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1绪论1.1研究目的和意义我国是一个产煤大国，煤炭资源丰富，储量居世界第二位，煤炭产量居世界前列，而且煤种比较全。我国煤炭工业在整个国民经济中占有非常重要的地位。据2006年资料统计，我国煤炭年生产达到23.25亿吨,在一次能源消费结构中比例高达68.9％。随着我国国民经济的快速发展，对煤炭和能源的需求呈现持续快速增长的趋势，以煤炭为主要能源的局面在今后相当长的时间内不会有根性的变化，工农业生产和人民生活都与煤炭工业有密切的关系。因此，煤炭工业的可持续发展是我国社会发展和经济建设必不可少的条件。截至2004年年底开滦矿区现有生产矿井井田范围内，煤炭保有储量为325990.7万吨，工业储量295913.9万吨，可采储量148145.8万吨，实际可采储量101706.9万吨。赵各庄矿于1908年投产，解放后经矿井改造，产量逐年增多，1975年曾达到421.5万吨。1980年核定矿井生产能力为230万吨/年，1997年核定矿井生产能力为147万吨/年。目前矿井生产水平在十一水平（-905m）和十二水平（-1002m），开拓水平为十二、十三水平（-1100m）。（注：据开滦矿务局资料）随着浅部（-1200m）煤炭资源的进一步开采，各矿井面临着严重的资源枯竭问题，而矿区地处京津唐经济发展区，能源需求相对较高，所以研究该区构造、演化规律及构造对煤层的控制作用，对开滦矿区勘探开发深部煤炭资源，制定企业长期发展战略，延长矿井服务年限，缓解地区能源紧张状况，促进经济发展等具有重要的现实意义。煤炭资源的开发，有四个方面情况是必须查清的，即煤质、储量、开采条件及煤矿开发的环境影响和环境保护。构造作用是煤的聚集及对其改造作用的重要因素[1]，特别是成煤期后的构造变动，如褶皱、断裂作用，破坏了煤盆地的连续性和完整性，造成每层的增厚、变薄与尖灭等普遍的地质问题，决定了煤田勘查类型和矿井开采技术条件，从而影响了矿区煤炭高产高效生产。它对煤厚变化、顶板稳定、岩浆侵入、岩溶陷落、地温地压、矿震岩爆、瓦斯突出、矿井突水等多种开采条件都起着明显的控制作用。因此，对煤田构造发育、分布、演化、组合规律及其复杂程度的揭示和研究，成为煤田地质工作者需要解决的首要任务。开滦矿区主体构造为开平复向斜，西侧有一规模较小的车轴山向斜。开平向斜西北翼外侧尚有两个次级小向斜，即湾道山向斜和西窑向斜，煤层均保存于向斜构造之中。开平向斜为全隐蔽的倾伏大型向斜构造，轴向北东，北西翼倾角大，局部可出现直立或倒转，而且断层发育，构造复杂，以压性走向逆断层及压扭性正断层发育为主；南东翼次级小褶曲发育，断层相对较少，以张性、张扭性的高角斜交正断层为主，并伴有岩浆岩，呈岩墙状甚至局部呈岩床状产出。开滦矿区勘探和生产实践揭示，矿区多处发育有推覆构造、层滑构造，对构造形态及煤层的赋存状态产生了强烈的改造作用。赵各庄矿位于开平向斜的东北边缘，井田东翼浅部与原唐家庄矿、深部与林西矿相邻，并以开平向斜轴为界。随着煤炭资源开发深度的不断加大，查明矿区及深部构造发育的规律、规模和层位，以及对煤层变化的控制规律，便成了研究区矿井构造进一步研究的首要任务之一。因此，在前人研究的基础上，深入开展矿区构造规律和形成机制的研究，预测深部构造展布规律及对煤层控制作用，无疑对该区煤资源的勘探开发，高效生产具有重要的指导意义。赵各庄矿矿井构造极为复杂，具有多期次、多性质、多方向、多级别和多序次的特点。由于中、新生代区域伸展构造应力场的作用，不仅早期构造受到了较为强烈的改造与叠加，并且对煤层的厚度和赋存状态产生了较为强烈的改造作用。这一系列矿井构造的形成、演化与叠加，致使矿井构造呈现出一幅较为复杂的构造图像，也为矿井生产带来了极为不利的影响。随着煤矿机械化生产程度的提高及浅部（-1200m）煤炭资源的进一步开采，对矿井地质工作（尤其是矿井构造的定量预测与评价）提出了越来越高的要求。因此，在综采工作面部署前深入开展对矿井构造规律和形成机制的研究，深入分析煤田构造发育、分布、演化、组合规律及其复杂程度，预测深部构造展布规律及对煤层控制作用，正确预测预报矿井小构造，并在矿井中正确选择有利于综采的地质块段以及生产过程中对矿井构造的动态预测，将成为影响采掘计划和进度乃至经济效益的关键问题，也是煤矿高产高效地质保障系统的重要组成部分。1.2国内外研究现状及存在问题1.2.1国内外研究现状矿井安全一直是热门话题，各国政府都极为关注。而矿井构造是影响煤矿正常生产、矿井安全的重要因素。它不仅可以复杂采矿技术条件，造成煤炭储量损失，而且对煤厚变化、顶板稳定、岩浆侵入、岩溶陷落、地温地压、矿井突水、瓦斯突出等多种开采条件都起着明显的控制作用，因此，长期以来倍受关注。我国自春秋战国开始“作炭”以来，已有2500～2600年的采煤和预测活动历史；近代，随着采煤技术的发展，矿井构造预测工作也向着近代化、科学化的方向长足地发展。1）开平地区研究现状开滦矿区具有120多年的开采历史，大量的勘探和煤矿开采充分揭露了开平地区浅部地层（-1200m）地质资料，为本论文提供了丰富可靠的第一手资料。但是勘探钻孔中少有千米深钻，而且目前生产矿井都未有开采到千米一下，因此对于该区深部地质情况掌握甚少。开平地区地震勘探工作开始于50年代末期，但1976年唐山大地震使前期资料遭到毁坏。1982年以来，原煤炭系统开展了数字地震勘探，目前本区地震勘探测网密度达到1×1Km，部分地区可达0.5×0.5Km。自1973年至今，石油部门在本区共钻探井7口，总进尺14444.36m，其中钻过石炭、二叠系探井4口（西2、封参1井、涧1井和丰1井），总进尺10009.9m。近年，通过对华北地台晚古生代地层的深入研究，将Pseudoschwagerina生物带化石的出现的岩石地层作为二叠系的开始[2]，并提出石炭系二分，二叠系三分方案。根据2002年全国地层委员会编制的《中国区域年代地层（地质年代）表说明书》，石炭系改为二分，二叠系改为三分，原上石炭统上部改为下二叠统。夏玉成（1996年）对华北聚煤区构造史何含煤区地质特征进行过概述[3]；曹代勇对华北聚煤区周缘构造进行了深入的研究，认为华北晚古生界煤盆地边界现今构造样式以挤压性构造为主。华北地台上的C-P含煤岩系经历了印支期的抬升剥蚀、燕山期的挤压和喜山期的伸展断陷等主要构造事件，具有“多旋回”演化特征[4]。开平地区深浅构造在空间位置，几何结构和活动性质方面关系极为密切，展现出多层次、多级序的复式逆断裂－扩展背斜构造图像：莫霍面斜坡、多层地壳及低速滑脱界面造成地壳“背斜”隆起，并在中地壳的隆起核部形成异常低速体，这是变形的基础；中地壳的多层性和低速性造成水平滑脱并在滑脱上盘的上地壳形成高角度逆冲和走滑断裂，构成地壳差异变形的主体，它受控于深部的构造作用，发生在莫霍面滑脱的上前方；浅部的背向斜和断裂构造在几何结构和活动性质上都是其下部变形主体向上延伸和扩张的直接结果，产生扩展逆断裂和反冲逆断裂，形成不对称的背向斜和配套的次级断层构造。（注：引自开滦矿区唐山矿构造评价报告）。从现今的构造单元来看，开平地区位于燕山褶皱带的南端，它在古生代至中三叠世接受地台型沉积；在印支－早燕山期受北西－南东向挤压，发生褶皱－冲断作用；晚燕山－喜山期的拉张作用，使得该区发生构造反转[5]。根据燕山南麓的构造变形，结合区域构造及岩浆活动认为影响该区的主要构造运动有：燕山早－中期，主应力为北西－南东向挤压，开平向斜的北西翼地层多陡立、局部倒转，并发育大量逆断层，使煤层复杂化，转折端受遵化背斜的限制发生偏转，转为近东西向；燕山晚期，挤压应力场转为北北东－南南西向，在早期褶皱的基础上产生了叠加作用，开平向斜在此力的作用下叠加作用不强，仅在变形较弱的北东翼之上形成了一组轴向近东西的小型褶皱，对原向斜的面貌改变不大；燕山末—喜山早期，近东西向挤压，开平向斜北部转折端的一组横跨褶曲就是该期应力作用的产物，东西向挤压还在该区南部形成了近东西向的昌平—宁河正断层，断层使该赋煤带与河北平原区分开，此断层以南沉积了巨厚的古近系，以北基本缺失。沙亚南等根据野外剖面观察、测井响应分析及钻井剖面连井对比等综合研究，认为山西组主要为一套浅水三角洲沉积，由三角洲平原，三角洲前缘和前三角洲－海湾沉积组成，可分为3个建设－破坏沉积旋回，代表了浅水三角洲沉积过程中不同的演化阶段；研究还认为，研究区山西组聚煤作用及煤层展布主要受沉积环境控制，并与海侵密切相关[6]。华北板块东北部晚古生代含煤岩系为稳定的盖层沉积，地质历史时期经历了印支、燕山、喜山等多次构造运动作用，导致其构造形变极为复杂，具有逆冲推覆控煤、向斜控煤和复合控煤等多种控煤构造类型，从冀北到冀南，控煤构造类型呈现由逆冲推覆向拉张伸展转变，开平地区属于向斜控煤类型[7]。总之，开滦矿区勘探阶段完成了大量的钻探、物探和遥感工作，以及前人的实际野外地质调查，取得了大量的一手资料；100多年的矿井开采揭露了大量浅部地质构造；更有诸多学者和专家丰富的研究成果，为本项研究工作具有重要的参考价值。2）矿井构造研究现状矿井构造预测是应用构造地质学及相关科学的基本理论和方法，对矿井中未知的构造特征、展布和组合规律及其对煤层开采的影响和瓦斯突出的制约关系进行综合评判、预测和预报[8]。有关矿井构造的研究，前人的工作多从断裂的性质、特征、展布等方面研究采区的断裂发育规律，国内外都取得了一定的相关成果。最普遍且最基本的方法是通过统计分析研究矿井构造，包括构造的展布方向、断裂力学性质、形成机制和构造演化。岩层和煤层中的各种构造形迹，都是在地质历史时期中区域或局部构造应力场的变形产物，它们之间存在着普遍的内在联系。岩石有限应变测量是现代构造地质学中定量分析的重要理论和方法，岩石的变形程度可以用岩石的应变程度来测量[9]。近年来，在矿井构造研究中对变形煤的研究取得了较大的进展[10]，煤岩镜质组反射率光性组构随应力－应变环境的规律性变化也逐渐被高温高压试验所证实[11]，通过镜质组反射率的测量和数据处理，可以获得矿井断裂构造应力场和应变场的重要标志[12]。我国对矿井构造规律的研究已经从定性的描述逐步发展到定量分析，在定性预测和数理统计预测的基础上，吸收了国外的构造指数法，提出了等性块段指数法或等性块段法；80年代，模糊综合评判和灰色系统理论应用于矿井构造定量预测[13][14]，开创了矿井构造研究的新思路和新方法。近十几年了矿井构造定量化预测更加注重数理统计和计算机技术的结合，预测自动化实现技术，矿井构造量化预测的发展方向是GIS与MSPS的有机结合[15]；利用数学地质方法研究构造问题，尤其在数学建模、地质构造形态模拟。隐伏构造的方法预测等方面有了突破性进展。在国外，对矿井地质构造样式的研究主要集中在东欧及西欧一些主要产煤国家。前苏联主要应用几何作图法分析煤层内的构造条件，预测煤层中褶皱规模和中等断距断层规模以及应用煤层中小构造破坏特征综合图来研究大断层与小断裂之间、断层与褶皱之间及褶皱与小断裂之间的各种相关关系。他们同时也注意到断层的规律性研究，如在顿巴斯西北部，根据含煤地层遭受断裂破坏的程度和对综采机组的影响，将断层分成单层断层、多层断层、大型的多层断层等三种类型。其他国家主要从成因机制入手，进行一些力学和数学模拟方面的研究。如美国A.J.Crook（2006）等利用砂箱模型模拟构造演化过程，建立模型预测构造发育规律[16]，等等。但由于地质构造三维问题的复杂性和矿井基础数据的不完备性，目前提出的三维地质模型尚不能完全符合矿井构造的实际预测[15]。3）控煤构造的研究现状煤炭资源在地层的分布受到地质构造的控制，对地质构造特征的认识和掌握是研究聚煤规律和煤层赋存的首要任务之一。构造控煤研究是建立在构造地质学与煤田地质学的基础之上的。上世纪我国煤田地质构造理论体系的发展大致经历了三个阶段：50～60年代的槽台学说、60～70年代后期地质力学理论和80年代以来的板块构造学说[17]。过去的构造控煤研究主要注重于构造变形或构造部位对煤的聚集和赋存的控制。