第三章矿井地质构造分析技术

1、矿井地质构矿井地质构 造分析技术造分析技术采矿工程第一组一、概述 基本概念：地质构造是地壳运动引起的, 宏观表现是岩层的断裂、褶曲, 微观表现是岩石的松动破碎、裂隙发育。（二）等级划分矿井地质构造包括矿井地质构造包括断层、褶皱、节理断层、褶皱、节理。 褶皱褶皱虽然影响煤层的空间产状和位态，但它没有破坏煤层虽然影响煤层的空间产状和位态，但它没有破坏煤层的连续性，在井巷中比较容易追索和查明；的连续性，在井巷中比较容易追索和查明； 断层断层则破坏了煤层额度连续性和完整性，且在井巷中难以则破坏了煤层额度连续性和完整性，且在井巷中难以查明和控制，给采掘生产带来很大影响；查明和控制，给采掘生产带来很大影响

2、； 节理节理由于尚未产生明显的位移，仅是其他开采地质条件的由于尚未产生明显的位移，仅是其他开采地质条件的影响因素和组成部分。影响因素和组成部分。因此，矿井地质构造的研究重点是因此，矿井地质构造的研究重点是断层构造断层构造。矿井构造按规模和对生产的影响，可分大、中、小三级：矿井构造按规模和对生产的影响，可分大、中、小三级：v 大型构造：大型构造：指整个煤产地的主体构造，它决定着井田的划分和总体的指整个煤产地的主体构造，它决定着井田的划分和总体的轮廓，如大向斜、大断层等。这类构造在勘探阶段就已经基本查明，轮廓，如大向斜、大断层等。这类构造在勘探阶段就已经基本查明，只需确认其产状变化。只需确认其产状

3、变化。它不是矿井地质的研究重点。它不是矿井地质的研究重点。v 中型构造：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，需要通次一级构造。这类构造在勘探阶段尚未查明，甚至还未发现，需要通过补充勘探，在采掘过程中逐步查清。过补充勘探，在采掘过程中逐步查清。它对生产影响极大，是矿井地它对生产影响极大，是矿井地质研究的重点。质研究的重点。v 小型构造：小型构造：指那些规模很小，在一条巷道或一个工作面中就能看清全指那些规模很小，在一条巷道或一个工作面中就能看清全貌的更次一级的构造。这类构

4、造当其稀疏时，对生产影响较小；当其貌的更次一级的构造。这类构造当其稀疏时，对生产影响较小；当其密集时，使煤层顶板稳定性减弱，支护困难。在高瓦斯矿井，小型构密集时，使煤层顶板稳定性减弱，支护困难。在高瓦斯矿井，小型构造常是瓦斯突出发生的部位。造常是瓦斯突出发生的部位。 断层分级 鉴于我国目前的勘探技术水平，精查阶段一般只能查明鉴于我国目前的勘探技术水平，精查阶段一般只能查明落差大于落差大于30m的断层，因此，矿井构造中断层的分级标准的断层，因此，矿井构造中断层的分级标准为：为：u大型断层：大型断层： 落差落差30mu中型断层：中型断层： 煤厚煤厚落差落差30mu小型断层：小型断层： 落差落差煤厚

5、煤厚（三） 研究的步骤和内容矿井构造研究步骤：矿井构造研究步骤：观测、判断、预测、处理观测、判断、预测、处理。 观测：观测：是指对井巷已揭露的地质构造现象进行观察、测量、记录、描是指对井巷已揭露的地质构造现象进行观察、测量、记录、描绘等工作。这是矿井地质的基础工作，实际上也是所有地质研究的基绘等工作。这是矿井地质的基础工作，实际上也是所有地质研究的基础工作。础工作。 判断：判断：对揭露尚不充分的地质构造，根据与它有成因联系的各种地质对揭露尚不充分的地质构造，根据与它有成因联系的各种地质标志，进行综合研究、分析对比，对其性质、规模进行确认。标志，进行综合研究、分析对比，对其性质、规模进行确认。

6、预测：预测：对部分揭露或未揭露地区的地质构造，根据已有的探测资料，对部分揭露或未揭露地区的地质构造，根据已有的探测资料，利用各种方法，综合分析，提出预见性的认识。利用各种方法，综合分析，提出预见性的认识。 处理：处理：针对已查明的地质构造，采取合理的处理措施，避免或减少其针对已查明的地质构造，采取合理的处理措施，避免或减少其对矿井生产的不利影响。必须坚持具体问题具体分析。对矿井生产的不利影响。必须坚持具体问题具体分析。研究地质构造的主要内容：一般来说构造地质学主要以一般来说构造地质学主要以研究沉积岩的构造为主研究沉积岩的构造为主。火成岩和变质岩的构造单说。常见的构造，主要火成岩和变质岩的构造单

7、说。常见的构造，主要是是断裂和褶皱断裂和褶皱。断裂包括。断裂包括断层和节理断层和节理。其它的常。其它的常见的还有见的还有劈理和面理劈理和面理等等矿井地质构造研究现状：矿井地质构造研究现状： 目前, 矿井地质构造研究已引入了不同大地构造学派理论来指导矿井构造预测, 如地质力学、地洼理论、断块构造理论等, 取得了较好的效果。但这些研究大多限于定性研究, 很难准确地确立并田内某一区域构造发育量的指标, 因而对煤矿采掘、支护等就很难进行具体指导。 地质构造是矿井顶板事故、涌水事故、煤与瓦斯突出事故以及煤炭自然发火的主要策源地. 对它的超前性和准确性探测, 决定矿井采掘布局与安全防范措施的主动性和针对性

8、。矿井地质构造研究现状矿井地质构造研究现状 回采工作面内普遍发育着节理、断层及褶曲构造。节理构造对工作面的正常回采影响不大, 而断层和褶曲构造则极大地影响和制约着工作面的正常回采及巷道的合理布置, 并成为矿井地质构造研究中的重点内容。关于矿井地质构造的分析技术：关于矿井地质构造的分析技术：构造块段研究法1.1.定义：构造块段研究法, 就是以井田乃至更小的区域为研究范围, 以构造线为边界条件,考虑煤层赋存特点, 结合矿井生产水平、采区、工作面部署的一种小构造研究方法。最终目的是为优化设计方案, 做好新区小构造预测, 研究采掘支护、顶板管理与小构造展布的关系, 从而达到合理开发和安全生产。 1.2

9、.依据：构造边界条件、结构面力学性质、断层断距、断裂带宽度、褶曲幅度及煤层走向弯曲率, 采煤方法和采煤工艺等。 1.3.分析方法：已采区的地质资料, 以井田内中型构造和采区、工作面尺寸为块段指标, 将并田划分成不同块段, 提出各块段内小型构造发育程度(附定量指标)及对采掘的影响程度。 1.4构造边界条件：在分析矿井地质构造的过穆中, 边界条件是难以掌握的。在自然界中, 构造边界条件是依变形的发生、发展而转化, 需要有一个反复认识的过程, 才能比较客观地认识到矿并中一定范围内构造变形的边界条件。 形成矿井构造边界条件所涉及的范围远比区域构造狭窄得多, 比较直观和具体。如图1 所示某矿在开采浅部煤

10、层时, 断层、褶皱较发育, 以F3断层为界,断层上盘呈现明显的挤压和断裂, 而下盘则呈现比较平缓的褶曲和小型断层。这种现象说明在挤压力作用产生构造变形过程中, 起初应力是在连续地质体内传递, 当产生断裂位移时, 应力被消耗在该断层位移上, 传到断层下盘的应力则大为减弱, 故下盘在变形中的边界条件就有明显不同。这样, 划F3上盘为构造复杂区,F3下盘为构造简单区, 并以此指导采掘部署为宜。 1.5结构面力学性质：结构面力学性质也是划分构造块段的重要依据之一, 因为不同力学性质的构造面两侧小构造发育程度不同, 它们对采掘工作的影响程度也不同。如果采掘部署前对此有所估计, 就可采取相应的方案和对策。

11、 1.5.1. 压性断裂常见以走向逆(掩) 断层为代表。这类断裂面往往不平直而呈曲面，这是因为它在沿走向的发展过程中受力不均衡, 沿倾向方向则受不同层位岩石力学性质的影响, 而使倾角有变化。故井田内的中型压性断裂往往控制着井田内小构造的分布与水文地质条件的改变等。例如枣庄煤矿纵4 、纵5 逆断层( 图2 ) , 将该矿分成不同的构造区夕每个区内小构造差异较大, 展布规律不同。纵4 上盘小逆断层发育, 下盘小正断层发育且密度较大。 1.5.2. 扭性断层常见以“ X ” 型两组共扼节理或平移断层为代表。此种断层的力学性质较复杂, 一般多兼有张或压性的位移, 呈斜交煤系地层走向的正、逆断层分布。这

12、类断层往往切割井田内的走向(逆)断层或褶曲。其沿走向延伸长而平直, 断距往往较为稳定,有时断距不甚大, 但延伸却很长。扭性断层有时表现为逆断层, 有时表现为正断层, 但均兼平移特征。如断层中的某一部分表现为井田中的中型断层, 则它们对井田小构造、水文地质条件起控制作用, 以它们为界划分构造块段具有实际意义。如山东肥城某矿以北东向扭性( 逆) 断层划分水文块段, 进行防治水工作, 效果甚佳(图3 )。1.5.3张性断层常见的是高角度的正断层, 其断裂面不平滑, 走向上断距的梯度变化大, 但往往具有较明显的规律性。经许多煤矿揭露证实, 高角度正断层十分发育, 但它们往往多兼扭性特点，以这类断层划分

13、块段需考虑其断距大小、破碎带宽度、导水性能及延伸长度等。张性断层对其影响区内小构造的控制作用也是十分明显的,1尤其在断层的交汇处小断层、张节理发育, 有的矿区岩溶陷落柱也发育。因此, 划分构造块断除考虑上述因素外, 还应根据已采区张性断层控制小构造等-的规律, 划分出张性断层控制区的构造简单块段与复杂块段, 以利采掘设计。如图4 所示, 山东新汉某矿张(扭) 断层构造块断的划分。I 区为小构造较复杂区, 五区为小构造极复杂区, l 区为构造简单区, W 区为构造较简单区。根据这种划分, 利于预测小构造。 1.6.断距、断裂带宽度和摺曲幅度及紧密程度：煤田勘探与矿井生产根据断距的大小把断层划分成

14、大、中、小三类。大于50 m 为大型断层, 25 50 m 为中型断层, 小于25 m 的称为小型断层。 影响综机正常推进的断层, 主要是那些断距大于或等于煤厚的断层, 所以这类断层就可相应称为综采矿井中的大型断层。考虑构造块段划分时, 就应设法查明断距大于或等于煤厚的一切断层的分布, 而以它们为边界选择出适合综机回采的块段。对于断距小于煤厚的断层也应划成两类: 当两盘煤层接触部分的厚度小于综机支架最小高度时, 综机就不能通过断层, 所以综采工作面内不能有这样的断层存在, 把它定为中型断层, 可作为综采工作面的边界。当断层两盘煤层接触部分的厚度大于综机支架最小高度时, 综机可以采取措施通过,

15、把它定为小型断层。二、二、高差图法高差图法 2.1.原理：高差图预测的基本原理是假设某回采工作面的风巷和机巷方位绝对平行, 且该工作面范围的煤层为一简单的单斜煤层为前提。当回采工作面满足这些前提条件, 且工作面内无断层或褶曲构造发育时, 那么这个回采工作面内的风巷与机巷的所有对应点之间所产生的煤层底板标高差值(H ) , 则应该是完全相等的; 当工作面内发育有断层或褶曲构造时, 那么断层和褶曲构造必将造成煤层的空间产状和形态发生变化, 其结果必将导致回采工作面内构造地段的风巷与机巷各对应点之间的煤层底板标高差值出现差异。根据计算所得的各个底板标高差值绘制出高差图后, 即可进行回采工作面内断层、

16、褶曲构造的延展预测及要素解释。 2.2.预测方法：高差图预测法, 是根据回采工作面风巷、机巷各对应点之间的煤层底板标高差值点在高差图中所组成的直线或曲线形态, 来进行断层或褶曲要素的预测解释。高差图为一直角坐标图, 其纵坐标为工作面风巷与机巷各个对应点之间的煤层底板标高差(H ) , 横坐标为工作面风(机)巷的是向长度(L ) , 沿工作面的风巷和机巷每隔一等距离各取一对应点, 并列表计算出各对应点之间的煤层底板标高差, 将其结果投绘在直角坐标图上, 便得到了高差散点图, 再用圆滑曲线将图上的所有散点连接起来, 便得到了高差图。当某回采工作面的高差图为线性时, 则表明该工作面内无褶曲或断层构造

17、; 当高差图为曲线时, 曲线的拐点即为断层或褶曲在工作面内出露或尖灭的具体位置; 两个拐点(或曲线图中的一个拐点与工作面巷道实际揭露构造点)之间的连线, 即为断距(或褶曲波幅)基线, 基线上各处的断距(或褶曲波幅)均为0。高差曲线图上任意一点与断距(或褶曲波幅) 基线之间的铅直距离, 即为对应点处断层的铅直断距(或褶曲波幅) , 如下图所示： 2.3.特点及存在的问题： a高差图法对回采工作面内所发育的各种类型(揭露式或隐伏式)的断层或褶曲的构造要素均可进行量化预测； b可预测出断层或褶曲构造在问采工作面内出露或尖灭的具体位置以及它们在回采工作面内发育的走向长度和各点的构造变动规模； c断层或

18、摺曲构造在回采工作面内的实际发育长度略大于高差图中横坐标上直接判定的走向长度； d . 高差图法对走向长壁式工作面内的倾向断层(褶曲) 和倾向长壁式工作面内的走向断层(褶曲)的预测效果不佳。对回采工作面内隐伏式断层性质的判别及平面位置的确定还具有多解性。三、红外辐射探测三、红外辐射探测 3.1.原理：矿井地质构造红外探测技术，是借助高分辨红外探测器和数据分析的方法，对巷道地质构造区围岩表面的红外辐射功率变化情况进行测量和分析，红外探测实践表明，地质构造引起的岩石密度变化影响其表面红外辐射的分布，构成红外探测的自然条件。然而,对这种感性认识还缺乏理论上的系统分析。虽然根据固体红外辐射理论可概括为

19、：岩石的红外辐射与矿物晶格中原子振动以及这类振动所处的能态之间的量子跃迁有关，但要据此进行精确的理论处理十分困难。 3.2.地质构造区岩石密度变化状态模型： 地质构造是地壳运动引起的, 宏观表现是岩层的断裂、褶曲, 微观表现是岩石的松动破碎、裂隙发育. 虽然构造的形态不同, 但结果都会导致构造区岩石密度发生不同程度的变化.相对巨大的地层, 可将地质构造影响的范围看作一个对称且有限的椭球体, 若垂直长轴方向, 通过球心作截面圆, 那么, 由圆心( 主构造处) 向外, 地质构造对岩石的破坏程度由强到弱, 直至消失. 同时, 岩石的密度变化则相应由低到高, 恢复原值, 其变化状态模型及相应的密度变化

20、曲线如下图所示： 上述状态模型与采掘生产实际揭露的地质状况相似. 当一条掘进巷道临近断层时, 围岩层理和裂隙会逐渐发生变化, 巷道支护要逐渐加密; 在掘进巷道过断层时, 容易发生冒顶和安全事故; 当掘进巷道过了断层,情况又逐渐恢复正常. 3.3.红外预测地质构造的基本方法： 红外探测器是在一定波长宽度下测量物体表面的辐射能量, 再由此换算为温度, 从而量化岩石密度与辐射功率变化上的一一对应关系. 因此, 将测量的红外数值( 温度) 通过一定的方式整理和分析, 就可了解岩层密度变化趋势, 进而预测地质构造的存在状况, 指导安全防范措施的有效实施.井下红外探测都是在巷道中进行的, 为便于分析测量结

21、果, 通常以测定巷道的长度为横坐标, 温度为纵坐标, 然后将测点的红外数值( 温度) 标在坐标系里, 并依次连接, 所得曲线称为红外探测曲线.掘进巷道前方和外围如果不存在地质构造, 岩层密度沿巷道走向分布较均匀, 此时红外探测曲线是略有起伏的折线; 如果存在地质构造, 岩层密度沿巷道走向分布必然发生变化, 红外探测曲线就表现出明显的波动, 其幅度大小和构造的性质及强度有关, 可参照下列经验判别式进行预测: 式 中, 为两个测点红外数值( 温度) 的差值; K , 构造判据, 根据矿井红外辐射基本场的调查和统计确定. 构造类型不同, K 值不同.实践中应用上式进行判别时, 要注意排除其它红外辐射

22、源的干扰. 3.4.归纳： 1) 同一岩层, 地质构造引起的岩石密度变化是影响表面红外辐射分布的主导因素. 2) 巷道围岩表面相对辐射功率大小是岩层内部地质信息的外在表现. 地质构造区岩石密度变化状态模型及其与辐射功率相关方程的建立, 为深入研究矿井地质构造红外探测技术的应用提供了定性的分析理论. 3) 红外探测曲线直观反映了岩层密度的变化趋势, 通过它可预测地质构造存在状况, 指导安全防范措施的有效实施, 但应用中需注意排除其它红外辐射源的干扰. 4) 构造判据K 因构造而异, 正确界定其取值范围, 有助于指导红外探测技术在水文地质、瓦斯地质、煤炭自燃等方面的应用. 5) 相关理论分析和判别

23、方法只适用于构造裂隙可以长期保存的坚硬岩体, 不适用弥合性较好、构造裂隙难以保存, 岩石密度变化很快消失的软岩或破碎后的再生岩层.四、地质构造评价模型四、地质构造评价模型：（补充）（补充） 简介：矿井构造定量评价是在构造规律研究基础上, 选取合适的定量指标, 采用恰当的数学模型, 以计算机技术为手段, 对矿井不同区段的构造复杂程度作出定量化的评判, 并划分出相应的构造等级。四、地质构造评价模型四、地质构造评价模型： 矿井构造复杂程度定量评价的核心在于评价指标和评价模型两个方面。国内外不少人针对评价指标作了大量工作, 提出了一些较客观地反映构造复杂程度的评价指标, 可分为依据地质规律的量化指标( 如构造指数) 、基于勘探资料的定量指标( 一般从煤层底板等高线上获取) 和基于采掘工程的定量指标等三大类。在评价模型方面, 经历了定性半定量评价、数理统计综合评价和模糊综合评价等三个阶段。4.1.定性定性半定量评价：半定量评价