新汶矿区翟镇井田2＃煤层小断层发育规律研究＊

2015-11-26施龙青宋忠航吕大炜宋永文

中国煤炭 2015年7期

施龙青宋忠航吕大炜宋永文

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东省青岛市，266590；2.枣庄矿业集团蒋庄煤矿，山东省枣庄市，277500)

新汶井田位于鲁西地区的断陷盆地中，井田内小断层构造的研究直接影响到对煤层赋存和分布状况的了解，进而制约着煤矿的开采效率和安全生产。以新汶矿区翟镇井田2＃煤层为例，探究井田内小断层的发育特征和规律，为采区的巷道布置及采掘方案提供依据，对煤矿的高效生产和灾害预防具有重要意义。

1 翟镇井田地质背景

翟镇井田位于新汶向斜中段的轴部，由于被断层围限而呈菱形展布，如图1(a)所示。井田地层走向多变，以近东西向为主，倾角多在6°～20°之间，含煤地层属华北型石炭—二叠系海陆交互相含煤沉积。井田的构造形态是EW向的羊村次背斜、NEE向的大港向斜、李家庄鞍部和羊村以东平缓地带所组成的复式宽缓的褶皱构造，井田中共发现大中型断层20余条，断层方向性明显，大致可分为NNW向、NW向、NEE向和NE向4组。

2 井田2＃煤层小断层的基本特征

井田内错综复杂的断层构造将其分成具差异性的断块，通过对比分析大断层的发育规模、展布特征及小断层走向，最终，以大型断层作为分区边界将井田划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，然后统计分析各区小断层构造，如图1(b)所示。

图1 翟镇井田基本地质构造图

2.1 断层性质特征

新汶矿区翟镇井田2＃煤层共揭露断层1596条，其中正断层1523条，逆断层73条，正、逆断层所占比例分别占95%和5%。线性断层1421条，弧形断层175条，所占比例分别为89%和11%。各区断层数目按其性质和形状特征进行了统计，见表1。统计结果表明，Ⅰ区和Ⅳ区断层数较多，Ⅱ区和Ⅲ区断层数较少。各区正断层和线形断层的数量占绝对优势，逆断层和弧形断层数量较少，但相对集中。

2.2 断层走向特征

根据翟镇井田2＃煤层各区采掘揭露的断层走向分布数据，绘制出断层走向玫瑰花图，见图2。从玫瑰花图可以看出，2＃煤层开采揭露的断层走向集中在340°～90°范围内，以NE向为主，但每个区的断层走向有差异，Ⅰ区主要发育NE向断层，Ⅱ区则主要发育NNE向断层，Ⅲ区断层走向以NNW向为主，Ⅳ区断层走向以NEE向和NNW向为主。

表1 2＃煤层各区断层性质统计表条

图2 2＃煤层断层走向玫瑰花图

2.3 断层落差特征

井田内2＃煤层按各区的断层落差分为4个区间进行统计，如表2所示，2＃煤层小断层的落差主要集中在0～5m的范围内，该部分共占83%，在5～10m落差的范围内揭露的断层数量最少。各区断层落差特征存在差异。

表2 2＃煤层各区断层落差统计表

2.4 断层倾角特征

由于同一条断层在不同部位的倾角也不相同，因此，分析2＃煤层断层倾角特征时以断层的最大倾角为研究对象。按采掘工程平面图上经纬线组成的网格为单元进行统计，得出2＃煤层不同倾角与标高的断层数，见表3，相同倾角断层在不同标高时其数目差别较大，相同倾角时，标高在-200～-300m之间断层数目最多。相同标高时，倾角在60°～70°之间断层数目最多。

表3 2＃煤层不同倾角与标高的断层数量统计表

2.5 断层密度特征

由于井田断裂体系在空间中分布数量、规模及组合方式在密度图中都能够很好地体现，因此，煤矿断层密度特征可作为评价煤层破坏程度的一个重要指标。在统计和计算2＃煤层中断层分布时采用网格覆盖法，首先将比例尺为1∶2000的翟镇井田采掘工程平面图按400m×400m的网格单元面积进行划分，然后统计各网格单元内的断层条数，在此基础上绘制出2＃煤层的断层密度等值线图，见图3。若每个网格单元内所穿过的断层数小于10条，则把该网格定为低密度区；若穿过的断层数在10～20条之间，则将该网格单元定为中密度区；若穿过的断层数大于20条，则将该网格单元定为高密度区。

图3 2＃煤层断层密度等值线图

从密度等值线图中可看出，断层密度从西向东呈现出 “中—低—高—中—高”的变化趋势。井田内断层的高密度区分布不均匀，常呈条带状，与低密度区交替出现，规律性较差。

3 井田2＃煤层小断层地质特征分析

3.1 煤层小断层性质特征分析

新汶煤田东部的控煤构造在区域上全为正断层，如莲花山断层、洋流断层等，井田内的主干断层也都为正断层，在井田所在区域内，无论是主要断层还是次生断层，由于在形成时期受同一个构造应力场的控制，因此，在断层性质上次生断层与主要断层一致，井田内小断层以直线型正断层为主，这与华北型煤田中的断层发育特征规律也相吻合。

3.2 煤层小断层走向特征分析

井田断层走向集中在340°～90°范围内，不同走向之间的断层数量是渐变的。早期构造应力场中所形成的断层虽经受后期多阶段构造应力，但断层发育过程中的继承性特点使其走向不会发生突变，在整体上表现出渐变的特征。井田内这种区域性、阶段性的构造应力场会导致小断层发育复杂，使各分区断层走向特征显现差异。从构造演化具体分析，作为井田边界的大型正断层是在印支运动时期形成，作垂直运动的地层在受NS向的挤压后发生断裂而形成，随后在燕山运动第一幕时期，井田受NE-SW向压力的支配发育了与区域帚状断裂性质相同的大断层、III区NNW向小断层和IV区NEE向的小断层，井田内I区、II区断裂块体在燕山运动第二幕时受NW向的局部挤压，分别形成了NE向、NNE向为主的小断层。NE向小断层与NNW向小断层构成了一组X型断裂，在喜山运动期继续活动。

3.3 煤层小断层落差特征分析

断层发育过程发生的构造作用控制着断层落差发育程度，虽然印支运动时期地层以垂直运动为主，但后来的地质活动则主要为水平运动，因此断层落差发育不是很大，基本在1～5m之间。在平面上，NEE向断层在井田中部落差大，井田两端落差小，形成阶梯状断层。同时，III区的NNW向断裂截断NEE向断裂，又与地层斜交，造成NNW向断层落差较大，最终形成现在的断层落差分布格局。

3.4 煤层小断层倾角特征分析

当断层倾角越小时，其内摩擦角也就越小，塑性变动作用也就越强，因此，井田在经历印支运动、燕山运动及喜山运动时，小倾角断层更易于向大倾角断层发育，形成的断层倾角以50°～70°之间为主，其次在40°～50°之间和70°～80°之间。

3.5 煤层小断层密度特征分析

煤层小断层密度分布不均匀，小断层高密度区主要集中于大型断裂构造的边缘及断裂构造交汇处，结合井田区域构造背景，认为这种分布规律是因为大断裂构造及其交汇处的构造活动比其他地区更强，从而导致次生小断层的发育程度较高，发育规模较大，因此该地区断层密度相对其他地区更高。如井田西部F16、F17之间地块内的小断层密度高。

4 井田小断层发育规律

4.1 分区性

基于大中型断层作为边界断层，并结合小断层的走向等特征，井田分为4个区。各区的构造特征互不相同，西部及北部区域在形成断层的同时也形成了褶曲，为达到应力平衡，东部区域地层相对平缓，只形成了大小不等的断块且分布密度大，因此较西部更为复杂。

4.2 分级控制性及方向性

井田内小断层的发育受大、中型断层控制，这种控制作用主要体现在两个方面:一是在断层性质上，井田内的主干断层特征与华北型煤田断层的发育规律相一致，各主干断层周围的小断层性质又与之基本相同，如F10断层与其周围断层都为直线型正断层；二是在断层走向上，大断层的构造线方向与周围小断层构造线方向相同，如井田内羊村背斜形成期X型断裂中的NE向大断层周围多见NE向小断层。大、小断层的这种分级控制关系是在发育时处于相同的构造应力场下造成的，利用这种成生联系有助于根据已探明大断裂对其次生小断层进行预测。

井田内小断层走向受上级断裂控制，方向性明显，尽管各区断层走向有差异，但整体上井田小断裂构造以NE向为主。