搜索
江西煤炭科技２０１４年第４期ＪＩＡＮＧＸＩＣＯＡＬＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＮＯ．４２０１４北山煤矿地质构造对煤层形态和厚度的影响＊邱占林１，郭玉森１，沈在章１，许福美１，罗城２，陈万煌１（１．龙岩学院资源工程学院，福建龙岩３６４０１２；２．福建省１９７地质大队，福建泉州３６２０００）摘要：在北山煤矿地质构造特征研究的基础上，对该矿煤层形态和厚度的变化影响进行了初步分析和研究。结果表明，北山煤矿主采煤层形态和厚度的变化受横弯褶皱和纵弯褶皱的双重控制，近ＳＮ、ＥＷ和ＮＥ～ＮＥＥ向的高角度正断层对３７＃、３９＃煤层影响最大，岩浆岩影响程度相对较弱。该研究可为北山煤矿下一步煤炭资源的合理开采提供一定的参考和指导。关键词：地质构造；煤层形态；煤厚中图分类号：ＴＤ１６３＋．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００６－２５７２（２０１４）０４－０１２５－０４ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎＣｏａｌＳｅａｍＭｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄＴｈｉｃｋｎｅｓｓｉｎＢｅｉｓｈａｎＣｏｌｉｅｒｙ１，１，１，１，２，１ＱｉｕＺｈａｎｌｉｎＧｕｏＹｕｓｅｎＳｈｅｎＺａｉｚｈａｎｇＸｕＦｕｍｅｉＬｕｏＣｈｅｎｇＣｈｅｎＷａｎｈｕａｎｇ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｏｎｇｙａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｏｎｇｙａｎ，Ｆｕｊｉａｎ３６４０１２；２．Ｎｏ．１９７ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＴｅａｍｏｆＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｑｕａｎｚｈｏｕ，Ｆｕｊｉａｎ３６２０００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＢｅｉｓｈａｎＣｏｌｉｅｒｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｍａｋｅｓａｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙａ－ｎａｌｙｓｉｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｃｏａｌｓｅａｍｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｍｉｎｉｎｇｃｏａｌｓｅａｍｖａｒｙｗｉｔｈｔｈｅｄｕａｌｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｒｏｓｓ－ｂｅｎｄｆｏｌｄａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌ－ｂｅｎｄｆｏｌｄｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｏｒｍａｌｆａｕｌｔｓｎｅａｒＳＮ，ＥＷａｎｄＮＥ～ＮＥＥｈｉｇｈａｎｇｌｅｏｎＮｏ．３７ａｎｄＮｏ．３９ｃｏａｌｓｅａｍａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｗｅｅｋｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｍａｇｍａｔｉｃｒｏｃｋｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｇｕｉｄ－ａｎｃｅｆｏｒｒａｔｉｏｎａｌｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓｉｎＢｅｉｓｈａｎｃｏａｌｍｉｎｅｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｏａｌｓｅａｍｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；ｃｏａｌｓｅａｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ影响煤层形态和厚度变化的因素较多，构造是最主要的一个因素。煤层形态和厚度的变化会严重制约采煤工作和巷道布置的正常进行，造成生产成本提高，工作效率降低等〔１－３〕，我国很多学者对此进行过相关研究，并取得了许多重要成果〔４－９〕。但很多都是基于北方矿井，南方缺煤省份这方面报道相对较少。地质构造会引起煤系地层连续性、完整性的破坏，进而导致煤层形态和厚度发生较大的变化，对煤矿的安全高效生产产生较大影响。因此，为了了解地质构造对煤层形态和厚度变化的影响，只有准确计算煤炭资源储量及合理布置巷道，预测煤层形态变化和煤厚变化规律，才能确保煤炭资源可持续开采和合理利用。本文是在掌握矿区构造特征的基础上，以地质构造为＊基金项目：福建省教育厅Ｂ类项目（ＪＢ１２２１３）；龙岩市科技资助项目（２０１１ＬＹ５３）；福建省大学生创新创业训练计划项目；龙岩学院校立服务海西面上项目“百名青年教师攀登项目”；龙岩学院２０１４年校级大学生创新创业训练计划项目。·１２５·主线分析和研究北山煤矿主采煤层形态和厚度的变化情况，该研究对有效组织生产，合理布置井下采掘巷道，提高生产效率有一定的指导和参考意义。１矿区概况北山煤矿位于龙岩市新罗区东南部，距仁和村３０ｋｍ，隶属新罗区适中镇管辖。该矿位于龙永煤田的东南面，龙岩山字型前弧东翼的南侧，梅林背斜的北西翼。矿区内有东西向构造、南北向构造、华夏系构造、新华夏系构造等多种构造行迹。而龙永煤田位于新华夏系构造体系的第二隆起带内，同时又处在南岭纬向构造体系的东端。整个煤田的主体构造为新华夏系和龙岩山字型。北山煤矿形成的是多期（印支期、燕山期、喜山期）、多成因的总体构造格局。龙岩山字型典型构造是由于区域旋转或隆起作用，应力场导致构造重心偏移引发侧向滑动所形成的。矿区出露的地层主要有：下石炭统林地组（Ｃ１ｌ）；二叠系下统栖霞组（Ｐ１ｑ）、童子岩组（Ｐ１ｔ）和上统翠屏山组（Ｐ２ｃｐ）、大隆组（Ｐ２ｄ）；三叠系下统溪口组（Ｔ１ｘ）、溪尾组（Ｔ１ｘｗ）和上统大坑组（Ｔ３ｄ）、文宾山组（Ｔ３ｗ）；侏罗系（Ｊ）及第四系（Ｑ）。２矿区构造特征２．１褶皱北山煤矿地质构造总体为一向北倾斜的单斜构造，矿区内褶皱较不发育，受区域构造的控制浅部发育少量的次级褶皱，其规模一般不大，对煤矿的安全生产影响较小。但断层所引起的伴生牵引褶皱，幅度达数十米至近百米，这种由断层所引起的牵引小褶皱对煤层的厚度和形态影响较大。２．２断层矿区内断裂构造十分发育，主要以正断层和平移断层为主，逆断层较少。现已查明落差大于３０ｍ的断层有３６条（见图１）。按断层的性质、形态、产状及规模，大致可分为五类：①ＥＷ向：一组走向近ＥＷ、略向ＳＥ偏转的正断层，如Ｆ２１、Ｆ２８、Ｆ２９和Ｆ３０等；②ＳＮ向：一组走向近ＳＮ，个别走向略向Ｗ或Ｅ偏转的平移断层或正断层，如Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ７、Ｆ８、Ｆ９和Ｆ１０等；③ＮＮＥ向：一组新华夏系断裂构造（正断层为主），如Ｆ１３、Ｆ５０等；④ＮＥ～ＮＥＥ向：一组以华夏系压扭性正（逆）断层为主的断裂构造，其中正断层有Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２３、Ｆ２４、Ｆ２６、Ｆ２７、Ｆ４３和Ｆ５１等，逆断层则有Ｆ２５和Ｆ４７等；⑤ＮＷ～ＮＮＷ向：一组倾向ＮＥ至ＮＥＥ的平移断层，如Ｆ３１、Ｆ３３和Ｆ３４帚状断层组（见表１）。表１断层特征一览编号断层性质断层产状备注走向倾向倾角Ｆ２１Ｎ６５°Ｆ２８正断层ＥＷ向Ｎ５３°Ｆ２９Ｎ５５°Ｆ３０Ｎ４７°Ｆ２Ｗ５２°Ｆ３Ｗ３８°Ｆ４ＮＥ１４°Ｆ５平移断层ＳＮ向Ｅ６５°或正断层Ｆ７Ｅ３３°Ｆ８Ｗ４５°Ｆ９Ｗ６２°Ｆ１０Ｅ８°Ｆ１３正断层ＮＮＥ向ＮＷ４５°Ｆ５０ＮＷ５２°、、、、正断层Ｆ０Ｆ１Ｆ２３Ｆ２４ＮＷ２５°～６５°、、、Ｆ２６Ｆ２７Ｆ４３Ｆ５１Ｆ２５逆断层ＮＥ～ＮＥＥ向ＮＷ６５°位于井田中部，Ｆ４７ＳＥ２３°长约７５０ｍＦ３１ＮＥ２８°Ｆ３３平移断层ＮＷ～ＮＮＷ向ＮＥ３０°局部有倒转地层Ｆ３４ＮＥ１５°图１北山煤矿构造纲要简图２．３岩浆岩该区岩浆活动相对较弱，主要为岩枝状或细脉状的侵入岩，规模相对较小。该侵入岩以基性岩为主，其次为酸性岩或石英斑岩脉等，而闪长岩、辉绿岩脉多呈ＥＷ向展布，花岗斑岩及石英斑岩脉则呈ＳＮ向展布。岩浆侵入作用对可采煤层的连续性、完整性和稳定性造成了较大的影响。３构造对煤层厚度和形态的影响·１２６·３．１褶皱对煤层形态和厚度的影响矿区内仅发育次级小褶皱，并受控于主要断层。在构造应力作用下，煤层作为一种软岩易发生变形、变位和塑性流动，导致煤层形态发生改变，厚度出现局部增厚、分叉、变薄甚至尖灭，发育的部位主要集中在背、向斜的轴部及两翼地带。在横弯褶皱作用下（垂向应力），褶曲轴部受力明显大于翼部，煤由应力集中处向两侧发生塑性流动，造成背斜顶部煤厚变薄，向斜核部煤层厚度则会显著增加，而两翼厚度介于两者之间，相应的煤层赋存形态发生改变（图２－ａ）；在纵弯褶皱作用下（水平应力），褶曲翼部受力明显大于轴部，煤由两翼向核部（槽部）发生塑性流动，造成向斜核部（槽部）或背斜顶部煤厚显著增加，但两翼煤层则相应变薄（图２－ｂ）。此外，煤层形态和厚度的变化一般出现在褶皱发育剧烈的井田中，与不对称和不协调褶皱及后生次级波状伴生小褶皱转折端有关。后期构造运动易引起煤层发生揉皱、搓碎及镜面滑动等塑性流动或流变，造成部分煤层出现形态弯曲，厚度增大或变薄，且走向上也呈现不规则变化，形成一条褶皱压薄带。至尖灭。在断层或断层带附近，煤层形态极不稳定，厚度也会出现不同程度的增厚或变薄的现象，一些局部发育的逆断层在其两侧可能会出现煤层的逆掩重叠或挤压聚焦，形成富煤区或厚煤带；而多数正断层由于拉张拖拽作用，易导致断层附近两盘煤层厚度变薄。由表１可知，矿区内以近ＳＮ、ＥＷ和ＮＥ～ＮＥＥ向高角度正断层为主，占７４％以上，其力学性质多具平移兼扭动性质，其次为平移断层和逆断层，且中小断层较为发育。由于本区几乎是张性或张扭性正断层，在其拉张应力作用影响下，断层两盘发生引张拖拽引起上、下盘煤层形态改变，煤厚变薄。图３表明３９＃煤层在Ｆ２１大倾角正断裂的作用下，出现煤层结构破坏，同一水平煤层消失的现象。图３Ｆ２１正断层引起３９＃煤层形态和厚度的变化此外，伴生构造也会对煤厚及形态产生较大的影响，出现局部富煤区。北山煤矿＋２２０ｍ水平发育一条高角度的逆断层，走向延伸约７５０ｍ，其与褶皱伴生。在压扭应力的作用下，３９＃煤层出现断层带富集的现象，形成“肾状”或“茄状”的富煤形态，同时造成３９＃煤层在断层两盘变薄，发生局部不可采。＋２２０ｍ水平巷道揭露的３９＃煤层厚度达到９．６１ｍ，而相距仅１００ｍ的巷道揭露的煤层厚度仅０．２６ｍ，这是后期构造作用改变煤层厚度和形态的有力证据（见图４）。图２横、纵弯褶皱作用下煤层形态和厚度的变化３．２断层对煤层形态和厚度的影响断裂构造是引起煤层形态和厚度变化的主要因素。既破坏了煤层的稳定性，又改变了煤层的厚度和形态，给煤矿正常生产带来很大的困难。从该矿区井下所揭露的断层来看，大部分是张性断层，这类断层的煤层经常变薄，顶底板破碎，不适宜开采，需要绕开断层，增加了井下煤炭的开采难度，造成直接生产成本的提高。一般压性或压扭性断层常使煤层局部加厚，而张性断层则常使煤层变薄甚图４＋２２０ｍ水平３９＃煤层形态和厚度的变化逆掩断层对本矿区煤层厚度和形态的影响程度相对较小。由于矿区内逆断层相对较少，仅见于矿区的中部，且落差小，表现为压扭或兼走滑性质，常使煤层局部增厚，煤层破碎，而且稳定条件极差，煤层的形态破坏较严重。＋２６０ｍ水平３７＃煤层形态和厚度变化主要受Ｆ４７缓倾角逆掩断层的控制，煤层在上、下盘出现不同程度的变化，尤其是在断层面附近出现变薄的现象，总体上呈现出逆掩叠置现象（见图５）。·１２７·图５＋２６０ｍ水平３７＃煤层形态和厚度的变化在实际生产实践中发现，煤层受断层影响引起的形态和厚度的变化规律与上述分析一致，主要表现为：①断层的断距（落差）越大，煤层变薄规模和范围也越大；②各种断层切穿煤层顶、底板岩石的强度越小，则煤层变薄区域越小；③断层的倾角越大，则相应煤层变化范围也越小。３．３岩浆岩对煤层形态和厚度的影响在煤系地层附近常出现岩浆岩侵入、穿插或接近煤层，且伴随有中小断层发育。一旦发生岩浆侵入或靠近煤层，就容易导致岩浆熔蚀交代煤层，引起煤层连续性和完整性的破坏，减少矿井的可采储量，同时也会引起煤的接触热变质，导致灰分增高，粘度降低，直至变为天然焦，降低煤的工业价值。＋２２０ｍ水平３７＃煤层由于受到酸性岩浆的侵入切割，连续性和完整性遭到严重破坏，煤层厚度和形态发生较大的变化，煤层因岩浆热的作用发生局部蚀变，导致煤层的煤体结构及煤质也受到影响，甚至大片煤层被吞噬或变成天然焦（见图６）。此外，岩浆以岩床顺层侵入含煤地层后，会出现煤层的分叉和侵位。而岩脉常沿断层侵入，蚕食煤层引起煤厚变薄，常呈似层状、无规则状，出现“犬齿构造煤”。特殊的揉皱现象一般发育在侵入体前缘，出现具有漩涡状褶曲等小构造。图６＋２２０ｍ水平３７＃煤层形态和厚度的变化４结语１）煤层形态和厚度变化是多因素共同作用的结果。北