宿南礦區(qū)煤炭資源開采地質(zhì)條件分析

英成娟

摘 要：煤炭開采地質(zhì)條件是指影響煤礦建設(shè)和安全生產(chǎn)過程中各種地質(zhì)因素。本文以宿南礦區(qū)為研究對象，從區(qū)域構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、煤層厚度、巖漿侵入和頂?shù)装宸€(wěn)定性等方面進(jìn)行開采地質(zhì)條件分析。

關(guān)鍵詞：宿南礦區(qū)；礦井地質(zhì)；開采地質(zhì)條件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.070

0 引言

宿南礦區(qū)位于安徽省宿州市的東南部的宿南向斜構(gòu)造帶上，同時被一軸向北～東、東北被一組北西向西寺坡逆斷層切割，其總體輪廓為一彎勾狀的單斜構(gòu)造[1]。礦區(qū)包括桃園井田、祁南井田、祁東井田和龍王廟井田4個井田。宿南礦區(qū)主要含煤地層為二疊系，二疊系含煤地層為下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組，其主采煤層主要為32、72、82和10煤層[2]。

1 區(qū)域構(gòu)造

據(jù)區(qū)域資料對大地構(gòu)造單元的劃分，淮北煤田位于華北板塊（Ⅰ級構(gòu)造單元）東南緣之淮北凹陷（Ⅱ級構(gòu)造單元）內(nèi)，東以郯廬斷裂與揚(yáng)子板塊相接，南依蚌埠隆起和淮南煤田相望，煤田構(gòu)造的形成和發(fā)展與華北板塊總體構(gòu)造的形成及板緣構(gòu)造的演化有著密切聯(lián)系。煤田劃分為宿縣、渦陽、臨渙和濉肖等四個礦區(qū)，本區(qū)所在的宿縣礦區(qū)位于煤田的東南部、宿縣～渦陽凹褶帶內(nèi)[3]。

宿南礦區(qū)位于安徽省宿州市的東南部，為一軸向北～東、東北被一組北西向西寺坡逆斷層切割，破壞了向斜構(gòu)造的完整性。其總體輪廓為一彎勾狀的單斜構(gòu)造。如圖1所示。

從地應(yīng)力的角度加以分析，宿南向斜（北北東向）首先是受到大致東西方向擠壓力而形成的，且在產(chǎn)生過程中，必然會向南北方向延伸。由于南部受到東西方向的蒙城至固鎮(zhèn)隆起阻擋而產(chǎn)生南北方向約束力的擠壓，從而造成宿南向斜南部的近于屜形的構(gòu)造特征，并在南翼進(jìn)一步產(chǎn)生了與地層走向相平行的次級褶皺，即王樓背斜和張學(xué)屋向斜。由此推測，井田的東南部應(yīng)力集中程度要更強(qiáng)些。

1.1 褶皺構(gòu)造

褶皺構(gòu)造對宿南礦區(qū)煤層的控制作用具體表現(xiàn)為：首先，宿南向斜控制著煤層的分布與展布形態(tài)。其次，次一級的褶皺構(gòu)造影響著局部煤層的形態(tài)與產(chǎn)狀，改變礦區(qū)內(nèi)煤層的分布狀態(tài)。再其次，煤層中波狀起伏狀態(tài)，改變了煤層的傾角與厚度。

宿南礦區(qū)的褶皺構(gòu)造作用不強(qiáng)烈，且深部與淺部差別較大，淺部變形強(qiáng)烈，深部較弱、不同部位差別較大。褶皺構(gòu)造多發(fā)育在宿南向斜南部和東翼，而在西翼，褶皺構(gòu)造不發(fā)育。宿南向斜的南端，由于受到楚河泗縣正斷層的束縛應(yīng)力影響，使得南部向上仰起且發(fā)育較多的褶皺構(gòu)造，但褶皺基本都在淺部發(fā)育，深部很少見一定規(guī)模的褶皺構(gòu)造。宿南向斜東翼，由于受到西寺坡逆沖推覆體的影響，東翼褶皺構(gòu)造發(fā)育，且也僅是在淺部發(fā)育。在宿南向斜西翼，桃園礦井田內(nèi)，褶曲構(gòu)造不發(fā)育，主要表現(xiàn)為波狀起伏。宿南礦區(qū)褶皺軸向主要有北西向、北北東、北北西向及近南北，以北西向和北北東向為優(yōu)勢方位。

1.2 斷裂構(gòu)造

在宿南礦區(qū)內(nèi)，正斷層為主要斷層類型，占斷層總數(shù)目的90%以上，逆斷層發(fā)育較少，但逆斷層都為大中型斷層，落差全在5m以上，對煤層的破壞能力較強(qiáng)。并且礦區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層的傾角主要都集中在60～80°之間，占總斷層數(shù)的75%以上，也就是說，在宿南礦區(qū)內(nèi)高角度斷層極為發(fā)育。

多數(shù)走向為北北東及北東，少數(shù)為近南北、東西或北西向；北北東及近東西向的斷層規(guī)模比較大，其它方向的斷層一般規(guī)模較??；正斷層都是高角度的，一般在65～70?以上；逆沖斷層傾角相對較小，但在徐宿推覆構(gòu)造體系中，逆沖斷層傾角在65?以上的也常見。淮北煤田的肖縣背斜、閘河向斜、宿南向斜均受其影響和控制，而宿東向斜則是位于西寺坡逆沖斷層與東三鋪逆沖斷層之間的斷片或滑塊上。

宿南礦區(qū)的構(gòu)造復(fù)雜程度等級分區(qū)具有高度的一致性。復(fù)雜區(qū)和極復(fù)雜區(qū)都分布在礦區(qū)的西南部、南部和東部，而簡單區(qū)和中等區(qū)都分布在礦區(qū)的西部和深部區(qū)域。這是由于礦區(qū)的西南部是宿南向斜的轉(zhuǎn)折端，構(gòu)造應(yīng)力的集中帶。在這個區(qū)域，中小型斷層極為發(fā)育，并且發(fā)育了規(guī)模較大的次級褶皺（王樓背斜、張學(xué)屋向斜），使得此區(qū)域的構(gòu)造變形非常復(fù)雜。礦區(qū)南部，即為宿南向斜的南部仰起端，構(gòu)造應(yīng)力作用明顯，再加上區(qū)域內(nèi)特大型斷層（魏廟斷層）的影響，使得南部的構(gòu)造較為復(fù)雜。礦區(qū)東部，即為宿南向斜東翼，由于大型逆沖推覆構(gòu)造（西寺坡斷裂帶）推覆擠壓作用，使得巖層傾角變陡，構(gòu)造發(fā)育，所以此區(qū)域的構(gòu)造復(fù)雜程度等級也相對較高。

2 水文地質(zhì)條件

淮北煤田位于淮北平原的中部，在地貌單元上屬于華北大平原的一部分，為黃河、淮河水系形成的沖積平原。除肖縣、濉溪、宿州北部有震旦、寒武、奧陶系巖層出露形成剝蝕殘丘低山外，絕大部分地區(qū)被第四、第三系松散層覆蓋，形成平原地形。低山的海拔標(biāo)高為180～408m，平原地面標(biāo)高一般為20～50m。地勢總體上由西北向東南微微傾斜。

2.1 地表水

本區(qū)河流均屬淮河水系的一部分，主要有濉河、新汴河、沱河、澮河及渦河等，它們自西北流向東南，除前二者直接流入洪澤湖外，其它各河均匯入淮河再流經(jīng)洪澤湖然后入海。這些河流均屬季節(jié)性河流，河水受大氣降水控制，雨季各河水位上漲，流量突增；枯水期間河水流量減少甚至干涸。各河年平均流量3.52～72.10m3/s，年平均水位標(biāo)高為14.73～26.56m。

2.2 地下水

該區(qū)新生界松散層的沉積厚度受古地形控制，厚度變化大，除少數(shù)基巖裸露區(qū)外，厚度為40～500m，其變化規(guī)律是自北向南、自東向西逐漸增厚，從地層剖面上可劃分為四個含水層（組）和三個隔水層。（局部地區(qū)缺失四含、三含或三隔）。

二疊系含煤地層根據(jù)主采煤層的賦存層位，一般分為三個砂巖裂隙含水層（段）和四個隔水層（段）。還有石炭系太原組和奧陶系兩個石灰?guī)r巖溶裂隙含水層（段）。

3 煤層厚度特征

該礦區(qū)含煤地層厚度約600～1800m，平均為1080m，從下到上含11～1共11個煤組，含煤50余層，含煤平均總厚為27.9m，含煤系數(shù)為2.56%。礦區(qū)可采煤有3、5、8、9、10等5組，其中32、72、82、10為主要可采煤層。1、2、4、11煤組煤層不穩(wěn)定，變化大，易相變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖或尖滅，均不可采。。二疊系地層主要包含下統(tǒng)山西組（P1S）、下統(tǒng)下石盒子組（P1X）以及上統(tǒng)上石盒子組（P2SS）[4]。 二疊系含煤地層含煤情況見表1。

根據(jù)各個井田煤層數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出以下結(jié)論：

宿南礦區(qū)山西組平均厚度為115～165m，含10、11煤層，可采煤層平均厚度1.09～2.65m。其中11煤層穩(wěn)定性差，為不可采煤層。龍王廟井田的可采指數(shù)達(dá)到0.96（如表2所示）。

宿南礦區(qū)下石盒子組平均厚度為 225～280m，含4～9煤組，可采煤層由5至13不等，可采煤層平均厚度1.10～2.61m。其中61、63、71、72、82煤層穩(wěn)定性相較穩(wěn)定，全區(qū)大面積可采，如表3所示。

宿南礦區(qū)上石盒子組揭露的平均厚度在350～680m以上，含3～4層可采煤層，可采煤層平均厚度0.97～1.61m。共含1、2、3三個煤組，其中32煤層相對其他煤層穩(wěn)定，各個煤礦均大面積可采，如表4所示。

礦區(qū)內(nèi)各個煤層厚度平面分布整體均成呈弧形條帶狀分布，不同煤層條帶數(shù)不等，條帶狀的走向與西寺坡逆斷層的走向一致。各煤層厚度均在礦區(qū)的西南部王樓背斜和張學(xué)屋向斜等次級褶皺發(fā)育的部位增厚，呈三角狀，斜邊方向與西寺坡斷層走向一致。該厚煤帶東北方即宿南向斜的核部煤層厚度值均較大，且穩(wěn)定性好。靠近西寺坡斷層帶的煤層厚度也較大，尤在礦區(qū)的東部邊緣地區(qū)，煤層呈串珠狀分布，局部厚度可達(dá)到10m以上。10煤層由西南部煤層由西南至東北呈厚-薄-厚-薄-厚的五個相對厚度帶。72煤層處在10煤層之上，煤層由西南至東北呈厚-薄-厚的三個相對厚度帶。32煤層為三個主要可采煤層最上方，煤層厚度由西南至東北可分為厚-薄-厚-薄的相對厚度帶。

4 其他開采地質(zhì)條件

4.1 地應(yīng)力

中國的石炭二疊紀(jì)含煤地層形成后主要經(jīng)歷了印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動等，煤層構(gòu)造運(yùn)動的規(guī)模、涉及范圍、構(gòu)造應(yīng)力場等均不盡相同，煤層形成后，歷經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動中拉張陷裂活動會使煤層瓦斯大量逸散。不同級別的構(gòu)造活動和構(gòu)造應(yīng)力場控制構(gòu)造作用的范圍和強(qiáng)度，亦控制著不同范圍煤層瓦斯的賦存和分布，同時還控制著煤層運(yùn)移條件、煤體結(jié)構(gòu)的破壞條件和范圍[5]。不同類型的地質(zhì)構(gòu)造在其形成過程中由于構(gòu)造應(yīng)力場及其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的不同，導(dǎo)致煤層及其蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育等出現(xiàn)差異，從而影響瓦斯的保存。

地應(yīng)力是主導(dǎo)因素，是發(fā)生煤與瓦斯突出的必要條件；地應(yīng)力大的區(qū)域，瓦斯壓力亦大；在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤的物理力學(xué)性質(zhì)有明顯改變；在某些構(gòu)造附近易于發(fā)生突出，而某些構(gòu)造附近則不發(fā)生突出，都說明采用地質(zhì)動力區(qū)劃研究煤與瓦斯突出的重要性[6]。

4.2 主采煤層頂?shù)装宓姆€(wěn)定性

礦區(qū)23、61、62、71煤層頂板均以泥巖為主，其次為粉砂巖，局部為細(xì)砂巖、中砂巖，多屬不穩(wěn)定～中等穩(wěn)定頂板，局部為穩(wěn)定頂板；8、9煤層頂板以細(xì)砂巖、中砂巖為主，局部粉砂巖，屬穩(wěn)定～中等穩(wěn)定頂板；10煤層頂板以泥巖為主，較破碎，多屬不穩(wěn)定～中等穩(wěn)定頂板；32煤層頂板以泥巖為主，次為粉砂巖，比10煤頂板穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定～中等穩(wěn)定頂板；72煤頂板以泥巖為主，其次為粉砂巖，屬不穩(wěn)定～中等穩(wěn)定頂板[7]。

4.3 巖漿侵入

巖漿侵入使煤層變薄、或形成煤包、或完全被吞蝕，使煤層厚度發(fā)生變化，不可采區(qū)增大，降低了煤層的穩(wěn)定性；煤層被巖漿穿插，使煤層出現(xiàn)分叉合并現(xiàn)象，煤層夾矸增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

宿南礦區(qū)的祁南礦、祁南深部、祁東礦和龍王廟南區(qū)井田均有不同程度的巖漿侵入，祁東深部、龍王廟北區(qū)井田未發(fā)現(xiàn)巖漿侵入現(xiàn)象[8]。其中在祁東煤礦、祁南煤礦巖漿活動較為強(qiáng)烈，呈似層狀侵入煤層中，10煤層為宿南礦區(qū)巖漿巖最為發(fā)育的煤層，其次為9、8、7、6等煤層，巖性較單一，大都為基性、超基性的云煌巖，侵入中部含煤段中有少數(shù)為正長斑巖和輝石正長巖，屬印支期的脈巖；多以1～4層“夾矸”形式出現(xiàn)，或呈小型巖床產(chǎn)出，平面呈片狀或樹枝狀。從區(qū)域賦存規(guī)律分析，其原生沉積較穩(wěn)定，但本礦區(qū)的10煤層由于受巖漿侵入影響，使其穩(wěn)定性遭到破壞，在非巖漿侵入?yún)^(qū)，10煤層仍具有一定的穩(wěn)定性，屬較穩(wěn)定煤層。

5 結(jié)論

（1）礦區(qū)地層巖性復(fù)雜，特別是小構(gòu)造十分發(fā)育，風(fēng)化作用中等，主采煤層頂?shù)子熊浫鯅A層及局部破碎帶存在斷裂，局部構(gòu)造對煤層頂?shù)装迤茐膰?yán)重，巖漿巖的侵蝕使煤層頂板工程地質(zhì)條件發(fā)生變化，施工條件變差，局部地段易發(fā)生井巷工程地質(zhì)問題。整個宿縣礦區(qū)的褶皺體系為隔擋式褶皺，向斜深部平緩的地質(zhì)條件更加有利于資源開發(fā)。

（2）全礦區(qū)內(nèi)分布有穩(wěn)定和較穩(wěn)定的煤層，表現(xiàn)為良好資源分布條件。主采煤層在整個礦區(qū)的厚度分布具有良好的變化規(guī)律，總體上呈走向為北西-南東向，由南西朝北東方向厚薄相間的條帶狀分布。32、72、10煤3個煤層的厚煤與薄煤層的分布區(qū)在平面上不重合。

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