利国矿区矿井层滑构造研究.pdf

中国矿业大学学报990 319 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第3期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 3 1999 利国矿区矿井层滑构造研究* 金法礼 姜 波 王桂梁 冀明君 姚爱宁 摘要 在详尽的矿井地质工作基础上，通过矿井构造的宏观及微观变形构造分析，探 讨了利国矿区矿井层滑构造定位性、定向性和定时性特征，详细研究了层滑构造与高 角度正断层、岩浆岩之间的相互关系，论证了高角度正断层对层滑构造的发育具有重 要的控制作用，深刻揭示了利国矿区矿井构造的发育规律. 关键词 利国矿区，层滑构造，层滑断层，矿井地质 中图分类号 T D 16 3. 1 Re s e a r c h o n Be d d i n g -G l i d e St r u c t u r e i n Li g u o Co a l M i n e A r e a Ji n Fa l i Ji a n g Bo W a n g G u i l i a n g Co l l e g e o f M i n e r a l Re s o u r c e a n d En v i r o n m e n t Sc i e n c e s , CU M T , Xu z h o u , Ji a n g s u 2 2 10 0 8 Ji M i n g j u n Li a n y u n g a n g Co a l Co m p a n y , Xu z h o u , Ji a n g s u 2 2 10 11 Ya o A i n i n g Ya n c h e n g M i n i n g Bu r e a u , Xu z h o u ， Ji a n g s u 2 2 10 11 A b s t r a c t T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l o c a t i o n , d i r e c t i o n a n d t i m e l i n e s s o f b e d d i n g -g l i d e s t r u c t u r e i n Li g u o Co a l M i n e i s a p p r o a c h e d t h r o u g h a n a l y z i n g d e f o r m a t i o n a l m a c r o s t r u c t u r e s a n d m i c r o s t r u c t u r e s . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n b e d d i n g -g l i d e s t r u c t u r e a n d h i g h -a n g l e n o r m a l f a u l t s a s w e l l a s m a g m a i s s t u d i e d i n d e t a i l . T h e r e s e a r c h s h o w s t h a t t h e h i g h -a n g l e n o r m a l f a u l t s h a v e a n i m p o r t a n t c o n t r o l l i n g a c t i o n o v e r t h e d e v e l o p m e n t o f b e d d i n g -g l i d e s t r u c t u r e . T h e d e v e l o p m e n t r e g u l a r i t y o f g e o l o g i c a l s t r u c t u r e i n Li g u o m i n e a r e a h a s b e e n r e v e a l e d d e e p l y . K e y w o r d s Li g u o m i n e a r e a , b e d d i n g -g l i d e s t r u c t u r e , b e d d i n g -g l i d e f a u l t , m i n e g e o l o g y 层滑构造是煤矿中普通存在的一种特殊构造，它不仅直接影响着煤层的赋存和采 掘生产，并对煤层的稳定和瓦斯突出起着重要的控制作用. 近年来，随着滑脱构造理论 在矿井地质研究中的不断深入，不仅充分认识了矿井层滑构造的基本特征［1］，而且 对层滑构造作用下的瓦斯突出机制［2 ］和煤层流变［3，4］特征进行了深入的探讨. 利国矿区包括利国和殷庄两个相邻的煤矿，位于徐州地区北部和山东省交界处， 区域构造则处于东西向丰沛隆起与北东向的徐宿推覆构造前缘挤压带的相互交汇部位 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 319. h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 53 中国矿业大学学报990 319 ［5］. 井田构造相当复杂，不仅发育了不同方向、不同性质的断裂构造组合，而且层滑 构造也较为发育，给矿井生产带来了极为不利的影响. 1 利国矿区层滑构造的基本特征 利国矿区的特殊断裂构造、岩浆活动、岩性条件及应力作用等，使矿井层滑构造 的发育具有显著的规律性. 1. 1 层滑构造发育的层位 利国矿区层滑断层往往沿某些固定的层位发育，即具有显著的定位性，层滑断层 主要沿煤层顶底板的泥岩或炭质页岩发育，这是层滑断层发育的主要层位. 另外，顺层 侵入的岩浆岩与煤层或泥岩等的接触面也是一个较强的层滑断层发育层位. 在煤层中也 有一些较小的层滑断层发育，这说明层滑断层往往都发育于软弱岩层中. 层滑断层面并 不是平直的，而是波状起伏或具有台阶状，在层滑变陡部位往往具有切层特征，切层 一般发育在相对刚性的岩层中. 1. 2 层滑构造方向 利国矿区中层滑构造的发育与高角度正断层 主要为NNE和NW 方向断层 密切相 关，在高角度正断层的下部，由于岩层性质由刚性转变为软弱性质，断层的产状发生 了变化，即由切层转变为顺层滑动，并形成一套具层滑特征的变形构造组合，如煤层 的强烈流变，形态复杂的不对称、甚至倒转小褶曲等. 可以说，高角度正断层对层滑构 造的发育起到了重要的控制作用. 层滑构造的展布方向与高角度正断层近于一致，即主 要为NW -SE和近NS方向. 另外，由于岩浆岩的侵入上拱作用，在局部区域形成一定的势 能，产生了一些小规模的方向不定的层滑构造. 1. 3 层滑构造形成的时代 在区域构造作用下，矿井层滑断层一般都形成于某一构造运动时期. 对于利国矿区 来讲，层滑构造的发育主要受到高角度正断层的控制和岩浆活动的影响，因此应形成 在它们之后. 根据区域构造背景、断裂构造的相互切割关系及其所切割的地层特征等分 析，可知正断层主要形成于印支末至燕山早期，而岩浆活动则主要形成于燕山晚期. 因 此，利国矿区的层滑构造形成于燕山晚期之后，或者是喜山期的产物. 2 层滑构造与高角度正断层 利国矿区层滑断层较为发育，层滑构造现象也相当丰富. 由层滑作用造成的褶皱、 断裂、煤层流变等现象也经常可见. 利国矿区由于岩浆岩的强烈发育以及陡倾角断裂的 发育，有时可能会掩盖了对层滑构造的认识. 但是，通过研究发现利国矿的层滑运动也 是较为强烈的. 殷庄矿密集的高角度正断层与层滑构造的强烈发育，使矿井构造更趋复 杂化. 矿区内大量地质事实表明，层滑构造主要发育于高角度正断层之后，这主要表现 在层滑断层一般切割正断层或者由于正断层产状的改变而在软弱岩层中转变为顺层滑 动. 但也有的高角度正断层切断了层滑构造，这种现象仅在局部地段可见，可能是局部 构造作用的结果，在区内无普遍意义. 殷庄矿区7 2 东边界上山15 m 处的断层组合关系清楚地显示了层滑断层切割高角 度正断层，并且层滑构造受到大的正断层带的限制，仅发育于高角度正断层的NE盘， 而在SW 盘没有发育 图1 . 正断层及层滑断层都发育于山西组砂岩及泥质砂岩或页岩 中，正断层切割了岩层，倾角较大，甚至近于直立. 如该剖面的南端发育一组相对倾斜 的正断层，产状分别为2 0 0 ∠45和45∠8 6 ，两断层之间夹持着相对下降的块段. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 319. h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 53 中国矿业大学学报990 319 该组断层之上发育了一条基本顺层的层滑断层，该断层的产状与岩层产状变化一致， 始终保持着顺层的特点，由上至下岩层及断层产状均由15∠2 8 转变为15 ∠6 5，断层面具有舒缓波状变化. 在该层滑运动的影响下，层滑构造下盘岩层的变形 较为强烈，主要变形特征为挤压片理和褶曲构造. 在层滑断层的上盘可见到一产状为 16 0 ∠15的正断层，此断层终止于层滑断层面，推测其应为被层滑断层切割的高角 度正断层的一部分, 被切割后与岩层一起产生沿层滑面的位移, 在位移过程中，断层的产 状已发生了变化，由高角度被改造为低角度. 图1 殷庄矿7 2 东上山断裂构造素描图 Fi g . 1 Sk e t c h o f f a u l t s t r u c t u r e o f e a s t e r n r i s e e n t r y 7 2 , Yi n z h u a n g M i n e 在利国矿-410 m 平巷中可见阶梯状正断层形成之后，其上部又发育了一条产状很缓 的层滑断层 图2 ，层滑面平直，层滑面上擦痕及镜面发育. 层滑面向SE方向微倾斜，显 示了由NW 向SE滑移的特征. 而阶梯状正断层也是由NW 向SE方向依次下掉的. 反映了两 者运移方向的一致性. 但层滑断层没有切断阶梯状正断层. 这可能是高角度正断层在刚性 闪长岩中较为发育，位移明显，但当其进入到上部软岩层后，位移逐渐被塑性形变所 代替，并产生顺层滑移. 阶梯状断层在形成过程中向上延伸不是很远，再被层滑构造所 改造，断层就更加难以显示出其原始的产状及形变特征，阶梯状正断层明显地没有切 过层滑断层，故层滑运动应形成于阶梯状断层之后. 正是由于阶梯状正断层所造成的 NW 盘相对升高，SE相对下降的差异，才使得后期由NW 向SE的层滑作用更易于发生. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 319. h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 53 中国矿业大学学报990 319 图2 利国矿-410 m 平巷阶梯状正断层 及层滑断层 Fi g . 2 St e p n o r m a l f a u l t s a n d b e d d i n g -g l i d e f a u l t o f d r i f t -410 m , Li g u o M i n e 殷庄矿-2 50 m 平巷至7 2 采区下山可见层滑断层的下盘为闪长岩，上盘为煤层，但在 煤层下有一薄层炭质页岩，层滑面即沿该层软弱面发育，层滑面较为平缓，具有波状 起伏，但在南端倾角迅速变大，与一早期正断层重合 图3 ，说明该层滑构造的发育对 早期高角度正断层具有继承性. 图3 殷庄矿-2 50 m 平巷构造素描图 Fi g . 3 St r u c t u r a l s k e t c h o f d r i f t a t t h e l e v e l o f -2 50 m , Yi n z h u a n g M i n e 3 层滑构造与岩浆岩 层滑构造与岩浆活动的关系有两种可能一是层滑早于岩浆侵入，层滑带成为岩 浆的侵入通道；二是层滑运动晚于岩浆侵入，则层滑构造改造了岩浆岩的产出状态. 利 国矿区大量的地质事实表明本区的层滑运动应发生于岩浆侵入之后，主要表现在岩浆 岩往往构成了层滑构造的一盘，如在许多顺层侵入的岩浆岩侵入面上可见到近水平的 擦痕，另一方面岩浆岩对层滑构造的发育具有一定的限制作用，也说明岩浆岩侵入在 前. 利国矿区岩浆侵入首先是从深 部沿构造薄弱带上升到地壳浅部，然后顺地层柱中 的软弱层位顺层侵入. 这样在岩浆侵入活动结束后，岩浆岩也就成层状赋存于地层中， 如同增加了新的地层，正是由于岩浆岩是顺软弱岩层侵入的. 在固结后，其岩石性质与 邻近的岩层差别较大，这也就为层滑运动的发生打下了物质基础. 在利国矿区，岩浆岩 往往构成层滑构造的上盘或下盘与此不无关系. 图4是殷庄矿-310 m 西运巷层滑构造素描图，发育了上、下两部个层滑面，其间 为8 煤构成的层滑带，层滑带的上、下盘均为闪长岩，即上部闪长岩的底面和下部闪 长岩的顶面分别与层滑断层重合，层滑断层面相当光滑平直，层滑面上擦痕和镜面发 育，擦痕指示该层滑面具有右行扭动的特征，即在该区运动方向是向上爬坡的. 在运动 的前方两条层滑断层或者合并为一条，或者消失于破碎带中. 在层滑运动前方有一破碎 带，岩石强烈破碎，大小混杂，可能是上、下两条断层在此汇合，相互作用所致. 层滑 带中的8 煤为构造煤，但其间混杂有岩浆岩的透镜体，显然是在层滑运动过程中“俘 虏”了少量岩浆岩，从而也说明了层滑运动发生于岩浆侵入活动之后. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 319. h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 53 中国矿业大学学报990 319 图4殷庄矿-310 m 西运巷层滑构造素描图 Fi g . 4 St r u c t u r a l s k e t c h o f w e s t e r n d r i f t a t -310 m , Yi n z h u a n g M i n e 4 层滑构造的微观变形特征 层滑构造所造成的岩石变形，不仅在宏观上有较为明显的构造特征，而且微观上 也可见较为丰富的变形构造. 4. 1 显微脆性变形构造 由层滑运动所形成的构造岩主要特征是具有碎裂结构，显微裂纹主要为剪切裂 纹，张性裂纹发育较少. 殷庄矿7 2 东边界上山中的断裂构造岩，岩石性质为碎斑岩，石英等矿物颗粒被剪 裂纹切割后原始颗粒仍可识别，剪裂纹有时呈共轭“X”状出现 图5 ，两组剪裂纹的 方向分别为347 和2 8 5，反映了NW -SE向的挤压应力作用. 碎斑颗粒呈浑圆状，被颗 粒更加细小的石英及泥质等所胶结，泥质矿物多发生绢云母化. “X”剪裂纹并不仅限 于碎斑颗粒中，可以一直向碎基中延续，说明剪裂纹是在碎斑岩基本形成之后，再次 叠加了脆性变形，反映了不同应力作用的特点. 图5 殷庄矿断裂构造岩显微构造 Fi g . 5 M i c r o s t r u c t u r e o f f a u l t t e c t o n i t e i n Yi n z h u a n g M i n e f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 319. h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 53 中国矿业大学学报990 319 由层滑运动所形成的断裂构造岩有时具有定向排列的特点，即在构造岩薄片中， 碎斑的长轴沿某一方向具有显著的优选方位. 图6 所示的构造岩采于顺层滑动的砂岩 中，砂岩层具有微弱的褶曲，在这样一种既顺层滑动，又塑性弯曲的构造部位，岩石 的微观构造也呈现了定向排列的特点. 图6 殷庄矿7 1探巷2 号上山断裂构造岩显微构造 Fi g . 6 M i c r o s t r u c t u r e o f t e c t o n i t e o f r i s e e n t r y 2 o f p r o s p e c t i n g d r i f t 7 1, Yi n z h u a n g M i n e 4. 2 显微塑性变形构造 层滑断层中构造岩的塑性变形也相当发育，而某些塑性变形的构造的发育正说明 经历了多期构造运动影响，图6 所示的断裂构造岩的波状消光可达50 左右，某些颗粒 还发育了较为复杂的塑性变形. 图6 的中部石英颗粒发育了两组近于直交的变形带，有 时石英颗粒则可见一组变形纹及与之相直交的波状消光. 这些都反映了构造活动的复杂 性. 层滑构造断裂构造的脆、塑性微观变形相互叠加的特征反映了构造演化的复杂 性，虽然脆性裂纹是断裂构造的主要显微变形构造，但塑性变形的强烈发育，尤其是 变形纹，变形带等较高级塑性变形构造的发育反映了层滑作用过程中强烈的剪切应力 作用. 5 结 论 层滑构造对早期的高角度正断层具有继承性和改造作用. 多期构造运动使得矿井构 造十分复杂，并且造成了煤层的不稳定和强烈的流变作用. 通过以层滑构造为主线的矿 井构造研究，揭示了利国矿区矿井构造的发育规律，对正确认识矿井的构造并指导生 产具有一定的实践意义. *煤炭科学基金资助项目（96 地10 10 2 ） 作者简介 金法礼，男，1959年生，工程师 作者单位金法礼 姜 波 王桂梁中国矿业大学资源与环境科学学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 冀明君连云港煤炭公司 江苏徐州 2 2 10 11 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 319. h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 53 中国矿业大学学报990 319 姚爱宁盐城市矿务局 江苏徐州 2 2 10 11 参考文献 1 曹运兴, 彭立世, 候泉林. 顺煤层断层的基本特征及其地质意义. 地质论评，1993，39 6 52 2 ～52 8 2 彭立世，陈凯德. 构造煤和煤与瓦斯突出机制. 焦作矿业学院学报，198 8 3 2 3～2 5 3 王桂梁，朱炎铭. 论煤层流变. 中国矿业学院学报，198 8 3 16 ～2 5 4 王桂梁，龙荣生，徐凤银等. 矿井构造预测. 徐州中国矿业大学出版社，1993. 7 3～ 8 6 5 王桂梁，曹代勇，姜 波等. 华北南部的逆冲推覆、伸展滑覆与重力滑动构造. 徐 州中国矿业大学出版社，1992 . 12 1～135 收稿日期 1998 -12 -0 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 319. h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 53