Ⅰ)，吉林優(yōu)地槽褶皺帶(Ⅱ)，吉林復向斜 (Ⅲ)，伊蘭—伊通斷陷，為中國東部郯廬斷裂帶北延分支之一。盆地性質(zhì)為裂谷裂陷式—地塹盆地，F(xiàn)4、F8為盆緣斷裂，為早期（喜山期）形成并控制古近系新安村組、舒蘭組煤系地層沉積。

舒蘭礦務局舒蘭街煤礦位于舒蘭煤田的東北部，舒蘭縣城南西3.0 km處，為地塹向斜的東南翼。其主要含煤地層為新生界古近系中新統(tǒng)舒蘭組主要含煤段，其厚度最大為270m，最小200m，平均240m。含煤20余層，可采及局部可采的有10余層，含煤系數(shù)7.58%。

受區(qū)域主構造影響，井田內(nèi)地質(zhì)構造復雜，尤其是斷裂構造較發(fā)育（見圖1及表1），且構造具有規(guī)律性，斷層可分兩組方向展布，一組是NE方向的走向正斷層，一組是NW方向的斜交正斷層，各斷層對煤層以及采區(qū)的劃分均有一定的影響，有的斷層可成為劃分采區(qū)的自然界限。

舒蘭街煤礦于20世紀70年代成立，建設兩對生產(chǎn)礦井，設計生產(chǎn)能力均為30萬噸/年，分別于1977年和1978年建井，但直至2003年舒蘭街煤礦破產(chǎn)，兩對生產(chǎn)礦井始終沒有達到設計生產(chǎn)能力（見表2），其主要原因是地質(zhì)構造復雜，無法布置單產(chǎn)較高的工作面（采區(qū)）。下面就其構造型式及力學性質(zhì)進行初步分析探討。

1 構造型式與構造特征

舒蘭街煤礦的構造型式為一個入字型構造（圖1）。主干斷裂為地塹邊緣斷層F4,走向為NE30°～60°，傾向NW，傾角70°左右，落差大于1 000m，是壓扭性的一級構造，也是控制礦區(qū)（煤產(chǎn)地）沉積的主要構造。分支斷裂由F9、F1、F10、F5、F3、F20、F2、F12等二級構造組成，其走向基本為NEE或近NW向，向北傾斜，傾角較陡，落差0～200m，也都是壓扭性正斷層。其構造特征及規(guī)律如下：

圖1 舒蘭街煤礦構造略圖Fig.1 Structure sketchmap of coalmine, Shulan Street

表1 舒蘭街一井斷層統(tǒng)計表Table 1 Fault statistics of No.1 Wall, Shulan Street

表2 舒蘭街一井產(chǎn)量統(tǒng)計表Table 2 Output statistics of No.1 Wall, Shulan Street

（1）分支斷裂越靠近主干斷裂落差越大，遠離主干斷層落差逐漸變小直至尖滅，有的甚至在較短距離內(nèi)尖滅，其斷層上盤地層基本都向東斜落，具有明顯的逆時針扭動的特點。

（2）受二級構造的影響，三級構造（小構造）較為發(fā)育，越靠近淺部越明顯，這些小斷層也都為壓扭性高角度正斷層，走向多為NE或NEE向，大多數(shù)傾向NW，個別的向南傾斜，褶皺構造也很發(fā)育，小型背、向斜均很明顯，所以巖層傾角和走向變化較大，甚至有的變化非常突然。

（3）壓扭性斷層的走向在平面上呈舒緩波狀，大斷層表現(xiàn)更為明顯。

（4）三級構造不論是在平面上還是在剖面上，都是成組出現(xiàn)并呈多字型展布，其特點是一組斷層延伸不遠就尖滅，而隔一定距離又出現(xiàn)一組。

（5）弧形構造也較發(fā)育，斷層面一般較陡，落差均不大，有的表現(xiàn)為中間落差大，兩端落差小。

（6）傾向NW的壓扭性正斷層的上盤基本都是向北斜落的，有的甚至水平錯距相當于垂直斷距。由于構造運動的持續(xù)影響，多數(shù)已經(jīng)形成的斷裂又再次活動，有的斷層面有兩組不同方向的擦痕存在，后期擦痕疊加在前期擦痕上（圖2）。

（7）壓扭性斷層的斷層面（帶）斷層泥發(fā)育，有糜棱巖化、硅化現(xiàn)象，緊閉程度高，具有隔水性。但在中、小斷層，特別是斷層兩盤接觸的巖性都為厚層含水砂巖時，斷層的隔水性相對減弱，但泥巖填充斷層帶的大斷層，其隔水性非常好。

圖2 甲:舒蘭街二井+115車場小斷層素描;乙:舒蘭街一井+50水平23層大巷F10擦痕素描圖Fig.2 A. Sketchmap of No.2 well and 115 Chechang small faults, Shulan Street; B. Sketchmap of No.1 well and Level 50 Layer 23 Daxiang F10 striae, Shulan Street

2 舒蘭街煤礦構造型式的力學性質(zhì)分析

2.1 入字型構造的力學性質(zhì)分析

入字型構造的重要構造特征，是起源于主干斷裂兩盤發(fā)生相對錯動、特別是發(fā)生大規(guī)模的錯動時，沿斷裂兩側(cè)產(chǎn)生的一對力偶（圖3）。因主干斷裂形成后，將巖塊或地塊一分為二，改變了邊界條件，在各巖塊或地塊內(nèi)形成局部應力場。在局部應力場中形成不同性質(zhì)的結構面，這種結構面局限于某一巖塊或地塊內(nèi)而不超越其范圍。這種局部應力場是由主干斷裂誘導出來的，所以低級序的結構面只能與主干斷裂相交而不相切。這種關系既說明主干斷裂和分支斷裂是不同序次的成生關系，同時又是這種構造型式的重要形態(tài)標志。

在主干斷裂兩側(cè)，分支構造發(fā)育的程度并不相等。入字型構造的分支斷裂有時可形成低級序的入字型構造，有時可分支若干次。

2.2 對壓扭性高角度正斷層力學性質(zhì)的分析

舒蘭街煤礦特別是舒蘭街煤礦一井淺部一系列階梯狀向NW傾斜的正斷層，落差并不大，落差1m左右的小斷層極為發(fā)育，這是低級構造也是低次序的，形成的原因是：在二級構造形成時，這些低級構造是以水平擠壓兼扭力為主的，即銳角平分線平行水平擠壓力，（圖4甲），但在二級構造形成之后，巖層大幅度下落，形成一個個陷塊，這時低級構造便又轉(zhuǎn)變成以重力形式為主的垂直擠壓力（圖4乙），因此，所見斷層多數(shù)是上盤向北斜落的。

2.3 舒蘭街煤礦構造型式的力學性質(zhì)分析

圖3 “入”字型構造力學分析圖解Fig.3 Analysis diagram of λ-type structuremechanics

圖4 礦區(qū)構造應力圖解Fig.4 Structure stress diagram ofmining area

成煤后的佳伊地塹向斜，主要受新華夏系構造運動南北對偶扭力的影響。由于佳伊斷裂幾經(jīng)波動，致使新華夏系構造運動強大的南北對偶扭力并沒有改變原構造線的方向，這強大的地應力只是在原構造線的控制下，以不均衡的方式施加在斷裂凹陷中，先產(chǎn)生了壓性為主兼扭性的正斷層，即F4主干斷層，形成了地塹向斜，這是由扭力和對扭產(chǎn)生的巨大側(cè)壓力聯(lián)合作用所致。在構造運動的不斷進行中，地塹兩側(cè)的花崗巖體像兩塊面板揉壓面團一樣推擠沉積巖體，加之邊界條件的差異，地應力分布很不均衡，特別是舒蘭街煤礦，地塹兩側(cè)花崗巖體相距較近，又是構造的交匯處，致使地應力在這里集中，這是該區(qū)構造復雜的主要原因。

3 結論

（1）舒蘭街煤礦的構造型式為入字型構造；

（2）入字型構造的主要特點是分支斷裂越靠近主干斷裂落差越大；

（3）斷層都為壓扭性高角度正斷層；

（4）斷層面（帶）斷層泥發(fā)育，有糜棱巖化、硅化現(xiàn)象，緊閉程度高，具有隔水性。

[1] 楊名義,等.構造地質(zhì)及地質(zhì)力學[M]. 北京:地質(zhì)出版社,1978.

[2] 舒萬柏.雨谷井田地質(zhì)構造特征及成因分析[J].中國煤田地質(zhì).2007. 19(1):14-16.