羅 躍, 朱炎銘, 王懷勐

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

開平煤田呂家坨礦 7#煤層斷裂構造特征

羅 躍1,2, 朱炎銘1,2, 王懷勐1,2

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

為探究呂家坨井田地質(zhì)構造格局,根據(jù)鉆孔勘探資料,采用分形理論和趨勢面分析方法,研究了井田 7#煤層斷裂構造分布特征。結果表明:呂家坨井田發(fā)育褶皺構造,煤層走向變化較大;主要構造線近 EW向,最大主應力近NS向;構造發(fā)育呈復雜—中等—較復雜的分帶特征,復雜區(qū)的延伸方向主要近NW向;D4F1斷層從淺部向深部落差增大,D4F3斷層延伸方向近 EW向,落差較大。該研究可為煤礦的工程布設與煤層開采提供參考。

呂家坨礦;斷裂構造;分形理論;趨勢面分析

礦井構造是控制煤系形態(tài)、位態(tài)和體態(tài)的首要因素[1]。構造作用通過改變煤層瓦斯、巖漿活動、煤層頂?shù)装宓鹊刭|(zhì)條件,控制煤系和煤層的形成、形變及賦存[2-3],而構造變動不僅決定煤田勘查類型,也決定礦井開發(fā)的難易程度,影響煤礦建設和正常安全生產(chǎn)。因此,礦井構造研究至關重要。

斷層是構造變形和地殼演化的重要產(chǎn)物之一[4],是煤礦生產(chǎn)過程中最為常見的地質(zhì)構造類型。斷層網(wǎng)絡是具有分形結構的復雜系統(tǒng)[5-6],采用分形理論定量評價其復雜程度[7]對采掘生產(chǎn)部署、提高采煤機械化程度以及合理開發(fā)煤炭資源意義重大。

趨勢面分析是利用數(shù)學曲面模擬地質(zhì)構造要素在空間上的分布及變化趨勢的一種數(shù)學分析方法[8-9]。它依據(jù)回歸分析原理,運用最小二乘法擬合多維非線性函數(shù),模擬地質(zhì)構造要素在空間上的分布規(guī)律[10-11]。

筆者借助分形理論和趨勢面分析方法研究開平煤田呂家坨礦 7#煤層斷裂構造特征,以期為該礦下一步的工程布設及煤層開采提供參考。

1 區(qū)域構造特征

呂家坨礦位于開平煤田東南翼中段。井田含煤地層由石炭、二疊紀含煤巖系組成,含煤 20余層,含煤地層總厚度約 500 m,煤層平均總厚度約 19 m,含煤系數(shù)為 3.85%。其中,設計開采煤層 6層,即二疊系下統(tǒng)大苗莊組的 5、7、8、9煤層和石炭系上統(tǒng)趙各莊組的 11、12煤層,可采煤層總厚度約 14 m。井田淺部煤層多屬肥煤類,深部煤層多屬焦煤類。礦井采用立井多水平集中大巷上山、煤層群聯(lián)合開采開拓方式,生產(chǎn)能力為 330萬t/a。

井田主體構造為褶皺構造 (圖 1),自北至南依次發(fā)育有黑鴨子向斜、呂家坨背斜、范各莊向斜、畢各莊向斜、南陽莊—嶺上背斜及小張各莊向斜六個主要褶皺構造,其中呂家坨背斜為礦井的主體構造,約占井田面積的 70%,其深部還發(fā)育有次一級的褶皺構造。斷裂構造主要集中在褶皺軸部,據(jù)統(tǒng)計,其方向主要以NE向、近EW向、NW向為主,近EW向斷層較多,其中對工程影響較大的大中型斷層有 80條,平均 0.91條/km2。

圖1 呂家坨礦地質(zhì)構造綱要Fig.1 Outline tecton ic of Lüjiatuo coalm ine

呂家坨礦區(qū)發(fā)育有淺層侵入巖體,侵入形態(tài)復雜,主要分布于井田東部NNW向高角度巖脈帶和呂家坨背斜軸部巖床區(qū),對煤層的破壞和生產(chǎn)影響較嚴重。

2 構造應力場演化

呂家坨井田處于開平向斜轉折端附近,由于局部構造應力場的方向改變及開平向斜往北逐漸轉為近 EW向的原因,井田內(nèi)的主要構造線方向為近EW向,最大主應力方向為近NS向。

受開平煤田構造影響,燕山期和喜山期應力場對礦區(qū)構造影響巨大。燕山早—中期,構造應力場表現(xiàn)為NW—SE向擠壓,東部開平向斜的北西翼地層多陡立、局部倒轉,并發(fā)育與開平向斜同方向的逆斷層,煤層復雜。開平向斜轉折端受遵化背斜的限制發(fā)生偏轉,轉為近 EW向。

燕山晚期—喜山早期,擠壓應力場轉為NNE—SS W向,與燕山早中期近于垂直。應力場在早期褶皺的基礎上產(chǎn)生了疊加作用,除在變形較弱的北東翼之上形成一組軸向近 EW的小型褶皺外,還改造了早期形成的斷層,使其同時具有正、逆斷層的特點,疊加作用表現(xiàn)為西強東弱。

此外,喜山晚期的構造應力場還在一定程度上改造了礦區(qū)煤層形態(tài)。

3 構造復雜程度

為定量分析研究區(qū)的分帶性特征,根據(jù)分形理論,運用分維指標定量評價構造復雜程度[4],如圖 2所示。

圖2 呂家坨礦構造復雜程度分布Fig.2 D istribution of complex degree in structure in Lüjiatuo coalm ine

由圖 2可見,井田內(nèi)有三個構造復雜區(qū)或較復雜區(qū),范圍最大的是北部的呂家坨背斜中深部復雜區(qū)。該區(qū)域整體呈近 EW向延伸,西部比東部更復雜,構造復雜程度指數(shù)可達 0.8以上,為整個井田構造最復雜的塊段,對開采影響極為不利。第二個構造較復雜區(qū)位于井田南部,構造復雜程度指數(shù)在0.7左右,但范圍較小,主要影響的采區(qū)有 -950 m水平二采區(qū)東翼及五采區(qū)西翼。第三個構造較復雜區(qū)位于井田東南,與第二個構造復雜區(qū)相似,但主要影響的采區(qū)是 -950 m水平五采區(qū)東翼。

從復雜區(qū)的延伸方向來看,礦井構造復雜程度主要呈近NW向延伸,與總體構造線方向一致。從北向南構造復雜程度呈復雜—中等—較復雜的變化趨勢,-950 m水平四采區(qū)、六采區(qū)構造最復雜,其次是五采區(qū)。

4 趨勢面分析

對鉆孔揭露的主采煤層 7#煤底板標高進行歸一化處理,繪制 7#煤底板標高的一至三次趨勢面及偏差圖,同時結合部分采區(qū)的三維地震勘探資料,對地質(zhì)構造進行補充解譯,以降低邊緣效應[12-13]的影響。

由于井田的總體構造為一背斜,為避免趨勢面分析過程中斷裂構所反映的異常受到呂家坨背斜的影響,以背斜軸為界將該井田分為呂家坨背斜北翼和南翼兩區(qū)。

(1)呂家坨背斜北翼

該區(qū)見煤鉆孔 31個。由圖 3a可見,零值線構成了一個向斜,呂 13孔和 804孔連線的零值線與三維地震資料解釋的D4F35和D4F28[14]斷層位置吻合。根據(jù)趨勢面分析推斷,斷層最大落差約 20 m。深部開 2孔附近的零值線,由于鉆孔較少且靠近邊緣,判斷為一小斷層,可靠程度較低。東北部出現(xiàn)零值線,是由于該區(qū)域只受距其他鉆孔較遠的林 10孔資料控制,且存在邊緣效應。

圖 3b中除了 D4F35和 D4F28斷層仍有明顯反映外,呂 14和呂 8孔連線又出現(xiàn)一個零值線,與地震資料中的D4F1斷層的轉折部位相吻合,由于一次偏差圖中沒出現(xiàn),推斷該斷層向東逐漸尖滅,落差小于10 m。呂 47和洼 2孔連線也出現(xiàn)了零值線,是由于鉆孔較少且靠近邊緣,推測此處存在一近 NS向的小斷層,且可靠程度低。

三次偏差圖與二次偏差接近,故略去。

(2)呂家坨背斜南翼

該區(qū)分布范圍大,煤層形態(tài)復雜,次級褶皺較發(fā)育,見煤鉆孔 140個。圖 4a主要反映了 14孔和錢12孔連線附近的向斜構造,該區(qū)塊的零值線近于圈閉的特征是畢各莊向斜的明顯反映。向斜波幅在350 m以上,表明其對生產(chǎn)影響較大。零值線在呂補 3孔和 22孔附近呈向北突出的彎曲,是 D5F6斷層的反映,但受到畢各莊向斜的影響,落差不好推斷。呂 24、呂 22和呂補 11孔連線附近的零值線是D4F1斷層的反映,據(jù)零值線兩側的偏差值推斷其最大落差接近 30 m。D4F1斷層延伸形態(tài)由 NE逐漸變?yōu)榻?EW,落差為 58～93 m,其從南向北的落差逐漸由 30 m減小到 10 m左右,進而尖滅。

圖 3 呂家坨背斜北翼 7#煤底板標高偏差Fig.3 7#coal floor deviation in north of Lüjiatuo anticline

圖 4b中畢各莊向斜仍有明顯反映,最北部的零值線形態(tài)與一次偏差圖不同,呂 49與呂 22孔連線北部反映D4F3逆斷層的零值線呈近 EW向延伸,由于受到 D4F1斷層影響,偏差圖中的方向會有誤差。根據(jù)構造發(fā)育規(guī)律,該逆斷層是與呂家坨背斜同期形成的,延伸方向會向近 EW偏轉,但落差不好推斷。

圖 4c中畢各莊向斜、D4F1斷層、D4F3逆斷層仍有反映,此外,在井田南部邊界林 62孔和錢 42孔連線附近出現(xiàn)了一個背斜形態(tài),為南陽莊—嶺上背斜,因一、二次偏差圖中未見明顯反映,推測其規(guī)模較小,對生產(chǎn)影響不大。

圖 4 呂家坨背斜南翼 7#煤底板標高偏差Fig.4 7#coal floor deviation in south of Lüjiatuo anticline

5 結 論

(1)呂家坨井田發(fā)育褶皺構造,煤層走向變化較大,特別是呂家坨背斜中深部的復背斜構造。井田內(nèi)的主要構造線近 EW向,最大主應力近NS向。

(2)礦區(qū)構造發(fā)育由北向南呈復雜—中等—較復雜的分帶特征。構造復雜區(qū)位于呂家坨背斜中深部,較復雜區(qū)分布于井田南部和東南部,但展布范圍較小,其他區(qū)域構造為中等或較簡單。井田內(nèi)構造復雜區(qū)的延伸方向主要呈近NW向,與總體構造線方向一致。

(3)D4F1斷層從淺部向深部落差增大,對生產(chǎn)有較大影響;D4F3逆斷層向近 EW向延伸,落差較大,影響采區(qū)的合理劃分。

[1] 賈建稱,陳 建,柴宏有,等.礦井構造研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].煤炭科學技術,2008,36(10):72-76.

[2] 曹代勇,王 佟,琚宜文,等.中國煤田構造研究現(xiàn)狀與展望[J].中國煤炭地質(zhì),2008,20(10):1-6.

[3] 曹代勇,張守仁,穆宣社,等.中國含煤巖系構造變形控制因素探討[J].中國礦業(yè)大學學報,1999,28(1):32-35.

[4] 謝焱石,譚凱旋.斷裂構造的分形研究及其地質(zhì)應用[J].地質(zhì)地球化學,2002,30(1):71-77.

[5] XIE HEP ING.Fractals in rock mechanics[M].Netherlands:A. A.Balkema Publishers,1993:14-15.

[6] 晁吉祥,徐志斌.斷裂構造分形模型和反轉構造研究新發(fā)展[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1995.

[7] 徐志斌,王繼堯,張大順,等.煤礦斷層網(wǎng)絡復雜程度的分維描述[J].煤炭學報,1996,21(4):358-363.

[8] 張宏偉,陳學華,胡占峰.活動斷裂研究中的趨勢面分析方法[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2000,19(3): 225-228.

[9] 李曉聰.趨勢面分析法在地質(zhì)災害危險性區(qū)劃中的應用[D].太原:太原理工大學,2007.

[10] 相桂生,舒 航.地質(zhì)趨勢面分析的新方法[J].阜新礦業(yè)學院學報:自然科學版,1996,15(4):32-35.

[11] 李小明,劉德民,張品剛,等.趨勢面分析在東歡坨井田構造研究中的應用[J].中國煤炭地質(zhì),2010,22(4):6-9.

[12] 張啟銳.地質(zhì)趨勢面分析[M].北京:科學出版社,1990.

[13] 煤炭工業(yè)部書刊編輯室.礦井水文地質(zhì)規(guī)程[M].北京:中國工業(yè)出版社,1964.

[14] 中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院.呂家坨礦三維地震綜合勘察報告[R].唐山:呂家坨礦,2002.

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

羅 躍(1987-),男,江蘇省徐州人,碩士,研究方向:煤與煤層氣賦存及開采,E-mail:luoyue888@126.com。

(編輯荀海鑫)