山西晉城礦區(qū)成莊井田構(gòu)造變形的定量與瓦斯賦存的關(guān)系

秦 超,曾 勇,劉金津,劉艷沙,陳鳳杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州221116)

山西晉城礦區(qū)成莊井田構(gòu)造變形的定量與瓦斯賦存的關(guān)系

秦 超,曾 勇,劉金津,劉艷沙,陳鳳杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州221116)

通過(guò)對(duì)山西晉城陽(yáng)城礦區(qū)成莊井田構(gòu)造變形的定量研究,根據(jù)構(gòu)造破壞性系數(shù)、剖面變形系數(shù)和平面變形系數(shù)引出構(gòu)造變形系數(shù),并繪制出煤層構(gòu)造變形區(qū)劃圖,顯示出西北部、西南部、東部的破壞程度依次減小,從而對(duì)于瓦斯的儲(chǔ)集和運(yùn)移的研究有所幫助。

構(gòu)造破壞性系數(shù);剖面變形系數(shù);平面變形系數(shù);構(gòu)造變形系數(shù);瓦斯;儲(chǔ)集;運(yùn)移;山西晉城

0 引 言

成莊井田位于山西省東南部晉城西北20km,跨沁水縣和晉城市,大部分地域?qū)贂x城市下村鄉(xiāng),西北部位于沁水縣鄭村鄉(xiāng)地域之內(nèi)。3號(hào)煤層位于山西組的下部,為主要可采煤層之一,厚度穩(wěn)定,頂?shù)装宥酁榉凵皫r,少數(shù)為泥巖。

不同類(lèi)型的地質(zhì)構(gòu)造在其形成過(guò)程中由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的不同,導(dǎo)致煤層及其蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育和地下水徑流條件出現(xiàn)差異,從而影響煤層瓦斯的保存。筆者把構(gòu)造變形量化,從而較準(zhǔn)確地把握瓦斯的賦存規(guī)律。

1 煤田構(gòu)造特征

成莊井田位于太行山復(fù)背斜西翼,為陽(yáng)城山字型構(gòu)造體系脊柱南端東側(cè)及馬蹄形盾地北側(cè)與新華夏系構(gòu)造體系的復(fù)合部位,總體構(gòu)造面貌表現(xiàn)為走向NNE(北部區(qū))—NE(南部區(qū))、傾向北西的單斜構(gòu)造,地層傾角3°～15°,一般在10°以內(nèi)。

1.1 褶曲

區(qū)內(nèi)褶曲較為發(fā)育,多為幅度不大,兩翼平緩開(kāi)闊的背斜、向斜。按軸向可分為NNE、NNW、N45°～60°W、NNE和N25°～35°W等6組褶曲。

1.2 斷層

井田內(nèi)斷層根據(jù)勘探報(bào)告共見(jiàn)20條,其走向長(zhǎng)度除F6、F7、F9在500m以上外,多數(shù)均小于300m,最大落差未超過(guò)30m(圖1)。

圖1 成莊井田構(gòu)造綱要圖

2 斷層與褶曲分析

按它們的走向方位經(jīng)統(tǒng)計(jì)后作出了斷層走向玫瑰花圖(圖2)和褶曲軸向玫瑰花圖(圖3)。從兩圖中可以看出,斷層組走向可以明顯地劃分出2組,即以NE—S W向?yàn)橹鞯?組和以NW—SE向?yàn)檩o的1組。褶曲組軸向也可以劃分為2組,即以NW—SE向?yàn)橹鞯?組和以NE—S W為輔的1組。從圖3可以看出,本區(qū)主應(yīng)力來(lái)自NE—S W方向。圖2雖是以NE—S W向?yàn)橹?但由于均為正斷層,表明其拉伸方向?yàn)镹W和SE向,所以受擠壓應(yīng)力仍是以NE—S W向?yàn)橹?這個(gè)結(jié)論與煤層走向所分析的主應(yīng)力方向一致。由于全區(qū)發(fā)育正斷層,對(duì)于煤層甲烷賦存的影響類(lèi)似,所以對(duì)分析研究本區(qū)煤層甲烷相對(duì)賦存規(guī)律而言,斷層性質(zhì)可以不考慮。

圖2 成莊井田斷層走向玫瑰花圖

圖3 成莊井田褶曲軸向玫瑰花圖

2.1 煤層斷裂破壞指數(shù)(Kg)

斷層對(duì)煤層的破壞程度,直接影響到煤層甲烷的賦存條件。煤層斷裂破壞指數(shù)是定量評(píng)價(jià)煤層被斷層破壞程度的一個(gè)指標(biāo),常用評(píng)價(jià)參數(shù)是斷層數(shù)量和斷層總長(zhǎng)度,計(jì)算公式采用前蘇聯(lián)學(xué)者格佐夫斯基于1975年所總結(jié)的公式:

Kg=0.01e×2.8C·(LV+2max-LV+2min)/ (V+2)(1)式(1)中,e≈2.718 28…;Lmax為區(qū)段內(nèi)斷層在某個(gè)長(zhǎng)度等級(jí)中的最大長(zhǎng)度(m);Lmin為區(qū)段內(nèi)斷層在某個(gè)長(zhǎng)度等級(jí)中的最小長(zhǎng)度(m);△為按斷層的長(zhǎng)度在該區(qū)段內(nèi)的等級(jí)間隔。

V,C為破壞性指數(shù)。按公式lgN=V·lgL+C求得。N為區(qū)段內(nèi)某個(gè)長(zhǎng)度等級(jí)內(nèi)斷層的數(shù)量,L為區(qū)段內(nèi)斷層在某個(gè)長(zhǎng)度等級(jí)內(nèi)的斷層平均長(zhǎng)度(m)。

根據(jù)成莊井田斷層分布情況,將全區(qū)分為6個(gè)區(qū)段。經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)得出各區(qū)段斷層破壞性系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表(表1)。

破壞性系數(shù)的確定:在以lgN為縱坐標(biāo)、lgL為橫坐標(biāo)的直角坐標(biāo)中,分別將每一區(qū)段內(nèi)長(zhǎng)度等級(jí)出現(xiàn)的頻率點(diǎn)投在坐標(biāo)中,得到合適公式lgN=V· lgL+C的直線,求出該直線與橫坐標(biāo)正向夾角β,利用公式V=tgβ求出系數(shù)V;而C直接從縱坐標(biāo)與直線的交點(diǎn)上量取。

利用以上求得的數(shù)值,計(jì)算出破壞性指數(shù)Kg(表2)。

表1 成莊井田3號(hào)煤層斷層破壞性系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

表2 成莊井田斷層對(duì)3號(hào)爆層破壞性指數(shù)計(jì)算表

從表2明顯看出,成莊井田斷層對(duì)3號(hào)煤層的破壞性程度可以分成以下4類(lèi)。

A類(lèi):為破壞程度較強(qiáng)類(lèi)型,包括第Ⅰ區(qū)段,位于井田的西北部。區(qū)段內(nèi)分布有9條斷層,破壞性指數(shù)平均達(dá)到5.286 2。

B類(lèi):為破壞程度中等類(lèi)型,包括第Ⅱ區(qū)段,位于井田的西南部。區(qū)段內(nèi)分布有7條斷層,破壞性指數(shù)平均為1.468 6。

C類(lèi):為破壞程度較弱類(lèi)型,包括第Ⅲ區(qū)段,位于井田的東北部。區(qū)段內(nèi)分布有4條斷層,破壞性指數(shù)平均為0.004 7。

D類(lèi):為破壞程度極弱類(lèi)型,包括第Ⅳ區(qū)段,位于井田的東南部。在此區(qū)段內(nèi),在精查和精查(補(bǔ)充)勘探中未發(fā)現(xiàn)較大斷層。

2.2 褶皺構(gòu)造變形系數(shù)

變形系數(shù)是表示褶皺構(gòu)造變形程度的定量指標(biāo),它是以定量表述層狀巖層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生褶皺變形的程度。按測(cè)量空間的劃分,變形系數(shù)可分為剖面變形系數(shù)(Kn)和平面變形系數(shù)(Kp),其值越大,構(gòu)造變形越強(qiáng)。

Kn=(L-Lo)/Lo(Kn≥0)(2)式(2)中,L為剖面上某一層面向兩端點(diǎn)間的實(shí)際長(zhǎng)度(m);Lo為該層面兩端點(diǎn)間的水平投影長(zhǎng)度(m)。

Kp=h·L1/L·L2(3)式(3)中,L為計(jì)算單元中心處兩條等高線的平距(m);L1為靠近計(jì)算單元中心的等高線在單元內(nèi)的實(shí)際長(zhǎng)度(m);L2為靠近計(jì)算單元中心的等高線在單元內(nèi)的割線長(zhǎng)度(m)。

2.2.1 剖面變形系數(shù)(Kn) 根據(jù)成莊井田3號(hào)煤層埋深在剖面圖上的標(biāo)高,利用勘探線剖面圖,采用分段滑動(dòng)平均取值法,確定了6個(gè)計(jì)算區(qū)段,分別進(jìn)行各參數(shù)值的計(jì)算。由計(jì)算結(jié)果可知,Kn的最小值為0.001 5,最大值0.041,一般均在0.003 0～0.012之間。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,可繪制出Kn等值線圖。

2.2.2 平面變形系數(shù)(Kp) 為了計(jì)算平面系數(shù),在成莊井田范圍內(nèi),按坐標(biāo)線方向共劃分255網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1 000m,作為計(jì)算平面變成系數(shù)的網(wǎng)格單元。采用滑動(dòng)窗口法,以任一網(wǎng)格焦點(diǎn)周?chē)?個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)計(jì)算單元,以此計(jì)算出每一個(gè)單元中的Kp值,將計(jì)算結(jié)果置于單元中心的網(wǎng)格交叉點(diǎn)上。由于相鄰計(jì)算單元互相覆蓋了50%的面積,計(jì)算時(shí)逐格移動(dòng),故稱之為滑動(dòng)窗口法。

由這種方法可知,平面變形系數(shù)相對(duì)較高值位于井田西部中段地區(qū),相對(duì)較低值位于井田西北、東北及西南部地區(qū)。

3 構(gòu)造變形綜合定量分析

根據(jù)以上對(duì)構(gòu)造破壞性指數(shù)(Kg)、剖面變形系數(shù)(Kn)和平面變形系數(shù)(Kp)的研究結(jié)果,對(duì)成莊井田3號(hào)煤層構(gòu)造變形進(jìn)行綜合定量分析。采用上述定量參數(shù),利用平面變形系數(shù)的網(wǎng)格單元進(jìn)行構(gòu)造變形綜合指數(shù)(CTI)的計(jì)算,CTI的值越大,構(gòu)造變動(dòng)越大,則煤層構(gòu)造變形也越大。CTI計(jì)算公式為:

式(4)中,Q為個(gè)參數(shù)的相對(duì)權(quán)重。

根據(jù)CTI值的計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)它們的變化范圍非常大,且呈階梯式躍變,大致可分出3個(gè)臺(tái)階,即大于170%者占全部計(jì)算數(shù)值的27%;20%～60%之間的占25%;小于5%者占48%,為此將成莊井田劃分出3種構(gòu)造變形類(lèi)型(表3)。同時(shí)繪制3號(hào)煤層構(gòu)造變形區(qū)劃圖(圖4)。

表3 3號(hào)煤層構(gòu)造變形類(lèi)型劃分表

圖4 成莊井田3號(hào)煤層構(gòu)造變形區(qū)劃圖

對(duì)研究區(qū)內(nèi)3號(hào)煤層構(gòu)造變形分析,引入了構(gòu)造變形綜合指數(shù)(CTI),從而得到煤層破壞程度強(qiáng)弱的分布情況,對(duì)于煤層甲烷的儲(chǔ)集和運(yùn)移的研究有所幫助。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)山西晉城陽(yáng)城礦區(qū)成莊井田構(gòu)造變形的定量研究,可得出以下結(jié)論。

①本區(qū)均為正斷層,根據(jù)斷層和褶皺發(fā)育程度,可推斷出構(gòu)造主應(yīng)力來(lái)自NE—S W方向。

②根據(jù)構(gòu)造破壞性系數(shù)(Kg)得出,西北部、西南部、東北部和東南部破壞程度依次減小。

③根據(jù)剖面變形系數(shù)(Kn)得出,變形程度相對(duì)較大的地段位于井田西部。

④根據(jù)平面變形系數(shù)(Kp)得出,變形程度相對(duì)較大的地段位于井田西部中段地區(qū),其他地段相對(duì)較低。

⑤根據(jù)Kg、Kn和Kp引出構(gòu)造變形系數(shù)(CTI),并繪制出煤層構(gòu)造變形區(qū)劃圖,顯示出西北部、西南部、東部的破壞程度依次減小。另一方面,由于構(gòu)造破壞區(qū)多為應(yīng)力集中區(qū),所以,在斷層通道被阻或者某些局部地段也會(huì)出現(xiàn)瓦斯富集帶,生產(chǎn)中應(yīng)注意防范。

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Relationship between quantitative tectonic deformation and gas occurrence in ChengzhuangMine, Jincheng Coalfield of Shanxi Province

QIN Chao,ZENG Yong,L IU Jin-jin,L IU Yan-sha,CHEN Feng-jie
(College of Resources and Earth Sciences,China University ofMining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu)

Through quantitative study of tectonic deformation in ChengzhuangMine,Jincheng Coalfield in Shanxi Province,and based on the construction destructive coefficient,profile deformation coefficient and plane deformation coefficient,the structural deformation coefficientwas educed,and the coal seam deformation zoning map was drawn,showing northwest,southwest,east of the destruction was reduced in degree in turn.And the above conclusionswere helpful to the study of gas collection and migration.

Destructive coefficient of structure;Profile deformation coefficient;Plane deformation coefficient;Tectonic deformation coefficient;Gas;Collection;Migration;Jincheng,Shanxi

book=3,ebook=142

P618.11

A

1674-3636(2010)03-0251-04

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.251

2010-03-26;編輯:陸李萍

秦超(1986—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榈V井瓦斯地質(zhì)和地層古生物.