浅析前岭井田4煤层层滑构造及薄化带展布特征.pdf

1 8 煤 田地质与勘探 COA1 GE(】I ()GY EXPI ()RATI()N Vol _ 29 No1 Feb 2 001 匿 壅嘲 文章龋 号 1 0 0 1 1 9 8 6(2 0 0 1)0 1 0 0 1 8 0 4 浅析前岭井田 4 煤层层滑构造及薄化带展布特征 童宏树，昊素珍(1 皖北矿务局任楼煤 矿，安徽 宿 州 2 3 4 0 0 1；2 皖北矿务局技 术处，安徽 宿州 2 3 4 0 0 1)摘要：通过对前岭煤矿部分采区层滑构造形态特征及展布规律的观溺 和研究，分析 了谪地段主采煤 层薄化带厦增厚带的展布方向和幅度，揭示 了 3 5煤层组 中，软 弱夹层及滑动构造发育情况，指 出 4煤层 变薄厦 增厚 的规律 性，为矿 井安 全提 供 了超 前地 质信 息。关键词：煤层；层 滑构 造；软 弱岩石；预 _蒯 中图分类号：T D1 6 3 1 文献 标识码：A 1 引言 2 主要榴曲断裂构造及 4煤层赋存情况 前岭煤矿位于淮北煤 田濉萧矿区南端，主构造格 架受徐(州)一宿(县)推覆体构造制约，为一不对称复 式向斜构造。从井下地质资料分析：煤层及其顶底板 中滑动现象极为普遍，层滑构造是导致煤层不稳定的 主要因素。按传统的沉积学 以及地质构造观点 很难 对井下所见异常地质现象作 出正确判识，给生产带来 很大困难，不仅增加 了掘进中的无效进尺 而且常造 成工作面改造不 当，带来大量煤炭损失。针对上述情 况，近年来，笔者在研究分析井 田地质构造特征和井 下地质资料 的基础上，应用层滑构造观点，观察识别 井下小构造与煤层稳定性的关 系，总结分析其展布规 律及已采区 4煤层层滑薄化不可采带分布特征，为该 矿 I 水平各工作面的巷道布置提供 了较准确的预报。本井 田为一不对称复式向斜，由两个次级向斜和 一个次级 背斜组 成，其南 端被 宿北 大断裂 切割 该 复 式向斜轴向北北东，东北端封闭，西南端开口，煤岩层 露头线呈“M”型。东翼地层陡，倾角为 6 0 7 0。，西翼 地层缓，倾角为 1 5 3 O。井 田内中、小 型断层较发 育，除发现一条 F 逆断层外，其余皆为正断层。断层 走 向有 4组，即 NNE、NE、NW 和近 E W 向，且 以前 3 组 为主。(图 1)4煤层是前岭煤矿下石盒子组 主采煤层，其顶、底板均以泥岩、含粉砂泥 岩为主，局部 为粉砂岩或细 砂岩 其上 9 1m为 3 煤层，其下 1 3 5m 为 5 煤层。在井 田范围内，4煤厚 O 6 8 m，平均 1 8 m，局部 由 4 和 4 两层组成，最大分叉间距可达 3 m左右。从 图 1 前岭矿区构造纲要略图 收藕 日期：2 0 0 0 0 1 1 8 作者俺介：童宏树(1 9 6 5 一)男 皖北矿 务局任楼煤矿工程 师 水文地质，一 维普资讯 http:/ 第1 期 童树，吴素珍：浅析前蛉井田4 煤层层滑构造及薄化带展布特征 i 9 区域对比来看：该煤层的成煤环境及底板岩性组合 与邻区基本相同，但后者煤厚较稳定。3 层滑构造地质背景及其宏观表征 本井田处于鲁西台背斜徐蚌隆皱带之中，印支 运动及燕山运动第一幕以区域升降为主；主压应力 为近南北 向 同时在东西向宿北 断裂早期伸张的影 响下 形成轴向东西的宽缓初级复式向斜构造。(在 井田的深部地段 尤其在一5 0 0 m水平 以下，仍保 留 东西向向斜的遗迹)燕山运动中、晚期，在淮北地区 形成与徐宿弧形构造相垂直的自东向西的水平挤压 应力 产生双层薄皮推覆构造体系 本井田的构造格 架亦于此构造期基本定格。随着来 自井母东侧的挤 压应力 的持续作用，将早期初级复式 向斜向南北轴 向压缩 使复式向斜更为紧密。从山西组中上部至下石盒子组下部的百余米煤 岩层组合来看；3 、3 、4、5、6各煤层顶底板中均有中 厚层粉砂岩或细砂岩存在，岩石硬 度较大(，5)，而煤层的硬度普遍较小(，2)各煤层及其伪顶板 岩石相对各 自上覆及下伏直接顶底板为软弱层，软 弱夹层伴随硬岩层在受到来 自东懊 l 水平压应力的强 烈作用下，产生 多种形迹的层滑构造。硬岩层在拉 伸、收缩中往往产生断层、节理构造，即“层组滑动断 裂”，这种断裂延至软弱岩层(如 3煤)往往被软弱 层 自身的塑性流变所化解 产生拉伸薄化或挤压增 厚。如赵瓦房向斜核部，前后两次勘探确认有一 F 逆断层 依据是 5煤及其下部铝土岩标志层 在钻孔 中重复出现。但在近期开拓 4 6采区两石门穿过该断 层预涮位置数十米 均未觅 F 逆断层 4煤顶 底板 顺层滑动强烈 岩石呈薄透镜状 且伴有小型断层(落差一般小于 2 m)和节理。煤层保持连续，且沿向 斜轴煤厚增至 3 6 8 m 大大超 出该区的平均值 F 逆断层是两主滑层(4、6煤)在滑行中形成的层组 滑动断裂。(图 2)在采掘 4煤层时 很少见弱 4煤被 小型断层断开就是这一原因。在 3 5煤层组 中，4 煤平均厚度最大，原生结构的破坏程度也最大 为下 石盒 子组 主 滑层，4煤及其 顶底 界面 为主 滑面。3 5煤为下石盒子组主滑带 主滑带 中各煤层在其直 接顶底板 的 制约滑 行 中形成 一系列 次级不协 调被状 褶曲 一 煤厚在褶曲不同部位重新分配 总的趋势是 向 斜部位煤层增厚 背斜部位煤层薄化。因此，用层滑构造观点来分析该井田中、小型构 造以及煤层稳定性 显然会 更客观地反映出它本身 的特 征 和规律。图 2 层组滑动断裂在硬岩层与软岩层中的表现 囤 3 4 2 段 I 4 2采 区蔷道 中实见的小褶 曲 4部分采区 4煤层层滑构造形迹及煤层增厚 薄化 层滑构造分析仅涉及井田向斜构造中部赵瓦房 背斜地段t 4煤层开拓区。诚背斜为前岭向斜 的二级 构造，轴向 NNE 与主体 向斜轴基本一致 向西南深 部扩展 大致延展 3 k m 后平缓消失。本文以 4 2和 4 2采区采掘中所见层滑瑷象为重点予以叙述 4 I 渡状褶 曲 勘探及井下地质资料表明：赵 瓦房背斜是 由一 系列 渡状 小 摺 曲组 成 为该 地 段层 滑构 造 的主要 类 型 这系列小摺曲是 由 3 煤顶至 5 煤底约 3 2 m 的软硬相间煤岩层组成 的，以 4煤及其顶底界面为 主滑面的层组滑动形成 的层滑构造。伴随小褶曲的 形成 在 4煤及其顶底板中产生多种屠谤形迹。I 藕 节并层、底刺与顶刺、顶板剥离与底凸以及煤层局部 超覆、层内揉皱等)因而研究 渡状褶 曲的特征及 展 布 就成为分析该地段 4煤层层滑薄化、增厚展布特 征 的首 要 问题。4 1 1 渣状褶 由的 特征 组成赵瓦房背斜 的小褶曲中，背斜发育较好 向 斜发 育较差 向斜常以一系列更次级 渡状起伏过渡 至背斜。各 自位置以及在巷道中的表现见图 3 各小 褶曲的波幅、波长、两翼倾角、对称性 以及枢纽延展 方 向见表 l 维普资讯 http:/ 2 0 煤 田地质 与勘探 第 2 9卷 4 1 2波状褶 曲的展 布 本井田煤系地层主要受印支及燕山运动两次改 造。(以后者为主)伴随主格架构造产生的小褶曲向 深部轴向在 N E5 0 7 0。之 间，向浅部轴 向在 NE 2 0 4 O。之 间，总体呈 扫帚状，向 NE收敛，向 S W 扩 展，沿枢纽 方 向每 1 0 0 m 收敛(或扩 展)约 2 0 m，A、B、c相邻 小背斜 在 NW-S E向具有等距性，即在 4 2采 区下部 和 4 2 栗 区上 部，A 与 B、B与 C之 间 距离为 2 6 0m左右，在 4 2采区东侧为 2 2 0m左右。4 2采 区 上部 小 褶 曲枢 纽 为 NE 向，向南 过 渡 为 NNE向。(图 9)4 2 4煤层在波状褶曲不 同部位的薄化与增厚 4煤层及其顶、底界面是本地段层滑构造 的主 滑层面，在波状褶曲的形成中+因局部应力场和 4煤 顶底板岩石物理特征的差异，4煤层及其顶底板在 小褶曲的校部、翼部以及过渡部位出现多种层滑形 迹，煤层相应出现多种薄化、增厚现象。4 2 1藕节并层 如图 4，该薄化带位于背斜 c的西翼，从 巷道剖 面上可清楚见到煤层顶部有一滑面存在，上部煤呈 粉末状、潮湿 下部煤呈块状，且煤层层理正常，顶板 破碎 泥岩裂隙被方解石细脉充填，上部煤及顶板向 背斜 c核部滑行，下部煤与底板 向其邻近的小 向斜 滑行，煤在顶、底板的夹持下拉伸薄化。4 2 2 底 刺 与顶刺 在小褶曲的核部，常因煤层顶板致密坚硬，难以 产生弯曲变形，底板随侧向压力 的加强，自煤层底部 图 4 I 4 2 2机巷 4 煤藕 节并层 l：【I【)一(a)底刺【I 1 4 2 2切眼 譬 叠i_ 一(b)I N(4 2 1 2轨 巷)圈 5 煤层顶捌、底剌素描 图 图 6 4 2 6 轨道巷底鼓与顶扳剥离 I：4 0 0 图 74 2 2机巷 4煤 局 部 超 覆 刺人煤层，(图 5 a)顶板岩石 刺煤层的情况与底刺 类似，它是底板岩石难 以产生弯曲，顶板岩石在与煤 层相向滑行时下插刺人煤层。(图 5 b)顶刺常见于小 向斜校部，底刺常见于小背斜核部。4 2 3顶 板 剥 离与 底 板 上 凸 在小褶曲的翼部，往往因煤层顶、底板在相向滑 行中推挤煤层，造成局部顶板下剥煤层，底板上凸挤 压煤层，煤层为适应顶底板 的起伏变化而重新分布 厚度，在起伏频繁地段煤层呈串珠状。(图 6)顶板与 煤层接触面在横截面上表现为槽状，一恻陡而深 一 侧缓 而浅，在 陡侧其 接触 面 附近煤层 层理上 挠，偶见 顶板层面与煤层斜 交；底板与煤层接触 面为上 凸弧 形，一恻陡，一侧缓，从滑动擦痕、滑面特征以及煤层 揉皱的观察分析，由缓向陡往往为底板滑行方 向。剥 离与上鼓的频繁交错，大大增加 了工作面的开采难 度。4 2，4煤层局部 超覆 在小褶曲的核部附近及过渡部位，由于受侧 向 顺层挤压应力 的作用，往往在煤层上部或顶部形成 滑面，煤层局部产生超覆，煤厚增大，(图 7)此巷道 位于背斜 B的核部附近，在煤层上部有 一 0 5 c m 厚的滑皮矸石，滑面产状 NE 2 0。2 5。，为压扭性，滑 面上小阶步发育，阶步与滑 面走 向基本一致 在近 1 0 m 范围内煤厚 由 1 4 m 陡变为 2 7 m。推测为 F j 逆断层在延 至 4煤，沿煤层中、上部滑行引起煤 层局 部超覆 所致。5 波状褶 曲的展 布及 4煤薄 化和增厚 的预测 综合分析本地段 4 煤薄化、增厚现象，可以发觌 4煤 在 某一地 段 薄化、增厚 具 有 一定 规律 性。3 5 维普资讯 http:/ 第 1期 童宏树，吴素珍：浅折前峥井田 4煤层层滑构造及薄化带展布特征 2 1 推测向辞 l 轴：5实剥薄化莆 6推测薄化带 7采区界线 圈 8 4 2及邻 近采 区小褶 曲与 4煤 薄化带分布示意图 煤组中软弱层发育，在侧 向压应力的作用下形成滑 动带，其中各软弱煤层在 自身顶底板的制约下，都有 可能形成层滑形迹 但因 4煤原生厚度较大 直接顶 底 板往 往 为粉 砂岩 或粉 砂质 泥岩，所 以在层 滑过 程 中它的原生结构破坏程度较大。从开采 4煤的情况 来看，9 O 以上 为粉末状或鳞片状，在波状小褶曲的 形成过程 中，4 煤相应通过 多种方式来化解局部应 变和顶、底板的控制 在褶曲不同部位重新分配煤层 厚度，产生新的相对平衡。从该矿实见薄化带的分布 来看，主要薄化带(x Y，z)皆存在于小背斜的东翼以 及核部位置，以藕节并层和底板穿刺层滑形迹为主；主要增厚带存在于褶 曲的过渡部位 和向斜 的核部，以局部超覆和层内揉皱 出现。薄化带与增厚带相间 出现，延展方向基本与其邻近的褶曲枢纽一致。主要 薄化带宽度一般在 2 O 7 0 m，且厚度不可采 宽度 小于 3 0 m 顶板剥离与底凸形成的薄化带宽度一般 较小 但它们的频繁出现往往也能造成较大规模的 难采区(4 2 l 2和 4 2 8工作面就是一例)薄化带受波 状 褶 曲的制 约，在 一2 4 0 m 水 平 以上延展 方 向为 NNENE，在 一2 4 0 i n水 平 以下延 展 方 向为 NE NE E 这种 方 向的逐 渐 改 变 主要 与 煤 系地 层 遭受 两 期构造运动有关。两相邻主要薄化带之间的距离与 其 同位 置 的两小背斜 之 间的距 离基本 相等。(图 8)6 研究层滑构造对煤矿安全生产的意义 层滑构造的研究刚刚起 步，现阶段 主要是分析 主采煤层存在和可能存在 的小褶曲以及煤层薄化、增厚带的分布特征 为安全生产提供超前地质信息，具体体现于以下几个方面：6 1 修 改 已有 勘探 资料 前岭矿 目水平第一工作 面的斜轨道 巷，就是依 据本次研究的初步成果修改原勘探资料提供的不可 图 9 I 4 2 2工 作 面 意 图 采边界合理布置的。该面原设计可采储量为 9 万 t，通过修改设计 布置 巷道 现可采储 量在 1 6万 t 左 右，增 加 了约 7万 t。(图 9)6 2 寻找新 的可 采地段 及储量 在 4 2和 4 4采 区之 间，以往 的勘 探 资 料 表 明：此区为一沉积变薄不可采区段。实际上，钻孔中 所见 4煤 皆呈粉末状，且钻 孔 的排 列方 向基本为 N ES w 向。分析推 断 该 地段 应 为 4 煤 层 薄 化带 自一2 4 0m 至一5 0 0i n水平 该地段保有近 6 O万 t 的可采储量。6 3 核 实采 区可采储 量 通过 对 4 2 及 邻 近 采 区实 测 和推 测 煤层 薄 化 带 分布特征分析，各采 区 4煤可采储量与原勘探 提供 的可采储量相 比，有所减少(表 2)6 4 为煤层中瓦斯的储存创造 了有利的空间 由于层滑构造造成 煤层原生结构的破坏 为煤 层中瓦斯的储存创造了有利的空间。另外 局部 因煤 层顶、底板较完好 瓦斯难以释放，在采掘 中易 出现 局部瓦斯超限。如 4 6采区，4煤受 F 逆断层产生的 顺层滑动影响，厚度增 大，次生裂隙增多，是瓦斯聚 积的有利地段 采掘中必须做好瓦斯的预测预报工 作 6 5 形成“三 软”地段 层滑构造常形成“三软”地段，即顶软、煤软、底 软。如何解决“三软”地段的正常采掘以及层滑构造 与地下水活动、瓦斯聚积等关 系问题是今后研究的 主要方 向。皖北矿务局技术处张恭舜同志和淮南工业学院 周治安老师对本文撰写给予指导，在此深表谢意 J 衰 2 各采 区 d煤可采储与原勘探 提供 的可采储 相比 维普资讯 http:/ 2 2 蝉 田地质与勘探 C OAL GE()L(X；Y EXP LORATI ON VO I 2 9 No I Fe b 2 0 0 1 文章号：1 0 0 1 一 I 9 8 6(2 0 0 1)0 1 0 0 2 2 0 3 煤样全应力应变过程中的渗透系数一应变方程 李树 刚 ，钱 鸣高，石平 五(1 西安科技学院，陕西 西安7 1 0 0 5 4；2 中国矿业大学，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8)摘要：借助现代化的电液伺服岩石力学试验 系统，以数控瞬态渗透法进行 了全应力应变过程的软煤 样渗透特l 生 试验。实验 中首冼设置了环向应变传感器，得 出煤样渗透 l生与主应力差、轴应 变、体积应 变关系曲线，并拟合出相应方程 从 中可知 煤样全应 力应 变过程对应的渗透系数是体积应变的双 值函数，体积缩小时为 2次多项式，体积膨胀时为 5出多项式。该方程用在应 力场一渗流场耦合 的 数值分析 中，可使计算蛄果更符合工程实际。关键词：全应力应变 渗透 系数一应变方程；煤样渗透 l生；瓦斯运移 中圈分 类号：TD 7 1 2 5 1 文献标 识码 A l 引言 原始煤岩体与瓦斯流体组成的系统在多孔介质 中处于平衡状态 采动影响下煤岩体发生变形 并使 煤岩的渗透性质 随其变形程度发生变化 从而影响 其中的瓦斯压力分布及运移状况。在 瓦斯运移的基 本参数中，地应力或采动后的矿 山压力对煤岩渗透 性变化有决定性作用，而渗透性 的大小对瓦斯的聚 集和运移(排放)等起着主要的作用。X o r r O T 13 13，S o me r t o n W H，林伯泉，赵阳升等 通过大量试验对不同矿井的各种煤样应力与瓦斯渗 透系数关 系进行 了广泛研究 ，结果表明它们一 般均为指数函数关系，这对煤层瓦斯流动特性、抽排 瓦斯参数选取及煤与瓦斯突出预防等有重要的指导 意义 但此前研究只揭示 了事实的一部分，即在试验 的峰值强度前，随着轴向压力和侧压力的增加，煤体 结构不断被压密实，所以渗透系数 自然趋于减小，而 在煤样超过峰值强度后，其渗透性会有何变化，尚未 见报导 本文 即是首次对全应力应变过程中煤样渗 透系数与应变规律的探讨。2 煤样 电液伺服 试验殛 其 结果 2 1 试验设 置原理殛 煤样 采集 加工 煤样试 验在 中国矿业 大学 引进 的先进 的室 内岩 石力学试验系统 MTs 8 1 5 O 2型电液伺服岩石 力 学试 验 系统(E l e c t r o h y d r a u l i c s e r v 0 c 0 n t r 0 I l e d R o c k Me c h a n i c s T e s t i n g S y s t e m)上 进行，该 系统具 有 国内唯一 的孔隙水压(P o r e Wa t e r P r e s s u r e)和水 渗透(Wa t e r P e r me a b i l i t y)试验的相关设备，它 曾对 岩石试件进行了大量的渗透试验，但未就煤样渗透 性做系统试验。水渗透试验中，先施加一定 的轴压 P 、侧压 P 及孔 压 P (P；P )，然 后 降 低 试 件 一 端 的孔 压 至 P ，在试件两端形成渗透压差 A pP 一户 ，从而引 起水体通过试件渗流。渗流过程中，a p不断减少，其 减 少速率与试样 种类、组构(F a b r i c)，试件长度(渗 流路程)、截面尺寸 流体密度、粘度，以及应力状态 和应力水平等因素有关。根据试验过程中计算机 自 收稿 日期：2 0 0 0 0 2 2 9 作者简介：李树 刚(1 9 6 3 一)，男，甘肃会 宁县人，西安科技学 院副教授，博士 主要从事 岩层控制及 瓦斯运移教学与研究 Di s t r i b ut i o n f e a t ur e s o f s hi p s he e t s t r u c t u r e s a n d t h i nn i n g z o ne s i n Co a l S e a m NO 4 Qi a n l i n g Di s t r i c t T()NG Ho n g s h U W U S u z h e n (1 Re nI OU Co a l M i N e No r t h e m An hu i Admi ni s t r a t i 0n，Su z h o u 2 3 4 0 O1，Ch i r l a：2 Te c h n i q u e De p a r t me n t，No r t h e r n An h u i Ad mi n i s t r a t i o n，S u z h o u 2 3 4 0 0 1，Ch i n a)Ab s t r t：Th e o r i e n t a t i o n a n d a mp l i t u d e o f l h i n n i n g a n d t h i c k e n i n g z o n e s o f ma i n mi n i n g c o a l e a m：q i n s o me mi n i n g s o f Qi a n l i n g c o a l mi n e a r e s t u d i e d，t h r o u g h o b s e r v a t i o n a n d r e s e a r c h o n I h e f e 8 t u l s a n d d i s t r i b u t i o n r e g u I a r i t i e s o f s l i p s h e e t s t r u c t u r e s Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h e d e v e l o p m e n t s i t u a t i o n o f s o f t b e d s a n d s l i p s h e e t s t r u c t u r e s i n c o a l s e a mN No 3 I 5 a n d I h e t h i n n i n g o r t h i c k e n i n g r e g u l a r i t i e s i n t h e c o a L tg e R t l l No 4，wh i c h p r o v i d e d g l o g i e a l i n r ma t i o n Ke y wo r d s：C O il I s e a m；s l i p s h e e t s t r u c t u r e：s o f t be d f o r e c a s t 维普资讯 http:/