復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)找煤方法探討

黃盛維

（福建煤電股份有限公司龍?zhí)睹旱V 福建龍巖 364000）

0 引言

龍?zhí)睹旱V為了降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化采掘接續(xù)和延長礦井服務(wù)年限，需要加強(qiáng)對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造空白區(qū)域的找煤突破，提高生產(chǎn)效率。經(jīng)過對相關(guān)資料的綜合分析和深入研究，推斷認(rèn)為303 采區(qū)深部20#、23# 煤層具有可開發(fā)利用價值，且開發(fā)該區(qū)塊段可有效延長礦井的服務(wù)年限、支持資源的可持續(xù)發(fā)展和推動企業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)健發(fā)展。因此，對該塊段進(jìn)行資源再回收是一項必要的、前瞻的決策，可以實現(xiàn)資源更加高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的利用。

1 礦井開發(fā)現(xiàn)狀

龍?zhí)睹旱V位于福建省龍巖市永定區(qū)培豐鎮(zhèn)、龍?zhí)舵?zhèn)2 鎮(zhèn)交界處。礦井于1998 年10 月投產(chǎn)，設(shè)計產(chǎn)能為21 萬t/a，核定產(chǎn)能為30 萬t/a。龍?zhí)睹旱V布置有5 個井口，分別為+412 m主平硐、+416m 皮帶斜井、+516m 回風(fēng)平硐、+516m 抽風(fēng)井和+523m 排矸井。礦井開拓方式為平硐暗斜井、水平集中運(yùn)輸大巷、集中上山、階段石門，采煤方法為走向長壁（短壁）爆破落煤采煤法。302 采區(qū)及306 采區(qū)為目前正常生產(chǎn)采區(qū)，303采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，長期處于礦井找煤攻堅階段。經(jīng)技術(shù)論證，選擇有效找煤方法后，實現(xiàn)了龍?zhí)睹旱V303 采區(qū)生產(chǎn)規(guī)模9 萬t/a 的采區(qū)達(dá)產(chǎn)。

2 303采區(qū)地質(zhì)找煤方法實踐

2.1 303 采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

2.1.1 采區(qū)開采史

采區(qū)上部為延三采區(qū)，已于2011 年開采結(jié)束，最低開采標(biāo)高為+50m 水平，并有留設(shè)安全保安煤柱。303 采區(qū)為延三延伸采區(qū)，開采范圍為+50 m～-150 m 水平。采區(qū)在預(yù)想狀態(tài)設(shè)計資源儲量為55 萬t，服務(wù)年限為8 a。采區(qū)中部鉆孔深度只到+50m，且20#、23# 煤層的揭露情況不理想而未對其開采，對鉆深以下采區(qū)中部地質(zhì)資料不清，并未預(yù)測到F7斷層出現(xiàn)對整個采區(qū)可采煤層造成的影響。所以在實際生產(chǎn)過程中呈現(xiàn)構(gòu)造復(fù)雜，伴生眾多大小斷層，煤層賦存不穩(wěn)定，而未對西翼20#、23# 煤層進(jìn)行開發(fā)，導(dǎo)致采區(qū)工作面提前結(jié)束，該采區(qū)并在后期成為礦井排水系統(tǒng)的緩沖過度區(qū)［1］。因306 采區(qū)深部水平的開拓及通風(fēng)設(shè)計要求需要［2］，303 采區(qū)上部重新打開，并對遺留空白區(qū)作進(jìn)一步找煤規(guī)劃設(shè)計。

2.1.2 采區(qū)地層及特征

303 采區(qū)所處童子巖組第三段（P2t3），為1 套主要由陸相環(huán)境和海退作用交互形成的地層。該地層的巖性主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖以及煤層組成。該段地層含有大型動植物化石，其中煤層數(shù)量較為豐富，大小煤層超過30 層。童子巖組第三段地層可分為下、中、上3 個亞段，自下而上逐漸變化，各亞段具體特征見表1。本段地層是本煤礦中主要的含煤層段之一。

表1 童子巖組第三段各亞段特征

2.1.3 采區(qū)可采煤層主要特征

303 采區(qū)開采的主要煤層為童子巖組第三段的6#下、20#、23#、28# 局部可采不穩(wěn)定型煤層（Ⅲb 型）和29# 大部可采較穩(wěn)定型煤層（Ⅱ型）等5 層煤見表2。

表2 主要可采煤層特征

2.1.4 采區(qū)構(gòu)造及特征

303 采區(qū)呈單斜構(gòu)造，缺乏明顯的大型褶皺，傾向有區(qū)域性差異。東側(cè)的34 線傾向195°，西側(cè)則轉(zhuǎn)向235°，傾角為40°，整個區(qū)域沿傾向呈波狀起伏。采區(qū)內(nèi)主要存在F0、F1、F6和F9等斷層。F0、F1、F6和F4構(gòu)成1 組，傾向由南東轉(zhuǎn)向南西，自北西向南東呈階梯狀下降；F9斷層與中井田的F3同期產(chǎn)生，并受到大洋巖體自東北向西南不均勻的擠壓力影響，使中井田向西南推移形成剪性斷層；分支旁側(cè)斷層為F3、F2、F15、F11、F8、F7和F5組成。由于構(gòu)造屬于復(fù)雜類，向深部斷層發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，地壓大。通過巷道揭露和鉆孔施工，在深部地段F4斷層向南偏移了30～60 m，并派生出F4-1斷層，影響該地段煤層的連續(xù)性。在33 線深部，F(xiàn)9斷層也向南偏移了20～80 m。井田內(nèi)6#下、20#、23#、28#、29# 煤層厚度有時變?yōu)榫植靠刹?，可采走向變短?；鸪蓭r主要在中井田F10等大斷層帶上發(fā)育，西井田并未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模入侵［1，3］。

2.2 采區(qū)主要構(gòu)造形成機(jī)制及控煤作用

2.2.1 斷層構(gòu)造

采區(qū)內(nèi)存在數(shù)條重要斷層［3-4］，其中包括滑脫正斷層F0、正斷層F4、正斷層F6、平移逆斷層F9和正斷層F7。主要特征見表3 和圖1。

圖1 303 采區(qū)-50 m 水平切面示意圖

表3 采區(qū)主要斷層情況表

F0是該礦區(qū)的主要斷層，出露于礦區(qū)的西部和北部，始于F9，延伸長度為2 850 m。該斷層的北部傾向185°，西部折向135°，傾角為42°。它沿傾向較為平緩，在中部略顯陡峭，南部則稍顯平緩。其地層斷距在西部和北部達(dá)到555 m，而在東南部較小，僅為175 m，此處P1w 地層缺失，形成了西部和北部邊界。

F4為該礦井的南部邊界斷層，始于F0，終于F9，延伸長度為2 450 m。該斷層的傾向為186°～238°，傾角為53°。其地層斷距為83 m，缺失P1L31-3和P2cp1的部分地層，構(gòu)成了南部邊界。

F6出露于礦區(qū)的中部，將P1L3-1和P1L3-2斷開，破壞了主采煤層的連續(xù)性，構(gòu)成了28#、29# 煤層的北部儲量邊界。該斷層始于F9，復(fù)合于西部F4，出露長度為1 km。它的傾向為189°，傾角為75°，地層斷距為38～250 m。該斷層拉近了童子巖組一段和三段地層，在深部對28#、29# 煤層影響較大。

F9為該礦井的東部邊界斷層，是1 條受大洋巖體自東北向西南的不均勻擠壓力作用而形成的剪性斷層。其延伸長度為2 700 m，傾向為127°，傾角為75°，地層斷距為300～480 m，水平斷距為300～400 m。該斷層破壞了井田內(nèi)的可采煤層與中井田的連續(xù)性，越往深部，越往西南偏移，造成深部煤層走向變短。

F7出露于采區(qū)中部，貫穿南北連接F6和F4，將采區(qū)劃分為上盤和下盤。該斷層的傾向為233°，傾角為35°。它破壞了采區(qū)內(nèi)的可采煤層的連續(xù)性，在深部對20#、23# 煤層的賦存產(chǎn)生極大破壞。

2.2.2 斷層的形成及控煤機(jī)制

采區(qū)出現(xiàn)多斷層呈復(fù)合型式構(gòu)造：F0、F4和F6等3 條正斷層的傾向由南東向南西轉(zhuǎn)變，并且逐漸向南呈階梯狀下降；F9逆斷層則是由于受到大洋巖石自東北向西南不均勻的擠壓力所影響，在成礦過程中向西南推移，形成了1 個剪切斷裂。所有這些斷層之間，因為互相施加作用形成了平面口字形的封閉區(qū)域，成為了該采區(qū)三段煤層的成煤環(huán)境［5］。而分支斷層F7則是自南向北的延伸，將整個采區(qū)分成東西段，呈現(xiàn)出“川”字形。在5 條主要斷層的影響和構(gòu)造應(yīng)力的作用下，采區(qū)內(nèi)部的伴生斷裂和小褶曲發(fā)育明顯，其中Fa、Fb2 條支流的伴生斷裂尤其明顯，因此導(dǎo)致了煤層的夾雜、厚薄的不規(guī)則變化以及煤層走向變短等現(xiàn)象，給采區(qū)劃分和工作面的推進(jìn)增加了難度，加大了后續(xù)開采的成本。

根據(jù)對比+50m 石門，-100m 石門以及-50m-13# 東巷穿F7揭露東塊段可采煤層情況研究，表明F7上部和下部以及南部的斷距較小，但在立面中部位置（即-50m 水平主石門）的破碎帶間距卻擴(kuò)大了，導(dǎo)致煤層斷距加長，錯動距離在60 m 以上。此外受到斷層拖帶效應(yīng)的影響，走向上層滑引起煤層揉皺構(gòu)造呈條帶狀，并因構(gòu)造作用而煤質(zhì)暗淡無光澤，呈煤泥狀。在拉伸應(yīng)力場作用下，局部煤層頂?shù)装逵操|(zhì)巖石直接接觸只留下層位。因此，在原石門施工時，巷道圍巖異常混亂，巖性特征差異顯著，不能準(zhǔn)確判斷煤層的賦存狀態(tài)。F7直接破壞了主采煤層的連續(xù)性，并伴生一系列構(gòu)造，成為本采區(qū)最主要的控煤斷層構(gòu)造。

根據(jù)下水平巷道揭露情況，F(xiàn)a逆斷層與F9斷層的共同應(yīng)力作用導(dǎo)致了29# 層位的直接抬升，形成1 個向斜構(gòu)造。該構(gòu)造的中心軸為230°，向東南方向擠壓28#、29# 煤層，使其從北部緩傾斜向南部急傾斜發(fā)展，導(dǎo)致煤層壓薄、頂?shù)装迤扑槎豢刹?。此外，F(xiàn)a的出現(xiàn)對中深部F7下盤（東塊段）煤層的賦存產(chǎn)生了破壞作用。

Fa與F7相互推覆作用下，伴生出Fb斷層（23#E 探巷尾部揭露），F(xiàn)b斷層對煤層的賦存狀態(tài)產(chǎn)生了顯著的影響。3 條斷層構(gòu)造相互交匯形成的三角形夾角，導(dǎo)致上部水平東快段揭露的煤層向北牽引。由于不同斷層之間的相互錯動作用，軟巖層在力的作用下相互牽引、擠壓并切割，巖煤層整體揉皺產(chǎn)生彎曲形變。這種形變促使煤層及軟巖產(chǎn)生物質(zhì)流動，形成穿刺和巖楔構(gòu)造、煤窩形態(tài)，在與硬巖交接處直接尖滅斷失。

在原石門揭露中，20# 層位點周圍呈現(xiàn)出廣泛的破碎帶，右側(cè)為夾矸的泥質(zhì)斷層煤。通過探采結(jié)合的方式，在運(yùn)巷開口一段后，煤線直接斷失。此外，在煤窩處開設(shè)的探小眼，均遭遇到閉合性滅失。這些現(xiàn)象表明F7、Fa、Fb斷層之間復(fù)雜的相互作用，增加了該位置煤層的未知性和難以預(yù)測性。在東向布置的23# 探巷中，煤層呈珍珠狀起伏，十分不穩(wěn)定，均厚約30 cm，局部出現(xiàn)煤線，并伴生著頂?shù)装宓钠扑椤Ｔ谑┕?5 m 后，煤溝出現(xiàn)并導(dǎo)致煤層斷失。構(gòu)造應(yīng)力的作用使得巷道壓力巨大，導(dǎo)致了嚴(yán)重的變形。為了確保工作安全，東塊段煤層需要加以部署另外的探巷。該探巷尾部揭露的巖性再次驗證了Fb的存在。

綜上所述，F(xiàn)7、Fa、Fb斷層之間的相互作用導(dǎo)致了煤層的形變和不連續(xù)性的增加，褶曲和其他構(gòu)造斷裂的出現(xiàn)又進(jìn)一步增加了煤層的復(fù)雜性。這也造成了預(yù)測和規(guī)劃煤層開采的困難，需要深入研究和探索。

Fc正斷層南部已經(jīng)在-50m 和+0m 水平的6# 西巷中顯露。結(jié)合+50m-20# 西巷的斷層要素，可以發(fā)現(xiàn)它們位于同一條構(gòu)造線上，因此將它們視為1 條完整的斷層。預(yù)計這條斷層將自南向北延伸，一直影響到23# 煤層。然而，需要在西塊段的煤巷道中再次揭露該斷層，才能重新對其進(jìn)行定性研究。

3 303 采區(qū)找煤方法及其成效

3.1 尋煤機(jī)理

通過綜合分析，從對所揭露的各斷層性質(zhì)的推斷，以及F7同盤開拓的上覆煤層運(yùn)巷長度和煤層層間距的測定，重新繪制水平切面圖。在此基礎(chǔ)上，大致確定了西翼目標(biāo)煤層位于主石門右側(cè)20 m 范圍內(nèi)。

3.2 找煤方法確定

根據(jù)實際構(gòu)造的特點，將西塊段探采位置布置在20# 上覆煤層巖性穩(wěn)定處（圖2）。采用310°方位斜穿越巖層15 m 后，再進(jìn)行反穿石門，揭露到該煤層的頂?shù)装逭游?，但由于煤質(zhì)受牽引影響未能達(dá)到正常狀態(tài)。鑒于此現(xiàn)象，我們先在見煤處開設(shè)小眼進(jìn)行探煤工作。往西3 m 后，煤層張開，均厚度為0.85 m；但是順槽在75 m 位置遭遇橫向過壓。因此，我們判定可向西布置沿煤運(yùn)巷施工，預(yù)計巷道總長度超過100 m 至斷層Fc位置。此外，上水平該點煤層未開拓，可在采面過壓點進(jìn)行破過壓，以了解上部煤層的賦存情況并為上部水平的開采提供依據(jù)。在20# 煤層揭露明朗的前提下，可同時開展下覆水平間距在28 m 的23# 煤層的探煤工作。

圖2 巷道小眼布置及斷層平面示意圖

東塊段布局則需要考慮對應(yīng)上部的20# 和23# 的開采情況。將探巷設(shè)在13# 運(yùn)巷尾部，正東直穿F7斷層帶，預(yù)計穿過8 m 破碎帶后會揭露18# 層位，口部一段巖層走向會受Fb的影響而向西北傾斜直至煤層尖滅，往東掘進(jìn)層位會越趨于正常傾向，最后中部反向穿過石門見20#、23# 煤層。因此，相比上水平，F(xiàn)7和F9斷層的下部延伸變化很大，造成可采走向縮短，規(guī)劃和設(shè)計開采工作需要更加謹(jǐn)慎，確保安全和高效性。

3.3 找煤成效

根據(jù)對探巷工程的揭露情況及綜合上下部尋煤規(guī)律，揭露20#、23# 煤層西塊段空白區(qū)域-50 m～+50 m 走向>500 m 的約30 萬t 保有量和東塊段+50 m～-50 m 區(qū)間20 萬t 的資源量。今后還可以尋找采區(qū)下部-50 m～-150 m 間煤炭資源儲量，預(yù)計可達(dá)50 萬t。該地質(zhì)找煤共計獲得煤炭資源儲量近100 萬t，成功保證303 采區(qū)實現(xiàn)9 萬t/a 達(dá)產(chǎn)，延長采區(qū)服務(wù)年限近10 a，延長龍?zhí)睹旱V礦井服務(wù)年限近5 a。

4 結(jié)論

（1）因采區(qū)地質(zhì)的復(fù)雜性和對地質(zhì)研究程度的不確定性，開采中難免會出現(xiàn)煤炭丟失的空白區(qū)域，導(dǎo)致深部區(qū)域主采煤層未能有效開發(fā)利用。為解決此類問題，礦井應(yīng)加強(qiáng)對復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造及特殊地質(zhì)現(xiàn)象的資料收集并總結(jié)，并及時修正圖紙，與礦井各類圖紙綜合分析研究，以查明復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域的局部構(gòu)造的變化，分析構(gòu)造間的相互關(guān)聯(lián)性，

（2）利用理論技術(shù)和實踐數(shù)據(jù)支撐優(yōu)勢，推斷遺失煤層的位置和賦存情況。對經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行預(yù)測和評價。

（3）通過合理有效巷道布置，以探巷形式優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行揭露可采煤層，對巷道附近構(gòu)造進(jìn)行預(yù)判，最后確定采區(qū)資源儲量，再細(xì)化可采煤層運(yùn)巷布置及短石門、上山小眼布置等井巷工程投入，使得復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下的可采煤層一小塊一小塊的采出煤炭，提高了采區(qū)煤炭資源回采率，使得采區(qū)達(dá)產(chǎn)，延長了礦井服務(wù)年限，保障企業(yè)安全健康的可持續(xù)發(fā)展。