田岗断层产状的确定方法_秦显臣.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY 2.微山崔庄煤矿有限责任公司，山东微山277600 Vol. 41 No.6 Dec. 2013 摘要搞清断层赋存状态对矿井安全生产至关重要．针对目前以范围表示方法确定断层产状存在 精度不足的问题，山东崔庄煤矿通过在井下施工断层探孔，探明了田岗断层地质层位关系等情况， 并运用平面投影法和矿体几何要素较准确地确定了田岗断层的产状要素，包括断层倾角、断层落 差和断层走向等，从而取代了通常对断层产状较模糊的范围表示法．本研究方法原理简单，易于 掌握，其计算结果比原有地质资料更加准确可靠。 关键词断层产状；矿体几何；断煤支线 中图分类号P618.1102文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.100 l-1986.2013.06.004 for identifying the occurence of Tiangang fault QIN Xianchen 1, SUN Xiangchang1, BAN Xunhai2, ZHENG Bobo 1, HUANG Jinjin 1 1. Wenshang Yiqiao Coal Mine Co., Ltd, Jining 272511, China; 2. ff告ishanCuizhuang Coal Mine Co., Ltd, W切shan277600, China Abstract It is critical to make clear fault occuπence for safe production in coal mines. Through drilling under- ground boreholes to detect a fault in Cuizhuang mine, the relationship of geologic horizon of Tiangang fault was identified. By using the geometric data and planar projection of the seam, the occuηence elements of Tiangang fault including dip, throw and strike were relatively accurately determined, replacing the ordinary vague extent representation of fault occuπence. The used in the paper is simple in the principle, easy to master. Its cal- culation results are more accurate and more reliable than the existing geologic data. It provides technical suppo口 for realization of refined mining in coal mines and has reference value for mining areas with similar geologic and mining conditions. Key words fault occuηence; ore geome位y;intersecting line of disrupted coal seam 利用实测钻孔三维空间数据确定井下断层产状 是地质工作中一项重要的基础工作其对矿山的安 全生产至关重要。目前，对断层产状要素等地质特 征的确定以范围表示方法为主，因其结果范围较宽， 精确度不足，很难指导矿井安全生产。针对这种情 况，本文基于矿体几何知识，在山东崔庄煤矿井下 施工断层探孔并取岩心，分段记录钻孔关键地质信 息，然后运用平面投影法及矿体几何信息，较准确 地确定了断层产状等地质要素。这项研究成果为矿 井实现精细化开采提供了技术依据［1-3］。 1 断层探孔概况 为保证矿井安全生产，按煤矿安全规程 的规定，在崔庄煤矿三采区回风巷掘进迎头安全 收稿日期2012-11-07 基金项目山东省自然科学基金项目（ZR2009EM002 距离内施工探放水嗣室，打钻探测该矿田岗断层 的富水性，并进一步确定该断层产状要素等地质 特征。 1.1 钻孔位置 分别在崔庄煤矿三采区回风巷打钻响室下帮和 巷顶下1.5m处打了3个钻孔（1号、2号、3号）。1号孔 位于3上煤上山方向，距三采区回风巷10.5m；其他 两个钻孔位于3上煤下山方向，2号孔距三采区回风巷 12.5 m, 3号孔距三采区回风巷14.5m。 1.2 钻孔几何要素 a.钻孔长度1号钻孔的平距和斜距分别为 112.8 m、120m; 2号钻孔的平距和斜距分别为 128.2 m、128.5m; 3号钻孔的平距和斜距分别为 116.2 m、124.5m。 作者简介秦显臣（1982一），男，山东邹城人，助理工程师，从事工程地质与煤矿开采工作． ChaoXing 16 煤田地质与勘探第41卷 b.钻孔倾角1号、2号、3号钻孔的倾角分别 为－20。、斗。、－21。。 c.钻孔方位角1号、2号、3号钻孔的方位角 分别为307。、313。、314。45’。 d.标高打钻啊室巷顶标高为－234.516m，孔 口标高约为一236.0m。 1.3 钻遇断层情况 1号钻孔斜距108m见断层上盘，此位置平距 为101.5m。钻探过程中无水，通过取心获得田岗断 层上下盘位置。如图la所示。 2号钻孔斜距110m见断层上盘，此位置平距 为109.7m; 2号钻孔斜距125.6m见断层下盘，此 位置平距为125.3m。钻探过程中，当钻进到25m, 有微量水；钻到31m时，水量为3m3/h；疏放2d 后降为1.5m3/h；继续钻进，水量逐渐减小，最终 无水。如图lb所示。 3号钻孔斜距105m见断层上盘，此位置平距 为98.0m; 3号钻孔斜距120.0m见断层下盘，此位 置平距为112.0m。钻探过程中无水，通过取心获得 田岗断层上下盘位置。如图le所示。 钻探嗣室 2占去孔方位313。，倾角斗。，126～127m之间由黑色11煤泥岩进入细砂去 b 钻探嗣穹 c 图l钻孔剖面图 Fig. 1 The profiles of boreholes 2 断层倾角的确定 2.1 理论模型［4-6] 已知3点坐标Ax1,Y1, z1, B（巧，Y2,z2, C（.坷， Y3, Z3），则向量ABx2-X1,Y2-Y1, z2-z1, ACx3-X1, YrY1, z3-z1）。 设面ABC的法向量n＝巾，y,z），则向量AB与法向 量n的数量积为零；向量AC与法向量n的数量积为 零。即待定系数求法向量n，方程组为 x2-x1 x Y2-Y1 y z2-z1 zO xrx1 x y3-y1 y Z3-z1 zO 法向量n非零实数的解不唯一，任取一组。法向 量n确定之后，EP可确定法向量n与“X轴，Y轴所在 平面”的夹角α，则断层倾角为 P90。一α 2.2 断层倾角的求解 已知打钻啊室巷顶和孔口的标高分别为 -234.516 m和一236.0m。孔口平面坐标在资料图中量 ChaoXing 第6期秦显臣等回岗断层产状的确定方法 17 取（孔口平面坐标也可以取假定坐标值，即建立独立 平面坐标系，对所求结果无影响）。 根据图1所示的各孔信息，求得1、2、3号孔与断层 面充点坐标分别为A3862 884.187, 39 498 890.941, -272.938; B3 862 899 .111, 39 498 892.593，一243.673; C3 862 894.266, 39 498 903.803，一273.629）。向量 ABl4.924, 1.651, 29.265; ACl0.079, 12.862, -0.691）。 设面ABC的法向量nx,y,z），则有 l 4.924x l .65 ly29 .265zO 10.079x l 2.862y-0.69 lzO 求得x二2.1536z, yl.741 3z, zz。该方程组非零 实数的解不唯一，任取一组 nx,y,z -2.153 6, 1.741 3, 1）（即令zl 法向量n向X轴、Y轴所在平面投影，即可求得 α＝19。51’，P90。-a70。09’ 即断层倾角为70。09’，如图2所示。 由于原地质勘探确定的田岗断层倾角为75。，而 本次钻探确定的田岗断层倾角为70。09’，说明本次 钻探确定的田岗断层倾角较准确。 图2断层倾角求解示意图 Fig. 2 The schematic diagram of fault dip solution 3 断层落差的确定（7-9] a.利用1号钻孔分析断层的落差。已知打钻啊 室1号钻孔的标高为－236.0m，倾角为20。，在该钻 孔剖面图上，利用三角形原理可得出断层处3上煤底 板的标高Hu-10lsin20。）＋（-236.0 -270.544 m。 b.在图3中，由3上煤底板处A点作倾向线与89--4 点处等高线的延长线交于一点B,HAH，阳＝－270.544, LA3.905 m，则 Ha＝皮「LA8tan5-270.886 m c.由89-4点可以推知，点B煤层底板标高为 HoHs9-4 -163.97 m d.可知田岗断层的落差为 HHo-Hn二270.886163.97106.916m e.此次探测之处落差为106.916m，但在同一断 层的其他部位落差可能在80-180m。 综上所述，通过打钻探测以及计算得到的断层 倾角为70。09’，断层落差为106.916m，这些数据符 合田岗断层的实际地质情况。 图3三果区回风巷田岗断层探放水钻孔平面图 Fig. 3 The borehole layout for water drainage ofTiangang fault 4 断层走向的确定 4.1 根据3上煤底板与断层交点求解断层走向 a.在1号钻孔剖面图上可确定3上煤底板与断层 交点Jl、如煤底板与断层交点刀，以及Jl-J3的水 平投影距离D2.177m，如图4所示。 图41号钻孔平面投影要素确定图 Fig. 4 The planar projection elements of borehole No. I b.首先，在3号钻孔剖面图上确定3下煤底板与 断层交点J4，然后再根据a中确定的断层面上3上煤底 板与3下煤底板相对位置（D2.177时，在3号钻孔剖 面图上作出3上煤底板与断层交点J2，如图5所示。 图53号钻孔平面投影要素确定图 Fig. 5 The planar projection elements of borehole No.3 c.把JI、J2点投影到平面图上分别得到TJI、 TJ2点。 d.在平面图上，TJl与TJ2连线方位即为断层走 向。由图6可得出，实测断层走向为53。46’。 e.断层走向方位对比。在图6中量取原田岗断 ChaoXing 18 煤田地质与勘探第41卷 层走向为53。57’，本次钻探实测田岗断层走向为 53。46’，二者差值很小，说明根据3上煤底板与断层 交点确定的断层走向的方法是可行的，因此，实测 值53。46’作为田岗断层走向是准确可靠的。 根据图4、图5可量测计算出“钻窝”至“田岗断层 与3上、3下煤底板交点”平距，如表1所示。 图63上煤断层走向确定平面图 Fig. 6 The plane for determination of fault strike in upper seam No.3 表1钻窝至田岗断层与3上、3下煤底板交点平距 Table 1 Horizontal distance from the drilling pad to the intersecting point of Tiangangl fault and coal seam 钻窝至田岗断层与钻窝至四岗断层与 钻孔 3立煤底板交点平距Im3亨煤底板交点平距Im 号号号 ’A 句，＆句3 104.473 102.296 100.385 98.208 4.2 根据3下煤底板与断层交点求解断层走向 求解过程与4.1“根据3上煤底板与断层交点求解 断层走向”相同。 a.在1号钻孔剖面图上，可确定3下煤底板与断 层交点刀，如图4所示。 b.在3号钻孔剖面图上，可确定3下煤底板与断 层交点J4，如图5所示。 c.把刀、J4点投影到平面图上，分别得到平面 投影点TJ3和TJ4。 d.在平面图上，TJ3与TJ4连线方位即为断层走 向，得出实测断层走向为54。00’。 e.断层走向方位对比 在图6中量取原田岗断层走向为53。57’，与实际 测量值差值很小，说明根据3下煤底板与断层交点确 定的断层走向的方法是可行的。因此，实测值54。00’ 作为田岗断层走向是准确可靠的。 4.3 断层走向的确定 根据3上煤底板与断层交点确定断层走向为 53。46’，根据3下煤底板与断层交点确定断层走向为 54。00’，两者平均值为53。53’。该实测平均值与图6 中量取原田岗断层走向值53。57’相差很小，说明实 测值较为可靠，最终断层走向确定为53。53’。 5结论 a.运用解析几何法求解出田岗断层倾角为 70。09’，并与原地质勘探确定的田岗断层倾角75。进 行对比，两者差值较小，说明本次钻探确定的田岗 断层倾角比较准确。同时，也说明了运用解析几何 法求取断层倾角的方法是可行的，得到的结果是比 较准确、可靠的。 b.运用平面投影法及矿体几何知识，计算得到 田岗断层落差为106.916m，该值落在原地质勘探确 定的落差80～180m内。 c.通过平面投影法及CAD图解法，根据3上煤 底板与断层交点的平面投影确定了田岗断层走向为 53。46’，根据3下煤底板与断层交点平面投影确定了 田岗断层走向为54。00’，两者平均值为53。53’。该 实测平均值与原地质勘探确定的田岗断层走向值 53。57’相差很小，说明实测值较为可靠，最终田岗 断层走向确定为53。53’。 参考文献 [I］黄桂芝，吴强，张迎新．断层两盘矿层产状变化条件下真伪 地层断距间关系式的探讨［巧．矿业安全与环保，20016 35-36. 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