预测培丰矿井小型断层的方法及应用

摘 要：文章根据培丰矿井地质构造的规律及其成因，运用构造地质学、地质力学及数学地质的理论，阐述了预测影响培丰矿井生产的小型断层的方法，并对矿井下水平新采区的小型断层的发育特征进行了预测。

关键词：培丰矿井；小型断层；预测方法；应用

中图分类号：TD163.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）18-0159-02

培丰矿井是福建煤电股份有限公司的一对骨干矿井，在多年来的矿井建设、生产中，深受小型断层的影响，它不仅成为矿井设计和生产中必须考虑的重要因素，而且又与岩浆活动、矿井突水、瓦斯的赋存与运移、煤层的赋存与煤层厚度变化有着极为密切的关系。因此，培丰煤矿对小型断层的研究一直是矿井地质工作者关注的重点领域之一，对小型断层问题处理的准确与否，直接影响煤矿经济效益。

1 培丰矿井小型断层对采掘生产的影响

培丰矿井的断层与其规模不同，分为大、中、小型三种类型：大中型断层在培丰矿区勘查时已查明，在矿井设计时已作为划分培丰矿井各采区的边界。而小型断层在现有0～-150 m生产区段特别发育，在原地质勘查和上水平生产时又难以对其发现和查明，主要是在目前的采掘生产中揭露。因此，矿井小型断层的预测、研究和处理，一直是培丰矿井的重头戏。

随着矿井开采水平的不断延深和目前煤炭销售价格走低的形势，对矿井地质工作提出了更高的要求，探索矿井小型断层（落差≤15 m）的发育规律，进而不断提高对小型断层的预测水平，对于选择合理的开拓方式和采煤方法，确保煤矿安全生产、降低吨煤生产成本和提高煤矿生产效益等方面都具有重要意义。

培丰矿井中发育的小型断层与采掘生产的关系极为密切，主要表现在以下几个方面：

①井巷工程和回采工作面的设计、布置必须首先查明某些断层的位置、产状、落差及可能变化和延伸长度，而矿井目前主要解决办法借助于巷探手段，不仅消耗大量人力、物力和财力，而且提高了吨煤成本。

②断层的发育程度与煤矿安全有着密切关系，在断层影响带内，煤体原生结构遭受不同程度的破坏，煤层顶、底板稳定性也明显变差，当采掘工程遇到断层时，往往出现涌水、冒顶、片帮等灾害及事故。有效地避免事故的发生和减少事故所造成的损失，最重要的是加强对断层的遇见性。因此，加强对矿井小型断层的预测是矿井地质工作中亟待解决的课题之一，搞好此项研究，对于减少矿井采掘设计、生产的盲目性，合理选择开采方式，确保安全生产，有针对性地采取防护措施，降低巷探工作量，对工作面内隐伏断层采取提前处理，以保证生产持续、正常进行，降低吨煤生产成本，都是至关重要的。

2 预测研究培丰矿井小型断层的方法

培丰矿井的构造形迹是客观存在的，矿井地质工作者对其认识经历着从大到小、由浅入深、从已知到未知、从基本构造形态到局部变化、从它们的力学性质相互关系、空间配置寻找其生成、发展、变化的规律，在以此规律指导生产实践并经受检验，使认识更加符合客观实际。

预测研究培丰矿井小型断层主要是通过对已查明或揭露的构造进行深入地研究，不断提高对矿井构造发育总体规律的认识，从而提高预测培丰矿井小型断层的能力，有效地为矿井采掘服务。预测方法归纳起来主要有三大类，即地质学方法、数学地质法和仪器探测法。

2.1 地质学方法

包括构造地质学及地质力学方法，断层影响带研究法和几何学方法。

2.1.1 构造地质学及地质力学方法

构造地质学及地质力学方法是进行矿井总体构造规律预测的基本方法，在了解矿区所处大地构造位置、边界条件基础上，对矿区总体构造轮廓和矿井在矿区所处的位置，矿井的主体构造的力学性质、延展方向、产状变化及有关构造要素的变化特点，弄清矿井基本构造格架成因和空间分布上的联系，探究区域应力场和局部应力场的作用方式和变化，得出对矿井构造发育规律的初步认识，从而定性预测主体构造旁侧低序次构造的位置，产状及有关构造要素。一般来说，同序次、同方位、相近规模的构造多具有等距性分布的规律，据此可半定量预测它们存在的位置。

2.1.2 断层影响带研究法

断层影响带研究法适用于对巷道或工作面前方小型断层的预测，利用断层影响带内相关褶皱或相关断裂带和煤体强度降低带的宽度与断层落差存在一定函数关系原理，通过对井田内大量断层影响带的观察及有关参数的测量，进而确定出表达上述函数关系的经验公式，用来预测小断层的位置、产状和落差。

2.1.3 几何学方法

几何学方法主要适用于采区和回采工作面内小型断层的预测。通过几何作图法对已揭露或个别尚未揭露充分的断层在相邻未开拓区的延伸和空间变化，达到预测未采掘区的断层存在位置及其要素。

2.2 数学地质方法

主要是用地质统计学方法对矿井小型断层进行半定量或定量预测。

为适应矿井采掘生产对地质研究程度的要求，培丰煤矿已把预测矿井小型断层工作纳入矿井地质日常工作，在一些方面已取得了进展，如根据地质理论对矿井0 m水平以上已采区揭露的小型断层进行统计分析，探寻矿井断层总体发育规律，再以此规律定性预测0 m水平以下正开采和未开采区小型断层的相对密度，展布方向和延展长度。在采区和工作面，利用相邻已采工作面巷道的相关参数，采用几何作图法预测工作面内和巷道前方小型断层的位置、产状及构造要素。

2.3 仪器探测法

当前培丰煤矿主要应用直流电法仪对井下断层构造进行探测，通过与地质方法相结合，已总结出一套探测资料的解释方法，能探测出一些工作面前方及下部断层。

3 预测培丰矿井小型断层方法的应用

通过对培丰矿井-150 m水平以上块段的小型断层的规律性研究，应用矿井小型断层的预测方法对其-150 m水平以下新采区的小型断层的发育特征进行预测。

3.1 矿井构造发育的总体规律

培丰矿区位于广平—龙岩复式向斜西南部，龙岩复式背斜西翼。矿区构造形态主要受晚三叠世以后的构造运动及其相应的岩浆侵入活动的影响而形成。受不同力学性质的地质应力作用，井田形成了不同的构造类型的两个地质体，即培丰向斜构造和地表浅部的推覆构造。

培丰向斜：轴向近南北，轴部在井田中部向西突出，总体表现为向北倾伏，南部仰起，在南北方向上褶曲枢纽具波状起伏现象，西翼主要断层为向东倾，走向近南北的高角度正断层使煤系地层由西向东呈阶梯状下滑，在空间上造成地层缺失，且埋藏深度由西向东逐渐加深。向斜东翼由于受后期推覆构造的影响，地层产状复杂，并伴有倒转现象，向斜轴部发育着数条走向北东—南西的横断层。

3.2 矿井内小型断层的发育特征

根据对井下揭露的小型断层的统计和系统归纳分析，具有以下特征：

①受主体构造的影响，在培丰向斜的轴部的应力相对集中部位，小断层发育。延七采区的中部正位于主体向斜南部的仰起端，使之除受到形成褶皱的挤压力作用外，还受到垂向力的作用，并在褶皱仰起过程中产生局部张应力，在这主体构造应力相对集中区的-70 m水平，250 m长的运巷揭露的断层大十余条之多。

②小型断层的发育多与主干断层有关，并且具有一定的分带性。依小断层的密度和走向可分为三个带，即延七东断层带、延八向斜断层带、延五东断层带。这三个断层带与主干断层关系密切，多为主干断层的伴生或派生构造，它们多与主干断层平行或位于旁侧，且俞接近主干断层，小断层密度愈大。

③以正断层为主，次为逆断层，落差小于1～10 m，延展长度从几米到几百米。正断层一般落差越大，延伸越长。落差小的正断层，断层线较平直。正断层倾角大多在30？觷以上，逆断层倾角较平缓，断层线多呈弯曲的弧状，并有落差中间大，向两端变小的特点。

3.3 培丰矿井-150 m水平以下采区小型断层预测

培丰矿井-150 m水平以下采区的大、中型断裂构造钻孔已基本控制，现依对已揭露的+150 m～-150 m水平延二、延三、延五和延七、延八采区等小型断层的发育特征及影响因数探讨，对-150 m水平以下采区有如下认识：

①本矿井小型断层的发育与主体向斜的部位有关，-150 m水平以下处于主体向斜的正常部位，主要受挤压应力作用，采区北部与南部相比，构造应力相对稳定，加之主体向斜较宽缓，故采区北部小型断层构造比南部相对简单。

②采区仍以SSW向的小型断层发育为主，且作为主干断层的伴生、派生和分支构造，主要分布在F5断层旁侧及边界断层F31一带及其交会带。受主干断层的影响，采区东部小型断层的发育程度及影响范围要比采区西部大。

③EW和NWW向的小型断层在采区内的发育程度相对较差。

4 几点认识

①培丰矿井小型断层发育的主要影响因素。其一，培丰向斜和推覆构造是形成矿井主干构造的直接原因。被矿井主干构造分割限制而产生的局部构造应力场则是形成矿井小型断层的主要动力。其二，不同煤层和同一煤层的不同采区小型断层发育程度的差异，与煤层及其的顶底的岩层厚度、岩性有密切关系。

②对矿井小型断层的预测，不仅是必要的，而且是经努力可以达到的。培丰矿井小型断层不是孤立存在的，它们的赋存状态、空间配置有一定内在和外在联系，因此必然存在着一定的规律性。只是在漫长的地质历史中，它们历经多期次的构造运动，变得更加复杂，增加了我们认识它们之间相互联系、规律和开展预测的复杂性和难度，但只要我们不断积累这方面的实际资料和经验，不断研究和推广检验矿井小型断层预测的新方法，一定会逐步取得预测小型断层的突破性进展。

参考文献：

[1] 赵明鹏.构造解析法在矿井地质构造预测中的应用[J].阜新矿业学院学报，1993，（3）.

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