許廠煤礦地質(zhì)構(gòu)造特征及其演化

邵小朋， 徐旭東， 南瑩浩

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

礦井地質(zhì)構(gòu)造是影響煤礦安全生產(chǎn)的首要地質(zhì)因素。主要包括斷層、褶皺、陷落柱等[1]。礦井地質(zhì)構(gòu)造一方面控制著煤層的埋深、厚度及其賦存狀態(tài)；另一方面還影響著井田劃分、開(kāi)拓方式選擇、采區(qū)工作面布置及礦井開(kāi)采安全等[2]。隨著煤礦機(jī)械化生產(chǎn)程度的提高，對(duì)礦井地質(zhì)構(gòu)造控制的要求也越來(lái)越高。

許廠煤礦1998年下半年建成投產(chǎn)，井田的東西寬約6 km，南北長(zhǎng)約10 km， 井田面積約為56.3 km2。許廠煤礦隸屬于山東省濟(jì)寧煤田的東北部分，賦煤區(qū)劃分為魯西南區(qū)，為全隱蔽式煤田，含煤巖系為石炭-二疊紀(jì)。

1 區(qū)域構(gòu)造特征

許廠煤礦位于濟(jì)寧煤田的東北部，區(qū)域大地構(gòu)造位置屬華北陸塊、魯西隆起、魯西南潛隆起區(qū)、菏澤～兗州潛斷隆、濟(jì)寧凹陷(潛)。

濟(jì)寧煤田東起孫氏店斷層，西至嘉祥斷層，北起含煤地層露頭或二十里鋪斷層，南至鳧山斷層，南北長(zhǎng)約30 km，東西寬16～22 km。

濟(jì)寧煤田北部和南部分別為近東西向地塹構(gòu)造，北部為汶泗斷層與鄆城斷層所控制的汶上～寧陽(yáng)地塹構(gòu)造，南部為菏澤斷層、鳧山斷層與單縣斷層所控制的成武～魚(yú)臺(tái)地塹構(gòu)造，如圖1。地塹構(gòu)造均呈東西向延展，橫貫濟(jì)寧煤田北側(cè)和南側(cè)。煤田東部為磁陽(yáng)背斜、兗州向斜、滕縣背斜構(gòu)成的北東向褶曲；西部為北北東向的巨野向斜。

圖1 濟(jì)寧煤田區(qū)域構(gòu)造示意圖

2 井田構(gòu)造特征

2.1 褶皺

許廠煤礦內(nèi)褶皺發(fā)育主要?jiǎng)澐譃閮山M，其中一組發(fā)育為北東向褶皺構(gòu)造[3-4]。另一組為北西向褶皺構(gòu)造，褶皺中主要以北東方向一組褶皺為主要褶曲，這組褶皺伸展距離較長(zhǎng)，使它成為區(qū)內(nèi)主要褶曲構(gòu)造，北東向褶皺控制著礦區(qū)的構(gòu)造發(fā)育及其形態(tài)特征。礦井的西部、北部主要發(fā)育北西向褶皺構(gòu)造，構(gòu)造屬次一級(jí)褶曲。北西向褶曲延展距離較短，使得其對(duì)礦井的構(gòu)造發(fā)育影響不大，但是在兩組褶曲交際的正向迭加處便形成高于周圍的軸壘現(xiàn)象，在負(fù)向迭加區(qū)域出現(xiàn)較深的軸陷的現(xiàn)象，位于次一級(jí)兩組褶皺的正向與負(fù)向迭加交織處地段的地層產(chǎn)狀出現(xiàn)劇烈變化現(xiàn)象。

2.2 斷層

許廠井田勘探和生產(chǎn)期間共查出斷層837條，絕大數(shù)以正斷層為主占98.57%，區(qū)內(nèi)以中小型斷層發(fā)育為主[5-6]。具體情況見(jiàn)表1斷層規(guī)模統(tǒng)計(jì)表。

表1 斷層規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

井田范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，按不同的發(fā)育規(guī)模分為落差20 m以上的斷層35條，全為正斷層；落差在10～20 m的斷層39條且全為正斷層；落差小于10 m的斷層763條，絕大多數(shù)為正斷層占98.42%。為了找出斷層走向的發(fā)育規(guī)律，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法，分別繪制落差H≧10 m、H<10 m的斷層走向玫瑰花圖，如圖2、3所示，從圖中可以看出，斷層主要發(fā)育方向以北東向、近南北向和北西向?yàn)橹?；礦井內(nèi)斷層不論在方向上還是在形成時(shí)間、形成次序上均與區(qū)域斷裂一致，具有區(qū)域斷裂的特點(diǎn)，燕山運(yùn)動(dòng)第一幕在區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了北東向斷層組，主要分布于礦井北部及東北部，燕山運(yùn)動(dòng)第二幕產(chǎn)生了北東向的西傾正斷層，燕山運(yùn)動(dòng)第三幕使上述斷層復(fù)活，并受到改造，使近南北向的大斷層在局部塊斷內(nèi)向北西方向偏轉(zhuǎn)，形成S形扭曲，在扭曲部位派生出北西向的次一級(jí)斷層，與主斷層多呈“×”形相交或切割前期斷層。

圖2 許廠煤礦H≧10 m斷層走向玫瑰花圖

圖3 許廠煤礦H<10 m斷層走向玫瑰花圖

3 礦井構(gòu)造演化

華北板塊經(jīng)歷了多個(gè)時(shí)期不同階段的構(gòu)造演化，對(duì)聚煤盆地產(chǎn)生不同程度的改造作用，許廠煤礦的構(gòu)造演化與華北板塊在三個(gè)不同板塊之間的夾持有關(guān)系，隨著板塊運(yùn)動(dòng)，興蒙洋逐漸消亡，太平洋板塊和華北板塊相接但并不穩(wěn)定沒(méi)有固接。在西伯利亞與華北板塊交界處，形成固定板塊；因?yàn)橛《劝鍓K不斷的活動(dòng)，邊界處活動(dòng)劇烈，產(chǎn)生造山運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在兩個(gè)活動(dòng)邊界的擠壓運(yùn)動(dòng)下，西伯利亞板塊、太平洋板塊和華北板塊應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生改變，破壞了原有應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)換。隨著不斷的大陸漂移運(yùn)動(dòng)，來(lái)自太平洋板塊的應(yīng)力逐漸加強(qiáng)，逐漸占據(jù)主應(yīng)力位置，華北板塊就長(zhǎng)期處于北東-南西向擠壓應(yīng)力的狀態(tài)下。因?yàn)橹鲬?yīng)力改變，應(yīng)力場(chǎng)也隨之發(fā)生變化，使大陸地殼發(fā)生了多次變形，構(gòu)造形式也發(fā)生多種不同的組合形態(tài)，此時(shí)兩邊板塊產(chǎn)生的應(yīng)力，在平行板塊接觸處產(chǎn)生了剪切作用。此時(shí)華北板塊陸殼內(nèi)部產(chǎn)生多條剪切性質(zhì)的主干斷裂，主要方向?yàn)闁|西向、北北東、北東等。

3.1 印支期區(qū)域演化

因?yàn)閾P(yáng)子板塊與華北板塊擠壓碰撞導(dǎo)致大別山隆起，產(chǎn)生南北向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)[7-8]。在板塊運(yùn)動(dòng)下，礦井中發(fā)育了規(guī)模較大的東西向褶皺構(gòu)造單元，北東向褶曲主要有兗州向斜、磁陽(yáng)背斜和滕縣背斜及西部區(qū)域北北東向的巨野向斜。印支期形成了褶皺雛形，板塊進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，華北板塊南北邊界擠壓應(yīng)力逐漸減弱同時(shí)太平洋板塊東部俯沖應(yīng)力逐漸加強(qiáng)，來(lái)自東西向的擠壓應(yīng)力逐漸加強(qiáng)，發(fā)育出不同層次的逆沖構(gòu)造。復(fù)式背斜、向斜的軸向基本都為北東向。如濟(jì)寧背斜及小屯向斜東部，由于南東向的壓力逐漸增大，南北向的擠壓力逐漸減小從而形成褶皺。早期形成的NWW斷裂構(gòu)造則發(fā)生明顯的左行走滑現(xiàn)象，如小屯支斷層，孫氏店支2斷層等；印支早期發(fā)育的NE向斷裂構(gòu)造則出現(xiàn)明顯的右行走滑現(xiàn)象，如孫氏店支2-2斷層等；如圖4所示。

3.2 燕山早期

燕山早期，板塊運(yùn)動(dòng)加劇以及應(yīng)力作用，晚期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使塊體內(nèi)部形成NW向正斷層發(fā)育較好且分布在整個(gè)礦區(qū)。同時(shí)這個(gè)時(shí)期形成的NW向斷層大部分為中小型斷層，整個(gè)礦區(qū)斷裂構(gòu)造組合形式結(jié)合華北區(qū)域構(gòu)造演化背景可以發(fā)現(xiàn)有些斷層是燕山早期形成的，如黃橋斷層，陳廠斷層，DF98，DF30等；如圖5所示。

3.3 燕山晚期

燕山晚期，因?yàn)榍貛X構(gòu)造帶與郯廬大斷裂發(fā)生劇烈左旋滑動(dòng)，兩者共同作用導(dǎo)致許廠礦區(qū)北部邊界八里鋪斷層的發(fā)育，F(xiàn)21、F19的斷裂活動(dòng)產(chǎn)生了劇烈的左旋向剪切運(yùn)動(dòng)，許廠煤礦東北方向的濟(jì)寧背斜、A1-3向斜都受到左旋剪切應(yīng)力影響。壓剪應(yīng)力進(jìn)一步加強(qiáng)，致使礦區(qū)發(fā)育了一些北東，南西和北西西向的正斷層，由于擠壓剪切應(yīng)力進(jìn)一步作用，導(dǎo)致許廠濟(jì)寧背斜軸部向北北西向發(fā)育，同時(shí)北西西向褶曲進(jìn)一步發(fā)育出盧營(yíng)北向斜等。

圖4 華北板塊印支期構(gòu)造示意圖

圖5 華北板塊燕山早期構(gòu)造示意圖

3.4 喜山早期及晚期

許廠礦區(qū)由于受到喜山早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)育DF38，DF72，DF75等一系列規(guī)模較小的正斷層。礦區(qū)北部和南部的八里鋪斷層及孫氏店斷層逐漸復(fù)活，這個(gè)時(shí)期的運(yùn)動(dòng)直接導(dǎo)致許廠礦區(qū)北部和南部邊界出現(xiàn)地形地貌的巨大差異。由于喜山晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步作用，南北向擠壓應(yīng)力促使東西向正斷層的發(fā)育。

喜山后期新構(gòu)造時(shí)期，對(duì)許廠礦區(qū)褶曲構(gòu)造影響不大，斷裂活動(dòng)影響較大，主要表現(xiàn)為前期斷裂進(jìn)一步延伸發(fā)育，如孫氏店斷層的延伸，八里鋪斷層的延伸。

4 結(jié)論

(1) 許廠井田內(nèi)斷層構(gòu)造比較發(fā)育，主要以北東向、近南北向和北西向?yàn)橹鳎^大多數(shù)為正斷層。井田沿走向和傾向均發(fā)育寬緩褶皺，局部受到向斜、背斜的迭加影響；井田地質(zhì)構(gòu)造屬于中等類型。

(2) 許廠煤礦的地質(zhì)構(gòu)造演化主要經(jīng)歷了印支期、燕山期、喜山期。印支期發(fā)育出東西向褶曲，向斜構(gòu)造；燕山早期為北東，北西向斷層構(gòu)造；燕山晚期主要為八里鋪斷層的發(fā)育；喜山早期發(fā)育一系列規(guī)模較小的正斷層；喜山晚期一些已形成斷層得到再次發(fā)育。

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