山西省朔州市平朔矿区井工三矿构造特征分析

石彦强

(北京大地高科煤层气工程技术研究院，北京 100073)

0 引言

井田构造是勘查工作的关键，井田构造控制的准确与否直接影响到矿井设计、采区布置的实效性和煤炭开采的难易程度，直接暴露了勘查工作存在的问题。

井工三矿位于宁武煤田平朔矿区北端，行政区属朔州市平鲁区向阳堡乡、榆岭乡境内，井田面积18km2，含石炭-二叠纪煤层，太原组4、9、11号煤层可采。本次补勘施工21个孔，勘查及补勘阶段共施工钻孔285个，钻孔间距大多在200～500m。施工中我们对以往钻孔资料和生产揭露的地质资料全部进行了认真的分析研究，对以往钻孔全部进行了重新对比，发现并控制断层4条；详细观测编录钻孔岩心，及时将资料绘制成图与附近钻孔、测井资料以及煤质资料进行分析对比，补勘新控制断层1条，新发现陷落柱2个；，对井田构造进行梳理，进一步控制了主要煤层的起伏形态和断层、陷落柱等构造发育情况。补充收集相关资料，结合区域构造演化对井田构造发育规律进行了分析，对井田构造有了系统的认识。

1 区域构造

宁武煤田地处山西地台北中部，煤田南北长、东西窄，呈北东向斜列，展布于五台地块与鄂尔多斯地台之吕梁地块之间，为继承性上叠构造盆地。宁武向斜贯穿煤田南北，其走向：井坪-阳方口近南北，阳方口-静乐为N30°E，向斜轴除朔县平原偏向西部外，一般偏向东部，且东翼地层倾角大于西翼，为不对称向斜。

担水沟断层以北是宁武向斜的北端，走向北北西，自北向南贯穿于平朔矿区的中东部，在歇马关一带斜交于担水沟断层，延伸长度约20km，向斜东翼地层倾角在15°～30°，地层起伏不大，近似一个单斜；西翼地层较为平坦，倾角在10°以下，伴生北东、北东东向次级小型褶皱和断层，从北到南依次发育二铺向斜、芦子沟背斜、下窑子向斜、堡子沟断层、歇马关逆断层、安家岭逆断层等。

2 井田构造

井田位于宁武煤田平朔矿区西北部，总体为轴向近东西平缓的向斜构造(东坡向斜)，与区域的宁武大向斜近似垂直；西南部为近似平行排列的北西-北西西向的5条褶皱，即补501背斜、OX-25向斜、木瓜界背斜、335向斜、安2背斜等，地层倾角2°～15°；断裂构造较发育，共发现断层159条，均为正断层，其中落差大于30m的断层3条，大于10m小于30m的断层15条， 5～10m的断层39条，小于等于5m的断层102条；井田内发现大小陷落柱9个，未发现岩浆岩侵入体，构造中等(图1)。

2.1 褶曲

(1)东坡向斜。为井工三矿的主体构造，位于井田中北部，横贯东西，总体轴向N100°E，西部波状弯曲。11号煤层轴心沿水2孔-补1102孔分布，向东西两侧抬升，其西侧轴转向南西西，经补勘15钻孔又转向北西西， 经补勘18钻孔于OX-10钻孔延出井田。向斜轴延展距离约5 700m，南翼高差100m左右、 北翼高差在260m； 4号煤层的向斜西部轴心略向北偏移。

图1 4号煤层底板等高线及构造纲要图Figure 1 Coal No.4 floor contour and structural outline map

(2)补501背斜。位于井田西首采区北部，总体轴向N110°E，宽弧状向南弯曲。自110-133、OX-104、OX-107、159-131等钻孔通过，从159-131钻孔开始向东倾伏，背斜幅度变小，于补363-126钻孔附近尖灭，井田内轴向长3 000m，两翼倾角较缓，北翼地层倾角8°，南翼地层倾角5°左右。

(3)OX-25向斜。位于井田西首采区中北部，总体轴向N92°E，近东西向展布，缓波状弯曲。西自OX-54、OX-25钻孔进入井田，经133-123、C-10孔向东，于补363-126钻孔附近尖灭。向斜轴垂向也是波状起伏，西部幅度达120m，向东于133-123孔附近抬起形成一鞍状，向东又倾伏，井田内轴向长3 250m。由钻孔和9号煤39107主辅运输巷道、39110主运巷控制。

(4)木瓜界背斜。位于首采区南部，北西-SE向展布，矿界内自疏7、332、C-7、C-9孔附近通过，井田内延展直线距离约1 750m，已有证据显示其穿过F20断层仍有反映，主要由钻探判断、9号煤39105、39104工作面进一步控制，其西南翼较平缓，但东北翼较陡，高差达100m以上。正是受其影响，OX-25向斜东段出现了两个鞍部，且首采区东南部4号煤层也出现了风氧化区。

2.2 断层

(1)FS26正断层。位于二采区西部，走向北东，倾向北东，倾角60～80°，落差15.6～28.8m，延伸长度约890m，水补-20孔226m左右见断层，4-2号煤层底板-7号煤层顶板以上断失、断距15m(图2)。由34201辅运顺槽、34202辅运顺槽发现，34202主运顺槽、34203辅运顺槽、34203主运顺槽控制，属查明断层。

图2 水补-20号孔FS26正断层剖面对比Figure 2 FS26 normal fault sectional comparisons in borehole SB-20

(2)FS82正断层。位于二采区中部，走向近东西，倾向近北，倾角80°，落差25.4m，延伸长度约500m，由34203主运顺槽发现，属初步查明断层(图3)。

图3 34203主运巷顺槽(4号煤层)剖面图Figure 3 Main haulage road crossheading (coal No.4) section

(3)FS63正断层。位于二采区中部偏南，走向东偏南，倾向北偏东，倾角85°，落差12～22m，井田内延伸长度约3 070m，由34202工作面中南部向东偏南方向延伸至区外。补1003孔300.90m见断层破碎带，破碎带厚度0.95m，9号煤层下部11-1号煤层断失，断距22m(图4)。由掘进34202主运顺槽、34203辅运顺槽、34203主运顺槽时发现，又经34206辅运探巷、34206主运探巷进行了控制， 其中段仍然存在，根据地层对比推断，此断层应向东继续延伸，属基本查明断层。目前此断层未影响34203工作面的布置。

图4 补1003号孔Fs63正断层剖面对比Figure 4 FS63 normal fault sectional comparisons in borehole B1003

(4)FS63正断层。位于二采区东部偏南，由补547-130钻孔孔深349.87m揭露(图5)，缺失7号煤层底板-9号煤层上部地层，断距18m。该断层位于FS63正断层北侧，应该是FS63的分支断层，推断走向东西，东部延伸情况有待进一步查明。

图5 补547-130号孔FS63正断层剖面对比Figure 5 FS63 normal fault sectional comparisons in borehole B547-130

(5)DF10正断层。位于井工三矿一采区中东部，走向北西西的弧状，倾向北北东，倾角70～80°，落差0～16m， 延伸长度约500m。补勘11号钻孔深286.09～288.36m见断层破碎带，与附近钻孔对比，缺失9号煤层中部至11号煤层顶部泥灰岩，地层断距16m(图6)。由补勘11号钻孔和三维地震控制，该断层基本查明。

该断层由三维地震发现，落差0～8m，经补勘11号钻孔证实。在补勘11号钻孔附近平面误差21m，断距误差8m。

(6)FS13正断层。位于二采区西侧偏南，走向北西，倾向北东，倾角64°，落差5.8～9m，延伸长度约90m，由34201主运顺槽发现；由补337-132钻孔孔深286.16m揭露(图7)，缺失9号煤层底板-L1泥灰岩顶板地层，断距9m。该断层基本查明。

该断层东与FS30断层遥相呼应，西延可与补勘11钻孔揭露的DF10正断层相接。因此，该断层东西延伸情况有待进一步控制。

2.3 陷落柱

(1)X1陷落柱。位于首采区近中部，由钻孔水补-6发现，195-122孔进行了控制。水补-6号孔孔深169.30～194.40m的4号煤层下见空洞, 该段砂岩胶结松散，钻探进尺快，无心，坍塌掉块严重，在深度247.50～252.50m处也发生同样现象；195-122孔159.36m岩心风化为黄褐色、棕红色，水蚀严重，呈碎块状，采取率极低，以下至终孔由于塌孔，下取煤管也未取上心，其间0.20～0.30m的掉钻达7次，全孔漏水；9号煤东翼辅运大巷曾对其进行过专门巷探。X1陷落柱呈北西西向的椭圆，4号煤层陷落柱长轴138m、短轴65m，对工作面巷道布置影响不大。

图6 补勘11号孔DF10正断层剖面对比Figure 6 DF10 normal fault sectional comparisons in borehole BK11

图7 补337-132号孔FS13正断层剖面对比Figure 7 FS13 normal fault sectional comparisons in borehole B337-132

(2)X2陷落柱。位于首采区东南角，由钻孔283-111发现，4号煤层风氧化，7号煤层位以下岩心风化破碎、采取率低，取心主要为泥岩，呈棱角状小碎粒，颜色成分混杂、胶结松软，泥浆浸泡后具塑性；其东北109.59m的C-11孔9号煤风化。陷落柱范围根据物探异常形态勾画，近圆形，9号煤层陷落柱直径116m。

(3)X5陷落柱。位于一采区东部，由补勘10号孔揭露，孔深183.82m、4号煤层顶上1.33m见陷落柱，4号煤层顶部泥岩节理面见风化形成的铁锈痕，4号煤层顶板含炭泥岩直立，4号煤层具轻微氧化、破碎，4号煤层下部可见煤心陡立、扭曲扰动(图8)，以下一直到孔底岩心破碎、杂乱。与相邻钻孔对比无论是地层结构，还是煤层结构都截然不同，并且一直到孔底都是煤岩混杂(图9)。推测陷落柱呈北北西向的椭圆，9号煤层陷落柱长轴162m、短轴120m。

图8 补勘10号孔4号煤层下部可见煤心陡立、扭曲扰动Figure 8 Borehole BK10 coal No.4 lower part coal core steep rising, torsional disturbance can be seen

(4)X6陷落柱。位于一采区中西部，由补勘8号孔揭露，从开始全取心到120.20m岩石正常、未风化；120.20～120.44m的砂质泥岩又出现风化，岩石泛黄，裂隙发育，裂隙附近铁质林虑沉淀成后生褐铁矿结核，属风化岩；120.44～120.64m为0.20m的红黏土(图10),为陷落柱与其顶部正常岩体平衡拱之间的空腔充填物;120.64～187.32m为厚度66.68m的陷落柱体堆积物，其中120.64～125.00m为4.36m的陷落柱体顶部风化岩；120.64～187.32m，岩性杂乱、岩心破碎，岩层倾角直立(图11、图12)、变化不定，岩层多处出现错动(图13、图14)；到孔深187.32m穿过陷落柱进入正常地层。

该陷落柱为沿早期断裂面发育的侧向陷落柱。陷落柱体与相邻钻孔正常地层对比，无论是地层结构，还是煤层结构都截然不同(图15)。推测陷落柱呈近南北向的椭圆，4号煤层陷落柱长轴75m、短轴23m。

图9 补勘10号孔揭露的X5陷落柱体与相邻钻孔正常地层、煤层对比Figure 9 Comparison of borehole BK10 revealed subsided column X5 and neighboring borehole normal strata and coal seams

图10 补勘8号孔揭露陷落柱体顶部岩心特征Figure 10 Borehole BK8 revealed subsided column top part core features

图11 补勘8号孔揭露陷落柱体151.80～152.10m岩心直立Figure 11 Borehole BK8 revealed subsided column 151.80～152.10m core up-right

图12 补勘8号孔揭露陷落柱体145.00～146.50m砂岩、 粉砂岩直立Figure 12 Borehole BK8 revealed subsided column 145.00～146.50m sandstone, siltstone up-right

图13 补勘8号孔揭露陷落柱体148.90～149.00m 半泥岩半砂岩Figure 13 Borehole BK8 revealed subsided column 148.90～149.00m semi mudstone, semi sandstone

3 构造特征分析

井工三矿位于宁武向斜的北端,总体为一轴向近东西的向斜构造，西南部为近似平行排列的北西-北西西向褶皱，断裂构造较发育，特别是中小型断层，并且主要表现为高角度正断层，断层走向以北西、近东西向为主，其次为北东向。

海西期华北聚煤盆地C-P翘板运动，西北物源区活跃，沉积中心向南迁移，井田西南部煤系沉积厚度较大，导致东坡向斜4号煤层的西部轴心比11号煤层轴心略向北偏移。

印支期华北板块向北挤压，受到内蒙地轴的碰撞，北缘形成东西向褶皱(内蒙隆起)与逆冲断裂，加之后伸展重力塌陷、岩石圈拆沉和软流圈上涌等，导致北缘近东西向裂陷沉积盆地和张性断裂十分发育，井田受其影响形成近东西向的东坡向斜和Fs63、Fs26、F20、F29、Fs79等断层。

燕山期太平洋板块向亚洲大陆俯冲，形成宁武大向斜的同时，在井田内构成北东-北北东向拉张、北西-北北西向压扭性质的剪切应力场环境，导致东坡向斜向北纽动与OX-25向斜错开，补501背斜、木瓜界背斜、335向斜等轴向扭转，形成北西-北北西向雁列式断层。

喜山期印度板块向欧亚板块挤压，在山西境内为右旋走滑作用，以断裂为主，南部担水沟东西走向平推正断层切割宁武向斜，断距200～300m，将切断北盘上升并东推近30km，并伴生一系列次级正断层，远离担水沟断层的北部断层规模变小、密度变稀，井田内断距大于30m的断层仅F25、FS35、FS39等3条；喜山期在井田内挤压作用相对较弱，主要呈现为北北西-南南东向的张应力场，造就了北东东向平行排列的断层组合，这些断层产状比较接近，落差相对不大，断层面明显，没有断层破碎带；而其它前期形成的断层，受到后来构造运动的多次改造及重新活化，多期构造作用叠加使得断层线扭曲、断层破碎带及断层附近裂隙均较为发育。

4 地质构造对采区合理划分的影响

研究发现， 井田主体向斜和主要断层走向近东西向，与二采区工作面近似垂直，对采煤工作面布置和推进产生很大影响。如井田中南部走向近东西向的FS26、Fs82和Fs63正断层，落差均大于10m，与工作面近似垂直。尤其是Fs63正断层，该断层延伸长度很大，基本上东西向贯穿整个二采区，对二采区的工作面布置有很大影响。34202工作面主运顺槽在掘进到FS26号断层时煤层消失，向前掘进了约70m时煤层重新出现，30m之后煤层再次消失，大约150m后煤层变为正常(如图16所示)。34203工作面主运顺槽也是同样的情况，煤层两次消失，之后变为正常(图3)。加之，近东西向的断层形成较老，受到后来各期构造的叠加改造，断层附近裂隙及断裂带均较为发育，巷道及工作面穿越会增加冒顶、坍塌及突水事故的发生几率。

图14 补勘8号孔揭露陷落柱体154.20～156.40m半泥岩半砂岩Figure 14 Borehole BK8 revealed subsided column 154.20～156.40m semi mudstone, semi sandstone

图15 补勘8号孔揭露的X6陷落柱体与相邻钻孔正常地层、煤层的详细对比Figure 15 Detailed comparison of borehole BK8 revealed subsided column and neighboring borehole normal strata and coal seams

总之，断层及陷落柱等地质构造的出现，对巷道的掘进、对工作面的连续性均影响较大，因此在今后采区和工作面布置时要充分考虑到断层及陷落柱的分布和发育情况，将安全隐患降到最低。

图16 34202工作面主运巷剖面图Figure 16 Main haulage road section of working face No.34202

5 结论

(1)井田内新控制断层1条，新发现陷落柱2个；通过对比以往钻孔发现并控制断层4条，对以往构造进行了梳理。进一步控制了4-1、4-2、9、11-1、11-2号煤层的起伏形态和断层、 陷落柱等构造发育情况。结合区域构造演化对井田构造发育规律进行了分析。

(2)井工三矿位于宁武煤田平朔矿区北端，总体为一平缓的向斜构造—东坡向斜，轴向近东西向；西南部为近似平行排列的5条北西-北西西向褶皱，地层倾角2°～15°；断裂构造较发育，共发现断层159条，其中落差大于30m的断层3条，大于10m小于30m的断层15条，落差5～10m的断层39条，落差小于等于5m的断层102条；井田内发现大小陷落柱9个，未发现岩浆岩侵入体，构造中等。

(4)印支期华北板块与内蒙地轴的碰撞，奠定了井田近东西向的构造主体；燕山期北西-北北西向挤压扭转，导致东坡向斜向北纽动与OX-25向斜错开，补501背斜、木瓜界背斜、335向斜等轴向扭转，及北西-北北西向雁列式断层；喜山期北北西-南南东向的拉张，造就了北东东向平行排列的断层组合，这些断层产状比较接近，落差相对不大，断层面明显，没有断层破碎带；而其它前期形成的断层，受到后来构造运动的多次改造及重新活化，多期构造作用叠加使得断层线扭曲、断层破碎带及断层附近裂隙均较为发育。

(3)井田主体向斜和主要断层走向近东西向，与工作面近似垂直，对工作面布置产生很大影响。