东坑仔矿区地质构造对煤层的影响∗

邱占林冯金炜寇贵存罗保荣周维贵黄聪明陈万煌

(1.龙岩学院资源工程学院,福建省龙岩市,364012; 2.成都理工大学地球科学学院,四川省成都市,610059)

★煤炭科技·地质与勘探★

东坑仔矿区地质构造对煤层的影响∗

邱占林1冯金炜2寇贵存2罗保荣2周维贵2黄聪明1陈万煌1

(1.龙岩学院资源工程学院,福建省龙岩市,364012; 2.成都理工大学地球科学学院,四川省成都市,610059)

为了精确计算煤炭资源储量和正确指导矿井采掘生产工作,需要总结及掌握地质构造对煤层的影响及其规律。根据永安东坑仔矿区已有的地质资料,并结合前人的研究成果,在分析矿区地质构造的基础上,揭示了构造对煤层结构、分布、厚度及煤层开采与储量等方面的影响。结果表明：矿区内褶皱可导致煤层发生塑性流变,影响煤层形态及厚度;密集发育的断层严重破坏煤层的连续性并形成无煤三角区;岩浆岩的顺层侵入导致煤层发生焦化或蚀变并出现分层现象。该研究对查明煤炭资源赋存特征及指导充分开采利用均具有一定的理论和实践意义。

东坑仔矿区 地质构造 煤层厚度 影响

在煤矿采掘过程中,地质构造对煤层的影响会严重制约矿井的正常生产,亦会提高开采成本、降低煤炭资源的充分回收利用。能否准确预判及处理已知或未知地质构造是事关煤矿高效生产的主要技术因素之一,而地质构造对煤层的影响主要体现在煤层结构、分布、厚度、形态、稳定性及煤层开采与储量等方面。因此,通过从地质构造运动及岩浆活动入手,结合钻孔和井下地质编录资料,分析并研究东坑仔矿区地质构造及其对煤层的影响,可为福建省地质构造复杂含煤区的找煤预测提供一定的参考和指导。

1 矿区概况

东坑仔矿区位于福建省永安苔茹村,东以蔡地至南院溪为界,西以F1断层为界,北以F2断层为界,南以50勘探线为界与半罗山井田毗连。矿区面积为8.9491 km2,开采深度标高由575 m降至-200 m,可采煤层主要分布在中二叠统童子岩组(P2t),其中第一段(P2t1)地层出露厚度小,煤层可采性差;第二段(P2t2)为不含煤的海相泥岩段;第三段(P2t3)含煤层(包括煤线)有7个层面,可采或局部可采煤层有4层,总厚度为7.93 m,该段地层可分为4个带,其中第四带含煤3层,即C0、C1、C2煤层;第二带含煤6层,即C6、C6＋1、C7、C8、C9、C10煤层;第一带含煤2层,即C11、C12煤层,主采煤层为C1、C9和C10煤层。区内地层出露较丰富,地质构造复杂,褶皱和断层较发育,岩浆岩体呈岩株产出,煤层厚度变化较大。井田构造纲要图见图1。

图1 井田构造纲要图

2 矿区地质构造

东坑仔矿区地处加福复式向斜的东翼,含煤地层属缓倾角的单斜构造,该向斜东部倾角平缓(25°),中部陡(45°)且局部倒转,西部平缓(30°)呈挠曲构造形态。总体产状较稳定,沿倾向至深部有简单的宽缓褶皱,偶见挠曲。井内断层发育且规模不一,近F2断层处派生断裂密集,井田深部断距小于20 m的断层频繁出现,并有一定的岩浆岩侵入,对煤层形态、厚度、连续性及稳定性的破坏较大。地质构造复杂程度属II类——构造中等类型。

2.1 褶皱

区内次一组褶皱除1号背斜外,多为两翼不对称、宽缓型的短轴褶皱,轴向以北北东为主,多为向北倾状,受断裂破坏影响,在东南部出露不完整。其中,1号背斜分布在46～50线的童子岩组第一段附近,轴向为NNE∠25°,轴长1070 m,北端偏NE向,轴面较直立,微向东南扭曲。2号、3号、5号和6号褶皱均为NNE向,4号为正常背斜及倒转向斜。其余次一级褶皱主要分布在断裂发育地段及高一级褶皱附近,多为倾向上波状起伏,所见垂直落差小于10 m,水平变化幅度小于40 m。含煤地层沿走向、倾向的产状变化较大。

2.2 断裂

区内断裂构造发育,地层断距在20 m以上的断裂有22条,编号为F0～F21,其中正断层20条,逆断层2条。断层走向以NNE向为主,其次为NNW向,前者主要分布在井田东南部,展布与褶皱方向一致,后者则分布于井田东北角。除F4断层外,均有派生断裂,并伴生较多的次一级小断层,对含煤地层有一定的影响。

2.2.1 主要断层

区内所揭露的22条断层主要分布于矿区东南部且沿NNE向展布,除了F9和F11为逆断层外,其余均为正断层,矿区内主要断层特征如表1所示。断层走向总体与加福复式褶皱延伸一致,随着后期构造运动挤压或重力作用的增强,所产生的断裂和褶皱有相似的方向性。

2.2.2 派生断层

区内所派生的次一级断层会与主断层呈锐角相交,形成“倒转入字”型断层,如44线附近的一些规模较小的伴生断层与F18构成“倒转入字”形态,F16延伸到深部与F18形成较大的此类构造。其中,F16为倾向正断层,倾向NW向,倾角为66°～77°,落差大于30 m,出露长达900 m,上盘为P2t3地层,下盘为P2t2地层,将6#煤层错开; F18为走向正断层,倾向NW向,倾角25°～60°,落差大于30 m,出露长达1900 m以上,主要位于43～50线之间,上盘为P2t3地层,下盘为P2t2地层,受ZK33控制。38线附近F5、F7与F12锐角相交形成锐角型断层构造,发育于F16及F18之间,总体呈现“倒转入字”型构造,区间断层落差较大,煤体剖面位移程度大,如图2所示。

表1 矿区内主要断层特征

图2 派生断层构造样式

2.3 岩浆岩

区内所见岩浆岩体均为辉绿岩侵入岩体,多呈岩墙、岩脉或岩株产出,个别见顺层侵入,将煤层吞蚀或挤压变薄,其分布方向以NE为主,其次为NNW向、NNE向,侵入共见59处,其中地表20处,深部33处。区内岩脉虽较发育,但规模均较小,对含煤地层破坏不大。

3 构造对煤层的影响

3.1 褶皱对煤层的影响

据已有开采资料可知,褶皱对煤层形态、厚度等具有一定的影响。一般情况下,受区域构造应力的挤压作用,褶皱轴部煤层厚度较大,两翼煤层厚度相对较小,尤其在向斜的核、轴部常呈巨厚煤包,但东坑仔矿区煤层厚度出现反常现象。由于该矿区褶皱主要受垂直方向应力作用发生塑性变形,褶皱两翼受力小于核部,煤体由压力大的地方向压力小的地方发生塑性流动,造成褶皱两翼煤层增厚,核部煤层变薄,呈“藕节状”或“串珠状”煤层。褶皱两翼煤层厚度基本大于1 m,最厚可达1.6 m,核部只有0.7 m,出现顶薄现象,如图3所示。

图3 10#煤层随褶皱变化图

此外,本矿区较大规模的背、向斜构造所引起的煤层加厚、减薄及尖灭在平面上与褶曲轴方向基本一致,并与主应力轴方向正交。区内有1条两翼对称、出露完整的和多条两翼不对称、出露不完整的褶皱构造,以层间褶皱、牵引褶皱的形态出现,其垂直幅度都在10 m以下,对煤层的厚度产生了一定的影响,在生产巷道中存在发育的小褶皱——挠曲构造,使煤层变厚或变薄。同时,也存在一些小褶皱构造使煤层层位尖灭丢失,呈“尖刺”或“穿刺”状,使地层更加复杂,且煤层分叉后导致煤分布不均匀,分散煤量的同时形成“煤包”或“煤尖子”,局部底板岩石颗粒变粗,由细砂岩变为砂质泥岩,出现与正常层位相反的现象,使在层位对比研究中产生误导,运巷掘进过程中发生误差。

3.2 断层对煤层的影响

3.2.1 对煤层结构及分布的影响

在断层的发育过程中,由于构造应力的作用,断层两盘运动使煤层受到剪切破坏,使得煤层中滑面发育,裂隙增多,导致煤岩性松软破碎,开采过程中容易混入矸石,增加灰分的含量,降低煤的发热量。

大断层的出现可导致煤层断开,同时大断层的出现往往伴生一系列的小断层将煤层切割得比较分散,不仅破坏其完整性和连续性,还造成煤层变薄甚至形成无煤区。但亦可形成一些有利条件,如断层导致煤层的重复,引起煤炭资源相对集中,含煤密度加大;或因断层切割,含煤岩系上覆盖层缺失变薄,使可采煤层埋深变浅而易于勘查等。在图4 (a)中,煤层被F0长距离断开,严重破坏了煤层的连续性,增加同一水平的开采成本,还给找煤带来一定的难度。矿区F15及派生小断层相交形成一个无煤三角区,使之前的掘进巷道废弃,如图4 (b)所示。

图4 断层影响煤层连续性及分布

3.2.2 对煤层厚度的影响

煤层属软弱岩层,在构造应力及地应力的作用下会发生柔性变形或塑性流动。当多条断层同时作用于同一段煤层时,该煤层容易发生相对运动从而引起断层两侧的煤层尖灭。当煤层及其顶底板受到侧向压应力时,就会因力的作用产生剪切滑动,造成煤层顶板下凹或底板上隆,煤层因流变和揉皱变形,厚度变薄或增厚。如303采区的10#煤层在断层F18和F5断层的共同作用下,在沿煤巷掘进10 m后变薄,在25 m处发生尖灭,如图5所示。

图5 10#煤层厚度随断层变化图

此外,该矿区在F4正断层(倾角43°,落差60 m)附近,煤层厚度在0.55～0.82 m之间,远离断层煤层逐渐增厚,局部煤层厚度高达1.3 m,表明由于受到正断层的拉张拖曳作用而使煤层厚度随断层远离而增厚,如图6(a)所示。但在F11逆断层(倾角75°,落差60 m)附近,煤层厚度为1.1 m,而离断层较远处层厚度仅为0.25 m,表明受逆断层挤压应力作用的影响,其两盘出现煤层重复叠加或挤压集聚,形成厚煤带,远离区域则出现变薄甚至尖灭,如图6(b)所示。

图6 断层引起的煤厚变化情况

3.2.3 对煤层开采及储量的影响

受断层运动影响一般会出现两种效应：

(1)处于断层下降盘的煤层埋深逐渐增大,造成本水平该号煤层开采中断,而开采水平变深,对开采技术要求较高,增加了开采成本;

(2)上升盘或断距较大的断层出现会将下水平的煤层抬升,这不仅缓解了煤矿的开采压力,还节省了探巷及石门的费用。

断层的发育伴生很多裂隙的产生,使煤层的顶板岩石强度降低,易破碎,开采时容易造成工作面顶板冒顶事故。断层作用使煤层产状发生极大变化,经常出现立槽煤(煤层倾角近乎90°)。实际开采可发现断层的断距愈大,煤层变薄范围也愈大;断层切过煤层顶板或底板岩石的强度愈小,则该煤层变薄范围愈小;断层倾角愈大,则煤层变化范围愈小。

此外,断层还是涌水的通道,东坑仔煤矿中F4断层大部分区段导水,F2、F7、F9、F11、F16、F18断层导水性弱,其他断层导水性极弱或不导水。一般见导水断层必须留设保安煤柱,从而减少可采煤层的储量。

3.3 岩浆岩对煤层的影响

岩浆岩对煤层的破坏程度受多种因素控制,主要受侵入体规模、岩性、产状及层位的影响。矿区内出现的侵入岩基本为辉绿岩,多呈岩株状产出。岩浆岩顺断层面或其他构造结构面挤入煤层,使煤层厚度、形态等发生改造,或使得原先形成的煤层及其结构发生破坏。岩浆岩的侵入所形成高温使得煤质发生焦化作用,相当一部分煤层被吞蚀。当煤层受到岩浆热力及挤压力作用时,煤层发生流变,促使煤层物质发生运移导致煤层发生局部厚度增减,并且影响煤层稳定性。煤层受到热接触变质作用,引起围岩发生蚀变,采掘过程中可见一些石英、绿泥石和方解石脉等变质矿物。岩浆岩侵入使得煤层出现“中间侵入型”分层现象,如图7所示。

图7 9#煤层分层现象

4 结论与建议

(1)东坑仔矿区地质构造复杂程度属II类——构造中等类型,煤层主要受褶皱和断层的双重影响,并有一定的岩浆岩侵入,对煤层的破坏程度较大。

(2)矿区主要受垂向应力控制,轴部受力大于两翼,造成该区赋煤情况异于正常褶皱区域,即两翼煤厚均大于轴部,出现顶薄现象。局部出现的倒转或平卧褶皱,正常翼煤层常被挤压变薄且厚度变化较大,而倒转翼煤层厚度一般较厚且稳定性较好。

(3)矿区断层对煤层影响所诱发的效应表现在：当多条断层同时作用于同一段煤层,易产生断层两侧煤层减薄甚至尖灭;当煤层及其顶底板受侧向挤压力时,会产生剪切滑动,引起底鼓或顶板下沉,煤层因流变、揉皱变形,造成厚度变薄或增厚。

(4)矿区岩浆岩体基本为辉绿岩侵入体,呈岩株状顺断层侵入。侵入岩浆的余热导致围岩出现煤体焦化及蚀变现象,在实际开采过程中可利用石门或小眼揭露的侵入岩分布规律指导采煤。

(5)在同一矿区,地质构造对煤层的影响规律基本上是一致的,可利用采空区地质构造对煤层的影响规律来预测未知采区可能出现的煤层变化情况,对于布置采掘巷道,提高开采效率具有一定的参考价值。

[1] 车树成,张荣伟.煤矿地质学[M].中国矿业大学出版社,2005

[2] 杨巧梅,于闪闪,张鹏等.断层构造对煤矿安全生产的影响分析[J].煤炭经济研究,2012(9)

[3] 许福美.翠屏山煤矿地质构造对煤层厚度影响的研究[J].龙岩学院学报,2014(5)

[4] 邱荣生.龙永煤田昌福山井田煤层厚度结构变化原因分析[J].煤炭技术,2009(6)

[5] 刘程,李向东,杨守国.地质构造对煤层厚度的影响研究[J].煤矿安全,2008(5)

[6] 陈萍,殷广标.淮南阜凤逆冲推覆构造对煤层厚度及稳定性的影响[J].中国煤炭,2013(12)

[7] 王仁山.龙岩煤田地质特征及“四下”找煤研究[J].中国煤炭地质,2014(1)

[8] 王世彬,郭厚亮.煤层厚度变化地质成因分析[J].煤炭技术,2005(6)

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,工学硕士,讲师,主要从事矿井地质与构造地质的教学与研究工作。

(责任编辑 郭东芝)

2016年国家级大学生创新创业训练计划项目(201611312021),福建省教育厅JK类科技项目(JK2014050),福建省大学生创新创业训练计划项目(S20141036),龙岩学院校级重点学科“地质资源与地质工程”项目