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1、构造地质、煤层沉积规律及水文地质条件主 讲：高克德 教授部 门：水文物探研究所中煤科工集团重庆研究院有限公司目 录第一部分 构造地质1一、地球的起源1二、地质力学方法研究中国大地构造1三、中国大地构造的主要特征2四、山西省大地构造的特征3五、折曲断裂构造地质力学性质的划分及构造行迹特征与应用7第二部分 煤层沉积规律9第三部分 古交水文地质条件16第一部分 构造地质一、地球的起源地球已有30亿年50亿年，地球发展的总趋势是除了个别时期有热膨胀外，温度在降低、地壳在收缩、硬化和地质构造趋于稳定。地球发展的历史，从大陆分开和海洋受到内力热膨胀分裂成现今的大陆，有大陆漂流说到现在的地球五大洲相互依存，
2、又相互作用。其主要内动力，就是地球本身的自转。而我们研究的古生代到现在仅有两亿年。二、地质力学方法研究中国大地构造李四光教授所提出的“由地球自转所产生的离心力”使得地球岩石圈从南北两极向赤道方向转移，产生北南方向的挤压力形成椭球体，并形成东西方向构造系。地球自转速度的变化，特别是自转速度变慢时，相当地球自转在急刹车，使得西部向东部产生挤压力，形成南北方向的构造系。李四光教授早于1924年在英国大学讲学时，就提出了地质力学的理论和方法研究中国大地构造。1929年，李四光教授对中国的构造线就作了系统的研究，并进行了力学成因分析。1959年，他一直坚持着用地质力学方法来研究中国大地构造，创立了构造带
3、的区划，如东西构造系、华夏构造系、山字型构造系以及各种弧形和旋转等扭动构造系。李四光教授在1951年又根据新的资料，进一步把1929年所作的中国构造型式作了修正和补充，发表在“受了歪曲的亚洲大陆”文章里。新中国建设时期，“大庆油田”的发现，应用地质力学方法在山东金矿找矿等诸多方面做出了卓越的贡献。三、中国大地构造的主要特征把地球上稳定的地区称为地台区，活跃的地区称为地槽区。我国大地构造的主要特点是地台区比其他地台区活动性大，而地槽区则比其他地槽区活动性小。这是指比欧洲、美国的地台区地槽区。地壳上的稳定区与活动区的出现，我们认为主要是取决于原始地壳的破裂程度。它的破裂是由于地球不均一的收缩和自转
4、。地壳上的主要构造带大致成东西和南北两个方向，根据李四光教授的意见，中国的东西构造带有三个，北面是阴山，中间是秦岭，南面是南岭。南北构造带最清楚的是贺兰山、六盘山、龙门山和横断山脉，中间被秦岭东西构造带截断。这两个方向的构造带，主要是深断裂形成的，而这两个方向的断裂带主要是分别迁就北西西的和北东东“X”型交叉断裂组与北北东和北北西“X”型交叉断裂组合而成。即东西构造带是迁就北东东和北西西“X”型断裂而成的；南北构造带是迁就北北东和北北西“X”型断裂而成的。由于东西构造带的存在，所以中国地壳的古生代发展历史，在南北方有显著的不同。四、山西省大地构造的特征如前所述，李四光教授所提出的由地球自转所产
5、生的离心力作用也就使亚洲地壳表皮（即盖层）向南滑动的趋势，因此，在华北就形成巨大的祁吕山字型构造系，山西省就在祁吕山字型东翼及反射弧部分，山字型脊柱在贺兰山，山字型西翼在祁连山，山字型前弧顶在西安附近，见图1-1祁吕山字型构造。祁吕山字型是我国最大的山字型构造，在我国北方，南邻秦岭东西向构造带，是地质上南北方向构造分区的标志。祁吕山字型构造系，前面弧的西翼是祁连山，东西是吕梁山，脊柱是贺兰山六盘山南北向构造线。虽然祁连山是古生代地槽区，吕梁山是地台区，但是他们在古生代末即已硬化而具有地台性质。中生代使他们同时活化，发生断裂和褶皱，在同时期的盖层滑动的统一力学系统中形成了山字型构造。由于基底性质
6、的不均一，所以它的西翼不很对称。西翼的走向为北西，而东翼的走向则为北东至北东东，可能分别受基底的西域系和华夏系的构造控制。喜马拉雅运动使西翼发生高角度的冲断，东翼发生雁行列式的汾渭断陷带，六盘山的褶皱隆起形成它的脊柱，由地震中的分布也可以看出这个山型构造系在最新构造运动中仍不失为一个统一的构造系。22图1-1祁吕山字型构造示意图图1-2 山西省地质图图1-3 山西省构造图图1-4 山西台背斜构造分区示意图五、折曲断裂构造地质力学性质的划分及构造行迹特征与应用煤矿含煤沉积主要以石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和三叠系或中生代侏罗系，少数在第三纪成褐煤沉积。这些含煤地层均属于在古老基底之上的盖层
7、沉积，而中国大地构造特征是含煤地台区有强烈的活化，不均一的沉陷凹陷，在古老结构的基础上不断的水平挤压力形成向斜背斜等等。在简单应力场的单一方向的主水平挤压力形成向斜、背斜及不同级别的配套压性、扭性、张性的构造断裂。图1-3 单一应力场下形成的各种构造示意图这些不同力学性质的断裂有如下特征：压性结构面形成逆断层，配套属于最大的首先形成，断层面倾角可从小到大，断层倾向和走向上弯曲变化比较大，一般断层落差大走向延伸远。断层结构面上有以垂直方向为主明显的羊背石的擦痕。第二顺序扭性结构面形成的扭性平移断层倾角在3050居多，断层倾斜面稳定，走向方向稳定，基本上不变，断层落差一般较小而走向上延伸长度比落差
8、大许多倍，断层两盘牵引现象相同，断层结构面上以水平或近水平擦痕为主。第三出现的是张性断层，其特点是断层面比较陡，接近垂直，而且是张开的，断层面较粗糙没有擦痕，断层面向深部延伸短，走向上延伸的也不远，但这种断裂可沿走向或倾向上断断续续发育。这三种力学性质的断层，其断层面有所不同，压性逆断层断层面挤压紧密，不过瓦斯气体，也不过水，但其逆断层的上盘形成很多张裂隙，是很好的过水过气体的构造，一般大逆断层距断层面约20m，有张裂隙。而扭性断层可是正断层，也可成逆断层。比如一条穿过向斜或背斜，一条平移断层，同一条断层在向斜一翼是一种形式上分类的正断层，而另一翼同一断层就成逆断，这种扭性的断层面透气性、过水
9、性属于中间的，可有些过水透气性。张性断层或断裂其过水或透气性是最好的，也就是说一般不太注意的小张断层，不易判断的正断层张裂隙在地层中发育或许带来安全上的隐患。张性断裂可有两个方向，一种是与水平挤压力平行的横张裂隙，一种是与背斜轴平行，叫纵张裂隙。其特点是在地表岩层中更发育一些向深部变小、变窄、变的数量更少，但不等于深部就没有，特别深的煤系地层在背斜构造部分会有较大的少数张裂隙发生。比如在四川川煤集团龙门峡北煤业公司地表横张裂隙、纵张裂隙就很发育。第二部分 煤层沉积规律我们知道影响沉积岩系发育的因素主要是地壳隆起和凹陷的幅度，侵蚀搬运的速度，以及气候条件等，而最根本的是地壳运动的强度。那么我们用
10、这个方法研究山西省在古生代至中生代沉积发育的概况。中国东部地壳运动的发育时很复杂的（东部只指华北台块和华南台块），但仍有一定的规律可循，主要是各地质历史时期内的隆起和凹陷幅度及它们的分布是受深部断裂控制的；另一方面，中生代期间地壳运动所引起的中国地台的强烈活化，也控制了以后的沉积发育。下古生代华北缺失上奥陶纪至下石炭纪的沉积，震旦纪、寒武系和下中奥陶系基本上是连续的，仅在震旦纪末有过比较明显的沉积间断。从它的沉积厚度和岩相变化来看，在震旦纪时地形起伏比较显著，隆起和凹陷相互伴生。震旦纪以后地形起伏就逐渐变小，至中奥陶纪则变为广阔的海盆地。当时的隆起有近东西向的，内蒙、营口和阿拉善隆起，近南北向
11、的鄂尔多斯、晋北、吕梁、鲁东隆起以及北西向的伏牛大别隆起等；主要的凹陷有近东西向的太子河、燕山、伊洛凹陷，其中仅震旦系就可达8000m以上，另有近北东向的夏州、河淮、晋南及贺兰山凹陷等。图2-1 中国东部地层等厚线及岩相分布示意图山西晋北吕梁为隆起区而晋南为近北东向的凹陷区（见图2-1）。至中上石炭系及二迭系，在太原以南为海陆交互相成煤区，海进方向由东南方来，沉积物供给来源晋北隆起区和吕梁隆起区。由中上石炭系和二迭系山西组，煤系沉积基底有东西方向的沉积，到中上石炭系和二迭系山西组。虽然有华夏系方向的聚煤沉积，但是还受到了基底的影响，所以同一煤层沉积的厚度变化很大，仅反映海进方向东厚西薄。但华夏
12、方向的煤盆地呈短轴煤盆，所以煤层厚度变化较多。在山南部沁水台凹煤矿就是如此，是主要的煤产地，另在大同静乐断陷也是产煤的地带。在上石炭统太原组的下部8号煤层最厚，在东部千峰煤矿9号煤层也比较厚。说明古交最大凹陷区在东部，而山西组近海湖沼区煤层沉积2+3+4煤层合并在古交的北部。图2-2为古交煤矿分布图，在古交区东西南北中各选一个煤矿，北部选鸿福，东部选千峰，西部选福昌，中部选铁鑫，南部选原相。太原组和山西组所含煤层厚度变化及平均值，列于图后，并对南部原相详查区各可采层厚变化图附后：02、2、4、6、8、9号煤层等厚线图，共六幅。图2-2 古交煤矿分布图图2-3 原相煤矿02号煤层等厚线图图2-4
13、 原相煤矿2号煤层等厚线图图2-5 原相煤矿4号煤层等厚线图图2-6 原相煤矿6号煤层等厚线图图2-7 原相煤矿8号煤层等厚线图图2-8 原相煤矿9号煤层等厚线图第三部分 古交水文地质条件从古交区域地质图及矿井分布图（图3-1）上可以看出，古交区含煤地层为太原组和二迭系下统山西组，地层分布上古交市西北方稍稍超过一部分，基本上在南部绝大区域，铁道以东有一小块，大半个南部和东部还在详查勘探阶段。图上的绿色区域呈奥陶系和寒武系灰岩地质特征，岩溶充、含水构造很发育，但与煤矿的水患无关。古交含煤地区属于山西地台背斜的一部分，也是泌水台凹的最北端、最高的成煤区，从现有地质图上看，主要有一条北西方向的断裂，
14、另在西洛精查区有两条北东东方向的构造断裂，很可能是扭性正断层。在杜几坪精查区有两条北东东分叉的扭性正断层，两条分别向北西和南东倾斜，可能形成地堑式的构造。还有在南部同亿煤矿及北部同梓矿有大小不同的扭性正断层，其中也有两条和前述4条断层平行的扭性正断层。在现在的较大的煤矿屯兰煤矿和马兰煤矿等矿井地质报告中一般构造比较简单，只有在南部原相详查区域通过地震及钻孔勘探到共9条走向基本上均为华夏系构造方向的扭性正断层，只有一条是共轭北西方向的扭性正断层，这是比较发育的地块。另外在古交东部千峰煤矿井田北中南及东南部有6个陷落柱，呈椭圆形，小的25-30m，最大40-45m，在地面和井下均可看到。图3-1
15、区域地质图及矿井分布图综合来看，煤矿水文地质条件居中，可能有隐伏水患。山西省降水时间集中在7、8、9三个月，此时山谷河水量大，平常小山谷溪流是没水的，另一个特点是全年的地表水蒸发量远大于全年的降水量。这可能是一个致灾隐患。如果遇到前所未有的大暴雨，河沟水位上涨，会给河沟中的矿井井口标高较低的造成淹井事故。从山西省构造地质图上可以看到，沿吕梁山及以东张性裂隙带雨水会迅速下渗补给浅部的煤层，或采空区或太原组的薄层灰岩充水，以及山西组煤层下和上部厚层砂岩充水。这个现象可以从400万t/a的矿井中的最大涌水量400立方米每小时得到证实。在古交矿区的西北部有煤层露头出露，沿露头开采的小煤窑很多，顺煤层渗
16、入的老窑水，对深部开采同煤层造成突发性的水灾。也就是说老窑和采空区水是最有突发性导致突水灾害，这在山西省有过很惨痛的教训。众所周知，陷落柱成因是煤系地层下面厚层石灰岩中顺裂隙溶蚀形成岩溶暗河，不同时期水位变化大，当水位升高，溶洞暗河充满水，溶洞中成无空气状态，当水位突然下降则形成负压，使得溶洞顶部有裂隙的部分急速垮落，使上伏岩层垮落成柱，破坏了煤层。如果暗河水压来源于高山区，在采掘煤层时如果破坏了陷落柱，就有可能造成严重的淹井事故。如1984年6月2日发生在河北唐山东矿区，范各庄煤矿的9号陷落柱突水淹井事故，突水量4立方米每秒左右，一夜之间150万t/a矿井淹没，第二天相邻矿井淹没，第三天林西
17、矿浅部有巷道与之相通部分被淹，威胁唐家庄矿和赵各庄矿，损失极大，当年还从波兰紧急进口煤炭。在山西省煤矿陷落柱比较发育，如霍州地区煤矿，在古交目前仅在西北部和东部有陷落柱发育，如千峰煤矿，在井田北中南及东南部有6个陷落柱，直通地表而且在井下采掘已遇到。目前看来水压较小或地下暗河已被垮落岩体封堵，但不等于古交地区煤矿陷落柱就是安全的，如上面所说的唐山开滦范各庄煤矿在出事前已经遇到8个陷落柱，均无水，而在第9个陷落柱就发生特大事故，经过地面对9号陷落柱处理恢复了生产，但后来采用地质雷达有掘先探，就发现的10号、11号直到12号陷落柱才查清井口水位高出70m的根源。这3个陷落柱都是充水的，都及时采用纯
18、水泥包三道双墙封堵措施，避免了水害事故的再发生。可采煤层间的间距不大，造成上部含水采空区受采掘影响形成上三带（冒落带、裂隙带、弯曲带）和下三带相互连通，造成水害问题。采煤的顺序由上往下开采，在同一煤矿或相邻煤矿都有可能发生这种灾害。以千峰煤矿为例，有6层煤可开采，2号煤平均厚3.67m，4号煤厚3.47m，3号与4号间距3.7m，4号至6号间距38m，6号与7号煤间距23m，7号与8号煤间距17.4m，8号至9号煤间距5m，8号煤厚3.44m,9号煤厚3.28m。这样的煤层间距，不用说裂隙带，只是冒落带就足以将上部煤层贯穿。只是6-7号，4-6号煤层间距较好一些。这个问题不只是水文地质安全问题，更重要的是采矿安全问题。如果上层有水，要搞明白是相邻煤层的水还是就在上面，需要计算出上三带的高度，在掘进前加强物探工作，查出水量大小，提前放水，保证安全。总的来说，在开始掘进未形成工作面时，建议采用有效的物探方法，有掘必探，物探先行，钻探验证，防患于未然，确保煤矿安全生产。