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淺析煤層厚度變化的地質(zhì)成因

技術(shù)中心   陳鳳杰

摘要：系統(tǒng)的分析了影響煤層厚度變化的地質(zhì)成因，探討了地殼不均衡沉降、泥炭沼澤基底不平、褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造、巖漿侵入等地質(zhì)因素對(duì)煤層厚度變化產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：煤層厚度；原生變化；后生變化；地質(zhì)構(gòu)造

在煤礦生產(chǎn)中，影響礦井生產(chǎn)的地質(zhì)因素很多，主要有地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度的變化、礦井涌水、礦井瓦斯、巖漿侵入體及巖溶陷落柱等。煤層厚度變化是影響煤礦開采的主要因素之一，制約煤礦采掘工作的正常進(jìn)行，造成采掘比例失調(diào)，生產(chǎn)成本提高，工作效率降低及井田煤炭儲(chǔ)量減少等。

煤層厚度的變化可以分為原生變化和后生變化，分別是由不同的原因引起的。

1.原生變化

在構(gòu)成煤層頂板巖層的沉積物堆積之前，由于泥炭層受各種地質(zhì)作用的影響而導(dǎo)致煤層形態(tài)和厚度的變化。其主要原因有以下三種：

1.1 地殼不均衡沉降

由于構(gòu)造條件的不同，煤層在形成過程中，出現(xiàn)沼澤基底的差異性運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致煤層形態(tài)和厚度的區(qū)域性變化。有些地段沉降速度與泥炭堆積速度大致均衡，且在較長一段時(shí)間一直維持著這種平衡狀態(tài)，從而形成較厚的煤層；有些地段沉降速度與泥潭堆積速度均衡維持的時(shí)間較短，最終形成的煤層較薄；有些地段沉降具有“間歇性”，有時(shí)與泥炭堆積速度平衡，有時(shí)不平衡，出現(xiàn)煤層分叉、尖滅現(xiàn)象，形成馬尾狀煤層。

圖1 地殼不均衡沉降引起煤層厚度變化             圖2 馬尾狀煤層示意圖

1—每層；2—泥砂物質(zhì)；3—沉降速度變化

由地殼不均衡沉降引起的煤厚變化具有明顯的方向性，向著盆地沉降幅度大的方向，煤層變薄，層數(shù)增多，分叉、尖滅現(xiàn)象明顯；在平面上具有明顯的分帶性，由盆地邊緣到中心，或由中心到邊緣，依次為厚煤帶、分叉帶及尖滅帶。

1.2 泥炭沼澤基底不平

由于泥炭沼澤發(fā)育的古地形起伏不平，使泥炭層的堆積存在一個(gè)“填平補(bǔ)齊”的過程，因此煤層厚度隨著基底地形的高低而有所變化，這種成因的煤厚變化一般影響規(guī)模較大。

圖3 沼澤基底不平引起煤層厚度變化      1—煤層底板；2—煤層；3—煤層頂板

由于泥炭沼澤基底不平形成的煤層底板起伏不平，頂板面比較平整；煤層變薄以至尖滅的方向指向基底凸起的位置；煤層層理與頂板平行，而與底板不平行。

1.3 煤層的同生沖蝕

煤層同生沖蝕是指在泥炭堆積過程中，由于河流海浪對(duì)已堆積的泥炭層沖蝕并在被沖蝕的位置代之以相應(yīng)碎屑或化學(xué)沉積，之后再接受頂板沉積物堆積，造成煤層厚度和形態(tài)上變化。包括河流的同生沖蝕和海浪的同生沖蝕。

河流同生沖蝕是沼澤中發(fā)育的河流對(duì)泥炭層沖蝕的結(jié)果。河流沉積物在平面上呈彎曲條帶狀，在剖面上呈透鏡狀；河流同生沖蝕帶附近煤層厚度變薄，夾石層數(shù)增多，灰分增高，但面積和深度不大；河流沉積物一般為碎屑巖，且與煤層有共同的頂板。

圖4 河流同生沖蝕示意圖

海浪同生沖蝕是濱海沼澤中堆積的泥炭層，被海水上漲淹沒后遭受海浪沖蝕的結(jié)果。這種情況下形成的煤層頂面凸凹不平，具有大小不等的凹坑和溝槽，頂板常為石灰?guī)r。

圖5 海水同生沖蝕引起煤厚變化

2.后生變化

泥炭層被沉積物覆蓋以后或整個(gè)煤系形成以后，由于內(nèi)、外力地質(zhì)作用引起煤層形態(tài)和厚度的變化。其主要原因有河流的后生沖蝕、構(gòu)造變動(dòng)、巖漿侵入等。

2.1 河流的后生沖蝕

當(dāng)煤層頂板形成以后，一定地質(zhì)時(shí)期地面發(fā)育的古河流向下切割沖蝕，將煤層上部沉積物或巖層切割沖蝕，繼續(xù)進(jìn)行下去，可以將煤層甚至底板進(jìn)一步?jīng)_蝕，使煤層厚度變薄或中斷。

圖6 河流后生沖蝕示意圖

河流后生沖蝕，在平面上沿古河流展布方向呈條帶狀分布，可形成大面積的薄煤帶或無煤帶；煤層及煤層的正常頂板均遭到?jīng)_蝕破壞；沖蝕帶附近煤層光澤暗淡，灰分增高，煤質(zhì)變差。

2.2 構(gòu)造變動(dòng)對(duì)煤層厚度變化的影響

在地殼運(yùn)動(dòng)影響下，巖層受地應(yīng)力的長期作用發(fā)生塑性變形，而形成波狀彎曲，這種構(gòu)造形態(tài)稱為褶皺構(gòu)造。褶皺構(gòu)造中的一個(gè)彎曲稱為裙曲，它是組成褶皺構(gòu)造的基本單位，褶曲主要有兩種基本形態(tài)：背斜和向斜。煤層形成之后，由于強(qiáng)烈的構(gòu)造變動(dòng)，使被限制在堅(jiān)硬的頂?shù)装鍘r石之間呈塑性的煤從壓力大的地方向壓力小的地方發(fā)生塑性流動(dòng)，造成煤層局部變薄、增厚、尖滅等變化。

2.2.1 褶皺構(gòu)造對(duì)煤層厚度的影響

構(gòu)造變動(dòng)引起的煤厚變化在褶皺構(gòu)造中表現(xiàn)比較明顯。在水平擠壓力作用下，煤層形成褶皺的同時(shí)，由于褶曲兩翼受力大于軸部．煤由壓力大的地方向壓力小的地方發(fā)生塑性流動(dòng)．造成背、向斜軸部煤層增厚，兩翼煤層變薄，有時(shí)可形成串珠狀或藕節(jié)狀煤層；在垂直壓力作用下，褶曲軸部壓力大于兩翼，此時(shí)背斜軸部煤層厚度變薄，而兩翼煤層增厚。

圖7 側(cè)壓力作用下煤層厚度變化              圖8 垂向壓力作用下煤層厚度變化

2.2.2 斷裂構(gòu)造對(duì)煤層厚度的影響

斷裂構(gòu)造對(duì)煤層厚度的影響較褶皺構(gòu)造而言稍微較弱一點(diǎn)．表現(xiàn)在斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、分布密度等不同程度地影響煤層的空間分布和厚度及深度變化。

斷層引起的煤厚變化直接破壞了煤層的連續(xù)性，增加了開采的難度。在斷層附近，煤層厚度都會(huì)出現(xiàn)不同程度的加厚帶和變薄帶現(xiàn)象，一些逆斷層兩側(cè)可能出現(xiàn)煤層的逆掩重疊或擠壓聚集，形成厚煤帶；而一些正斷層由于引

張拖拽作用，可導(dǎo)致斷層附近上、下盤煤層厚度變薄。

圖10  逆斷層造成煤層厚度變化

由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的煤層增厚或變薄處，煤層結(jié)構(gòu)遭到破壞，灰分增高，頂板多不完整，裂隙發(fā)育；煤層變厚和變薄帶在平面上相間出現(xiàn)，呈條帶狀延伸，并與主要構(gòu)造線方向一致。

2.3 巖漿侵入對(duì)煤層厚度變化的影響

由于煤層無論力學(xué)性質(zhì)還是化學(xué)性質(zhì)，相對(duì)于圍巖都是比較薄弱的部分，因此巖漿容易侵入到煤層中。 

巖漿侵入煤層，產(chǎn)狀主要為巖墻和巖床，巖墻斜交或垂直穿過煤層，對(duì)煤厚影響不大；巖床呈層狀、似層狀等順煤層侵入，煤層原始結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)遭到嚴(yán)重破壞，甚至大片煤層被吞食或變成天然焦，失去工業(yè)價(jià)值。

3.結(jié)語

引起煤層厚度變化的原因很多，煤層厚度變化往往是多種因素共同作用的結(jié)果，其中某種因素是主導(dǎo)因素。在褶皺和斷層均發(fā)育的地區(qū)，煤層厚度變化受斷層和褶皺雙重影響，增厚、變薄、分叉、尖滅現(xiàn)象頻繁，煤層常呈透鏡狀、藕節(jié)狀、串珠狀等。對(duì)同一礦區(qū)來說，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響煤層厚度變化基本規(guī)律不變。通過分析影響煤層厚度變化的主要地質(zhì)構(gòu)造因素，對(duì)煤礦合理布置采掘巷道、提高采掘效率具有一定的實(shí)際意義。

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