高教授-古交构造、沉积及水文地质课件-高克德教授

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 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 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 8 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第二部分煤层沉积规律 10 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 第三

2、部分古交水文地质条件 17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，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

3、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

4、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，活跃的地区称为地梢区。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，而地梢区则比其他地梢区活动性小。这是指比欧洲、美国的地台区地梢区。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。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

5、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

6、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梢区，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

7、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。1BEnR*,tm* mi附a WFV二8ia工叠出修”来中百北孤，尾横 其（相立履的萼9H巨电昌vim了附修事M右鼻雷 忙曰，&自三jM ：8%- ” ”丁 曲人 i7Lf rtfm,8K * SBL -1 -utaviajR图1-1祁吕山字型构造示意图, famI ! J 1； 0J”filLb ! nan hhvvj pUsi hM-V图1-2山西省地质图0 W 60 km i图1-3山西省构造图sp igo 公里图io山西台背斜构造分区示意图I内蒙台背斜II鄂尔多斯吉向斜III伏牛-大利台背斜iv秦岭汽 8T带V河港台

8、向斜VI燕山沉陷带 VH山西台背斜VH1太行包折带 门k吕隼穿折带VII,我定为折带VII4五台台凸VIJ,中条台凸VH.埸 关台回vnir沁水g凶VTT*伊洛凹折带virB群乐-大同内战新陷Vih.汾 同内建断陷.一L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

9、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。水平挤压力图1-3单一应力场下形成的各种构造示意图水平挤压力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 30 50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

10、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，具断层面有所不同，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

11、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 （

12、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，近南北向的鄂尔多斯、晋北、吕梁、鲁东隆起以及北西向的 伏牛一大别隆起等；主要

13、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。10中阈泉部地层等厚及岩相分佛示意图中上石炭系所二送菜二选聚随粕mu料毒集图2-1中国东部地层等厚线及岩相分布示意图中上E康墨 房M交互H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11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

14、的厚度变化很大， 仅反映海进方向东厚西 薄。但华夏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，另在大同一静乐断陷 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。

15、120LR1千鞋I.制航。O.Ui 0支 XI 2.TH01上工h图2-2古交煤矿分布图13图2-3原相煤矿02号煤层等厚线图图2-4原相煤矿2号煤层等厚线图14图2-6原相煤矿6号煤层等厚线图15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16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

16、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， 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 条是共钝北西方向的扭性正断层， 这是比较发育的地块

17、。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。17区域地质及矿井分布图k 200000图3-1区域地质图及矿井分布图18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

18、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19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