東坑仔礦區地質構造對煤層的影響?

邱占林馮金煒寇貴存羅保榮周維貴黃聰明陳萬煌

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

★煤炭科技·地質與勘探★

東坑仔礦區地質構造對煤層的影響?

邱占林1馮金煒2寇貴存2羅保榮2周維貴2黃聰明1陳萬煌1

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

為了精確計算煤炭資源儲量和正確指導礦井采掘生產工作,需要總結及掌握地質構造對煤層的影響及其規律。根據永安東坑仔礦區已有的地質資料,并結合前人的研究成果,在分析礦區地質構造的基礎上,揭示了構造對煤層結構、分布、厚度及煤層開采與儲量等方面的影響。結果表明：礦區內褶皺可導致煤層發生塑性流變,影響煤層形態及厚度;密集發育的斷層嚴重破壞煤層的連續性并形成無煤三角區;巖漿巖的順層侵入導致煤層發生焦化或蝕變并出現分層現象。該研究對查明煤炭資源賦存特征及指導充分開采利用均具有一定的理論和實踐意義。

東坑仔礦區 地質構造 煤層厚度 影響

在煤礦采掘過程中,地質構造對煤層的影響會嚴重制約礦井的正常生產,亦會提高開采成本、降低煤炭資源的充分回收利用。能否準確預判及處理已知或未知地質構造是事關煤礦高效生產的主要技術因素之一,而地質構造對煤層的影響主要體現在煤層結構、分布、厚度、形態、穩定性及煤層開采與儲量等方面。因此,通過從地質構造運動及巖漿活動入手,結合鉆孔和井下地質編錄資料,分析并研究東坑仔礦區地質構造及其對煤層的影響,可為福建省地質構造復雜含煤區的找煤預測提供一定的參考和指導。

1 礦區概況

東坑仔礦區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。礦區面積為8.9491 km2,開采深度標高由575 m降至-200 m,可采煤層主要分布在中二疊統童子巖組(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。區內地層出露較豐富,地質構造復雜,褶皺和斷層較發育,巖漿巖體呈巖株產出,煤層厚度變化較大。井田構造綱要圖見圖1。

圖1 井田構造綱要圖

2 礦區地質構造

東坑仔礦區地處加福復式向斜的東翼,含煤地層屬緩傾角的單斜構造,該向斜東部傾角平緩(25°),中部陡(45°)且局部倒轉,西部平緩(30°)呈撓曲構造形態。總體產狀較穩定,沿傾向至深部有簡單的寬緩褶皺,偶見撓曲。井內斷層發育且規模不一,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,并有一定的巖漿巖侵入,對煤層形態、厚度、連續性及穩定性的破壞較大。地質構造復雜程度屬II類——構造中等類型。

2.1 褶皺

區內次一組褶皺除1號背斜外,多為兩翼不對稱、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號背斜分布在46～50線的童子巖組第一段附近,軸向為NNE∠25°,軸長1070 m,北端偏NE向,軸面較直立,微向東南扭曲。2號、3號、5號和6號褶皺均為NNE向,4號為正常背斜及倒轉向斜。其余次一級褶皺主要分布在斷裂發育地段及高一級褶皺附近,多為傾向上波狀起伏,所見垂直落差小于10 m,水平變化幅度小于40 m。含煤地層沿走向、傾向的產狀變化較大。

2.2 斷裂

區內斷裂構造發育,地層斷距在20 m以上的斷裂有22條,編號為F0～F21,其中正斷層20條,逆斷層2條。斷層走向以NNE向為主,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小斷層,對含煤地層有一定的影響。

2.2.1 主要斷層

區內所揭露的22條斷層主要分布于礦區東南部且沿NNE向展布,除了F9和F11為逆斷層外,其余均為正斷層,礦區內主要斷層特征如表1所示。斷層走向總體與加福復式褶皺延伸一致,隨著后期構造運動擠壓或重力作用的增強,所產生的斷裂和褶皺有相似的方向性。

2.2.2 派生斷層

區內所派生的次一級斷層會與主斷層呈銳角相交,形成“倒轉入字”型斷層,如44線附近的一些規模較小的伴生斷層與F18構成“倒轉入字”形態,F16延伸到深部與F18形成較大的此類構造。其中,F16為傾向正斷層,傾向NW向,傾角為66°～77°,落差大于30 m,出露長達900 m,上盤為P2t3地層,下盤為P2t2地層,將6#煤層錯開; F18為走向正斷層,傾向NW向,傾角25°～60°,落差大于30 m,出露長達1900 m以上,主要位于43～50線之間,上盤為P2t3地層,下盤為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造,發育于F16及F18之間,總體呈現“倒轉入字”型構造,區間斷層落差較大,煤體剖面位移程度大,如圖2所示。

表1 礦區內主要斷層特征

圖2 派生斷層構造樣式

2.3 巖漿巖

區內所見巖漿巖體均為輝綠巖侵入巖體,多呈巖墻、巖脈或巖株產出,個別見順層侵入,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59處,其中地表20處,深部33處。區內巖脈雖較發育,但規模均較小,對含煤地層破壞不大。

3 構造對煤層的影響

3.1 褶皺對煤層的影響

據已有開采資料可知,褶皺對煤層形態、厚度等具有一定的影響。一般情況下,受區域構造應力的擠壓作用,褶皺軸部煤層厚度較大,兩翼煤層厚度相對較小,尤其在向斜的核、軸部常呈巨厚煤包,但東坑仔礦區煤層厚度出現反常現象。由于該礦區褶皺主要受垂直方向應力作用發生塑性變形,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生塑性流動,造成褶皺兩翼煤層增厚,核部煤層變薄,呈“藕節狀”或“串珠狀”煤層。褶皺兩翼煤層厚度基本大于1 m,最厚可達1.6 m,核部只有0.7 m,出現頂薄現象,如圖3所示。

圖3 10#煤層隨褶皺變化圖

此外,本礦區較大規模的背、向斜構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,并與主應力軸方向正交。區內有1條兩翼對稱、出露完整的和多條兩翼不對稱、出露不完整的褶皺構造,以層間褶皺、牽引褶皺的形態出現,其垂直幅度都在10 m以下,對煤層的厚度產生了一定的影響,在生產巷道中存在發育的小褶皺——撓曲構造,使煤層變厚或變薄。同時,也存在一些小褶皺構造使煤層層位尖滅丟失,呈“尖刺”或“穿刺”狀,使地層更加復雜,且煤層分叉后導致煤分布不均勻,分散煤量的同時形成“煤包”或“煤尖子”,局部底板巖石顆粒變粗,由細砂巖變為砂質泥巖,出現與正常層位相反的現象,使在層位對比研究中產生誤導,運巷掘進過程中發生誤差。

3.2 斷層對煤層的影響

3.2.1 對煤層結構及分布的影響

在斷層的發育過程中,由于構造應力的作用,斷層兩盤運動使煤層受到剪切破壞,使得煤層中滑面發育,裂隙增多,導致煤巖性松軟破碎,開采過程中容易混入矸石,增加灰分的含量,降低煤的發熱量。

大斷層的出現可導致煤層斷開,同時大斷層的出現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性,還造成煤層變薄甚至形成無煤區。但亦可形成一些有利條件,如斷層導致煤層的重復,引起煤炭資源相對集中,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長距離斷開,嚴重破壞了煤層的連續性,增加同一水平的開采成本,還給找煤帶來一定的難度。礦區F15及派生小斷層相交形成一個無煤三角區,使之前的掘進巷道廢棄,如圖4 (b)所示。

圖4 斷層影響煤層連續性及分布

3.2.2 對煤層厚度的影響

煤層屬軟弱巖層,在構造應力及地應力的作用下會發生柔性變形或塑性流動。當多條斷層同時作用于同一段煤層時,該煤層容易發生相對運動從而引起斷層兩側的煤層尖滅。當煤層及其頂底板受到側向壓應力時,就會因力的作用產生剪切滑動,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采區的10#煤層在斷層F18和F5斷層的共同作用下,在沿煤巷掘進10 m后變薄,在25 m處發生尖滅,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,遠離斷層煤層逐漸增厚,局部煤層厚度高達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,而離斷層較遠處層厚度僅為0.25 m,表明受逆斷層擠壓應力作用的影響,其兩盤出現煤層重復疊加或擠壓集聚,形成厚煤帶,遠離區域則出現變薄甚至尖滅,如圖6(b)所示。

圖6 斷層引起的煤厚變化情況

3.2.3 對煤層開采及儲量的影響

受斷層運動影響一般會出現兩種效應：

(1)處于斷層下降盤的煤層埋深逐漸增大,造成本水平該號煤層開采中斷,而開采水平變深,對開采技術要求較高,增加了開采成本;

(2)上升盤或斷距較大的斷層出現會將下水平的煤層抬升,這不僅緩解了煤礦的開采壓力,還節省了探巷及石門的費用。

斷層的發育伴生很多裂隙的產生,使煤層的頂板巖石強度降低,易破碎,開采時容易造成工作面頂板冒頂事故。斷層作用使煤層產狀發生極大變化,經常出現立槽煤(煤層傾角近乎90°)。實際開采可發現斷層的斷距愈大,煤層變薄范圍也愈大;斷層切過煤層頂板或底板巖石的強度愈小,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斷層大部分區段導水,F2、F7、F9、F11、F16、F18斷層導水性弱,其他斷層導水性極弱或不導水。一般見導水斷層必須留設保安煤柱,從而減少可采煤層的儲量。

3.3 巖漿巖對煤層的影響

巖漿巖對煤層的破壞程度受多種因素控制,主要受侵入體規模、巖性、產狀及層位的影響。礦區內出現的侵入巖基本為輝綠巖,多呈巖株狀產出。巖漿巖順斷層面或其他構造結構面擠入煤層,使煤層厚度、形態等發生改造,或使得原先形成的煤層及其結構發生破壞。巖漿巖的侵入所形成高溫使得煤質發生焦化作用,相當一部分煤層被吞蝕。當煤層受到巖漿熱力及擠壓力作用時,煤層發生流變,促使煤層物質發生運移導致煤層發生局部厚度增減,并且影響煤層穩定性。煤層受到熱接觸變質作用,引起圍巖發生蝕變,采掘過程中可見一些石英、綠泥石和方解石脈等變質礦物。巖漿巖侵入使得煤層出現“中間侵入型”分層現象,如圖7所示。

圖7 9#煤層分層現象

4 結論與建議

(1)東坑仔礦區地質構造復雜程度屬II類——構造中等類型,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,對煤層的破壞程度較大。

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

(3)礦區斷層對煤層影響所誘發的效應表現在：當多條斷層同時作用于同一段煤層,易產生斷層兩側煤層減薄甚至尖滅;當煤層及其頂底板受側向擠壓力時,會產生剪切滑動,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)礦區巖漿巖體基本為輝綠巖侵入體,呈巖株狀順斷層侵入。侵入巖漿的余熱導致圍巖出現煤體焦化及蝕變現象,在實際開采過程中可利用石門或小眼揭露的侵入巖分布規律指導采煤。

(5)在同一礦區,地質構造對煤層的影響規律基本上是一致的,可利用采空區地質構造對煤層的影響規律來預測未知采區可能出現的煤層變化情況,對于布置采掘巷道,提高開采效率具有一定的參考價值。

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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,工學碩士,講師,主要從事礦井地質與構造地質的教學與研究工作。

(責任編輯 郭東芝)

2016年國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201611312021),福建省教育廳JK類科技項目(JK2014050),福建省大學生創新創業訓練計劃項目(S20141036),龍巖學院校級重點學科“地質資源與地質工程”項目