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地质构造对煤层厚度变化的控制作用

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《煤田地质与勘探杂志》2016年第二期

摘要:

宿南矿区为淮北煤田重要矿区,其中72煤层为矿区主要可采之一。地质勘探资料表明,该煤层的厚度变化较大,变化特征明显。在矿井地质调查及矿区地质构造研究的基础上,发现该煤层煤体结构破碎,煤层厚度变化与区内地质构造具有密切的联系。在煤厚区域分布特征方面呈现NW–SE向厚薄相间分布,其方向与研究区总体褶皱方向一致。局部厚度变化特征方面与断层走向及褶皱轴向关系密切。因此,排除该煤层原生沉积影响因素,断裂构造与褶皱构造以及褶皱作用伴生的层滑构造为区内煤层厚度变化的主要控制因素。

关键词:

宿南矿区;72煤层;地质构造;厚度变化;控制作用

宿南矿区位于宿州市东南部,矿区内包括桃园井田、祁南井田、祁东井田以及龙王庙井田。矿区多数井田开采深度已达到800m,深部仍处于勘探阶段。矿井生产资料和深部勘探资料表明,目前已开采的72煤层厚度变化较大,影响煤矿采掘工程的布置与采掘方式的选择[1-4]。因此,研究煤层厚度变化特征及其控制作用因素对该区的煤炭资源开采具有一定的指导意义。72煤层是宿南矿区主要可采煤层之一,大量钻孔测井曲线资料以及现场观测点显示,72煤层厚度变化较大的区域内煤体结构较为破碎,多见III、IV与V类煤[5]。后期构造变动破坏煤体结构,形成结构破碎的构造煤[6-7]。初步推测煤层厚度的变化与地质构造作用密切相关,通过对区内地质构造发育特征的分析以及煤层厚度变化特征的趋势面分析,以揭示地质构造对宿南矿区72煤层厚度的控制作用。

1矿区构造概况

宿南矿区地处徐宿弧形构造南缘断褶带的宿南向斜内,向斜东部为一NW–SE走向的西寺坡逆断层所切割,造成该向斜的不完整(图1)。向斜边缘地层倾角较大,倾角15~35,深部地层呈舒缓波状,倾角小于10。全区次级褶皱发育程度较低,主要发育于矿区东部与西南部。区内断层走向主要为NNE向,其次为NEE向,以高角度小落差正断层发育为主。矿区浅部地质构造较深部复杂。矿区西南边缘发育两条轴向NWW向的次级褶皱以及密集的中小型正断层,走向以NNE向为主。矿区南部边缘发育东西走向的魏庙大断层。东部边缘地区发育一系列轴向NWW的次级褶皱以及一组走向近SN向的大型逆断层。组内逆断层落差较大,最大可达到110m。

2宿南矿区72煤层厚度展布特征

矿区由西南向北东煤层厚度呈起伏变化。在矿区西南部边缘煤层厚度整体较大,平面上形成厚薄相间的厚度条带,包括两个厚度大于3m的相对厚煤带与两个1.5~3.0m的相对薄煤带。矿区东部边缘煤层厚度变化范围极大,两极厚度为1.5~10.5m,且自南向北依次分布有5个特厚点。矿区深部煤层厚度分布较均匀,厚度变化幅度小,厚度值集中分布于1.5~3.0m(图2)。

3煤层厚度变化特征

趋势分析是通过建立多变量地质问题相适应的多项式,采用回归分析的原理对因变量在空间上的变化进行数学模拟,将因变量的变化的整体性与局部性分开,分别对应回归分析得到的趋势值与剩余值。趋势值反应的是在区域因素影响下煤层厚度变化的整体趋势,剩余值则包括正异常值与负异常值,正异常值表明因变量的增加,负异常值则表明因变量的减小[8-12]。

3.1煤层厚度总体变化趋势对宿南矿区72煤层厚度作了1~4次趋势面分析,本文选取拟合度41.7%的4次趋势面分析,并利用matlab软件绘制72煤层厚度4次趋势图(图3)。由图可见矿区内煤层厚度总体呈走向近NW–SE向的马鞍状变化趋势面特征。煤层由矿区中部向北东与南西方向增厚,形成厚-薄-厚的3个北东南西向弧形煤厚条带。区内不同部位的煤层厚度变化趋势互异。就矿区西南部局部而言,煤层厚度由NE向SW逐渐变薄。矿区中部煤层由两侧向内减薄,变化相对较均匀。矿区东北部煤层的西北段与东南段变化趋势差异较大。西北段厚度递增梯度小,变化方向各异,平面上呈圆弧状变化。东南段煤层厚度递增梯度极大,变化方向近东西向。

3.2煤层厚度局部分布趋势利用72煤层厚度4次趋势的残差值绘制煤层厚度4次剩余图(图4)。以残差值为0的等值线为参考,大致将矿区划分为3个变化趋势条带,由南至北依次编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Ⅰ带与Ⅱ带内残差值大于0,为正异常区。其中Ⅰ带还可细分为3个北西–南东向的次级异常带,呈两个大于1m的次级增厚带夹一个小于1m的次级增厚带。Ⅲ带东南段正异常区有5个岛状圈闭,岛状圈闭中心最大的异常值达到8m。次级煤厚变化区中Ⅰ带与Ⅲ带东南段次级增厚带的意义较大。

4地质构造对煤层厚度变化的控制作用

4.1区域构造与层滑作用对煤层总厚度变化的控制宿南矿区燕山期产生强烈的构造变形。燕山运动早期太平洋板块与亚洲板块汇聚拼贴产生由NW向转向NWW向的挤压应力作用下徐宿弧形构造外缘带在形成NNE向宿南向斜断褶带。同时在区域推挤应力的作用下,非能干性的煤层与含煤岩系内的能干性岩层之间发生层间滑动。层滑面上擦痕所指示的层间滑动方向与煤层厚度变化条带的方向垂直。因此,推测区内煤层在层滑构造次级褶皱的共同作用下使塑性煤层流动,煤层原生厚度发生改变,最终形成3个长轴方向与宿南向斜轴向一致的3个煤厚条带。

4.2次级褶皱构造对煤层总厚度变化的控制Ⅰ带范围内,通过对比图1与图4可见,两个次级煤层增厚带的长轴方向与带内发育的张学屋向斜及王楼背斜两条轴向一致,且轴线分布位置大致重合。煤层底板产状起伏变化为煤层的流变提供条件(图1的A—A'剖面)。同时软弱的煤层在次级褶皱作用产生的挤压应力的进一步作用下发生塑性流动。此外,根据研究资料显示Ⅰ带内72煤层煤体结构破碎程度高,煤体结构分布由浅至深存在碎裂状煤–鳞片状、压实的粉末状煤-坚硬煤体的分层性,多见IV类、V类煤,煤层内部镜面发育,表明带内发育大面积的层间滑动。含煤岩系内煤层能干性低于夹层岩层的能干性。在区域应力作用下强弱岩层间发生层间滑动。褶皱与层间滑动两类相伴生的地质构造叠加作用于煤层,致使煤层内部结构遭到破坏,产生塑性流变,形成藕节状或透镜状的煤层。并在整个带内形成了多个长轴方向与带内地质构造形迹一致的次级煤厚变化条带。

4.3断裂构造作用对区内煤层厚度变化的影响a.正断层牵引作用导致煤厚变薄区内揭露的断层以高角度正断层为主,落差多为0~30m,集中分布于Ⅰ带内。该类断层常引起煤层局部厚度的变化。靠近正断层两侧应力集中区的煤层多被压薄,远离断层的部位煤层受到的应力较小,塑性煤层向远离断层的部位流动,多形成相对的厚煤带。如矿区西南部正断层F9(倾角60,落差H=0~70m)切断72煤层后,东侧距离断层约20m的钻孔补19-3与15-16-6揭露的煤厚仅1.2m左右,而距离F9断层东侧203.7m的钻孔15-16-11揭露的煤层厚度却达到3.78m。从B—B剖面图上可以看出72煤层沿着F9断层面滑动,由于正断层F9的引张和拖曳作用使得断层附近的煤层厚度减薄,同时在上下盘之间出现10.7m宽的无煤带。b.逆断层挤压堆积作用导致近断层区煤厚增加由图1可见,矿区Ⅲ带东南段发育西寺坡逆断层带。带内8条走向近EW向的大型逆断层平行排列构成叠瓦状构造组合。断层带内主断层的断层面向西南突出,上盘由东北向西南上冲。Ⅲ带处于主断层的下盘。Ⅲ带东南部边缘煤层底板标高在–200~–600m的范围内,煤系赋存整体较高。带内煤厚变化特别显著,最大厚度可达10.5m。煤层厚度具有串珠状分布特征,平面上呈由南向北一线排列五个煤层厚度增加的等值线小圈闭区域。小圈闭长轴方向近NWW-SEE向,与各逆断层的走向一致。从成因条件分析,该处特厚煤层主要是由于各大型逆断层的推挤作用的结果。叠瓦状构造组合的各大型逆断层上盘依次向上逆冲,断夹块之间相互挤压。致使煤层发生塑性流变,煤层厚度重新分布。同时断夹块间的错移使煤层发生重复叠加(图6)。

5结论

a.72煤层在宿南矿区内的分布特征明显,从矿区西南到矿区的东北总体上呈现厚–薄–厚的带状分布的特点。厚煤与薄煤的条带方向与整个宿南向斜的轴向一致。b.矿区褶皱构造作用是导致72煤层总体厚度变化的主要原因之一。因褶皱构造作用而伴生的层间滑动构造形成区域煤厚变化的的不均匀性。c.矿区内煤层的局部厚度变化主要表现在断层的牵引及推挤作用。尤其是大型逆断层组的强烈推挤形成煤层的特厚点。正断层牵引作用形成近断层区的相对薄煤带。此外,矿区西南部煤层厚度的分布还受到次级褶皱与其相伴生的层滑构造的影响。

作者:刘和武 童柳华 严家平 朱文伟 单位:安徽理工大学地球与环境学院 安徽省煤田地质局勘查研究院

煤田地质与勘探杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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