陽煤五礦褶皺和撓曲構(gòu)造對煤層開采的影響

王晉生

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 五礦，山西 陽泉 045000)

[摘要]以陽煤集團(tuán)五礦15號煤層為目的層，總結(jié)研究了15號煤層褶皺和撓曲構(gòu)造形態(tài)展布和分布規(guī)律，進(jìn)一步探討了褶皺和撓曲構(gòu)造對礦井15號煤層開采的影響。研究表明：采區(qū)內(nèi)共揭露發(fā)育有褶曲26條，撓曲12個，褶曲在整個研究區(qū)均有分布，井田內(nèi)地層形態(tài)變化較大，廣泛發(fā)育有短軸褶皺以及撓曲和少量緊密槽皺；褶曲構(gòu)造的發(fā)育給主要運(yùn)輸巷和采區(qū)上山等巖石巷道的布置帶來很大困難，影響井巷施工進(jìn)度，增大煤層開采難度，并給頂板管理帶來很大困難，同時，在帶壓區(qū)附近開采時應(yīng)預(yù)防突水事故的可能性。向斜、背斜軸部及其附近有利于瓦斯聚集易于發(fā)生瓦斯事故。

[關(guān)鍵詞]褶皺；撓曲；展布規(guī)律；煤層開采

[中圖分類號]TD166[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[收稿日期]2014-05-13

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.006

[作者簡介]王晉生(1976-)，男，山西陽泉人，工程師，陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦通風(fēng)副總工程師，從事煤礦通風(fēng)工作。

Influence of Fold and Bend Tectonic on Coal Mining in Yangmei 5thMine

[引用格式]王晉生.陽煤五礦褶皺和撓曲構(gòu)造對煤層開采的影響[J].煤礦開采，2015，20(1)：20-22.

隨著綜采技術(shù)工藝的普及和開采設(shè)備更新，礦井生產(chǎn)對地質(zhì)構(gòu)造的查明程度也提出了更高要求[1-5]。因此，研究礦井地質(zhì)構(gòu)造是一項(xiàng)貫穿于煤田地質(zhì)勘查、礦井建設(shè)和煤礦開采等各個階段的地質(zhì)任務(wù)。為了對陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦的煤炭資源進(jìn)行合理、有效地開采，研究了陽煤五礦礦井褶皺和撓曲構(gòu)造的形態(tài)展布和分布規(guī)律，進(jìn)一步探討了褶皺和撓曲構(gòu)造對礦井15號煤層開采的影響，其研究結(jié)果對于煤礦安全生產(chǎn)有著十分重要的意義。

1研究區(qū)概況

陽煤五礦井田構(gòu)造具有規(guī)律的間隔條帶，大致北東向，雁形排列的特征。受區(qū)域構(gòu)造控制，發(fā)育北北東及北東向有較平緩的褶皺群和層間小斷層(圖1)。井田呈北西南東向延伸，總面積約82.53km2?，F(xiàn)有2個生產(chǎn)礦井，主井開采深度是由+800m～+230m標(biāo)高，貴石溝礦井煤炭生產(chǎn)能力6.8Mt/a，五林井煤炭生產(chǎn)能力0.9Mt/a[6-8]。

1—一級構(gòu)造邊界；2—二級構(gòu)造邊界；3—三級構(gòu)造邊界； 4—新生代盆地邊界；5—省界；I—呂梁—太行斷塊； I 1—太行山塊??；I 2—沁水塊坳；I 2-1—盂縣坳緣翹起帶；I 2-2一娘 子關(guān)—坪頭坳緣翹起帶；I 2-3—沾尚一武鄉(xiāng)—陽城北北東向褶帶； I 2-4—普洞—來遠(yuǎn)北東東向褶斷帶；I 2-5—太岳山坳緣翹起帶； I 2-6—郭道—安澤近南北向褶帶；I 2-7—析城山坳緣 翹起帶；Ⅰ 3—呂粱塊?。虎颉鯛柖嗨箶鄩K； Ⅲ—豫皖斷塊；a—長治新裂陷；b—大原新裂陷；c—臨汾新裂陷 圖1　沁水盆地區(qū)域構(gòu)造單元劃分示意

本區(qū)主要可采煤層共3層，分別為二疊系山西組3號煤層、石炭系太原組9號煤層和15號煤層，目前，五礦開采15號煤層。本井田位于娘子關(guān)泉域南部，屬于娘子關(guān)泉域水文地質(zhì)單元。娘子關(guān)泉群流量10.2～15.8m3/s，平均12.85m3/s，是全排泄型的水文地質(zhì)單元[9-13]。

2褶皺和撓曲構(gòu)造分布規(guī)律

五礦生產(chǎn)采區(qū)共揭露褶曲26條，褶曲在整個研究區(qū)均有分布，東北部褶曲出現(xiàn)頻率較少(圖2)。據(jù)統(tǒng)計，研究區(qū)褶皺構(gòu)造的軸向主要有5組，即NE向(30～50°)、NNE向(10～30°)、NEE向(50～80°)，其次還有近SN向和NW向(120～150°)。軸向?yàn)镹E和NNE方向的褶皺構(gòu)造最發(fā)育，軸向?yàn)镹EE和近SN向的褶皺構(gòu)造發(fā)育程度次之，個別褶曲走向?yàn)镹W向，褶曲軸向出現(xiàn)頻率的對比情況如圖3所示。

圖2　五礦井田褶曲構(gòu)造分布

圖3　五礦井田褶皺構(gòu)造軸向出現(xiàn)頻率對比

本區(qū)褶皺構(gòu)造中有背斜14條，向斜12條，背斜、向斜常呈等間距分布，間距長度800～1000m，并大體呈雁行狀排列。在背向斜兩翼及疊合部廣泛發(fā)育有各類短軸背向斜構(gòu)造，長度466.92～4109.56m，一般1000～3000m，長度1500～2000m和2500～3000m出現(xiàn)的概率最大。個別背向斜一翼局部煤巖層坡度增大到20～30°，甚至達(dá)70°，呈現(xiàn)撓曲形態(tài)，撓曲幅度一般3～5m，延伸長100～200m左右。

井田內(nèi)地層形態(tài)變化較大，廣泛發(fā)育有短軸褶皺以及撓曲和少量緊密槽皺。由于地層較為平緩，2個短軸褶曲之間往往形成1個鞍部。褶皺兩翼傾角一般在14°以下，少量較為緊密，可達(dá)26°以上。在15號煤層中廣泛發(fā)育有撓曲，撓曲帶傾角可達(dá)50～70°。例如四采區(qū)8403工作面揭露在三維地震勘探中解釋為斷裂構(gòu)造的撓曲帶，撓幅接近20m，造成工作面回采中長期在割頂板、底板，生產(chǎn)進(jìn)度緩慢，給通風(fēng)瓦斯治理工作也帶來了壓力。

撓曲是在水平或平緩的巖層中，由一般巖層突然變陡而表現(xiàn)出的膝狀彎曲，或是由于巖層翹曲或其他和緩變形所形成的彎曲均稱。目前，在15號煤層掘進(jìn)中揭露的撓曲構(gòu)造有12個(圖4)。

圖4　五礦井田15煤層撓曲構(gòu)造分布

3褶皺和撓曲對礦井15號煤層開采的影響

本區(qū)褶曲構(gòu)造較為發(fā)育，給15號煤層開采帶來的負(fù)面影響和防治措施主要有：

(1)向背斜軸部應(yīng)力相對集中，特別是向背斜軸部轉(zhuǎn)折端裂隙相對較發(fā)育，有利于地下水的富集。同時采空區(qū)積水在適宜條件下匯集于向斜軸部。生產(chǎn)中掘進(jìn)至向斜軸部，會有淋水及涌水等現(xiàn)象。在褶曲向斜軸部，如X1，X2，…，X12向斜軸部，巷道低洼處和采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生積水會有透水隱患，因此當(dāng)15號煤層開采至X1，X2，…，X12等向斜軸部及其附近時，應(yīng)預(yù)防透水事故發(fā)生。

當(dāng)煤層開采至西部煤層埋深較深的地方時，由于煤層位于奧灰水水位以下，向背斜軸部富水性較強(qiáng)，此時開采為帶壓開采，當(dāng)?shù)V井揭露或通過帶壓開采區(qū)向背斜軸部附近時，奧灰含水層水就很有可能會直接或間接的涌入礦井。根據(jù)15號煤層底板標(biāo)高與奧灰等水壓線可以推測得到帶壓開采線，該線以東為無壓區(qū)，該線以西為帶壓區(qū)。

根據(jù)帶壓開采線，就可以確定研究區(qū)礦井奧灰底板水害易發(fā)區(qū)，本區(qū)礦井水害易發(fā)區(qū)位于帶壓開采線的西部區(qū)域。對于不同采區(qū)而言，其奧灰底板水害易發(fā)區(qū)不同，如西北采區(qū)的奧灰底板水害易發(fā)區(qū)位于該采區(qū)的西南部，四采區(qū)的奧灰底板水害易發(fā)區(qū)位于該采區(qū)的西部和東南部，中央采區(qū)的奧灰底板水害易發(fā)區(qū)位于該采區(qū)的西南部，420水平采區(qū)的奧灰底板水害易發(fā)區(qū)位于該采區(qū)的西南部和西北部，其他采區(qū)發(fā)生奧灰底板水害的可能性不大。

由于B1，X1，X5西部、X6褶曲位于奧灰?guī)簠^(qū)，故當(dāng)在B1，X1，X5西部、X6褶曲軸部及其附近開采15號煤層時，礦井水害發(fā)生的可能性最大，應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防。B3，X2，B9，B10，X8，B11等褶曲距奧灰?guī)簠^(qū)較近，故在這些褶曲軸部及其附近開采15號煤層時，應(yīng)加強(qiáng)對奧灰水水位的動態(tài)觀測，掌握奧灰水位動態(tài)變化規(guī)律，注意和預(yù)防礦井水害的發(fā)生。

(2)由于在向斜、背斜軸部及其附近有利于瓦斯聚集易于發(fā)生瓦斯事故，故當(dāng)15號煤層開采至X1，X2，…，X12等向斜軸部及其附近，和B1，B2，…，B14等背斜軸部及其附近時，應(yīng)預(yù)防各種瓦斯事故的發(fā)生。由于西北采區(qū)、420水平采區(qū)、五林井采區(qū)褶曲數(shù)量相對較多，故在這3個采區(qū)內(nèi)褶曲軸部開采時應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生。特別是在背向斜下層，即中和面以下開采15號煤層時，由于瓦斯更易聚集，故更應(yīng)注意預(yù)防事故的發(fā)生。

瓦斯突出成為制約整個礦井安全生產(chǎn)的重要因素。瓦斯的富集和分布除了受煤層本身的性質(zhì)影響外，最重要的就是受地質(zhì)保存條件的限制，如褶皺和撓曲分布規(guī)律，建議今后做好瓦斯分布及富集規(guī)律研究。

(3)褶曲構(gòu)造的發(fā)育會給主要運(yùn)輸巷和采區(qū)上山等巖石巷道的布置帶來很大困難，影響井巷施工進(jìn)度，增大煤層開采的難度，并給頂板管理帶來很大困難。在以后的開采過程中，需嚴(yán)格加強(qiáng)頂板管理工作，防止頂板事故的發(fā)生。

(4)井田內(nèi)地層形態(tài)變化較大，廣泛發(fā)育有短軸褶皺以及撓曲和少量緊密槽皺。由于地層較為平緩，兩個短軸褶曲之間往往形成一個鞍部。由于撓曲構(gòu)造均為開采中所揭露，在勘探階段均未查明或查清，因而給掘進(jìn)和回采都帶來了很大困難，使綜采和綜掘機(jī)械的運(yùn)用受到很大影響，大大地影響了掘進(jìn)和回采進(jìn)度，同樣也嚴(yán)重影響了煤炭產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

由于地面鉆孔對礦井深部控制較少，而褶皺和撓曲對深部煤層影響又加大，所以必須加強(qiáng)井下鉆探工作。對地質(zhì)情況不明了的地段，應(yīng)優(yōu)先安排井下鉆探來進(jìn)一步探明煤層的賦存情況及構(gòu)造分布情況，必要時安排一定量的巷探或地面鉆孔來控制煤層厚度、褶皺和撓曲的變化情況等，以免盲目進(jìn)行采掘布置，造成井巷工程的無效進(jìn)尺。

加強(qiáng)地面三維地震勘探，為煤層形態(tài)、構(gòu)造及煤層結(jié)構(gòu)變化趨勢等提供各項(xiàng)資料。三維地震勘探可以有效查明褶皺和撓曲賦存形態(tài)、斷裂發(fā)育情況，指導(dǎo)采區(qū)設(shè)計和工作面布置，為礦井生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

4結(jié)論及建議

在系統(tǒng)分析研究區(qū)褶皺和撓曲構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)編圖、統(tǒng)計分析，對五礦礦井褶皺和撓曲構(gòu)造展布規(guī)律及褶皺和撓曲構(gòu)造對15號煤層開采的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究，取得了如下成果：

(1)褶曲在整個研究區(qū)均有分布，且廣泛發(fā)育有短軸褶皺以及撓曲和少量緊密槽皺。

(2)褶曲構(gòu)造的發(fā)育給主要運(yùn)輸巷和采區(qū)上山等巖石巷道的布置帶來很大困難，影響井巷施工進(jìn)度，增大煤層開采的難度，并給頂板管理帶來很大困難，同時，在帶壓區(qū)附近開采時應(yīng)預(yù)防突水事故的可能性；向斜、背斜軸部及其附近有利于瓦斯聚集易于發(fā)生瓦斯事故。

[參考文獻(xiàn)]

[1]杜志軍.煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展與潔凈煤技術(shù).中國科技信息，2006(3)：159.

[2]翟虎威，楊義勇，孫際青，等.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司五礦生產(chǎn)礦井地質(zhì)報告.山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，2009.

[3]李鋒.巖溶礦區(qū)陷落柱發(fā)育規(guī)律及防治技術(shù)的研究.山西煤炭，2012，32(2)：62-63.

[5]林建平.山西太古代—中生代構(gòu)造應(yīng)力場.現(xiàn)代地質(zhì)，1991，5(4)：335-365.

[6]Cao Daiyong，Zhang Jielin，Guan yingbin，et al.Study on The Tectonic Stress Fields of Meso-Cenozonic By Finite-Element Simulation in LU-AN Mining Area Shanxi Province，China. Joural of China University of Mining & Technology，1995，5(1).

[7]任紀(jì)舜，陳延愚，牛寶貴，等.中國東部及鄰區(qū)大陸巖石圈的構(gòu)造演化與成礦.北京：科學(xué)出版社，1990.

[8]馬玉鄂.長治盆地的形成及地殼穩(wěn)定性評價.山西地質(zhì)情報，1991(3).

[9]馬保起，曹代勇，關(guān)英斌，等.陽曲斷陷新構(gòu)造特征及形成演化.地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集，1996(S1).

[10]劉建.沁水盆地和順區(qū)塊構(gòu)造對煤儲層滲透性的影響.北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2011.

[11]賀小黑.沁水盆地和順區(qū)塊煤層氣成藏富集規(guī)律研究.北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2010.

[12]于紹波.斷層與煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)系之管見.山東煤炭科技，1998(2)：54，56.

[13]胡文雄，黃香發(fā).天河礦區(qū)西江-東坑逆斷層對煤層及開采的影響.江西煤炭科技，2004(2)：44-45.

[14]劉斌，關(guān)民全.地震反射波在煤層賦存情況及煤層特殊地質(zhì)現(xiàn)象中的特征.西部探礦工程，2013，25(11).

[15]康琴琴.銅川礦區(qū)中部構(gòu)造發(fā)育規(guī)律研究.西安：西安科技大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：施紅霞]