朱海鋒

山東能源肥城礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，中國·山東 肥城 271608

構(gòu)造；復(fù)雜；煤層異常區(qū)；形成機理；分析與研究

1 井田構(gòu)造特征

陳蠻莊井田地處中國華北地塊（Ⅰ）魯西地塊（Ⅱ）魯西南潛隆起區(qū)（Ⅲ）菏澤-兗州隆起（潛）（Ⅳ）的青崮集凸起（潛）北側(cè)。區(qū)域上為由展布方向大致分為EW、NE、NW和SN 向4 組張性斷裂控制的凸起與凹陷相間的構(gòu)造格架。

井田地層基本上為一近東西走向、向北西傾斜的單斜構(gòu)造?？刹擅簩勇癫厣疃饶蠝\北深，最淺為-580m；西北角部最深部位為-1460m。

煤系地層傾角一般為15°～40°左右。西部傾角一般為40°左右，中部傾角一般為30°左右，中北部平樓斷層附近傾角一般為15°左右。開拓區(qū)內(nèi)南及西南區(qū)域傾角大，北部區(qū)域傾角較?。ㄈ绫?所示）。

受區(qū)域內(nèi)單縣斷層、平樓斷層以及終興集斷層的影響，主要發(fā)育有近EW、NE和NW 向三組斷層。以北東、近東西方向的斷層為主，北西向斷層較少。開拓區(qū)內(nèi)構(gòu)造以落差小于5m的小斷層為主，一般延展長度較小（105～235m），以正斷層為主（如圖1所示）[1]。

表1 開拓區(qū)內(nèi)各工作面煤層傾角一欄表

圖1 井田地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

2 異常區(qū)分布及特征

2.1 三維地震異常區(qū)分布情況

開拓區(qū)三維地震確定了14個異常區(qū),其中工業(yè)廣場煤柱以西開拓區(qū)7個（如表2所示）。開拓區(qū)內(nèi)異常區(qū)長軸方向以北東向、近東西向為主，與斷層構(gòu)造方向基本一致，影響范圍最大的是1號、6號異常區(qū)。詳細如表2、圖2所示。

表2 陳蠻莊礦開拓區(qū)三維地震煤層異常區(qū)情況表

圖2 陳蠻莊煤礦開拓區(qū)三維地震異常區(qū)分布圖

2.2 3402 工作面里段井下物探和生產(chǎn)揭露異常區(qū)情況

（1）3402 工作面概況

工作面傾斜長平均180m，里段走向長885m，煤厚0.7～4.6m，平均3.1m，煤層傾角25～39°，平均32°，可采儲量138萬t。

工作面煤層直接頂以泥巖為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部含粉砂質(zhì)及鋁質(zhì)，局部滑面發(fā)育，厚0.1～6.5m，平均1.3m；老頂為粉砂巖，滑面明顯，局部破碎見垂直裂隙，易風(fēng)化，平均厚5.2m。煤層直接底為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，與煤接觸面為炭質(zhì)泥巖，破碎易風(fēng)化，平均厚1.5m；老底為細沙粒狀結(jié)構(gòu)，互層狀，以砂巖為主，夾粉砂巖，平均厚8.2m。采煤工藝為綜采一次采全高，采高3.1m。

（2）工作面生產(chǎn)情況

該工作面于2014年9月14日試生產(chǎn)，工作面初采受斷層影響，底板鼓起，存在全巖段，巖石硬度較大，影響正規(guī)作業(yè)循環(huán)，效率較低。

（3）井下物探坑透、地震情況

2014年7月水害防治中心利用無線電波透視探測里段隱伏構(gòu)造，圈定2 處較為集中的異常區(qū)（如圖 3所示）。

圖3 3402 工作面里段無線電波透視探測成果圖

1號異常區(qū)位于3402 工作面軌道順槽W7 點前15m 至W8 點間（共40m），向面內(nèi)延伸40m，推斷可能是受軌順已揭露H=4.0m 斷層影響，該斷層平行軌順在巷道內(nèi)左右擺動。

2號異常區(qū)位于3402 工作面軌道順槽測點36～65，3402 工作面膠帶順槽測點540～565 之間范圍內(nèi)，自切眼向外共計290m，推斷該異常區(qū)可能為切眼內(nèi)已揭露的斷層組向面內(nèi)延伸或者面中存在其它隱伏構(gòu)造。

為進一步探明異常區(qū)，2014年12月安徽惠州地質(zhì)災(zāi)害研究院又采用KDZ1114-6A30型便攜式礦井地震儀對2號異常區(qū)進行復(fù)測，得到2個構(gòu)造異常區(qū)（如圖4所示），基本探清了已揭露斷層延伸方向。

圖4 3402 工作面里段礦井地震儀探測成果圖

（4）生產(chǎn)實際揭露情況（工作面切眼素描圖）

圖5 3402 工作面切眼實測素描圖

2.3 3404 工作面掘進揭露6號異常區(qū)情況

3404 軌道順槽施工至三維地震6號異常區(qū)后，煤層發(fā)生異常，實際揭露兩條兩小斷層，且兩斷層之間近80m 范圍成為全巖，巖石為泥質(zhì)、粉砂質(zhì)膠結(jié)，含有粉砂巖、泥巖、煤等大小不一雜亂無章的大角礫巖巖塊。該全巖以西約300m為半煤巖或全巖。巖性與陷落柱現(xiàn)象基本一致，被暫定為“疑似陷落柱”。但根據(jù)實際揭露全巖段膠結(jié)物及包裹體主要成分為泥巖、粉砂巖及煤分析，塌落巖體主要是3層煤頂板及3層煤，無早于3層煤老頂沉積物出現(xiàn)，也無地下水流入沉積物出現(xiàn)，若為陷落柱，如此大范圍，必然見到比3層煤更新地層巖石出現(xiàn)。同時發(fā)現(xiàn)，全巖段底板有時有連續(xù)的煤線出現(xiàn)，無陷落特征。根據(jù)以上情況分析，該“疑似陷落柱”可以被排除，實質(zhì)仍為構(gòu)造異常區(qū)。其形成主要受北東向斷層和北西向斷層構(gòu)造應(yīng)力擠壓、X 剪切、斷落而形成。該現(xiàn)象也證明了6號異常區(qū)確實存在，且影響范圍比三維地震確定范圍擴大，目前揭露資料證明至少向西擴展240m（如圖6、圖7所示）[2]。

圖6 3404 三維地質(zhì)及掘進揭露異常區(qū)平面圖

圖7 3404 膠帶順槽L58 點前3m 右?guī)蛨D

2.4 異常區(qū)特征分析

通過對三維地震勘探和生產(chǎn)揭露異常區(qū)情況分析，異常區(qū)主要特征如下：

（1）陳蠻莊礦異常區(qū)分布數(shù)量多，范圍大，其面積不等，形狀各異。

（2）異常區(qū)的長軸方向以北東向為主，其次為近東西向，與斷裂構(gòu)造延展方向基本一致。

（3）異常區(qū)構(gòu)造復(fù)雜。實際揭露異常區(qū)局部有構(gòu)造面、局部以順煤層發(fā)育或與煤層呈小角度相交斷層出現(xiàn)、局部為頂?shù)装逑蛎簝?nèi)凸起，煤層變薄、局部煤與頂?shù)装逑嗷ゴ┎濉?/p>

（4）異常區(qū)煤厚顯著異常。一般煤層厚度變薄，有時與頂?shù)装逑嗷ゴ┎?，異常區(qū)下部煤層變厚，局部出現(xiàn)“煤包”。

（5）構(gòu)造煤特征明顯。煤受構(gòu)造作用破壞變成鱗片狀或碎粒狀，強度低。3206 工作面煤層硬度系數(shù)f ＝0.12～0.26，平均0.18，為典型軟煤層，因煤層單向抗壓強度小，對煤幫處頂板支撐能力較低，且煤層縱橫節(jié)理均較發(fā)育，造成工作面煤層極易片幫，片幫深度最大達3m，給工作面機道頂板維護帶來較大困難，極易發(fā)生架前頂板漏冒。

（6）異常區(qū)頂?shù)装宀煌暾?，原生裂隙發(fā)育易破碎。3206、3402 工作面所處異常區(qū)內(nèi)頂板多為雜質(zhì)泥巖，非常干燥破碎，且厚度達5.5m，極易冒落。

3 煤層異常區(qū)對生產(chǎn)的影響

（1）影響工作面頂板和煤壁支護管理和安全。異常區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，局部傾角變大；煤層變?yōu)樗绍洏?gòu)造煤，單向抗壓強度小，工作面煤層極易片幫；頂板裂隙發(fā)育，極易發(fā)生頂板漏冒；且工作面頂?shù)装鍨閺姸鹊偷哪鄮r；巖層傾角大（最大45°），對生產(chǎn)造成嚴重影響，這是3206、3402 工作面生產(chǎn)被動的主要原因。

（2）影響煤質(zhì)。由于異常區(qū)煤層變薄，構(gòu)造復(fù)雜，工作面全巖、半煤巖段長，造成煤質(zhì)灰分增加。

（3）降低回采率。煤層厚度的變化，常造成工作面中的面積損失和厚度損失，降低了煤層的回采率。

（4）掘進率增高。由于煤層異常區(qū)范圍很難準(zhǔn)確探查確定，異常區(qū)煤層變薄或形成無煤帶，對工作面布置影響較大，只能邊掘邊探，邊探邊掘，局部無煤帶勢必造成廢巷，使掘進率增高。

4 異常區(qū)形成類型分析

煤層厚度發(fā)生變化的主要原因有：地殼的不均衡沉降、泥炭沼澤基底不平、河流沖蝕、卡斯特陷落或巖漿侵蝕、構(gòu)造擠壓等。比較常見的是前四種原因，構(gòu)造擠壓一般發(fā)生在大構(gòu)造受力范圍，影響范圍較小。根據(jù)陳蠻莊3206、3402 等地點實際揭露異常區(qū)資料分析，陳蠻莊煤礦異常區(qū)范圍沒有發(fā)現(xiàn)明顯沉積巖相變化特征，因此，可以排除以上前四種煤層異常原因，而實際揭露異常區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，存在構(gòu)造面、構(gòu)造煤、裂隙發(fā)育頂?shù)装宓痊F(xiàn)象，可以判定陳蠻莊煤礦異常區(qū)為典型構(gòu)造擠壓原因形成。其形成原因分析如下：

4.1 異常區(qū)形成原因分析

陳蠻莊井田區(qū)域上位于由展布方向大致分為EW、NE、NW和SN 向4 組張性斷裂控制的潛凸起與潛凹陷相間的構(gòu)造格架內(nèi)。井田位于菏澤-兗州隆起（潛）（Ⅳ）的青崮集凸起（潛）北側(cè)單縣斷層以南，井田四周大斷層構(gòu)造發(fā)育，在地質(zhì)歷史中，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運動十分強烈，煤層異常區(qū)的形成與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力密切相關(guān)，準(zhǔn)確的說是在大構(gòu)造形成時強大地質(zhì)應(yīng)力形成的順煤層擠壓力作用下形成的。異常區(qū)以順煤層斷層、微褶曲、煤厚變化、構(gòu)造煤、頂?shù)装迤扑榈忍卣黠@現(xiàn)。之所以順煤層發(fā)育，是因為3層煤煤層厚度大，煤的強度低，再加上頂?shù)装鍨槟鄮r，與老頂、老頂較堅硬巖石形成兩套力學(xué)性質(zhì)差異較大的界面，在構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用下，極易順煤層這個軟弱面發(fā)生褶曲、斷裂、滑動等地質(zhì)作用，形成異常區(qū)。

4.2 3402 工作面構(gòu)造異常區(qū)形成過程分析

（1）工作面煤層在受到外力擠壓的過程中，首先會發(fā)生隆起，而隨著隆起的不斷增大，巖層發(fā)生斷裂。

（2）煤層在斷裂后，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，斷裂盤發(fā)生主動位移。

（3）由于斷裂處位移大小的不同，同時煤層在上部巖石的壓力作用下，煤層發(fā)生重力擠壓滑動。斷裂盤上部煤層變薄甚至尖滅，下部煤層逐漸聚集，形成“煤包”。[3]

5 主要結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

（1）陳蠻莊煤礦異常區(qū)是在大構(gòu)造形成時強大地質(zhì)應(yīng)力形成順煤層擠壓力作用下形成的，為典型構(gòu)造擠壓原因形成。

（2）陳蠻莊礦異常區(qū)分布數(shù)量多，范圍大，異常區(qū)將成為影響該礦生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。陳蠻莊礦異常區(qū)分布數(shù)量多，范圍大。開拓區(qū)三維地震確定了14個異常區(qū),其中工業(yè)廣場煤柱以西開拓區(qū)7個，其中1號、6號影響范圍最大。且工作面內(nèi)隱伏異常區(qū)較多。因此，異常區(qū)將成為影響陳蠻莊礦生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。

（3）3404 軌道順槽揭露“疑似陷落柱”范圍實質(zhì)是三維地震6號異常區(qū)。

5.2 建議

（1）一是加強異常區(qū)的研究；二是采用巷探、鉆探、井下曹波地震、坑透等方法進一步探明異常區(qū)范圍；三是從工作面布置、采煤工藝等方面研究技術(shù)措施。

（2）加強工作面回采后巖移觀測和資料整理，為修改井筒煤柱線做前期地測工作

（3）加強露頭煤提高上限研究，對3100 采區(qū)要適時變更井田邊界。

（4）加強頂板三砂水、底板三灰水的探查和防治研究。