芙蓉煤矿B2煤层逆掩断层预测探索

THE PREDICTION OF OVERTHRUST FAULT IN B₂ COAL BED IN FURONG MINE
　　Wu Zemin　Xie Weidong　(Furong Coal Mine,Gongxian,Sichuan Province)

　　Abstract　By the analysis and study of a special kind of overthrust fault occurred in the lower layer B₂ of B coal group in Furong Mine,a new method for quantitative prediction,the method of elevation difference value of relative bed interval,is presented.
　　Keyword　Mine structure;overthrust fault;prediction

1　引言

　　逆掩断层在煤矿生产中往往被认为不可预测预报，实践证明，并非如此。在芙蓉煤矿生产盘区，出现了一定数量的逆掩断层，较多的是在B煤组的下分层B₂煤层。这些断层断距都比较大，最大的断距有16.7 m，一旦出现，往往对工作面风机巷的布置会产生较大的影响，影响的距离在50～200 m不等，一般在80～150 m之间。为了解决这一问题，在分析众多资料后提出了“相对层间距高差值法”。在此，以6245掘进工作面为例作如下介绍。

2　井田构造及6245掘进工作面概况

2.1　井田构造
　　芙蓉井田位于珙长背斜北西倾伏端青山背斜的南东翼。井田是一单斜构造，岩层倾角10°～20°，走向与青山背斜轴向近于平行(40°～70°)。在青山背斜轴部附近，平行轴向的张裂隙及小型逆冲断层发育，岩层较为破碎。在芙蓉井田，C组煤以正断层为主，B煤组以逆断层为主。在C₅煤出现的大断层可以影响到B煤组；与C₅煤出现小断层(断距在5 m以下)区或断裂带相对应的煤组往往出现大逆掩断层。与B煤组发育中小型断层相对应的C₅区段几乎无断裂发育。另外，在芙蓉井田，大断层的出现也有一定的等距性，并作地垒地堑相间排列，同时还有局部应力集中等特点。
2.2　6245掘进工作面空间位置简述
　　6245掘进工作面位于上二B组皮带上山之东翼，上邻6243工作面(未掘)，中间夹断层煤柱，下接6247工作面(未掘)，东临上一盘区采空区，东上接采掘B组煤的小窑(图1)。上覆C₅、B_3＋4已回采，B_3＋4留有底煤，C₅到B₂层间距为33～43 m，对应地面标高为900～1 100 m，B₂煤层埋深为170～390 m，B_3＋4顶板到B₂顶板层间距平均约6 m左右。

图1　6245工作面平面图

3　工作面地质

3.1　地层
3.1.1　B₂顶板
　　灰色粘土岩，含少量植物叶片化石，中间局部含中—细晶菱铁矿团块，中偏下夹0.1～0.3 m厚的煤线，总厚0.4～1.2 m，平均0.6 m。
3.1.2　B₂煤层
　　灰黑色，半暗半亮无烟煤，结构较复杂，含2～3层夹矸，厚1.4～2.1 m，平均1.7 m。
3.1.3　B₂底板
　　浅黄灰色粘土岩，含少量植物叶片化石，中下部含粗晶菱铁矿团块，底部含细晶菱铁矿团块，风化后为粘土，具有一定的膨胀性，厚0.5～2.0 m。
3.2　构造
3.2.1　6225机巷的构造情况
　　在研究区段，即6245机巷导1～8点(图1)对应6225机巷段，在工作面内除了6～7点中间的6225机巷底板有一底断顶不断的断距为0.4 m的小逆断层和对应风巷有构造外，其余地方均无构造出现。6225工作面在回采中对应研究地段也未遇上任何构造，已顺利回采完毕。
3.2.2　6245研究地段的构造情况
　　6245风巷几乎是沿着逆断层掘进的，但该逆断层与机巷的F₂不是同一个断层。6245机巷在导3～4点中间位置有二个小的叠瓦状逆断层，合并为F₁，产状为140°∠35°，H=2.3 m；在导6点处有一大的逆掩断层F₂，产状为5°∠5°～49°，H=16.7 m左右(图2)。

图2　6245机巷1～8点方向地质剖面图

4　6245机巷逆掩断层(F₂)特征

　　从6245机巷导3～4点中间F₁位置起，B₂顶板沿掘进方向的视倾角就从2°～6°上坡突变为
0°，随后就逐步变为下坡，最大处为7°下坡，平均为4°50′下坡，这种情况延续了116 m(斜距)，而对应的6225机巷则视倾角平均为3°27′上坡，这样相对层间距高差值就比正常情况多了16.7 m，也就是说，6245机巷导6点处的高差比对应6225工作面的B_3＋4的下分层B₂煤层应有的高差低了16.7 m，从而认定出现了逆掩断层。该断层定名为F₂，其断层特征如下：
　　a.　F₂断层面倾角低缓。在6245机巷揭露的39 m地段内，断层面倾角在5°～17°的部分就占37 m，只是最后2 m才因逆断层上盘岩性由坚硬的细砂岩变为粘土岩，断层倾角才变陡为49°。
　　b.　F₂上盘为主动盘。主动盘在推移过程中，产生了大量裂隙、煤(岩)层揉皱、层间滑动以及其他次生构造。

5　逆掩断层几个参数的确定和预测预报

5.1　相对层间距高差值和平均坡度变移量的定义
5.1.1　定义
　　相对层间距高差值是指在假定正常情况下，任意一点的铅垂方向上已揭露的上分层煤层正常顶板标高与下分层煤层实际揭露的煤层顶板标高的差值与该地段上下分层正常层间距平均值的差值。
5.1.2　相对层间距高差值的数学表达式
　　在同向掘进的情况下，当掘进ΔL m(斜距)，上下分层沿掘进方向的视倾角分别为α和β，在理想状态下，如图3所示(剖面)。

图3　相对层间距高差值计算要素示意图
　　AB、CD——研究区段；AB——假设逆掩断层存在区段；
　　A点——出现逆掩断层的起始点。

　　在四边形ABCD中，A为起点，B为掘进ΔL m后的任一点，AD为研究区段的平均层间距，可视为一定量值，设为h₀，则在上图中，

　　上式就是相对层间距高差值的数学表达式，该式还可以直接在△ABE中，由正弦定理求得。
5.1.3　平均坡度变移量的确定
　　定义：相对层间距高差值(Δh)与掘进斜距(ΔL)的比值的反正弦(r)定义为平均坡度变移量。由(1)式直接得：

　　平均坡度变移量的作用，就是判定是否有构造存在。当Δh＝0时，r=0，说明无构造存在。
5.2　相对层间距高差值的预测
　　在已知沿掘进方向的平均坡度变移量后，当继续往前掘进时，则可以预计前方未掘段ΔL′的相对高差值的增加值Δh′(图4)。

图4　相对层间距高差值预测计算要素示意图
　　ΔL——已掘段；ΔL′——未掘段；C——已掘段B点对应上
分层点；C′——未掘段B′点对应上分层点。

　　在四边形BB′C′C中，过B、E点分别作B′C′的垂线，交于O₂、O₁，则在△BB′O₂和
△EO₁E′中：

6　结语

　　经验告诉我们，在掘进方向与断层走向平行或近于平行时，Δh≥5 m就可能出现逆掩断层；α＋β≤5°，Δh≥3 m也会有逆掩断层存在的可能性。从而使B煤组B₂煤层的逆掩断层研究由定性走向了定量预测。