預(yù)測培豐礦井小型斷層的方法及應(yīng)用

陳寶生

摘 要：文章根據(jù)培豐礦井地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)律及其成因，運(yùn)用構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)力學(xué)及數(shù)學(xué)地質(zhì)的理論，闡述了預(yù)測影響培豐礦井生產(chǎn)的小型斷層的方法，并對礦井下水平新采區(qū)的小型斷層的發(fā)育特征進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：培豐礦井；小型斷層；預(yù)測方法；應(yīng)用

中圖分類號：TD163.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-8937（2013）18-0159-02

培豐礦井是福建煤電股份有限公司的一對骨干礦井，在多年來的礦井建設(shè)、生產(chǎn)中，深受小型斷層的影響，它不僅成為礦井設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中必須考慮的重要因素，而且又與巖漿活動(dòng)、礦井突水、瓦斯的賦存與運(yùn)移、煤層的賦存與煤層厚度變化有著極為密切的關(guān)系。因此，培豐煤礦對小型斷層的研究一直是礦井地質(zhì)工作者關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，對小型斷層問題處理的準(zhǔn)確與否，直接影響煤礦經(jīng)濟(jì)效益。

1 培豐礦井小型斷層對采掘生產(chǎn)的影響

培豐礦井的斷層與其規(guī)模不同，分為大、中、小型三種類型：大中型斷層在培豐礦區(qū)勘查時(shí)已查明，在礦井設(shè)計(jì)時(shí)已作為劃分培豐礦井各采區(qū)的邊界。而小型斷層在現(xiàn)有0～-150 m生產(chǎn)區(qū)段特別發(fā)育，在原地質(zhì)勘查和上水平生產(chǎn)時(shí)又難以對其發(fā)現(xiàn)和查明，主要是在目前的采掘生產(chǎn)中揭露。因此，礦井小型斷層的預(yù)測、研究和處理，一直是培豐礦井的重頭戲。

隨著礦井開采水平的不斷延深和目前煤炭銷售價(jià)格走低的形勢，對礦井地質(zhì)工作提出了更高的要求，探索礦井小型斷層（落差≤15 m）的發(fā)育規(guī)律，進(jìn)而不斷提高對小型斷層的預(yù)測水平，對于選擇合理的開拓方式和采煤方法，確保煤礦安全生產(chǎn)、降低噸煤生產(chǎn)成本和提高煤礦生產(chǎn)效益等方面都具有重要意義。

培豐礦井中發(fā)育的小型斷層與采掘生產(chǎn)的關(guān)系極為密切，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①井巷工程和回采工作面的設(shè)計(jì)、布置必須首先查明某些斷層的位置、產(chǎn)狀、落差及可能變化和延伸長度，而礦井目前主要解決辦法借助于巷探手段，不僅消耗大量人力、物力和財(cái)力，而且提高了噸煤成本。

②斷層的發(fā)育程度與煤礦安全有著密切關(guān)系，在斷層影響帶內(nèi)，煤體原生結(jié)構(gòu)遭受不同程度的破壞，煤層頂、底板穩(wěn)定性也明顯變差，當(dāng)采掘工程遇到斷層時(shí)，往往出現(xiàn)涌水、冒頂、片幫等災(zāi)害及事故。有效地避免事故的發(fā)生和減少事故所造成的損失，最重要的是加強(qiáng)對斷層的遇見性。因此，加強(qiáng)對礦井小型斷層的預(yù)測是礦井地質(zhì)工作中亟待解決的課題之一，搞好此項(xiàng)研究，對于減少礦井采掘設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的盲目性，合理選擇開采方式，確保安全生產(chǎn)，有針對性地采取防護(hù)措施，降低巷探工作量，對工作面內(nèi)隱伏斷層采取提前處理，以保證生產(chǎn)持續(xù)、正常進(jìn)行，降低噸煤生產(chǎn)成本，都是至關(guān)重要的。

2 預(yù)測研究培豐礦井小型斷層的方法

培豐礦井的構(gòu)造形跡是客觀存在的，礦井地質(zhì)工作者對其認(rèn)識(shí)經(jīng)歷著從大到小、由淺入深、從已知到未知、從基本構(gòu)造形態(tài)到局部變化、從它們的力學(xué)性質(zhì)相互關(guān)系、空間配置尋找其生成、發(fā)展、變化的規(guī)律，在以此規(guī)律指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐并經(jīng)受檢驗(yàn)，使認(rèn)識(shí)更加符合客觀實(shí)際。

預(yù)測研究培豐礦井小型斷層主要是通過對已查明或揭露的構(gòu)造進(jìn)行深入地研究，不斷提高對礦井構(gòu)造發(fā)育總體規(guī)律的認(rèn)識(shí)，從而提高預(yù)測培豐礦井小型斷層的能力，有效地為礦井采掘服務(wù)。預(yù)測方法歸納起來主要有三大類，即地質(zhì)學(xué)方法、數(shù)學(xué)地質(zhì)法和儀器探測法。

2.1 地質(zhì)學(xué)方法

包括構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及地質(zhì)力學(xué)方法，斷層影響帶研究法和幾何學(xué)方法。

2.1.1 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及地質(zhì)力學(xué)方法

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及地質(zhì)力學(xué)方法是進(jìn)行礦井總體構(gòu)造規(guī)律預(yù)測的基本方法，在了解礦區(qū)所處大地構(gòu)造位置、邊界條件基礎(chǔ)上，對礦區(qū)總體構(gòu)造輪廓和礦井在礦區(qū)所處的位置，礦井的主體構(gòu)造的力學(xué)性質(zhì)、延展方向、產(chǎn)狀變化及有關(guān)構(gòu)造要素的變化特點(diǎn)，弄清礦井基本構(gòu)造格架成因和空間分布上的聯(lián)系，探究區(qū)域應(yīng)力場和局部應(yīng)力場的作用方式和變化，得出對礦井構(gòu)造發(fā)育規(guī)律的初步認(rèn)識(shí)，從而定性預(yù)測主體構(gòu)造旁側(cè)低序次構(gòu)造的位置，產(chǎn)狀及有關(guān)構(gòu)造要素。一般來說，同序次、同方位、相近規(guī)模的構(gòu)造多具有等距性分布的規(guī)律，據(jù)此可半定量預(yù)測它們存在的位置。

2.1.2 斷層影響帶研究法

斷層影響帶研究法適用于對巷道或工作面前方小型斷層的預(yù)測，利用斷層影響帶內(nèi)相關(guān)褶皺或相關(guān)斷裂帶和煤體強(qiáng)度降低帶的寬度與斷層落差存在一定函數(shù)關(guān)系原理，通過對井田內(nèi)大量斷層影響帶的觀察及有關(guān)參數(shù)的測量，進(jìn)而確定出表達(dá)上述函數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，用來預(yù)測小斷層的位置、產(chǎn)狀和落差。

2.1.3 幾何學(xué)方法

幾何學(xué)方法主要適用于采區(qū)和回采工作面內(nèi)小型斷層的預(yù)測。通過幾何作圖法對已揭露或個(gè)別尚未揭露充分的斷層在相鄰未開拓區(qū)的延伸和空間變化，達(dá)到預(yù)測未采掘區(qū)的斷層存在位置及其要素。

2.2 數(shù)學(xué)地質(zhì)方法

主要是用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對礦井小型斷層進(jìn)行半定量或定量預(yù)測。

為適應(yīng)礦井采掘生產(chǎn)對地質(zhì)研究程度的要求，培豐煤礦已把預(yù)測礦井小型斷層工作納入礦井地質(zhì)日常工作，在一些方面已取得了進(jìn)展，如根據(jù)地質(zhì)理論對礦井0 m水平以上已采區(qū)揭露的小型斷層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探尋礦井?dāng)鄬涌傮w發(fā)育規(guī)律，再以此規(guī)律定性預(yù)測0 m水平以下正開采和未開采區(qū)小型斷層的相對密度，展布方向和延展長度。在采區(qū)和工作面，利用相鄰已采工作面巷道的相關(guān)參數(shù)，采用幾何作圖法預(yù)測工作面內(nèi)和巷道前方小型斷層的位置、產(chǎn)狀及構(gòu)造要素。

2.3 儀器探測法

當(dāng)前培豐煤礦主要應(yīng)用直流電法儀對井下斷層構(gòu)造進(jìn)行探測，通過與地質(zhì)方法相結(jié)合，已總結(jié)出一套探測資料的解釋方法，能探測出一些工作面前方及下部斷層。

3 預(yù)測培豐礦井小型斷層方法的應(yīng)用

通過對培豐礦井-150 m水平以上塊段的小型斷層的規(guī)律性研究，應(yīng)用礦井小型斷層的預(yù)測方法對其-150 m水平以下新采區(qū)的小型斷層的發(fā)育特征進(jìn)行預(yù)測。

3.1 礦井構(gòu)造發(fā)育的總體規(guī)律

培豐礦區(qū)位于廣平—龍巖復(fù)式向斜西南部，龍巖復(fù)式背斜西翼。礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)主要受晚三疊世以后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其相應(yīng)的巖漿侵入活動(dòng)的影響而形成。受不同力學(xué)性質(zhì)的地質(zhì)應(yīng)力作用，井田形成了不同的構(gòu)造類型的兩個(gè)地質(zhì)體，即培豐向斜構(gòu)造和地表淺部的推覆構(gòu)造。

培豐向斜：軸向近南北，軸部在井田中部向西突出，總體表現(xiàn)為向北傾伏，南部仰起，在南北方向上褶曲樞紐具波狀起伏現(xiàn)象，西翼主要斷層為向東傾，走向近南北的高角度正斷層使煤系地層由西向東呈階梯狀下滑，在空間上造成地層缺失，且埋藏深度由西向東逐漸加深。向斜東翼由于受后期推覆構(gòu)造的影響，地層產(chǎn)狀復(fù)雜，并伴有倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，向斜軸部發(fā)育著數(shù)條走向北東—南西的橫斷層。

3.2 礦井內(nèi)小型斷層的發(fā)育特征

根據(jù)對井下揭露的小型斷層的統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)歸納分析，具有以下特征：

①受主體構(gòu)造的影響，在培豐向斜的軸部的應(yīng)力相對集中部位，小斷層發(fā)育。延七采區(qū)的中部正位于主體向斜南部的仰起端，使之除受到形成褶皺的擠壓力作用外，還受到垂向力的作用，并在褶皺仰起過程中產(chǎn)生局部張應(yīng)力，在這主體構(gòu)造應(yīng)力相對集中區(qū)的-70 m水平，250 m長的運(yùn)巷揭露的斷層大十余條之多。

②小型斷層的發(fā)育多與主干斷層有關(guān)，并且具有一定的分帶性。依小斷層的密度和走向可分為三個(gè)帶，即延七東斷層帶、延八向斜斷層帶、延五東斷層帶。這三個(gè)斷層帶與主干斷層關(guān)系密切，多為主干斷層的伴生或派生構(gòu)造，它們多與主干斷層平行或位于旁側(cè)，且俞接近主干斷層，小斷層密度愈大。

③以正斷層為主，次為逆斷層，落差小于1～10 m，延展長度從幾米到幾百米。正斷層一般落差越大，延伸越長。落差小的正斷層，斷層線較平直。正斷層傾角大多在30？觷以上，逆斷層傾角較平緩，斷層線多呈彎曲的弧狀，并有落差中間大，向兩端變小的特點(diǎn)。

3.3 培豐礦井-150 m水平以下采區(qū)小型斷層預(yù)測

培豐礦井-150 m水平以下采區(qū)的大、中型斷裂構(gòu)造鉆孔已基本控制，現(xiàn)依對已揭露的+150 m～-150 m水平延二、延三、延五和延七、延八采區(qū)等小型斷層的發(fā)育特征及影響因數(shù)探討，對-150 m水平以下采區(qū)有如下認(rèn)識(shí)：

①本礦井小型斷層的發(fā)育與主體向斜的部位有關(guān)，-150 m水平以下處于主體向斜的正常部位，主要受擠壓應(yīng)力作用，采區(qū)北部與南部相比，構(gòu)造應(yīng)力相對穩(wěn)定，加之主體向斜較寬緩，故采區(qū)北部小型斷層構(gòu)造比南部相對簡單。

②采區(qū)仍以SSW向的小型斷層發(fā)育為主，且作為主干斷層的伴生、派生和分支構(gòu)造，主要分布在F5斷層旁側(cè)及邊界斷層F31一帶及其交會(huì)帶。受主干斷層的影響，采區(qū)東部小型斷層的發(fā)育程度及影響范圍要比采區(qū)西部大。

③EW和NWW向的小型斷層在采區(qū)內(nèi)的發(fā)育程度相對較差。

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

①培豐礦井小型斷層發(fā)育的主要影響因素。其一，培豐向斜和推覆構(gòu)造是形成礦井主干構(gòu)造的直接原因。被礦井主干構(gòu)造分割限制而產(chǎn)生的局部構(gòu)造應(yīng)力場則是形成礦井小型斷層的主要?jiǎng)恿?。其二，不同煤層和同一煤層的不同采區(qū)小型斷層發(fā)育程度的差異，與煤層及其的頂?shù)椎膸r層厚度、巖性有密切關(guān)系。

②對礦井小型斷層的預(yù)測，不僅是必要的，而且是經(jīng)努力可以達(dá)到的。培豐礦井小型斷層不是孤立存在的，它們的賦存狀態(tài)、空間配置有一定內(nèi)在和外在聯(lián)系，因此必然存在著一定的規(guī)律性。只是在漫長的地質(zhì)歷史中，它們歷經(jīng)多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，變得更加復(fù)雜，增加了我們認(rèn)識(shí)它們之間相互聯(lián)系、規(guī)律和開展預(yù)測的復(fù)雜性和難度，但只要我們不斷積累這方面的實(shí)際資料和經(jīng)驗(yàn)，不斷研究和推廣檢驗(yàn)礦井小型斷層預(yù)測的新方法，一定會(huì)逐步取得預(yù)測小型斷層的突破性進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙明鵬.構(gòu)造解析法在礦井地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測中的應(yīng)用[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，（3）.