第二章矿井地质构造2.docx

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第二章矿井地质构造2

第二章矿井地质构造

教案

课程名称

矿井地质学

专业名称

地理信息系统

授课教师/职称

胡宝林/教授

授课方式（合、小班）

小班

授课题目（章、节）

第一章煤层厚度变化

教材及参考书目

教材：

龙荣生编,矿井地质学。

1990

参考书目：

1、淮南煤炭学院主编，矿井地质及矿井水文地质；1979

2、赵明鹏矿井地质工作方法及其新进展；1996

3、袁崇孚，《矿井地质制图》，1990

教学目的与要求：

1、了解井下褶曲与褶曲判别；

2、熟练巷道遇断层前的可能征兆；熟悉井下断层的观测方法

3、熟练掌握断失翼煤层的寻找；

4、了解生产对构造的处理

内容和时间安排、教学方法：

1．内容和时间安排：

内容参见教案；安排5学时。

2．教学方法：

课堂讲授，课堂例题分析。

教学重点和难点：

1．重点：

井下地质构造的判别

2．难点：

断失翼煤层的寻找。

复习思考题、作业题：

作业题：

1、

第二章矿井地质构造

第一节矿井地质构造概述

一、地质构造对生产的影响

（1）影响井型规模和井田划分。

构造破坏严重的矿区不能建设大型矿井，而大型断层和褶皱枢纽往往是划分井田的自然边界。

（2）影响开拓部署。

井田内部的断层和褶皱，对于开采水平的划分、运输大巷的部署、采区划分和巷道布置等都有直接的影响。

构造破坏严重的矿井，采区划分零乱，巷道系统复杂。

（3）影响掘进率。

构造复杂的地段，工作面布置往往不正规，需要多掘巷道，造成无效进尺，使掘进率比正常情况显著增大。

（4）影响采面正常生产。

回采工作面内出现断层，给生产造成困难，影响正规循环作业，甚至使生产中断。

（5）影响安全生产条件。

构造对矿井涌水、煤与瓦斯突出、顶板稳定性等都起首明显的控制作用，从而增加了井下不安全因素。

此外，构造的破坏，特别是断层的大量出现，还会影响煤层的开采价值，损失国家资源和增加煤炭成本。

但是，如果构造把深部煤层褶皱隆起或断裂抬高，也会增加浅部的可采储量，如果开放性断裂将煤层中瓦斯部分排放，则可减小煤与瓦斯突出的危险程度，在自燃发火的煤层中，断层可分割火区，防止火区蔓延。

面此，矿井地质工作人员要巧用地质构造之利，巧避地质构造之害。

二、矿井地质构造的等级划分

矿井地质构造按其规模大小和对生产的影响程度不同，可以分为大、中、小三个等级。

1、大型构造

指整个煤产地的骨干构造。

它决定着并田的划分和总体构造轮廓，如大向斜类构造在勘探阶段已基本查明，只需加确其产状变化。

它不是矿井地质主要研究内容。

2、中型构造

指分布在井田范围内，影响水平、采区划分和巷道布置的次一级构造。

这类构造在勘探阶段尚未查明，甚至还未发现，需耍通过补充勘探，在采掘过程中逐步查清。

它对生产影响极大，是矿井地质的研究重点。

3、小型构造

指那些规模小，在一条巷道或一个工作面中既能看清全貌的更次一级的构造。

这类构造当其稀硫时，对生产影响较小；当其密集时，使煤层顶扳稳定性削弱，致使顶扳维护困难。

在煤与瓦斯突出的矿井，小型构造常是突出发生的构造部位。

综上所述，中型构造，尤其是中型断裂构造，是矿井地质研究的主要对象和工作重点。

但是，大、中、小型构造之间又存在着密切的联系。

大型构造控制中、小型构造，小型构造反映大、中型构造，是大、中型的缩影和识别标志。

因此不能孤立地研究中型构造，而应围绕中型构造这一核心，把大、中、小型构造的研究结合起来。

大型断层落差大于30m。

中型断层落差小于30m到落差大于煤厚。

小型断层落差小于煤厚。

三、生产矿井研究地质构造的主要内容

（1）分析研究原有勘探工程对矿井主要地质构造的控制程度，以便及时布置补充勘探工程予以查明。

（2）系统观测和收集地表、井巷和钻孔中所揭露的一切地质构造资料，并正确填绘在矿井地质图上，及时为采掘工程提供地质资料。

（3）查明褶皱枢纽的位置、方向、起伏情况和标高变化，查明断层的性质、断距、延展方向和断失煤层的确切位置，以便调整巷道布置，为掘进施工指明方向。

（4）及时指出来掘前方可能出现的地质构造，以及它们对煤厚变化、岩浆侵入、充水条件、瓦斯赋存等的影响，以便采取防护措施，保证安全正常生产。

（5）根据构造的总体展布规律和某些构造的延伸特征，尽可能地对未采掘地段进行构造预测，为开拓部署提出合理建议。

第二节褶曲的观测与判断

一、褶曲的识别与观测

1、

产状发生变化

井下对于褶曲可根据煤、岩层产状变化判断。

如图，施工前并未了解有褶曲构造，巷道沿此煤层掘进发反复弯转，因而确定了有向斜、背斜的存在

2、地层层位对称性重复

岩层层序的对称出现两个标志。

岩层产状在石门中相背或相向倾斜，或是在煤层平巷中由于产状的急骤改变而使巷道转弯表明可能有褶曲的存在。

地层层位的对称性重复，是确定褶曲存在的又一标志。

在构造简单，岩层标志比较明的地区，根据核部和两翼的岩层层序，不难判断背斜或向斜的存在。

但在构造复杂、岩杂乱的地段，则需要认真进行分析和研究。

例如在石门中如果见到几次砂岩，首先要细地鉴定那些是属于同一层位的，并鉴别其顶底面和岩层层序，以确定是背斜还是向斜

二、褶曲的观测内容

二、褶曲的探测

枢纽的倾伏方向和顾伏角可通过测定巷道两帮问一层面亡两枢纽点连线的倾伏方向和倾伏角来获得。

2）根据区域构造线推测根据已掌握的区域构造线方向，通过类比的方法，推测个别枢纽点的延展方向。

这种推测方法准确度较低，可作为构造规律明显、地质资料较少的新开拓区进行补充勘探或采区划分的依据。

3）根据褶皱两翼产状推测根据测定的两翼煤、岩层产状，运用极射赤平投影方法，可求出圆柱状褶皱枢纽的倾伏向和倾伏角。

4）实测控制与外推相结合该法是通过边推边掘，边掘边探的步骤，实现巷道沿褶皱枢纽掘进的一种方法。

首先根据巷道揭露的枢纽位置和方向，推测出相当于一部输送机长度的距离，然后挂线掘进。

在掘进过程中要随时进行观溯和探查，以确定枢纽的实际位置和方向。

若褶皱枢纽方向发生变化，须等上段推测距离掘完后，再按变化了的枢纽方向挂线掘进。

依次类推，直到把巷道掘成为止（图2—3）。

3．枢纽的探查方法

根据已有资料判断中型褶皱的位置和方向，往往不同程度地带有推测性质。

在构造复杂或资料较少的地区，这种推测常常不能作为指导采掘生产的依据。

因此，需要动用生产勘探手段，以查明中型褶皱枢纽的实际情况。

目前，探查中型褶皱的主要技术手段是巷探和井下钻探。

1）巷探指查明中型褶皱经常使用的一种探查手段。

探查巷道的布置应遵循“一巷两用”的原则，使它既可用于探明褶皱构造，又可为将来生产所利用。

只有这样，巷探才能经济合理地顺利开层。

现举例说明查猜中型褶皱探巷布置的一些经验。

（1）沿中型向斜两翼布置对工作面时，向斜枢纽的探查。

对工作面布置的关键是要掘好相邻两工作面的共用运输巷，确保运输巷沿向斜枢纽掘进。

为此，合理调整巷道施工顺序，先施工横穿褶皱的巷道，后施工沿枢纽掘进的巷道，从而达到事先交明褶皱枢纽，指导运输巷掘进的目的。

具体的施工顺序是：

首先施工掘进要求较低的两个工作面的回风巷，然后施工两个工作面的开切眼，增加枢组揭露点，最后把回风上山和开切限中的两个枢纽点达成枢纽线，并沿此线挂线掘进，掘出两个工作面的共用运输巷（图2—4）。

（2）倾斜多煤层矿井，中型褶皱枢纽的探查。

倾斜多煤层矿井通常采用多水平石门开拓。

这时可采用石门配合立眼或石门配合煤巷进行探查。

石门配合立眼探查向斜抠纽，一般采用从下水平石门向上部煤层的向斜槽部掘立眼的作法。

所掘立眼既可用来探清向斜枢纽位置，又可作为将来回采时的流煤眼（下图）。

石门配合煤巷探查复杂褶皱，往往是在多条石门控制的基础上再结合煤巷探查（图）。

2）井下钻探当石门资料不足以控制褶皱的基本形态，或下部延深水平的褶皱面貌尚未查清时，需要在石门或邻近巷道的相应位置，向预计的褶皱枢纽部位或翼部布置钻孔，以查明下水平或下部煤层的褶皱形态。

第三节断层的观测与判断

断层破坏了煤层的连续性和完整性，给煤矿生产带来很大的影响。

因此，及时发现断层构造，查明中型断层的性质、断距、延展方向和断失煤层的确切位置，是矿井地质工作的重点。

一、断层出现前的可能征兆

断层的出现不是一种孤立的现象，在断层面两侧的断层影响带内，往往出现一些与正常情况异样的地质现象。

在采掘过程中随时注意观察这些现象，就可预示采掘前方存在断层的可能性，以便及时采取措施，做好过断层的准备工作。

在断层出现前，可能遇到的征兆。

（1）煤、岩层产状发生显著变化，伴生、派生褶皱发育。

由于断层发生、发展过程中的挤压与拖曳作用，断层附近煤、岩层产状，特别是倾角往往发生显著变化或呈现出明显的牵引褶皱（左图）。

当煤层顶、底板岩石塑性较强时，这种现象更加普遍和强烈。

（2）煤层顶、底板出现不平行现象。

由于煤层比较松软，或者顶、底扳岩石力学性质差异较大，在受到断层的挤压和揉搓时，不同部位的变形性质和变形程度都存在差异，从而造成顶、底板岩层产状不一致，层面不平行的现象（图）。

（3）煤层出现厚度变化、揉皱和破碎现象（图）。

接近断层前，煤层经常出现增厚变薄、揉皱发育、结构破坏、滑面增多等现象，煤往往搓碎呈角砾状、粉沫状、糜控状或鳞片状，光泽普遍变暗。

前，瓦斯涌出量出现驼峰现象（图）。

利用这些规律，可以帮助预见掘进前方有断层存在的可能件，

（6）巷道出现滴水、淋水和涌水现象。

充水性大的矿井，巷道邻近断层时，往往出现滴水、淋水和涌水现象。

二、断层的观测

1）断层位置的确定通过测定断层至附近测量点或巷道交叉口的距离和方向，确定

井下断层的空间位置。

据此，可将井下断层投绘在巷道平面图上，供采掘设计和施工

需要。

如果断层成组出现，应分别测定各断层面的位置，并确定出主断层面。

在测定断层面位置时，一般沿巷壁腰线丈量距离。

2）断层面特征的观测内容包括断层面的形态特征，如平整状的、舒缓被状的、锯

齿状的、粗糙的、平滑的、闭合的或张开的等，断层面上接痕、阶步、摩擦镜面和矿物薄膜的特征．如它们的有无、多少、外形和反映的相对滑动方向等。

这里需要强调一下织痕例伏方向和侧伏角的观测，因为它对于判断断层的几何性质和力学性质都具有一定的作用。

3）断层带特征的观测内容包括断层带的宽度和内部分带情况，带内构造岩、应力矿物和伴生矿物的成分、分布、力学和地球化学特性，特别注意碎裂块屑的成分、大小、

形状、排列和胶结情况，片状矿物和构造透镜体的排列方向，必要时可采取样品和定向标本，供分析化验和进行岩组分析；断层带内的顶板稳定状况，瓦斯涌出量变化，滴水和淋水现象，岩脉和矿脉的充填情况等。

4）断层两侧岩层层位、产状、伴生和派生构造的观测内容包括确定断层两盘煤、岩层的层位；测量正常地段和断层影响地段的煤、岩层产状要素及其变化；观察煤层厚度变化，牵引现象，伴生小断层，派生羽状断裂、入字型分枝构造、帚状构造及其它旋卷构造等。

它们往往是确定断层性质，鉴别力学属性，寻找断失煤层的可靠依据。

5）断层产状与断煤交线的测量由于断层面产状变化较大，在测定其产状要素时，特别要注意它的代表性。

断层产状变化的原因很多，主要是由于断层穿过不同岩性层或追踪不问方向断裂面所引起的产状变化。

断煤交线是指断层面与煤层底面（或顶面）的交线。

断煤交线具有如下特点：

（1）断煤交线是断层面与煤层面共有的线，它既在断层面上，又在煤层面上。

（2）断煤交线一般情况下与煤层走向线是不一致的，只有走向断层这一特例，才重合为一。

（3）断煤交线是两盘煤层的起始线或终止线。

一条断层有两条断煤交线，即上盘和下盘断煤交线。

（4）断煤交线的方向受断层产状和煤层产状的控制，局部近似直线，总体为一曲线。

两条断煤文线局部近于平行，总体趋于相交。

三、断失翼煤层的寻找

所谓断失翼煤层的导找，是指确定断层的性质和断距，为巷道掘进指明前进方向的工作。

当煤巷掘进遇到落差大于巷高的断层时，断层揭露处不能直接见到断层另一盘的煤层，为了正确判断断失冀煤层的位置，合理确定过断层找煤巷道的方向和坡度，必须进行这项工作。

目前，在煤矿中，确定断层性质和断原的方法主要有以下几种：

1．层位对比法

层位对比法是根据巷道揭露的断层另一盘煤、岩层的层位，结合断层产状来判断断层性质和地层职距的一种方法。

当煤系标志层明显时，它是一种既有效又田使的方法，在煤矿中被广泛应用。

2、牵引褶皱靠近断层附近的煤、岩层，由于受到断层两盘相对错动的拖曳，常发生明显的弧形弯曲，这种弯曲称为牵引褶皱，一般情况下，牵引褶皱弧形弯曲的突起方向指示本盘（牵引褶皱所在盘）的运动方向（因2—23）。

在利用牵引裕皱确定断层错动方向时，最好利用煤层顶板或底板中的牵引裕皱，只有当条件不许可时才利用煤层层理所显示的牵引核皱。

3、羽状节理指分布在断层面的一侧或两侧，并与断层面斜交里羽状排列的节理。

羽状节理是由断层两盘相对运动派生的局部应力场的产物。

它的特征是不切割断层面，并随着远离断层面逐步减弱而消失。

如固2—24所示，羽状张节理T与断层面夹角45。

左右，其与断层面所夹的锐角尖端指示本盘的运动方向。

羽状剪节理发育两组s1：

、s2：

其中s：

与断层面近于宜交，因锐角象限不稳定，不能用来确定断层两盘的运动方向；s：

与断层面夹角在15。

以下，它与断层面所夹的锐角尖端指示本盘的运动方向。

羽状节理与地质力学的入字型构造，无论在成因上或组合型式上都十分相似。

可以这样说，羽状节理是一种小型的入字型构造。

入字型构造是指由高序次的主干断裂和夯例的低序次分枝断裂或裕皱组合成“入”字形状的构造型式。

若分枝构造届压性或压扭性，其与主干断裂所夹锐角尖端，指示对盘的运动方向，若分枝构造届张性或张扭性，其与主干断裂所夹锐角尖端，指示本盘的运动方向。

利用羽状节理或入字型构造判断断层运动方向时，关键是要善于识别羽状节理和分技构造，并能准确鉴定其力学性质。

4）擦痕和阶步指断层两盘相对诺动在断层面上留下的痕迹。

一按情况下，擦’痕由租面深到纫而栈的方向，或用手顺擦痕轻摩手感光滑的方向，指示对盘的运动方向。

阶步由缓被至陡坡方向，或陡坡的倾向，指示对盘的运动方向；反阶步则与之相反。

利用擦痕和阶步确定断层性质，可参见因2。

26。

5）断层泥与断层角砾被断层搓碎并保留在断层带内的煤、岩层碎块和粉末称为断层角砾和断层泥。

某一煤层或标志层的断层角砾和断层泥，只能分朽在它们曾经错移过的那一段距离内，而且离它们越远，粒度由粗到细，数量由多到少。

因此，追踪断层带的煤角砾、标志层角砾和粉煤线，就能找到断失翼的煤层（图2。

27）。

此外，根据断层带内的雁行式排列的构造透镜体，也可判断断层两盘的相对位移方向。

6）平行小断层指与主断层伴生，且产状一致、性质相同的小断层。

它们是同一应力场下产生的一组位移幅度不同的断层面。

由于这些小断层的性质，在巷道中一目了然，因此根据平行小断层的性质就可判断主断层的性质（B2—28）。

8．作图分析法

作因分析法是根据地质制图的原理，结合断层的各种特征，进行断层对比联接，确定断层性质和断距的一种方法。

一般的作法是：

将新揭露的断层点位置，准确地填绘在剖面团、煤层底板等高线团、立面投影困和水平切面团上，并根据断层产状进行上下左右的对比联接，如果新捐露的断层点与附近已查明的断层产状一致，特征相似，并能自然联接，那么新断层点就是已知断层的延续，因此该处的断层性质和大致规模即可推定（因2—31）。

必须注意，在煤层底板等商线固和立面投影因上，断层应按断煤交线延伸；在水乎切面团上．断层要按走向线延展，在剖而因上，断层须按该副而上断层的倾角推延。

只有这样，才能得到较为正确的结果。

考虑到断层产状经常发生变化，面此断层的推延只能在近距离内进行。

5．生产勘探法

如果遇到断层，通过观测和综合分析，仍不能肯定断层的性质，或者已朗断层性质，但断距无法确定，面生产上又需要查明断距，这时就要用生产勘探方法来解决。

生产勘探有巷探、井下钻探和井下物探等技术手段。

选择哪种勘探技术手段，主要应从经济、迅速、资料可靠、现有条件和生产上便于利用等因素来综合考虑。

1）巷探当断层性质业已确定，但断距和煤层的可采性尚不清楚，生产上又需要领进过断层的巷道时，才采用巷探。

一般情况下，当煤层倾角较大时，采用过断层掘石门探查（见图）；当煤层倾角较小时，宜用斜巷探查（见图）。

2）井下钻探当断层性质和断距无法确定，生产上又需要查明后才能确定巷道的掘进方向时，一般采用井下钻探。

井下钻探的布置，主要应根据岩层产状和断层的可能性质来确定。

钻孔最好垂直层面或岩层走向布置，可灵活选用水平孔、斜孔、铅垂孔和扇形群孔探查（见图）。

力争达到见煤距离短，搬家次数少，便于钻探和换算所需断距的目的。

3）井下物探目前我国井下物探技术正处在试验和推广应用阶段。

第四节矿井构造的处理

一、基本要求：

1）有利生产处理构造必须及时，防止采掘工作中断，处理构造所布置的巷道，要尽虽简化生产系统和运输环节。

2）保证安全避免处理后的采区和采面出现下行凤、串联凤和小眼漏风；采用自溜与小眼直接连接的出煤方式等。

3）减少煤损正确控制构造的延展变化，合理布置巷道，减少煤校损失，层要尽量不丢三角煤。

4）少掘巷道要防止不适当的多掘巷道尤其是无效进尺。

二、设计阶段对构造的处理

1．井筒位置的选择

井简，特别是井底车场应尽量避开大的断层带布置。

对于倾角较大约断层，为避开断层，竖井井简应布置在断层下盘，距断层30-50m外为宜（见图）；对于倾角较缓的断层，竖井井筒无法避开时，应选择煤层层数较少的部位穿过断层，但井底车场位置要尽量避开断层带（见图）。

斜井井筒也按同样原则处理，并使过断层后的井筒部分尽置放在坚硬岩层之中。

2．井田边界的确定

在进行井因划分时，最好以大型断层和褶皱枢纽作为井田的边界。

这样既可把断层煤柱与境界煤柱合为一体，减少煤柱损失，避免出现三角煤，又可简化生产系统和运输环节，改善安全条件。

3．水平和采区的划分

如果井田范围内存在落差较大的走向断层，当被断层分割的煤层斜长等于或接近一个水平的斜长时，应以走向断层为界划分水平，当被断层分割的煤层斜长不够一个水平斜长时，可考虑以走向断层为界划分辅助水平，但增设辅助水平，使提升、运输；通风和巷道维护等复杂化。

如果井田范围内倾向断层比较发育，当断层之间的煤层走向长度接近一个正规采区的走向长度（800—1400M）时，应尽量以倾向断层作为采区划分的边界（图）；当断层之间的煤层走向长度不够一个正规采区时，应根据断层落差大小决定采区布置方式。

落差小于20m的断层，采区可跨断层布置，两盘煤层用石门联接；落差大于20m的断层，只能以断层作为采区边界采用单翼采区布置方式（图）。

4．回采工作面的布置

在褶皱发育的采区，采面应尽量以褶皱枢纽作为边界，沿向斜枢纽布置运输巷，沿背斜枢纽布置回风巷，在条件适宜时还可以布置共用运输巷的对拉掌子。

在断层发育的采区，必须综合考虑断层的位置、落差、被切割块体的大小、形态和已有生产系统来布置采面。

为避免断层对回采的影响，应尽可能地将较大走向断层留在采面之间的区段煤柱内；将倾向断层作为回采边界（见图）。

三、掘进阶段对构造的处理

1、运输大巷遇断层的处理

运输大巷要求布置在较稳定岩层中，并力求平直，无急剧拐弯。

因此，当掘进迟较大断层对，应根据运输和安全等要求，切实处理好改向和弯度等问题，并使改向后的巷道尽快进入原设计层位。

如图

2．采区上（下）山遇断层的处理

一般情况下，回风上（下）山沿煤层掘进，在巷道方向不变的情况下，坡度允许有较大的变化；运输卡（下）布置在煤层底板内，不仅巷道方向不能改变，面且坡度的大小及其变化必须满足运输的要求。

因此，当采区上（下）山掘进通走向或斜交断层时，应该根据断层的性质、落差和巷道用途，妥善地处理好断层构造。

3．阶段运输平巷遇断层的处理

四、回采阶段对构造的处理

1．采用强行硬过的方法

当断层落差较小，并满足下列情况之一者，可以来用强行使过断层的方法。

（1）在普采和炮采工作面内，当断层落差小于煤厚时。

（2）在综采工作面内，当断层两盘对接部分的煤层厚度大于液压支架的最小支撑高度时

（3）在综采工作面内，当断层两盘对接部分的煤层厚度小于液压支架的最小文撑高度，但煤层顶底板岩性软弱，采煤机能切割时

2．采用重开切眼的方法

当断层落差大于煤厚或采高时，对于倾向断层或斜交断层可以采用重开切眼的方法。

3．采用划小工作面的方法

当断层落差大于煤层厚度或采高时，对于走向断层，可在断层一侧或两侧补掘中间顺曹，把原来的一个采面划分为两个采面分别回采（见图）。

对于落差一端大、一端小的斜交断层，可采用合采与分采相结合的方法。