預測培豐礦井小型斷層的方法及應用

陳寶生

摘 要：文章根據培豐礦井地質構造的規律及其成因，運用構造地質學、地質力學及數學地質的理論，闡述了預測影響培豐礦井生產的小型斷層的方法，并對礦井下水平新采區的小型斷層的發育特征進行了預測。

關鍵詞：培豐礦井；小型斷層；預測方法；應用

中圖分類號：TD163.1 文獻標識碼：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、生產中，深受小型斷層的影響，它不僅成為礦井設計和生產中必須考慮的重要因素，而且又與巖漿活動、礦井突水、瓦斯的賦存與運移、煤層的賦存與煤層厚度變化有著極為密切的關系。因此，培豐煤礦對小型斷層的研究一直是礦井地質工作者關注的重點領域之一，對小型斷層問題處理的準確與否，直接影響煤礦經濟效益。

1 培豐礦井小型斷層對采掘生產的影響

培豐礦井的斷層與其規模不同，分為大、中、小型三種類型：大中型斷層在培豐礦區勘查時已查明，在礦井設計時已作為劃分培豐礦井各采區的邊界。而小型斷層在現有0～-150 m生產區段特別發育，在原地質勘查和上水平生產時又難以對其發現和查明，主要是在目前的采掘生產中揭露。因此，礦井小型斷層的預測、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格走低的形勢，對礦井地質工作提出了更高的要求，探索礦井小型斷層（落差≤15 m）的發育規律，進而不斷提高對小型斷層的預測水平，對于選擇合理的開拓方式和采煤方法，確保煤礦安全生產、降低噸煤生產成本和提高煤礦生產效益等方面都具有重要意義。

培豐礦井中發育的小型斷層與采掘生產的關系極為密切，主要表現在以下幾個方面：

①井巷工程和回采工作面的設計、布置必須首先查明某些斷層的位置、產狀、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、物力和財力，而且提高了噸煤成本。

②斷層的發育程度與煤礦安全有著密切關系，在斷層影響帶內，煤體原生結構遭受不同程度的破壞，煤層頂、底板穩定性也明顯變差，當采掘工程遇到斷層時，往往出現涌水、冒頂、片幫等災害及事故。有效地避免事故的發生和減少事故所造成的損失，最重要的是加強對斷層的遇見性。因此，加強對礦井小型斷層的預測是礦井地質工作中亟待解決的課題之一，搞好此項研究，對于減少礦井采掘設計、生產的盲目性，合理選擇開采方式，確保安全生產，有針對性地采取防護措施，降低巷探工作量，對工作面內隱伏斷層采取提前處理，以保證生產持續、正常進行，降低噸煤生產成本，都是至關重要的。

2 預測研究培豐礦井小型斷層的方法

培豐礦井的構造形跡是客觀存在的，礦井地質工作者對其認識經歷著從大到小、由淺入深、從已知到未知、從基本構造形態到局部變化、從它們的力學性質相互關系、空間配置尋找其生成、發展、變化的規律，在以此規律指導生產實踐并經受檢驗，使認識更加符合客觀實際。

預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造進行深入地研究，不斷提高對礦井構造發育總體規律的認識，從而提高預測培豐礦井小型斷層的能力，有效地為礦井采掘服務。預測方法歸納起來主要有三大類，即地質學方法、數學地質法和儀器探測法。

2.1 地質學方法

包括構造地質學及地質力學方法，斷層影響帶研究法和幾何學方法。

2.1.1 構造地質學及地質力學方法

構造地質學及地質力學方法是進行礦井總體構造規律預測的基本方法，在了解礦區所處大地構造位置、邊界條件基礎上，對礦區總體構造輪廓和礦井在礦區所處的位置，礦井的主體構造的力學性質、延展方向、產狀變化及有關構造要素的變化特點，弄清礦井基本構造格架成因和空間分布上的聯系，探究區域應力場和局部應力場的作用方式和變化，得出對礦井構造發育規律的初步認識，從而定性預測主體構造旁側低序次構造的位置，產狀及有關構造要素。一般來說，同序次、同方位、相近規模的構造多具有等距性分布的規律，據此可半定量預測它們存在的位置。

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測，利用斷層影響帶內相關褶皺或相關斷裂帶和煤體強度降低帶的寬度與斷層落差存在一定函數關系原理，通過對井田內大量斷層影響帶的觀察及有關參數的測量，進而確定出表達上述函數關系的經驗公式，用來預測小斷層的位置、產狀和落差。

2.1.3 幾何學方法

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

2.2 數學地質方法

主要是用地質統計學方法對礦井小型斷層進行半定量或定量預測。

為適應礦井采掘生產對地質研究程度的要求，培豐煤礦已把預測礦井小型斷層工作納入礦井地質日常工作，在一些方面已取得了進展，如根據地質理論對礦井0 m水平以上已采區揭露的小型斷層進行統計分析，探尋礦井斷層總體發育規律，再以此規律定性預測0 m水平以下正開采和未開采區小型斷層的相對密度，展布方向和延展長度。在采區和工作面，利用相鄰已采工作面巷道的相關參數，采用幾何作圖法預測工作面內和巷道前方小型斷層的位置、產狀及構造要素。

2.3 儀器探測法

當前培豐煤礦主要應用直流電法儀對井下斷層構造進行探測，通過與地質方法相結合，已總結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 預測培豐礦井小型斷層方法的應用

通過對培豐礦井-150 m水平以上塊段的小型斷層的規律性研究，應用礦井小型斷層的預測方法對其-150 m水平以下新采區的小型斷層的發育特征進行預測。

3.1 礦井構造發育的總體規律

培豐礦區位于廣平—龍巖復式向斜西南部，龍巖復式背斜西翼。礦區構造形態主要受晚三疊世以后的構造運動及其相應的巖漿侵入活動的影響而形成。受不同力學性質的地質應力作用，井田形成了不同的構造類型的兩個地質體，即培豐向斜構造和地表淺部的推覆構造。

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造的影響，地層產狀復雜，并伴有倒轉現象，向斜軸部發育著數條走向北東—南西的橫斷層。

3.2 礦井內小型斷層的發育特征

根據對井下揭露的小型斷層的統計和系統歸納分析，具有以下特征：

①受主體構造的影響，在培豐向斜的軸部的應力相對集中部位，小斷層發育。延七采區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生局部張應力，在這主體構造應力相對集中區的-70 m水平，250 m長的運巷揭露的斷層大十余條之多。

②小型斷層的發育多與主干斷層有關，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帶，即延七東斷層帶、延八向斜斷層帶、延五東斷層帶。這三個斷層帶與主干斷層關系密切，多為主干斷層的伴生或派生構造，它們多與主干斷層平行或位于旁側，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。

3.3 培豐礦井-150 m水平以下采區小型斷層預測

培豐礦井-150 m水平以下采區的大、中型斷裂構造鉆孔已基本控制，現依對已揭露的+150 m～-150 m水平延二、延三、延五和延七、延八采區等小型斷層的發育特征及影響因數探討，對-150 m水平以下采區有如下認識：

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

②采區仍以SSW向的小型斷層發育為主，且作為主干斷層的伴生、派生和分支構造，主要分布在F5斷層旁側及邊界斷層F31一帶及其交會帶。受主干斷層的影響，采區東部小型斷層的發育程度及影響范圍要比采區西部大。

③EW和NWW向的小型斷層在采區內的發育程度相對較差。

4 幾點認識

①培豐礦井小型斷層發育的主要影響因素。其一，培豐向斜和推覆構造是形成礦井主干構造的直接原因。被礦井主干構造分割限制而產生的局部構造應力場則是形成礦井小型斷層的主要動力。其二，不同煤層和同一煤層的不同采區小型斷層發育程度的差異，與煤層及其的頂底的巖層厚度、巖性有密切關系。

②對礦井小型斷層的預測，不僅是必要的，而且是經努力可以達到的。培豐礦井小型斷層不是孤立存在的，它們的賦存狀態、空間配置有一定內在和外在聯系，因此必然存在著一定的規律性。只是在漫長的地質歷史中，它們歷經多期次的構造運動，變得更加復雜，增加了我們認識它們之間相互聯系、規律和開展預測的復雜性和難度，但只要我們不斷積累這方面的實際資料和經驗，不斷研究和推廣檢驗礦井小型斷層預測的新方法，一定會逐步取得預測小型斷層的突破性進展。

參考文獻：

[1] 趙明鵬.構造解析法在礦井地質構造預測中的應用[J].阜新礦業學院學報，1993，（3）.