淮南阜鳳逆沖推覆構(gòu)造對(duì)煤層厚度及穩(wěn)定性的影響

陳 萍 殷廣標(biāo)

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽省淮南市，232001)

淮南阜鳳逆沖推覆構(gòu)造對(duì)煤層厚度及穩(wěn)定性的影響

陳 萍 殷廣標(biāo)

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽省淮南市，232001)

以淮南煤田新集煤礦井田13－1#煤層為研究對(duì)象，探討大型推覆構(gòu)造對(duì)煤層厚度及穩(wěn)定性的影響。據(jù)對(duì)98個(gè)鉆孔資料的統(tǒng)計(jì)分析，揭示了該井田推覆體內(nèi)和原地系統(tǒng)內(nèi)13－1#煤層厚度變化較大，其變異系數(shù)達(dá)到34%和30%，超過鄰近的未受大型推覆構(gòu)造影響的張集井田以及淮南其他井田該煤層厚度的變異系數(shù)。

推覆構(gòu)造 煤層厚度 煤層穩(wěn)定性

煤層厚度受沉積環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造的雙重因素控制。區(qū)域變化主要受沉積環(huán)境控制，構(gòu)造主要引起煤層厚度的局部變化。近來人們更多側(cè)重于研究各種褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造對(duì)煤層厚度的影響，但是，至今尚未見研究大型推覆構(gòu)造對(duì)煤層厚度影響的報(bào)道。淮南煤田新集煤礦是勘查與開采大型推覆體掩蓋下煤層取得成功的典范。本文將以新集井田13－1#煤層為對(duì)象，探討大型推覆構(gòu)造對(duì)煤層厚度及其穩(wěn)定性影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

淮南煤田位于華北板塊南緣。構(gòu)造形式為近東西向的對(duì)沖構(gòu)造盆地，盆地南北兩側(cè)均為推覆構(gòu)造構(gòu)成的疊瓦扇;其內(nèi)部則為較簡單的復(fù)向斜構(gòu)造，軸向?yàn)楸蔽魑飨颍瑯屑~向東傾斜。如圖1所示，新集井田位于淮南復(fù)向斜南部謝橋向斜的中段南翼，穎鳳阜鳳推覆構(gòu)造的中段，井田構(gòu)造線方向呈北西西向展布，呈一向北傾斜的單斜斷塊構(gòu)造，屬謝橋向斜的南翼;謝橋向斜的軸部位于井田北部邊界附近，北與張集井田相鄰。井田內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)是阜鳳逆沖斷層將外來系統(tǒng) (推覆體)由南向北推覆在原地系統(tǒng) (含煤地層)之上。由于受由南向北強(qiáng)大的壓應(yīng)力影響，形成了以阜鳳逆沖斷層為主體的上迭式大型推覆構(gòu)造。

2 新集井田13－1#煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

據(jù)對(duì)新集井田98個(gè)鉆孔資料的統(tǒng)計(jì)，91個(gè)鉆孔見原地系統(tǒng)內(nèi)13－1#煤層，其中21個(gè)鉆孔見推覆體內(nèi)13－1#煤層;另外7個(gè)鉆孔的13－1#煤層因斷層通過而缺失。煤層真厚度情況見表1。

為了探討新集井田推覆構(gòu)造對(duì)13－1#煤層厚度及穩(wěn)定性的影響，作為對(duì)照，統(tǒng)計(jì)了相鄰張集井田13－1#煤層的厚度資料。張集井田位于新集井田北側(cè)謝橋向斜北翼，新集井田位于謝橋向斜南翼，阜鳳逆沖斷層將外來系統(tǒng) (推覆體)由南向北推覆，沒有越過向斜軸影響張集井田。

圖1 新集井田構(gòu)造綱要圖

表1 新集井田13－1#煤層真厚度

關(guān)于煤層穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，有些研究者提出以下評(píng)價(jià)方法:

(1)利用趨勢面分析揭示井田尺度煤厚變化的主體特征，再采用方向梯度和滑動(dòng)窗口變異系數(shù)作為煤厚變異性定量描述的參數(shù)。

(2)煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)。

(3)煤層穩(wěn)定性的灰色評(píng)價(jià)方法。

(4)基于遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤層厚度預(yù)測。

這些評(píng)價(jià)煤層穩(wěn)定性的方法雖有其優(yōu)越性，但尚未被推廣應(yīng)用。至今全國各煤礦仍采用前煤炭工業(yè)部制定的《礦井地質(zhì)規(guī)程》第7條規(guī)定，利用煤層可采性指數(shù)和煤層變異系數(shù)評(píng)定煤層穩(wěn)定性，薄煤層以可采指數(shù) (K m)為主，煤厚變異系數(shù)(γ)為輔;中厚及中厚以上的煤層以煤厚變異系數(shù)為主，可采指數(shù)為輔。由表1可知，新集、張集兩井田13－1#煤層屬于中厚煤層，其評(píng)價(jià)指標(biāo)見表2。式

表2 中厚煤層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

中:K m——煤層的可采性指數(shù);

n——井田內(nèi)參與煤厚評(píng)價(jià)的鉆孔總數(shù)，個(gè);

n'——揭露煤厚大于或等于可采厚度的鉆孔數(shù)，個(gè)。

計(jì)算煤層厚度變異系數(shù)公式:

計(jì)算煤層的可采性指數(shù)公式:式

中:γ——煤層厚度變異系數(shù);

H——井田內(nèi)揭露煤層真厚度，m;

ˉH——揭露煤層平均煤厚，m;

n——井田內(nèi)揭露煤層鉆孔總數(shù)，個(gè);

S——標(biāo)準(zhǔn)差。

此方法簡單易行，分別計(jì)算了新集井田推覆體和原地系統(tǒng)以及張集井田13－1#煤層的可采性指數(shù)和變異系數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 新集井田和張集井田13－1#煤層穩(wěn)定性評(píng)定

3 影響煤層厚度變化的因素分析

為揭示新集井田13－1#煤層厚度變化大、穩(wěn)定性差的地質(zhì)因素，現(xiàn)據(jù)已有資料和前人的相關(guān)研究成果，提出以下認(rèn)識(shí)。

(1)沉積環(huán)境沒有對(duì)新集井田13－1#煤層厚度變化產(chǎn)生影響。

淮南煤田上石盒子組第四含煤段的沉積條件有利于煤層沉積，形成了厚度較大而且分布穩(wěn)定的13－1#煤層。值得討論的是在新集井田是不是存在如劉衡秋等所指出的“靠近煤層的砂體對(duì)煤層厚度也可能產(chǎn)生影響。”

據(jù)鉆孔資料顯示在13－1#煤層底板未見砂體，煤層之下不到8 m處普遍發(fā)育有平均厚度近1 m的13－1#下煤層，其間為泥巖和炭質(zhì)泥巖;13－1#下煤層的底板也為泥巖和砂質(zhì)泥巖。這表明在新集井田范圍內(nèi)13－1#煤層的沉積基底是穩(wěn)定的，沒有砂體影響煤層沉積。

13－1#煤層頂板巖性以泥巖為主，僅有15個(gè)鉆孔見有砂巖，見表4，但是頂板砂巖覆蓋下的煤層厚度仍然比較厚，其中11個(gè)鉆孔的煤層厚度超過5 m，另4個(gè)鉆孔的煤層厚度也達(dá)3.85～4.58 m。由此可見，新集井田13－1#煤層沒有被頂板砂巖明顯沖刷而變薄的跡象。

由此可見，在新集井田劉衡秋等所指的砂體對(duì)煤層厚度產(chǎn)生影響的情況沒有顯現(xiàn)。

表4 原地系統(tǒng)13－1#煤層直接頂板巖性及厚度

(2)由大型推覆構(gòu)造產(chǎn)生的層滑構(gòu)造是影響煤層厚度變化大、穩(wěn)定性差的主要地質(zhì)因素。

層滑構(gòu)造對(duì)煤層厚度的影響早已受到煤炭地質(zhì)界的重視。1988年，《論煤層流變》一文明確指出“煤層流變引起的煤厚變化，一種是滑移而造成的韌性流變，另一種是由煤的碎裂流動(dòng)所造成的脆性流變，介于兩者之間的是韌脆性流變”。近20年內(nèi)，研究煤層后期變化的文獻(xiàn)幾乎都提到層滑構(gòu)造是造成煤層厚度變化的重要因素。例如:1997年提出徐州陳樓煤礦九煤層厚度變化是層間滑動(dòng)構(gòu)造作用伴生的地質(zhì)現(xiàn)象;1998年論證超化井田煤層厚度的后期變化實(shí)質(zhì)上是在構(gòu)造應(yīng)力作用下煤層流變的結(jié)果;2002年解釋了淮北海孜煤礦的層滑構(gòu)造是地層沉積后引起煤層呈北東向展布且急劇增厚變薄的根本原因。

新集井田的層滑構(gòu)造較為發(fā)育與大型推覆構(gòu)造有關(guān)。徐德成于2003年以新集井田為對(duì)象，歸納出在大型特厚推覆構(gòu)造作用下煤層構(gòu)造的主要構(gòu)造形態(tài)和特征，煤層層滑構(gòu)造是其中之一;并指出“煤、巖層中受順層應(yīng)力的作用，沿煤層層理或近似層理的方向發(fā)生位移變形至斷裂的現(xiàn)象，是井田內(nèi)更次一級(jí)構(gòu)造形跡，主要有層滑褶皺和層滑斷層兩種形式”。這兩種形式特別是層滑褶皺必定造成煤層增厚或變薄。阜鳳逆沖斷層面是井田滑動(dòng)構(gòu)造體系中的主滑動(dòng)面。受主滑面的影響，13#煤層中也形成了與主滑面有成生聯(lián)系 (成生聯(lián)系:同一方式地殼運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造在空間展布、發(fā)生發(fā)展和力學(xué)機(jī)制等方面的內(nèi)在聯(lián)系)的次級(jí)滑面。通過井下實(shí)際觀測，13#煤層中至少發(fā)育有3個(gè)次級(jí)滑面，分別位于13－1#煤層頂、13－1#下煤層底，以及13－1#煤層與13－1#下煤層之間。次級(jí)滑面在煤層中多表現(xiàn)為切層—順層式滑動(dòng)斷層面，根據(jù)井下揭露情況次級(jí)滑面可歸納為切層—順層式、順層式、切層—順層式—切層式和切層—上迭式4種形式。13#煤層是厚煤層，其本身存在多個(gè)滑面，是滑動(dòng)構(gòu)造發(fā)育的有利地帶。在剪應(yīng)力和重力作用下，13#煤層與較硬的頂?shù)装灏l(fā)生不協(xié)調(diào)剪性扭動(dòng)，進(jìn)而切層或順層滑動(dòng)，經(jīng)過多次的應(yīng)力積累、滑變、釋放、再積累、再滑變、再釋放的遞進(jìn)演化和波浪式傳遞，形成了這樣復(fù)雜多變的滑動(dòng)構(gòu)造現(xiàn)象。

大型推覆體內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，巖石多受擠壓變形，破碎滑面發(fā)育，并伴有一系列小型褶皺及逆沖斷層，因此推覆體內(nèi)部煤層厚度變化較大，13－1#煤層的變異系數(shù)高達(dá)34%。阜鳳逆沖斷層面是井田滑動(dòng)構(gòu)造體系中的主滑動(dòng)面，在其影響下原地系統(tǒng)內(nèi)13煤層中發(fā)育有3個(gè)次級(jí)滑面;顯然這兩級(jí)滑動(dòng)構(gòu)造對(duì)煤層厚度必定產(chǎn)生重大影響，主滑動(dòng)面引起的輾壓褶皺，以及4種形式的次級(jí)滑面引起的層滑褶皺與層滑斷層是煤層變異系數(shù)增大的直接地質(zhì)因素，以致原地系統(tǒng)內(nèi)13－1#煤層變異系數(shù)達(dá)到30%，超過未受到大型推覆構(gòu)造影響的張集井田的24%。在淮南煤田各井田內(nèi)如此高的變異系數(shù)也屬罕見。層滑褶皺直接造成13－1#煤層在走向和傾向上都常出現(xiàn)波狀起伏，煤層厚薄懸殊，呈節(jié)狀分布。層滑斷層又直接造成煤層斷裂。98個(gè)勘探鉆孔中就有7個(gè)鉆孔內(nèi)的13－1#煤層全部斷缺。在煤礦井下生產(chǎn)階段揭露的小斷層數(shù)以百計(jì)。新集煤礦礦井地質(zhì)報(bào)告指出:“復(fù)雜的小構(gòu)造不僅破壞了煤層的原有形態(tài)，使煤層的穩(wěn)定程度降低，還使煤質(zhì)變差，導(dǎo)致在采掘過程中增加無效進(jìn)尺等，制約了煤礦產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。”

此外，層滑構(gòu)造不僅造成煤層厚度變化，煤層的結(jié)構(gòu)也受到改造成為構(gòu)造煤，這已經(jīng)是人們的共識(shí)。據(jù)新集煤礦井下觀察，13－1#煤層內(nèi)構(gòu)造煤十分發(fā)育。又對(duì)65個(gè)鉆孔測井曲線的解釋，只有零星分布的4個(gè)鉆孔13－1#煤層內(nèi)未見構(gòu)造煤。與之對(duì)照，張集井田13－1#煤層構(gòu)造煤發(fā)育程度較差，只有51.8%的面積里發(fā)育有構(gòu)造煤。而新集井田13－1#煤層內(nèi)構(gòu)造煤普遍發(fā)育，反映了煤層受到過大型推覆構(gòu)造引發(fā)的層滑構(gòu)造嚴(yán)重改造。

4 結(jié)論

據(jù)對(duì)新集井田鉆孔資料的統(tǒng)計(jì)，揭示了新集井田13－1#煤層厚度及其穩(wěn)定性的主要特征是新集井田推覆體內(nèi)和原地系統(tǒng)內(nèi)煤層厚度變化都比較大，變異系數(shù)達(dá)到34%和30%，鄰近的未受大型推覆構(gòu)造影響的張集井田該煤層厚度的變異系數(shù)只有24%，淮南其他井田13－1#煤層厚度變異系數(shù)一般都小于25%。大型推覆構(gòu)造引發(fā)的層滑構(gòu)造是煤層厚度變化的主因。層滑構(gòu)造還破壞煤層結(jié)構(gòu)構(gòu)造，形成具有瓦斯突出危險(xiǎn)性的構(gòu)造煤。煤層厚度變異系數(shù)大和煤層內(nèi)構(gòu)造煤普遍發(fā)育都不利于煤礦安全高效生產(chǎn)。

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Impact of thrust nappe structure on coal seam thickness and its stability in Fufeng of Huainan

Chen Ping，Yin Guangbiao
(School of Earth＆ Environment，Anhui University of Science＆ Technology，Huainan，Anhui232001，China)

Taking the coal seam of No.13－1#well in Xinji Coal Mine of Huainan coal field as the study object，the paper explores the impactof large nappe structure on coal seam thickness and its stability.The statistics on 98 boreholes data reveals that the thickness of coal seam No.13－1#changes greatly in the nappe body and autochthonous system，and the variation coefficients reach 34%and 30%，which surpass that of the nearby ZhangJimine field not affected by the large nappe，and othermine fields of Huainan.

nappe structure，coal seam thickness，coal seam stability

P618.11

A

陳萍 (1958－)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)從事煤地質(zhì)學(xué)方面的研究工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)