山西朔州東坡煤礦構造關系及成因分析

王恩營,馬軍超,汪師逵,杜琳瑋,邢鵬飛,張 飛

(河南理工大學資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000)

東坡礦位于山西省朔州市朔城區(qū)，距朔州市區(qū)13km，井田面積約8.3km2，年生產能力達約700萬t，是山西中煤集團的大型骨干礦井之一。可采煤層為4-1、9、11三個煤層，其中，9煤最厚，平均16.8m。根據東坡礦地質報告和補充勘探報告，礦井地質構造類型為中等。

目前，井田內生產揭露的地質資料、三維地震資料和其他勘探資料等均缺乏系統(tǒng)的研究和利用，對礦井地質信息及小構造的發(fā)育情況掌握不清，煤礦安全生產存在較大隱患。例如，在404機運巷，由于對F6斷層的位置及其性質掌握不清楚，導致切眼位置不合理等。因此，查清礦井地質構造，特別是斷層，在煤礦生產中中具有重要的作用[1-5]。

1 區(qū)域構造應力場分析

東坡礦位于寧武煤田北端，隸屬于平朔礦區(qū)。自晚古生代含煤地層形成至今，主要經歷了三期構造應力場的作用(圖1)[6]。第一期：C2～T2，相當于海西期；第二期：T3～K1，相當于印支-中燕山期；第三期：K2～Q，相當于晚燕山-喜山期。

1.1 海西期古構造應力場

晚古生代，華北板塊處于南(秦嶺洋)和北(蒙古洋)兩個大洋之間，與北方的西伯利亞板塊和南方的華南板塊隔洋相望。晚古生代后期，華北板塊向北漂移，最終于二疊紀末與西伯利亞板塊碰撞對接。大體與此同時或稍晚，華南板塊與華北板塊也發(fā)生碰撞。受南北向擠壓應力作用，華北板塊形成近東西向延伸的褶皺和逆斷層，以及走向NNE 和NNW 兩組共軛斷裂。寧武煤田位于華北古板塊北部，變形相對微弱，但仍可看到這一階段構造形跡。

1.2 印支-中燕山期古構造應力場

中生代開始，中國板塊構造格局發(fā)生了很大變化，古生代南北向匯聚的形式被近東西向匯聚為主的板塊運動形式所替代。三疊紀初，由于古太平洋板塊向古亞洲大陸下俯沖，其西向壓應力使中國東部自東向西逐步隆升。從三疊紀至中侏羅世中期，由于古太平洋板塊產生的西向壓力才開始形成，強度不大，地殼基本處于彈～塑性變形范疇，僅造成整體上升，未形成規(guī)模較大的斷層和褶皺。中侏羅晚期以后，由于古太平洋板塊俯沖速度加快，且俯沖方向變?yōu)楸北蔽飨颍湮飨驍D壓分量使中國東部背斜型隆起進一步加劇。這一階段構造應力作用主要形成NE-NNE向左旋平移斷層及同向褶皺構造。

1.3 晚燕山-喜山期古構造應力場

從早白堊時期開始，區(qū)域構造應力場由擠壓轉變?yōu)槔瓘垺Ｔ嚷∑鹱罡叩乃蛇|-華北-江漢一帶，演變成為處于弧后盆地位置的東亞陸緣裂谷系。寧武煤田位于該裂谷系中段華北裂谷盆地西緣。在NW-SE向拉張應力場中，新生成一些NNE-NE 向拉張斷層，同時，隨著區(qū)域構造應力場的轉變，也發(fā)生構造性質的改變，NE-NNE向左旋平移斷層變成正斷層，它們共同構成目前煤田內的主要斷裂構造。

a-海西期;b-印支-中燕山期;c-晚燕山-喜山期;S-共軛剪裂面;T-橫張斷裂面;Z-褶皺軸向或縱張斷裂面

2 礦井構造特征

井田內褶皺、斷層均較發(fā)育(圖2)，其中，褶皺規(guī)模較大，控制了井田總體構造型態(tài)；斷層規(guī)模相對較小，處于次要地位。

圖2 東坡礦構造綱要圖

2.1 褶皺

井田內主體構造為下窯子向斜，另外，還有一些同向小型褶皺，褶皺構造發(fā)育顯示地層受側向擠壓應力作用所致。以下僅對下窯子向斜做簡要描述。

下窯子向斜：位于井田中部，T11鉆孔南，軸向近東西，區(qū)內延伸長度1.7km，起伏幅度15m，南北兩翼傾角6°左右，局部可達10°，南部傾角較大，為一不對稱褶皺。其上伴生有更次一級波狀起伏，受井田內多條斷層切割，失去其完整性，形態(tài)較為復雜。

2.2 斷層

井田內斷層主要發(fā)育有3組(圖3)，即近EW向、NNE-NE向和近SN向。其中，近EW向斷層規(guī)模最大的為南部邊界斷層—擔水溝斷層，其他近EW向斷層均受其控制，為其伴生構造；NNE-NE向這一組斷層在井田內最為發(fā)育，主要分布在井田東部；近SN向斷層為物探解譯，可靠程度較差。以下僅對近EW向和NNE-NE向斷層做簡要描述。

擔水溝斷層：位于井田南部，為一正斷層，走向近EW，傾向S，傾角70°，落差350m，井田內延伸長度約2.3km，在井田內有808鉆孔控制。根據分析，該斷層可能形成于海西期以前，屬于煤系基底斷層。海西期，受南北方向的擠壓應力作用，形成弧形彎曲；印支-中燕山期受NNW向擠壓應力作用，斷層右旋平移；晚燕山期后，區(qū)域構造應力場由擠壓轉變?yōu)槔瓘垼瑪鄬邮芾瓘堊饔谩？傊摂鄬邮芏嗥跇嬙鞈ψ饔茫瑪鄬有螒B(tài)較為復雜。

NNE-NE向斷層：主要為正斷層，走向50～75°，傾向東或西，最大落差70m，主要分布在井田東部。根據分析，該組斷層主要是受印支-中燕山期NNW向的擠壓應力作用所形成，后期又受到晚燕山-喜山期應力場作用，斷層面波狀起伏，具有先壓后張的性質。

圖3 東坡煤礦斷層走向玫瑰花圖

3 礦井構造關系及成因分析

3.1 斷層與斷層關系及成因分析

根據分析，斷層之間的關系主要表現為以下兩個特點。

1) 近東西向斷層之間的序次關系。井田內，近東西向斷層主要分布在井田南部邊界附近，其中，擔水溝斷層(F89)為基底斷層，斷層下盤發(fā)育一系列同向小斷層，其落差和密度隨著遠離主斷層明顯有減小的趨勢。因此，可以認為在井田南部邊界，斷層的形成主要受擔水溝斷層控制，擔水溝斷層為第一序次構造，其他同向小斷層為第二序次構造。

2) 近東西向斷層對NE-NNE向斷層的限制關系。擔水溝斷層作為煤系基底斷層，在后期構造應力作用下不僅自身重新活動，形成區(qū)域性大斷裂，而且對應力場的分布起到分劃作用，使斷層兩盤巖層分別受力，并形成相應的構造。靠近擔水溝斷層應力場受影響較大，主要是局部牽引應力作用，形成近東西向同向小斷層，遠離擔水溝斷層主要受區(qū)域應力場的作用，并形成NE-NNE向斷層。因此，NE-NNE向斷層不僅受擔水溝斷層等的限制，而且斷層的規(guī)模也較小。

3.2 斷層與褶皺關系分析

井田內褶皺構造的顯著特點是軸向近東西，并且具有自南向北減弱的趨勢。顯然，褶皺的形成不是或不完全是區(qū)域應力作用的結果。根據分析，擔水溝斷層對褶皺的發(fā)育具有控制作用，主要表現在：①褶皺的軸向與斷層的走向一致，均為近東西向；②靠近擔水溝斷層褶皺的規(guī)模大，褶皺的程度也大，遠離該斷層逐漸減小。但是，井田內的近東西向小斷層和NE-NNE向斷層的形成可能與褶皺屬于同一序次關系，主要表現為褶皺受斷層切割。

4 結論

1) 東坡礦褶皺、斷層均較發(fā)育，地質構造關系復雜。其中，井田南部邊界擔水溝斷層為第一序次構造，井田內其他近東西向小斷層、NE-NNE向斷層和褶皺構造主要為第二序次構造，第一序次構造對第二序次構造的形成具有控制作用。

2) 擔水溝斷層是煤系基底斷層，在含煤地層形成后歷次構造運動作用下重新活動，斷層性質具有復合疊加的特點；井田內近東西向小斷層主要為擔水溝斷層的伴生構造；井田內褶皺構造主要是擔水溝斷層牽引應力和南北向擠壓應力作用的結果；NE-NNE向斷層的形成主要是SE-NW向擠壓應力作用的結果，并受擔水溝斷層的限制。

[1] 王輝，羅國煜，李艷紅，等.斷層富水性的結構分析[J].水文地質工程地質，2000，27(3)：12-15.

[2] 吳基文，姜振泉，童宏樹，等.任樓煤礦F3斷層帶導、含水性評價[J].煤炭工程，2006(1)：17-19.

[3] 王則才.肥城煤田斷層突水及防治方法[J].煤田地質與勘探，2005(s1):86-88.

[4] 尹會永，魏久傳，李子林，等.潘西煤礦斷裂構造突水機制探討[J].山東科技大學學報：自然科學版，2007，26(1)：30-33.

[5] 劉洋，伍永平，王永勝.斷層上盤防水煤柱合理寬度研究[J].西安科技大學學報，2010，30(5)：523-530.

[6] 李鵬.邢東煤礦地質構造分析與評價[D].西安：西安科技大學，2010.

[7] 王恩營.關于鶴壁地區(qū)西山構造與礦區(qū)構造之間關系的研究[D].焦作：焦作礦業(yè)學院，1988.