施龍青 宋忠航 呂大煒 宋永文

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省青島市，266590；2.棗莊礦業(yè)集團(tuán)蔣莊煤礦，山東省棗莊市，277500)

新汶井田位于魯西地區(qū)的斷陷盆地中，井田內(nèi)小斷層構(gòu)造的研究直接影響到對(duì)煤層賦存和分布狀況的了解，進(jìn)而制約著煤礦的開采效率和安全生產(chǎn)。以新汶礦區(qū)翟鎮(zhèn)井田2＃煤層為例，探究井田內(nèi)小斷層的發(fā)育特征和規(guī)律，為采區(qū)的巷道布置及采掘方案提供依據(jù)，對(duì)煤礦的高效生產(chǎn)和災(zāi)害預(yù)防具有重要意義。

1 翟鎮(zhèn)井田地質(zhì)背景

翟鎮(zhèn)井田位于新汶向斜中段的軸部，由于被斷層圍限而呈菱形展布，如圖1(a)所示。井田地層走向多變，以近東西向?yàn)橹?，傾角多在6°～20°之間，含煤地層屬華北型石炭—二疊系海陸交互相含煤沉積。井田的構(gòu)造形態(tài)是EW向的羊村次背斜、NEE向的大港向斜、李家莊鞍部和羊村以東平緩地帶所組成的復(fù)式寬緩的褶皺構(gòu)造，井田中共發(fā)現(xiàn)大中型斷層20余條，斷層方向性明顯，大致可分為NNW向、NW向、NEE向和NE向4組。

2 井田2＃煤層小斷層的基本特征

井田內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的斷層構(gòu)造將其分成具差異性的斷塊，通過(guò)對(duì)比分析大斷層的發(fā)育規(guī)模、展布特征及小斷層走向，最終，以大型斷層作為分區(qū)邊界將井田劃分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，然后統(tǒng)計(jì)分析各區(qū)小斷層構(gòu)造，如圖1(b)所示。

圖1 翟鎮(zhèn)井田基本地質(zhì)構(gòu)造圖

2.1 斷層性質(zhì)特征

新汶礦區(qū)翟鎮(zhèn)井田2＃煤層共揭露斷層1596條，其中正斷層1523條，逆斷層73條，正、逆斷層所占比例分別占95%和5%。線性斷層1421條，弧形斷層175條，所占比例分別為89%和11%。各區(qū)斷層數(shù)目按其性質(zhì)和形狀特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)斷層數(shù)較多，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)斷層數(shù)較少。各區(qū)正斷層和線形斷層的數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，逆斷層和弧形斷層數(shù)量較少，但相對(duì)集中。

2.2 斷層走向特征

根據(jù)翟鎮(zhèn)井田2＃煤層各區(qū)采掘揭露的斷層走向分布數(shù)據(jù)，繪制出斷層走向玫瑰花圖，見圖2。從玫瑰花圖可以看出，2＃煤層開采揭露的斷層走向集中在340°～90°范圍內(nèi)，以NE向?yàn)橹鳎總€(gè)區(qū)的斷層走向有差異，Ⅰ區(qū)主要發(fā)育NE向斷層，Ⅱ區(qū)則主要發(fā)育NNE向斷層，Ⅲ區(qū)斷層走向以NNW向?yàn)橹?，Ⅳ區(qū)斷層走向以NEE向和NNW向?yàn)橹鳌?/p>

表1 2＃煤層各區(qū)斷層性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表 條

圖2 2＃煤層斷層走向玫瑰花圖

2.3 斷層落差特征

井田內(nèi)2＃煤層按各區(qū)的斷層落差分為4個(gè)區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示，2＃煤層小斷層的落差主要集中在0～5m的范圍內(nèi)，該部分共占83%，在5～10m落差的范圍內(nèi)揭露的斷層數(shù)量最少。各區(qū)斷層落差特征存在差異。

表2 2＃煤層各區(qū)斷層落差統(tǒng)計(jì)表

2.4 斷層傾角特征

由于同一條斷層在不同部位的傾角也不相同，因此，分析2＃煤層斷層傾角特征時(shí)以斷層的最大傾角為研究對(duì)象。按采掘工程平面圖上經(jīng)緯線組成的網(wǎng)格為單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出2＃煤層不同傾角與標(biāo)高的斷層數(shù)，見表3，相同傾角斷層在不同標(biāo)高時(shí)其數(shù)目差別較大，相同傾角時(shí)，標(biāo)高在-200～-300m之間斷層數(shù)目最多。相同標(biāo)高時(shí)，傾角在60°～70°之間斷層數(shù)目最多。

表3 2＃煤層不同傾角與標(biāo)高的斷層數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

2.5 斷層密度特征

由于井田斷裂體系在空間中分布數(shù)量、規(guī)模及組合方式在密度圖中都能夠很好地體現(xiàn)，因此，煤礦斷層密度特征可作為評(píng)價(jià)煤層破壞程度的一個(gè)重要指標(biāo)。在統(tǒng)計(jì)和計(jì)算2＃煤層中斷層分布時(shí)采用網(wǎng)格覆蓋法，首先將比例尺為1∶2000的翟鎮(zhèn)井田采掘工程平面圖按400m×400m的網(wǎng)格單元面積進(jìn)行劃分，然后統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格單元內(nèi)的斷層條數(shù)，在此基礎(chǔ)上繪制出2＃煤層的斷層密度等值線圖，見圖3。若每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)所穿過(guò)的斷層數(shù)小于10條，則把該網(wǎng)格定為低密度區(qū)；若穿過(guò)的斷層數(shù)在10～20條之間，則將該網(wǎng)格單元定為中密度區(qū)；若穿過(guò)的斷層數(shù)大于20條，則將該網(wǎng)格單元定為高密度區(qū)。

圖3 2＃煤層斷層密度等值線圖

從密度等值線圖中可看出，斷層密度從西向東呈現(xiàn)出 “中—低—高—中—高”的變化趨勢(shì)。井田內(nèi)斷層的高密度區(qū)分布不均勻，常呈條帶狀，與低密度區(qū)交替出現(xiàn)，規(guī)律性較差。

3 井田2＃煤層小斷層地質(zhì)特征分析

3.1 煤層小斷層性質(zhì)特征分析

新汶煤田東部的控煤構(gòu)造在區(qū)域上全為正斷層，如蓮花山斷層、洋流斷層等，井田內(nèi)的主干斷層也都為正斷層，在井田所在區(qū)域內(nèi)，無(wú)論是主要斷層還是次生斷層，由于在形成時(shí)期受同一個(gè)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，因此，在斷層性質(zhì)上次生斷層與主要斷層一致，井田內(nèi)小斷層以直線型正斷層為主，這與華北型煤田中的斷層發(fā)育特征規(guī)律也相吻合。

3.2 煤層小斷層走向特征分析

井田斷層走向集中在340°～90°范圍內(nèi)，不同走向之間的斷層數(shù)量是漸變的。早期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中所形成的斷層雖經(jīng)受后期多階段構(gòu)造應(yīng)力，但斷層發(fā)育過(guò)程中的繼承性特點(diǎn)使其走向不會(huì)發(fā)生突變，在整體上表現(xiàn)出漸變的特征。井田內(nèi)這種區(qū)域性、階段性的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致小斷層發(fā)育復(fù)雜，使各分區(qū)斷層走向特征顯現(xiàn)差異。從構(gòu)造演化具體分析，作為井田邊界的大型正斷層是在印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期形成，作垂直運(yùn)動(dòng)的地層在受NS向的擠壓后發(fā)生斷裂而形成，隨后在燕山運(yùn)動(dòng)第一幕時(shí)期，井田受NE-SW向壓力的支配發(fā)育了與區(qū)域帚狀斷裂性質(zhì)相同的大斷層、III區(qū)NNW向小斷層和IV區(qū)NEE向的小斷層，井田內(nèi)I區(qū)、II區(qū)斷裂塊體在燕山運(yùn)動(dòng)第二幕時(shí)受NW向的局部擠壓，分別形成了NE向、NNE向?yàn)橹鞯男鄬印E向小斷層與NNW向小斷層構(gòu)成了一組X型斷裂，在喜山運(yùn)動(dòng)期繼續(xù)活動(dòng)。

3.3 煤層小斷層落差特征分析

斷層發(fā)育過(guò)程發(fā)生的構(gòu)造作用控制著斷層落差發(fā)育程度，雖然印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期地層以垂直運(yùn)動(dòng)為主，但后來(lái)的地質(zhì)活動(dòng)則主要為水平運(yùn)動(dòng)，因此斷層落差發(fā)育不是很大，基本在1～5m之間。在平面上，NEE向斷層在井田中部落差大，井田兩端落差小，形成階梯狀斷層。同時(shí)，III區(qū)的NNW向斷裂截?cái)郚EE向斷裂，又與地層斜交，造成NNW向斷層落差較大，最終形成現(xiàn)在的斷層落差分布格局。

3.4 煤層小斷層傾角特征分析

當(dāng)斷層傾角越小時(shí)，其內(nèi)摩擦角也就越小，塑性變動(dòng)作用也就越強(qiáng)，因此，井田在經(jīng)歷印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)及喜山運(yùn)動(dòng)時(shí)，小傾角斷層更易于向大傾角斷層發(fā)育，形成的斷層傾角以50°～70°之間為主，其次在40°～50°之間和70°～80°之間。

3.5 煤層小斷層密度特征分析

煤層小斷層密度分布不均勻，小斷層高密度區(qū)主要集中于大型斷裂構(gòu)造的邊緣及斷裂構(gòu)造交匯處，結(jié)合井田區(qū)域構(gòu)造背景，認(rèn)為這種分布規(guī)律是因?yàn)榇髷嗔褬?gòu)造及其交匯處的構(gòu)造活動(dòng)比其他地區(qū)更強(qiáng)，從而導(dǎo)致次生小斷層的發(fā)育程度較高，發(fā)育規(guī)模較大，因此該地區(qū)斷層密度相對(duì)其他地區(qū)更高。如井田西部F16、F17之間地塊內(nèi)的小斷層密度高。

4 井田小斷層發(fā)育規(guī)律

4.1 分區(qū)性

基于大中型斷層作為邊界斷層，并結(jié)合小斷層的走向等特征，井田分為4個(gè)區(qū)。各區(qū)的構(gòu)造特征互不相同，西部及北部區(qū)域在形成斷層的同時(shí)也形成了褶曲，為達(dá)到應(yīng)力平衡，東部區(qū)域地層相對(duì)平緩，只形成了大小不等的斷塊且分布密度大，因此較西部更為復(fù)雜。

4.2 分級(jí)控制性及方向性

井田內(nèi)小斷層的發(fā)育受大、中型斷層控制，這種控制作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是在斷層性質(zhì)上，井田內(nèi)的主干斷層特征與華北型煤田斷層的發(fā)育規(guī)律相一致，各主干斷層周圍的小斷層性質(zhì)又與之基本相同，如F10斷層與其周圍斷層都為直線型正斷層；二是在斷層走向上，大斷層的構(gòu)造線方向與周圍小斷層構(gòu)造線方向相同，如井田內(nèi)羊村背斜形成期X型斷裂中的NE向大斷層周圍多見NE向小斷層。大、小斷層的這種分級(jí)控制關(guān)系是在發(fā)育時(shí)處于相同的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下造成的，利用這種成生聯(lián)系有助于根據(jù)已探明大斷裂對(duì)其次生小斷層進(jìn)行預(yù)測(cè)。

井田內(nèi)小斷層走向受上級(jí)斷裂控制，方向性明顯，盡管各區(qū)斷層走向有差異，但整體上井田小斷裂構(gòu)造以NE向?yàn)橹鳌?/p>

4.3 成帶性

井田內(nèi)斷層成帶性的特征主要表現(xiàn)為:

(1)多個(gè)斷裂及斷片一起組合形成了大的斷裂構(gòu)造；

(2)后期多次繼承性的活動(dòng)導(dǎo)致大斷層的兩側(cè)及褶曲的轉(zhuǎn)折端部位形成了密集成帶分布的小斷層，如F10斷層左右150m范圍內(nèi)與之平行延伸的分支小斷裂帶；

(3)其余小斷層雖不受大斷裂控制，但其平面組合分布也常密集成帶，形成了平行式、雁列式、交織式等多種形式。

5 結(jié)論

(1)井田斷層以NE向線性延展的正斷層為主，各區(qū)斷層方向有差異，斷層切割關(guān)系復(fù)雜，整體來(lái)說(shuō)，后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的NE向斷層切割早期的NW向斷層。

(2)井田斷層的落差主要集中在1～5m，斷層的傾角以50°～70°之間為主，其變化特征隨深度的增加趨向復(fù)雜。小斷裂密度分布不均勻，規(guī)律性較差，井田東部斷層密度較高，高密度區(qū)常呈條帶狀，與低密度區(qū)交替出現(xiàn)。

(3)井田內(nèi)小斷裂發(fā)育規(guī)律具有方向性、分區(qū)性、分級(jí)控制性和成帶性特點(diǎn)。

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