开平煤田吕家坨矿 7#煤层断裂构造特征

罗 跃, 朱炎铭, 王怀勐

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221008; 2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏 徐州 221116)

开平煤田吕家坨矿 7#煤层断裂构造特征

罗 跃1,2, 朱炎铭1,2, 王怀勐1,2

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221008; 2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏 徐州 221116)

为探究吕家坨井田地质构造格局,根据钻孔勘探资料,采用分形理论和趋势面分析方法,研究了井田 7#煤层断裂构造分布特征。结果表明:吕家坨井田发育褶皱构造,煤层走向变化较大;主要构造线近 EW向,最大主应力近NS向;构造发育呈复杂—中等—较复杂的分带特征,复杂区的延伸方向主要近NW向;D4F1断层从浅部向深部落差增大,D4F3断层延伸方向近 EW向,落差较大。该研究可为煤矿的工程布设与煤层开采提供参考。

吕家坨矿;断裂构造;分形理论;趋势面分析

矿井构造是控制煤系形态、位态和体态的首要因素[1]。构造作用通过改变煤层瓦斯、岩浆活动、煤层顶底板等地质条件,控制煤系和煤层的形成、形变及赋存[2-3],而构造变动不仅决定煤田勘查类型,也决定矿井开发的难易程度,影响煤矿建设和正常安全生产。因此,矿井构造研究至关重要。

断层是构造变形和地壳演化的重要产物之一[4],是煤矿生产过程中最为常见的地质构造类型。断层网络是具有分形结构的复杂系统[5-6],采用分形理论定量评价其复杂程度[7]对采掘生产部署、提高采煤机械化程度以及合理开发煤炭资源意义重大。

趋势面分析是利用数学曲面模拟地质构造要素在空间上的分布及变化趋势的一种数学分析方法[8-9]。它依据回归分析原理,运用最小二乘法拟合多维非线性函数,模拟地质构造要素在空间上的分布规律[10-11]。

笔者借助分形理论和趋势面分析方法研究开平煤田吕家坨矿 7#煤层断裂构造特征,以期为该矿下一步的工程布设及煤层开采提供参考。

1 区域构造特征

吕家坨矿位于开平煤田东南翼中段。井田含煤地层由石炭、二叠纪含煤岩系组成,含煤 20余层,含煤地层总厚度约 500 m,煤层平均总厚度约 19 m,含煤系数为 3.85%。其中,设计开采煤层 6层,即二叠系下统大苗庄组的 5、7、8、9煤层和石炭系上统赵各庄组的 11、12煤层,可采煤层总厚度约 14 m。井田浅部煤层多属肥煤类,深部煤层多属焦煤类。矿井采用立井多水平集中大巷上山、煤层群联合开采开拓方式,生产能力为 330万t/a。

井田主体构造为褶皱构造 (图 1),自北至南依次发育有黑鸭子向斜、吕家坨背斜、范各庄向斜、毕各庄向斜、南阳庄—岭上背斜及小张各庄向斜六个主要褶皱构造,其中吕家坨背斜为矿井的主体构造,约占井田面积的 70%,其深部还发育有次一级的褶皱构造。断裂构造主要集中在褶皱轴部,据统计,其方向主要以NE向、近EW向、NW向为主,近EW向断层较多,其中对工程影响较大的大中型断层有 80条,平均 0.91条/km2。

图1 吕家坨矿地质构造纲要Fig.1 Outline tecton ic of Lüjiatuo coalm ine

吕家坨矿区发育有浅层侵入岩体,侵入形态复杂,主要分布于井田东部NNW向高角度岩脉带和吕家坨背斜轴部岩床区,对煤层的破坏和生产影响较严重。

2 构造应力场演化

吕家坨井田处于开平向斜转折端附近,由于局部构造应力场的方向改变及开平向斜往北逐渐转为近 EW向的原因,井田内的主要构造线方向为近EW向,最大主应力方向为近NS向。

受开平煤田构造影响,燕山期和喜山期应力场对矿区构造影响巨大。燕山早—中期,构造应力场表现为NW—SE向挤压,东部开平向斜的北西翼地层多陡立、局部倒转,并发育与开平向斜同方向的逆断层,煤层复杂。开平向斜转折端受遵化背斜的限制发生偏转,转为近 EW向。

燕山晚期—喜山早期,挤压应力场转为NNE—SS W向,与燕山早中期近于垂直。应力场在早期褶皱的基础上产生了叠加作用,除在变形较弱的北东翼之上形成一组轴向近 EW的小型褶皱外,还改造了早期形成的断层,使其同时具有正、逆断层的特点,叠加作用表现为西强东弱。

此外,喜山晚期的构造应力场还在一定程度上改造了矿区煤层形态。

3 构造复杂程度

为定量分析研究区的分带性特征,根据分形理论,运用分维指标定量评价构造复杂程度[4],如图 2所示。

图2 吕家坨矿构造复杂程度分布Fig.2 D istribution of complex degree in structure in Lüjiatuo coalm ine

由图 2可见,井田内有三个构造复杂区或较复杂区,范围最大的是北部的吕家坨背斜中深部复杂区。该区域整体呈近 EW向延伸,西部比东部更复杂,构造复杂程度指数可达 0.8以上,为整个井田构造最复杂的块段,对开采影响极为不利。第二个构造较复杂区位于井田南部,构造复杂程度指数在0.7左右,但范围较小,主要影响的采区有 -950 m水平二采区东翼及五采区西翼。第三个构造较复杂区位于井田东南,与第二个构造复杂区相似,但主要影响的采区是 -950 m水平五采区东翼。

从复杂区的延伸方向来看,矿井构造复杂程度主要呈近NW向延伸,与总体构造线方向一致。从北向南构造复杂程度呈复杂—中等—较复杂的变化趋势,-950 m水平四采区、六采区构造最复杂,其次是五采区。

4 趋势面分析

对钻孔揭露的主采煤层 7#煤底板标高进行归一化处理,绘制 7#煤底板标高的一至三次趋势面及偏差图,同时结合部分采区的三维地震勘探资料,对地质构造进行补充解译,以降低边缘效应[12-13]的影响。

由于井田的总体构造为一背斜,为避免趋势面分析过程中断裂构所反映的异常受到吕家坨背斜的影响,以背斜轴为界将该井田分为吕家坨背斜北翼和南翼两区。

(1)吕家坨背斜北翼

该区见煤钻孔 31个。由图 3a可见,零值线构成了一个向斜,吕 13孔和 804孔连线的零值线与三维地震资料解释的D4F35和D4F28[14]断层位置吻合。根据趋势面分析推断,断层最大落差约 20 m。深部开 2孔附近的零值线,由于钻孔较少且靠近边缘,判断为一小断层,可靠程度较低。东北部出现零值线,是由于该区域只受距其他钻孔较远的林 10孔资料控制,且存在边缘效应。

图 3b中除了 D4F35和 D4F28断层仍有明显反映外,吕 14和吕 8孔连线又出现一个零值线,与地震资料中的D4F1断层的转折部位相吻合,由于一次偏差图中没出现,推断该断层向东逐渐尖灭,落差小于10 m。吕 47和洼 2孔连线也出现了零值线,是由于钻孔较少且靠近边缘,推测此处存在一近 NS向的小断层,且可靠程度低。

三次偏差图与二次偏差接近,故略去。

(2)吕家坨背斜南翼

该区分布范围大,煤层形态复杂,次级褶皱较发育,见煤钻孔 140个。图 4a主要反映了 14孔和钱12孔连线附近的向斜构造,该区块的零值线近于圈闭的特征是毕各庄向斜的明显反映。向斜波幅在350 m以上,表明其对生产影响较大。零值线在吕补 3孔和 22孔附近呈向北突出的弯曲,是 D5F6断层的反映,但受到毕各庄向斜的影响,落差不好推断。吕 24、吕 22和吕补 11孔连线附近的零值线是D4F1断层的反映,据零值线两侧的偏差值推断其最大落差接近 30 m。D4F1断层延伸形态由 NE逐渐变为近 EW,落差为 58～93 m,其从南向北的落差逐渐由 30 m减小到 10 m左右,进而尖灭。

图 3 吕家坨背斜北翼 7#煤底板标高偏差Fig.3 7#coal floor deviation in north of Lüjiatuo anticline

图 4b中毕各庄向斜仍有明显反映,最北部的零值线形态与一次偏差图不同,吕 49与吕 22孔连线北部反映D4F3逆断层的零值线呈近 EW向延伸,由于受到 D4F1断层影响,偏差图中的方向会有误差。根据构造发育规律,该逆断层是与吕家坨背斜同期形成的,延伸方向会向近 EW偏转,但落差不好推断。

图 4c中毕各庄向斜、D4F1断层、D4F3逆断层仍有反映,此外,在井田南部边界林 62孔和钱 42孔连线附近出现了一个背斜形态,为南阳庄—岭上背斜,因一、二次偏差图中未见明显反映,推测其规模较小,对生产影响不大。

图 4 吕家坨背斜南翼 7#煤底板标高偏差Fig.4 7#coal floor deviation in south of Lüjiatuo anticline

5 结 论

(1)吕家坨井田发育褶皱构造,煤层走向变化较大,特别是吕家坨背斜中深部的复背斜构造。井田内的主要构造线近 EW向,最大主应力近NS向。

(2)矿区构造发育由北向南呈复杂—中等—较复杂的分带特征。构造复杂区位于吕家坨背斜中深部,较复杂区分布于井田南部和东南部,但展布范围较小,其他区域构造为中等或较简单。井田内构造复杂区的延伸方向主要呈近NW向,与总体构造线方向一致。

(3)D4F1断层从浅部向深部落差增大,对生产有较大影响;D4F3逆断层向近 EW向延伸,落差较大,影响采区的合理划分。

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7#coal seam fracture character in Lüjiatuo coa lmine,Ka iping coalfield

LUO Yue1,2,ZHU Yanm ing1,2,WANG Hua im eng1,2
(1.School of Resource&Earth Science,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China; 2.CoalbedMethane Resources&Reservoir For mation Process KeyLaboratory ofMinistry of Education, China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

This paper is an attempt to investigate geological tectonic framework in Lüjiatuo coa lmine, by identifying the distribution of 7#coal seam structural structure using method of fractal dimension and trend surface analysis in Lüjiatuo coalmine of Kaiping coalfield.The result shows that:Lüjiatuo coalmine is characterized by folds and a greater change in strike in the seam of coal;the main structure presents the direction of EW,the maximum stress presents the direction ofNS;the tectonic feature presents complexity-moderate to complex-more complex,while the bearing of trend presents NW;The fault throw of D4F1growswith the depth,and trend ofD4F3changes in EW when the fault throw changing heavily.The result provides reference formine project quasi-geoid and coalmine production.

Lüjiatuo coalmine;structural structure;fractal dimension;trend surface analysis

P618.11

A

1671-0118(2011)02-0093-04

2011-02-21

罗 跃(1987-),男,江苏省徐州人,硕士,研究方向:煤与煤层气赋存及开采,E-mail:luoyue888@126.com。

(编辑荀海鑫)