滕南煤田蔡园煤矿断裂构造特征与导水裂隙带研究

摘要

煤矿工作面突水是矿山开采中面临的重大威胁，如何有效预测与控制突水不仅涉及煤层开采的经济成本，而且也涉及井下工人的人身安全。大量煤矿突水案例表明，断裂构造是煤矿突水的一个重要控制因素，因而查明断裂构造的发育特征是解决蔡园煤矿工作面内突水问题的一个重要切入点。
　　本文基于井下地质考察，综合利用地震、钻井等资料，查明了蔡园煤矿主要断裂的构造样式类型及运动学特征；依据断层分维学方法对矿井范围内断层分维特征进行定量评价研究；运用断层封闭性评价的方法对主含水断层进行了封闭性特征研究；运用理论计算、数值模拟结合实测验证探讨了工作面内导水裂隙带高度及对工作面开采的影响。综合分析上述结果，对研究区进行了分区分类突水预测。取得以下成果：
　　（1）蔡园煤矿断裂构造样式类型多样，走滑构造样式类型包括雁列式、花状式、帚状式及锯齿状；伸展构造样式包括并列式、梳头及阶梯状；挤压构造样式包括人字状、X型状及叠瓦状。
　　（2）蔡园煤矿成煤期以来至少经历了两期挤压与两期伸展构造活动：第一期挤压是发生于蒙阴组沉积之前的早中侏罗世，第二期挤压是发生于蒙阴组沉积之后的晚白垩世-新生代；第一期伸展发生于早白垩世，第二期伸展主要于第四纪。
　　（3）发育于晚白垩世时期的近SN向断裂，切割到第四系底部，对矿区工作面是否突水起到关键性控制作用，边界主干断层（朱梅集断层）是重要的含（导）水断层。
　　（4）主干断层F78断层侧向与垂向封闭性较好，引起工作面突水可能性不大。
　　（5）从断层分维特征看，Ⅰ区（<1.3）：在矿区西南部，F78断层以南的区域，属于较安全区域；Ⅱ区（1.3~1.5）：在矿区中北部，F78断层以北的区域，作为Ⅰ区和Ⅲ区的过渡带，突水危险性中等；Ⅲ区（>1.5）：分布于矿区边缘的边界断层和呈北西-南东向横穿矿区中部的F78断层，该区域受多期挤压与破坏，在该区域断裂发育密度高，断层带附近岩层较为破碎，导水性较强，为重要突水预防区。
　　（6）从本矿和邻矿开采实践看，数值模拟导水裂隙带高度24.7m与现场实测值21.5m，二者具有良好的一致性，即正常开采条件下不会破坏到矿区主要含水层。因此，对于开采3煤层，其顶板上方最大导水裂隙带高度选取24.7m是安全的。

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ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 课题研究目的与意义

1.2 研究现状和存在问题

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 论文的创新点

1.5 完成的主要工作量

2 蔡园煤矿地质特征

2.1 地层特征

2.1.1 区域地层

2.1.2 井田地层

2.2 构 造

2.2.1 区域构造发育特征

2.2.2 区域构造演化特征

2.3　岩浆活动

3 蔡园煤矿断裂构造的几何学与动力学特征

3.1 蔡园煤矿断裂构造的几何学

3.1.1 蔡园煤矿主干断层的几何学

3.1.2 蔡园煤矿断层的构造样式与类型

3.2 4301工作面断裂构造几何学、运动学及其成因

3.2.1 断裂构造几何学

3.2.2 43201工作面断裂构造运动学及成因

3.3 4303工作面断裂构造几何学与动力学

3.4 4305工作面断裂构造几何学与动力学

3.6 4309工作面断裂几何学与动力学

3.7 4310工作面断裂构造几何学与动力学

3.8 蔡园煤矿断裂构造的动力学成因及演化

3.9 小结

4 蔡园煤矿主干断层的封闭性特征

4.1 断层封闭性原理

4.2 断层封闭能力的评价

4.2.1 断层侧向封闭性

4.2.2 断层垂向封闭性

4.3 研究区断层封闭性评价

4.4 断层封闭性综合评价

4.4.1 断层封闭性综合评价方法

4.4.2 断层封闭性综合评价

4.5 小结

5 蔡园煤矿断裂构造分维特征

5.1 蔡园井田煤层断裂网络分维值计算

5.1.1 盒维法

5.2 分维理论在煤矿地质中应用

5.2.1 断裂构造分维值计算

5.2.2 断裂构造分维值分区

5.3 小结

6 蔡园煤矿导水裂隙带高度的发育特征

6.1 导水裂隙带高度的理论分析与计算

6.1.1 导水裂隙带主要影响因素

6.1.2 导水裂隙带的理论计算

6.2 导水裂隙带的数值模拟

6.2.1 基本假设

6.2.2 数值计算模型

6.2.3 物理模型的建立及几何边界条件

6.2.4 模拟结果分析

6.3 导水裂隙带高度现场实测

6.4 导水裂隙带高度综合成果对比

6.5 小结

7 蔡园井田突水区域初步预测

7.1 基于断裂构造特征进行突水危险性预测

7.2 基于断裂构造分维特征的突水危险区预测

7.3 基于导水裂隙带的突水区域预测

7.4 蔡园煤矿突水区域综合分析

8 结论

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表的论文