姚家山矿千米立井井壁稳定性及支护技术研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 姚家山矿千米立井井壁稳定性及支护技术研究 姓名刘兵晨 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师宋选民 201205 太原理工大学硕士研究生学位论文 姚家山矿千米立井井壁稳定性及支护技术研究 摘要 ．煤矿深部开采时，立井井筒是连接地面和地下开采空间的重要通道，． 在整个矿井寿命期对矿山生产具有重要的意义。深立井的支护问题一直是 矿井建设中常见的难题，尤其是千米立井的支护问题。本文中研究的姚家 山矿煤层埋深达1 0 0 0 米，远景储量埋深超过1 3 0 0 米，目前没有查到对千 米深的井筒合理支护参数的研究，本文正是针对千米立井支护进行研究， 为将来姚家山矿开采提供理论依据。 本文以姚家山矿副立井为研究对象，采用理论分析、现场实测和数值 模拟计算相结合的研究方法，对姚家山矿副立井开挖后围岩应力分布规律、 围岩位移规律和合理的井壁参数进行研究，得出的结论主要有 1 通过统计分析我国地应力实测资料，得出了地壳浅部应力变化规 律，回归出了最大最小水平应力计算公式，为分析姚家山矿应力情况提供 j 了依据。 2 预测了井筒围岩位移和井壁厚度。通过分析井筒开挖后围岩应力 分布规律和计算立井地压，根据围岩与支架相互作用原理，利用井筒衬砌 反力与井筒位移的关系式，对井筒围岩位移和井壁厚度进行了预测。 3 通过对李村矿的地应力现场实测验证了地壳浅部应力回归公式的 正确性，根据公式计算了姚家山矿千米深度的应力水平。 4 提出了姚家山矿副立井合理的支护参数。建立了井筒模型，用三 维离散元软件模拟分析了井筒开挖和支护后的围岩位移。对不同支护方案 太原理工大学硕士研究生学位论文 的支护效果进行分析对比，给出了井筒的合理支护参数，并根据理论预测 对其做了准确性验证。 关键词千米立井，井壁稳定性，井筒支护，围岩稳定性，支护参数，三维 离散元 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 R E S E A R C HO NS I D E Ⅵ，A L LS T A B I L I T YA N D S U P P O R TT E C H N O L O G YI NT H O U SA N DM E T E R S V E R T I C A LS H A F TO FY A O J I A S H A NM I N E A B S T R A C T V e r t i c a ls h a f ti st h e i m p o r t a n tp a s s a g ec o n n e c t i n g t h e g r o u n d a n d u n d e r g r o u n dm i n i n g 。s p a c ed u r i n gd e e pm i n i n g ，w h i c h h a s i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o rm i n i n gp r o d u c t i o no f t h ew h o l em i n ep e r i o d ．T h es u p p o r to f d e e pv e r t i c a ls h a f th a sa l w a y sb e e nac o m m o np r o b l e m i nt h ep r o c e s so fm i n e c o n s t r u c t i o n ，e s p e c i a l l y t h a to fk i l o m e t e rv e r t i c a ls h a f t ． C o a ls e a m _ o f Y a o j i a s h a nm i n em e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sa sd e e pa so n e t h o u s a n dm e t e r sa n d t h ed e p t ho fp r o s p e c t i v er e s e r v e si sm o r et h a no n et h o u s a n da n dt h r e eh u n d r e d m e t e r s ，h o w e v e r , t h e r ei sn or e s e a r c ha b o u tr e a s o n a b l es u p p o r tp a r a m e t e r so f k i l o m e t e rs h a f t ．T h i sp a p e ri sa i m i n ga tt h er e s e a r c ho fk i l o m e t e rv e r t i c a ls h a f t ， w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h em i n i n go fY a o j i a s h a nm i n ei nt h e f u t u r e ． T h ea s s i s t a n tv e r t i c a ls h a f to fY a o j i a s h a nm i n ew a se h o s e ni nt h i sp a p e r ． ．S u r r o u n d i n gr o c ki nS h a f te x c a v a t i o n ，s u r r o u n d i n gr o c k sd i s p l a c e m e n tl a wa n d r e a s o n a b l es h a f tl i n i n gp a r a m e t e r so fa s s i s t a n tv e r t i c a ls h a f to fY a o j i a s h a nm i n e w e r es t u d i e d b yc o m b i n i n g t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，f i e l d m e a s u r e m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ．D r a wt h em a i nc o n c l u s i o nt h a t 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 T h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s e so nm e a s u r e dr e s u l t so fg e o s t r e s so f o u r c o u n t r y , c o n c l u d e ds h a l l o wc r u s ts t r e s sr e g r e s s i o nc h a n g el a wa n dm a x i m u m a n dm i n i m u ml e v e ls t r e s sc a l c u l a t i o nf o r m u l a ，w h i c hp r o v i d e db a s i sf o rt h e a n a l y s i so f s t r e s sc o n d i t i o no f Y a o j i a s h a nm i n e ． 2 P r e d i c t e ds h a l ls u r r o u n d i n gr o c k sd i s p l a c e m e n ta n dt h i c k n e s so fs h a f t l i n i n g ．T h r o u g ha n a l y s i s i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c ki ns h a l l e x c a v a t i o na n dc a l c u l a t i n gg r o u n dp r e s s u r eo fv e r t i c a ls h a f ta n da c c o r d i n gt o p r i n c i p l eo f i n t e r a c t i o nb e t w e e ns u r r o u n d i n gr o c k sa n ds t e n t s ，u s i n gt h er e l a t i o n b e t w e e nt h el i n i n gr e a c t i o nf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fs h a f tt om a k eap r e d i c t i o n o fs h a l ls u r r o u n d i n gr o c k sd i s p l a c e m e n ta n dt h i c k n e s so fs h a f tl i n i n g ． 3 A c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n to fg e o s t r e s so fL iv i l l a g em i n e ，i ti s p r o v e dt h ea c c u r a c yo fs h a l l o wc r u s t s t r e s s r e g r e s s i o nf o r m u l a ．A n dw e c a l c u l a t e dt h ek i l o m e t e rd e e ps t r e s sl e v e lo f Y a o j i a s h a nm i n e ． 4 T h i sp a p e rp u tf o r w a r dr e a s o n a b l es u p p o r tp a r a m e t e r sf o rt h ea s s i s t a n t v e r t i c a ls h a l lo fY a o j i a s h a nm i n e ．E s t a b l i s h e dt h es h a l lm o d e la n dt h r e e d i m e n s i o n a ld i s t i n c te l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i sf o rs h a f te x c a v a t i o na n d d i s p l a c e m e n t o fs u r r o u n d i n gr o c ka f t e r s u p p o r t i n g ．R e a s o n a b l es u p p o r t p a r a m e t e r so fs h a l lh a v eb e e np u tf o r w a r db ya n a l y s i s i n gt h es u p p o r te f f e c to f d i f f e r e n t s u p p o r ts c h e m e s ，w h i c h h a v e b e e ng i v e n a c c u r a c y v e r i f i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n ． 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 K E YW O R D S k i l o m e t e rv e r t i c a ls h a f t ，b o r e h o l es t a b i l i t y , s h a f ts u p p o r t ， s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k ，s u p p o r tp a r a m e t e r , t h r e ed i m e n s i o n a ld i s t i n c t e l e m e n tm e t h o d 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 论文研究背景及意义 第一章绪论 中国的能源种类的结构比例，决定了我国是世界上最大的煤炭生产与消费国，预计 到2 0 2 0 年煤炭仍占一次性能源的7 0 ％，随着国家经济的快速发展，社会对能源的需求 量日益增加，而浅部易采的优质资源日趋枯竭，因此国内煤矿的产量规模不断地扩大， 矿井的开采深度不断增加是一个必然趋势。我国淮南、徐州、新汶、长广、开滦、北栗、 沈阳、鸡西、抚顺、峰峰、大屯、鹤岗、天府、通化、广旺、平顶山、水城、舒兰等矿 区已进入深部开采，沈阳的彩屯矿采深已接近1 4 4 9 m ，我国煤矿开采深度正以每年 8 ～1 2 m 的速度向深部延伸【1 j 。 目前，为了满足国家和山西经济发展的需要，山西潞安环保能源开发股份有限公司 生产矿井已经开始开发深部的煤层资源，与此同时加快矿井建设的步伐，积极地开发建 设新的接替矿井，而这些矿井多处于埋藏深度为6 0 01 0 0 0 m 的深部区域。即将开工的 姚家山矿井煤层埋深达1 0 0 0 米，远景储量埋深超过1 3 0 0 米；规划开采的丰宜矿井、河 神庙矿井埋深也达到8 0 0 米。 矿井进入深部开采后，随着地下井巷围岩应力的升高，浅部所谓的“硬岩”在深部高 应力环境中则将表现为软岩的变形特征。软岩是世界上分布最广泛的一种岩体，其中泥 岩与页岩就占地球表面所有岩体的5 0 ％左右，潞安矿区中软岩普遍存在，因此，矿山 深部开采过程中所产生的岩石力学问题已引起了国内外专家学者的高度重视，是目前地 下工程中的主要技术难题之一。 煤矿深部开采时，立井井筒是连接地面和地下开采空问的重要通道，在整个矿井寿 命期对矿山生产具有重要的意义。深立井的支护问题一直是矿井建设中常见的难题，尤 其是千米立井的支护问题，因此，如何确保井筒支护的安全性、可靠性，是保证矿井建 设及正常安全生产的关键性基础工作[ 2 1 。人们对深立井井筒的支护设计往往参照浅部立 井的成功经验，但深立井穿越的地层较浅部井筒来说要复杂的多，尤其是姚家山矿副立 井施工时要穿过厚表土层和不稳定岩层达到深部软岩。对于千米深的井筒支护没有查到 系统的研究成果可以借鉴，本文对千米立井稳定性及支护技术的研究为深部资源的开采 提供了工程参考和理论依据，具有不可忽视的意义。 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 竖井支护方法 井筒掘进一定深度后，应及时的进行支护，以支承地压、封堵涌水以及防止岩石风 化破坏，根据岩石条件和井筒掘进的方法，可掘进一定段高即进行永久支护工作。如果 掘进段较高，为保证施工的安全，必须及时进行临时支护。对于岩性较稳定，暴露时间 不足以对其产生风化时，可以直接进行永久支护。长期以来井筒在通过不稳定岩层或表 土层时，采用井圈背板作为临时支护是一种有效的方法，但是材料消耗量大，旋工效率 比较低，在井筒基岩段现已广泛采用锚网支护作为临时支护。 立井永久支护时井筒施工中的关键环节，根据支护材料的不同，竖井井筒永久支护 有料石井壁、混凝土井壁、钢筋混凝土井壁和锚喷支护井壁等。由于料石井壁不易实现 机械化施工，而且其整体性较差，现在基本不再采用这种类型井壁。1 9 6 5 年乌达矿务 局五虎山矿总进风立井首次使用锚喷作为支护以来，锚喷支护在很多矿井得到了应用， 经过多年实践，锚喷技术变得日益成熟【3 】。但是有些矿井发生了不同程度的破坏后，人 们开始对此支护方法作为永久支护产生了争议，安国梁认为锚喷支护理论适用于立井支 护，但是有其使用的限制条件，合理的支护参数和方法能够降低矿建成本。目前多数井 筒采用混凝土井壁进行永久支护，其浇筑模板有多种形式。由于立井施工中广泛采用掘、 砌混合作业，金属整体式移动模板得到了推广。 对于千米深立井井筒施工时，需要穿过软弱岩层，此时如果仍然采用混凝土井壁支 护围岩就不能得到有效的控制。由于软岩内聚力小，变形量大，混凝土井壁是靠围岩变 形挤压井壁形成的摩擦力围抱井筒，但是这种围岩变形挤压井壁的压力，既不能过小也 不能过大，过小井壁容易产生整体滑脱破坏，过大井壁内侧产生剪切破坏而剥落，继而 造成更严重的破坏变形。对于此类岩层段应采取锚杆挂网喷浆的临时支护，待井壁围岩 经历了剧烈变形期后再进行二次支护。 对于深厚表土层的支护已经有了很多工程实践，许多学者也对此做了深入的研究。 中国矿业大学崔广心教授深入研究了深厚表土层井壁的外载，并对冻结井壁做了详细的 力学分析；于剐4 】将厚度大于1 0 0 m 的表土层定义为深厚表土层，他认为井筒破坏的原 因主要是土层疏水和土体压密对井筒造成的负摩擦力。采用双层钢筋混凝土结构，中间 夹双层塑料板起到减小负摩擦力和隔水的作用，经理论验算和实际应用都能够满足安全 经济要求姚直书【5 卅对深厚表土层和特厚表土层的井壁支护结构分别作了力学实验研 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 究，实验得出高强钢筋混凝土结构能够很好的抵御地压，提高钢筋配筋率对井壁承载能 力影响不大，而混凝土强度等级的提高能够很好的改善井壁承载能力；双层钢板高强混 凝土井壁的抗压强度比较高，具有很好的延展性，已被成功应用于特厚表土层工程实践。 1 ．3 大直径深竖井存在的问题及研究现状 随着我国煤炭生产能力的增强和浅部资源的枯竭，大直径深立井在设计和支护方面 出现了一些急需解决的问题。井简在整个矿井生产期间是服务年限最长，施工速度最慢， 但是它在生产过程中担负着运输材料、升降人员和提升煤炭和矸石的重任，其稳定性的 意义是不言而喻的，因此，立井井筒的设计必须合理，施工应安全高效。 井筒能否安全的渡过其整个生命周期，很大程度上取决于设计时是否考虑了合理的 因素，在井壁设计方面存在着一些急需解决的问题。一直以来国内外井筒在经过投产若 干年后都存在不同程度的破坏【7 。18 1 ，许多专家学者对引起井筒破裂的因素存在很多分 歧，具体来说存在以下几方面的问题 1 没有专门针对井壁结构设计的规范，安全验算时没有完整的安全评价体系。 2 根据前些年学者对井壁破裂的研究成果[ 1 9 - 2 2 】，认为井筒表土沉降是引起井壁 破裂的主要因素，因此在考虑竖向附加力时又考虑自重力和地压的因素，使设计的井壁 厚度过大，使工程量增加和材料严重浪费。 3 在很多深厚表土层井筒设计时没有考虑到次生地压【z 3 J 的因素，此时使用平面 挡土墙理论和重液地压计算公式所得的结果与实际结果相差很大。 4 在井壁设计时一味的提高混凝土设计强度不是一个理想的方案，因为高强混 凝土具有较高的脆性，并不能改变井壁结构的受力状态。 近十年来国内外许多专家学者对井壁发生破裂的机理进行研究[ 2 4 - 2 8 】，得出了许多相 关的理论和成果，为防止井壁破坏提供了有效的参考。关于井壁的破裂原因说法各异， 在一定时期得到认可的说法有 1 现代地壳活动是引起井筒破裂的主要因素【2 9 1 ，笔者调查分析了井筒破裂地区 的地质条件、地质构造形态和地壳活动规律。认为井筒的一系列破裂特征与新构造运动 的特征一一对应，井壁破裂与地质因素密切相关，煤层开采和区域应力只是诱发因素。 2 井筒的施工质量和施工方法是引起井筒破裂的主要因素【3 0 。3 1 ，顾孟寒对海孜 矿立井破坏特点进行了分析，得出冻结施工时产生的温度应力是造成井壁破坏的内因； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 王吉祥也认为井壁破坏的主要原因是冻结壁施工和井筒施工没有达到设计强度造成的。 3 新生界含水层渗水对混凝土井壁的腐蚀对井筒影响较大[ 3 4 - 3 7 】，李定龙，周治 安认为底含中的高浓度阳离子置换了混凝土中的钙离子，从而降低了混凝土的强度；井 筒中的C 0 2 溶解反应后的酸性腐蚀同样降低了混凝土强度；渗流改变了井壁混凝土的 应力状态，从而使井壁受到破坏。周治安根据渗流变形定律分析了机械潜蚀对井筒的影 响，从而出现不均匀地压，使井筒发生破坏。张振昌描述分析了窑街矿区两个矿三个立 井的破坏时间、破坏特征、破坏位置，认为其破坏是受化学腐蚀的作用，并提出了防腐 蚀的措施。 4 由于表土沉降而引起的竖直附加力是造成井筒破坏的主要原因。经过多年研 究以后，许多学者都认为此种说法有一定的依据，基于此理论基础，采用现场实测、理 论分析和模型试验相结合进行分析，得出了许多研究成果。崔广，t l , 等【3 8 J 通过研究得出表 土层厚3 0 0m 以内竖直附加力的大小和分布规律。杨维好【3 卅等利用实验室大型模型试 验对井壁破裂机理进行研究，发现不管是深部还是浅部，疏水导致地下水位下降而引起 的数值附加力是井壁破坏的主要因素。经来盛【4 0 】认为造成井壁破坏的主要原因是由于表 土沉降而引起的负向摩擦力，建立了井壁破坏强度准则，用鲍店煤矿井壁破坏的具体实 例验证了所建立理论的正确性和实用性。 崔广心在徐淮地区井壁破坏原因的初步研究一文中对自1 9 8 7 年以来的大屯和 徐淮地区1 7 个以冻结法施工的立井井筒破坏进行了研究，总结出立井井筒破坏的共同 特征为 1 井筒破坏发生的地区和时间集中； 2 破坏的部位均在第四系表土与基岩交界处附近，多数位于交界处之上，基本 上在2 0 0 2 5 0 m 范围； 3 立井井壁破裂形状多呈环形，严重的井壁裂缝已经连通，从而使井壁横向断 裂，渗漏水量明显增加，水中含沙量也逐渐增大； 4 立井井自身下沉的同时，其附近的工业广场也有不同程度的下沉； 5 破坏井壁的混凝土成块剥落，露出的纵筋均向井内凸起，罐梁、罐道、排水 管、压风管以及梯子间等井简装备明显失稳，扭曲变形，井壁呈现受压破坏形态。 蔡海兵【4 1 】总结分析了钢筋混凝土井壁的优点及不足，提出采用钢纤混凝土井壁对深 厚表土层进行支护，通过模型试验研究了该井壁结构的力学特性，结果表明混凝土中加 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 入钢纤后极大的提高了井壁的韧性，弥补了高强混凝土脆性大的不足。 姚直书【4 2 1 通过实验室物理模型试验分析了高强度钢筋混凝土井壁应力特征和强度 特性，研究表明增大配筋率对提高井壁承载能力效果并不明显，混凝土强度等级是影 响井壁承载力的主要因素。 何有巨【4 3 1 采用半无限弹性体中圆孔孔周应力集中问题分析了深立井岩石开挖后的 应力分布规律，采用“库仑．维纳尔”强度准则对立井围岩稳定性进行了分析，为制定井 筒开掘方案提供了理论基础。 姚直书[ 4 4 ‘4 5 1 认为此种类型的井壁能够解决5 0 0 7 0 0 m 特厚表土层的井筒支护问题， 给出了C 6 0 “ ～C 7 5 混凝土的优化配比，根据相似模拟试验分析了双层钢板高强混凝土复 合井壁的强度特征，分析了井壁结构中混凝土的受力状态，得出了双层钢板复合井壁承 载力的计算公式。 1 ．4 本文研究的内容与研究方法 1 ．4 ．1 本文的研究内容 根据解决千米立井井筒合理支护形式的需要，本文的研究内容主要有 1 统计分析原岩应力随深度变化的分布规律； 2 姚家山矿地应力的分布规律； 3 立井井筒开采后的位移分析； 4 不同支护方案的支护效果分析； 5 对姚家山矿立井井筒支护寻求一种经济合理支护方案。 1 ．4 ．2 本文的研究方法 本文通过理论分析了地应力分布规律，通过统计我国地应力实测结果，回归出了水 平应力的表达式，用现场实测结果验证了水平应力表达式的准确性，进而计算出姚家山 矿1 1 0 0 m 深处的水平应力。利用离散元数值分析软件3 D E C 进行井筒开挖数值模拟分 析，模拟了不同支护方案下井壁的位移和岩体向深处变化时围岩的位移规律，利用井壁 厚度经验公式验证了数值模拟的准确性，最终找出适合姚家山千米立井的支护参数。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章姚家山矿区域地质和井田地质 2 ．1 区域地质特征 2 ．1 ．1 区域地层 本区位于鄂尔多斯聚煤盆地东缘的河东煤田中段，区域地层叙述范围为北纬 3 7 0 0 0 ’0 8 0 15 ’，东径111 。3 0 ’至黄河东洪水位，面积约4 8 9 0 平方公里。出露地层由老至 新顺次为太古界界河口群、吕梁山群，元古界野鸡山群，震旦系，古生界寒武系中、 上统，奥陶系下、中统，石炭系中、上统及二叠系下、上统，中生界三叠系下、中统， 新生界第三、第四系地层。老地层 界河口群一震旦系 出露于勘查区东、东南及东北 方位的枣林、汉高山、关帝山、峪口、张子山及起云山一带，早古生代地层出露于煤田 边缘地带，晚古生代含煤地层出露于离石煤盆及黄河东缘临县柳林一带，中生代地层 沿黄河分布于河东煤田西侧，新生界地层广泛出露。区域地层情况见表2 ．1 。 表2 - 1 区域地层表 T a b l e2 1R e g i o n a ls t r a t i g r a p h i et a b l e 地层单位 地方性厚度 米岩性描述 界系统 代号 名称 全 第 新Q 4 1 ．2 4 冲积层，由亚砂土、砂层及卵砾石层组成。 四 统 上 系 浅黄色黄土状亚粘土及亚砂土。含大孔隙，局部 更 马兰组 Q 3 m 地 夹砂砾层及其透镜体。常组成二级阶地及丘陵， 新 l O 项部覆盖黄土地貌。 新统 生 由 红黄、浅红棕色黄土状亚粘土。夹红棕色古土壤 界 Q 更 离石组 Q 2 1 1 5 二 地 层，一般3 ．5 层，其下可见钙质结核层，底部夹 K z新 3 5 有薄透镜状砾石层，砾石成分单一，以灰岩为主， 统 垂直节理发育。 上 第上 底部为灰白、浅红色砾岩，砾石成分为片麻岩、 新 静乐组石英砂岩、石灰岩组成，砾径5 ．1 0 m ，钙质胶结， 系统 保德组 N 2 4 ．1 2 2 上部为紫红及棕红色粘土及砂质粘土，夹薄砾石 层及钙质结核。 N 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 下部以灰绿、灰黄及灰红色长石一石英砂岩为 主，夹薄层泥岩，砂岩含磁铁矿条带、钙质结核 铜川组 T 2 1 2 2 1 3 4 1 等，上部由灰红色厚层状中细粒长石砂岩为主， 中 夹泥岩及1 2 层凝灰岩。 中叠 统 中上段由紫红、灰红色长石一石英砂岩及薄层泥 1 5 9 - 2 9 8 岩、砂质泥岩组成。下段为灰绿色厚层中粒长石 生系 二马营组T 2 e r 2 7 1 3 2 9 砂岩夹泥岩及砾岩透镜体，顶部为紫红色砂质泥 界 岩。 M z T 和尚沟组 T l h 9 2 1 6 4 紫红、砖红色砂质泥岩、泥岩夹浅红色细砂岩， 下 局部含数层钙质结核或透镜状淡水灰岩。 统 淡红、浅红细粒薄板状长石一石英砂岩夹薄层紫 刘家沟组 T l l 3 3 0 ．4 1 0 红色砂质泥岩，砂岩中含泥质包裹体，具大型交 错层理，细砂岩中见有淡水灰岩层。 以砖红、鲜红色砂质泥岩、泥岩为主，夹薄层砂 石千峰组 P 2 s h 9 9 ．5 2 0 3岩，下部砂岩发育，构成数十米厚的砂岩带，上 古 ●- 部以细碎屑为主，夹透镜状淡水灰岩。 ●_ 上 生叠 统 下段为黄绿色砂岩、砂质泥岩、粉砂岩及紫色泥 界 系上石 P 2 s 2 1 0 2 2 1 5 岩，底部砂岩发育，向上紫斑成分增多，上段为 盒子组 P 2 s l 1 7 4 ．2 9 3 紫色、葡萄紫色、蓝灰色砂质泥岩、泥岩，夹薄 层浅色长石砂岩。 古 下石盒 灰一灰绿色砂岩、泥岩、粉砂岩组成，底部含煤 子组 P l x 6 0 一1 1 6 线数层，上段为灰绿色中厚层砂岩，夹砂质泥岩 。。- 下及炭质泥岩。 叠 统灰白、深灰色砂岩、泥岩及煤层组成，含4 。7 层 系 山西组 P l s 3 3 ．8 8 煤，其中4 层煤可采或局部可采，主要含煤地层 生 之一。 上 由灰白色砂岩，灰色泥岩、石灰岩及煤层组成， 石统 太原组 C 3 t 7 0 ．1 1 7 含灰岩5 - 6 层，煤层5 7 层，可采煤层3 4 层， 主要含煤地层之一。 炭 由铁铝岩，粘土泥岩及泥岩、砂岩组成，底部为 系中 本溪组C 2 b 1 4 4 4 山西式铁矿或黄铁矿及G 层铝土矿，向上为泥 界 统 岩段，夹薄层砂岩及煤线。 奥 浅灰一深灰色中厚层状石灰岩、角砾状泥灰岩为 陶峰峰组 0 2 f 1 2 8 ．1 4 7 主，夹层状脉状纤维隐晶质石膏，石膏带多赋存 系 于中下部。 中上马家底部为泥灰岩，局部含角砾，其上主要为灰岩及 统沟组 0 2 s 1 2 2 ．2 5 4 白云质泥灰岩与豹皮状灰岩互层。 下马家 底部为黄褐色中厚层状石英砂岩及黄绿色钙质 沟组 0 2 x 8 3 1 3 3 泥岩、泥灰岩，其上为灰岩，夹薄层泥灰岩及白 P z 云质灰岩。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 底部为黄绿色泥岩与竹叶状白云岩互层，泥岩一 下冶里一亮甲 O l 1 2 0 ．1 4 8 般为2 - 3 层，其上为燧石结核白云岩和泥质白云 统山组 0 1 1 y 岩、泥岩中含山西朝鲜虫化石。 底部为泥质白云岩，向上为厚层白云岩，泥岩及 凤山组 ∈3 f 5 5 ．1 1 0 泥质条带白云岩，白云岩层位稳定，质纯，含五 上 湖咀虫及索克虫化石。 统长山组 ∈3 c h 3 ．4 4 灰紫色竹叶状灰岩，夹薄层灰岩，汉高山一带相 寒 变为白云质灰岩，含王冠头虫化石。 武 崮山组 E 3 9 7 - 4 0 黄绿色、灰紫色泥岩、泥质条带灰岩和竹叶状灰 系 岩。 张夏组 ∈，z h0 。1 1 1 底部为泥灰岩、泥岩、泥质条带灰岩，向上为鲕 中 状灰岩及灰岩，灰岩中含叉尾虫等化石。 统 底部多为砂砾岩，中、下部为石英岩状砂岩，石 徐庄组 E 2 x 0 ．9 2 英长石砂岩，中上部为泥岩及砂质泥岩，上部为 鲕状灰岩。 下部为紫红色砾岩及灰黄色砂岩，上部为紫红色 震 汉高 砂质泥岩，泥岩夹砂岩，靠下部夹一层1 ．2 米厚 日 山组 Z c h5 1 0 的安山质凝灰岩，含孢粉分子 T r a c h y l i g o t i c l e d i u mm m u t i e nT i n ，M a r g o 兀系 m i v u e s u l aR u g s s aN a u m 。 黑茶由变质砾岩及肉红色、灰紫色含砾长石石英岩等 山组 P t l h c 1 0 8 0 岩石组成，砂岩中砾径大小悬殊，一般2 - 6 0 m m 。 古 白 龙变基性火山岩，由斑状、气孔状斜长石角闪岩， 山 P t l b 6 6 0 角闪片岩，角闪变粒岩及千枚岩组成。 界 组 P t 野鸡山群 青 杨 下部为变质砾岩、含砾石英岩及石英岩等变质粗 树 P t l g 4 8 0 ．10 0 2 粒碎屑岩，中部为淡红色条带状石英岩状角闪变 湾 粒岩，上部为灰黑色条纹、条带状钙质黑云母千 枚岩，夹钙质石英岩及l - 2 层变基性火山岩。 组 太 吕梁 以变质酸性、基性火山岩为主，中部夹有泥质为 古 山群 A r 3 H 4 8 3 5 1 3 0 3 5主的变质沉积岩 石英岩、千枚岩、大理岩 ， 顶部为巨厚层状的大理岩。 界 以云母片岩，云母变粒岩为主，夹各种大理岩、 A r 界河 口群 A r 2 j h 5 0 0 ．7 0 0黑云母斜长片麻岩及斜长角闪岩，经受混合化作 用较强烈。 2 ．1 ．2 区域构造 河东煤田从地质力学观点看，本煤田为祁吕贺山字型构造之脊柱东侧盾地与东翼内 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 带之间一沉积煤盆地，属鄂尔多斯盆地东部边缘，大区构造应属山字型构造的一部分， 本山字型构造位于阴山～天山构造带与秦岭一昆仑纬向构造带之间，反射距在一千公里 以上。其弧形褶皱带由祁连山、吕梁山、恒山及汾渭地堑组成。前弧向南突出，弧顶在 宝鸡附近，有燕山期花岗岩侵入体。脊柱在贺兰山，两侧分别为阿宁和伊陕盾地。二者 为相对稳定的沉积盆地，盆内产状平缓。由于受多种构造体系的影响，形态十分复杂， 两翼明显不对称，其中东翼以北北东向的新华夏系构造为主。 河东煤田主要处在黄河东南一吕梁山西坡南北向构造带上，该构造带属于李四光指 出的“黄河两岸南北向构造带”。煤田在总体上是一个基本向西倾斜构造，属于吕梁复背 斜西翼的一部分。在单斜上又发育有次级的褶曲和经向或新华夏系的断裂构造，新华夏 系断裂构造主要发育在煤田东缘以外煤田北部和南部次级褶眭一般幅度不大，表现不明 显，以单斜为主导构造，东缘发育断裂带。而在煤田中部的离柳矿区，产生幅度较大的 宽缓褶曲，成为矿区的控制性构造，褶曲自东而西为离石一中阳向斜、王家会背斜、三 交一柳林单斜，其间伴生有炭窑沟、朱家店、湍水头等较大断层。王家会背斜由于隆起 部位遭受长期剥蚀，其上煤系地层荡然无存，再加上该背斜以北的湍水头断层的影响， 致使煤田连续性遭到严重破坏，分离出离石煤产地。 作用于离柳矿区的东西向构造应力很不均衡，因而产生了离石鼻状构造，即以离石 一聚财塔的东西方向为转折线 鼻轴 ，形成一个弧顶向西突出的弧状褶皱，这个弧状 褶皱在三交、柳林区表现明显在鼻轴以北，地层走向由北东而北北东以至南北，鼻轴 以南由北西而北北西以至南北。恰在鼻轴部位由于张力的作用，产生了一个东西向的张 性断裂带，即聚财塔断层带组成的地堑构造，断层断距2 0 0 2 5 0 m 。在离石煤产地，沿 鼻轴方向离石一中阳向斜轴也明显变成向西突出的弧形。 离柳矿区以北和以南，构造应力较为强烈，表现为大的断裂发育，汉高山断层带和 紫荆山断层带分别为其代表，二者均系逆冲断层，同时还有与之平行的一些断层如湍水 头断层、青山垣断层，形成了煤田边缘断裂带，断层附近地层倾角明显变陡，煤系地层 出露范围变窄，也就是说煤层的浅埋区相应变小。 相对来说，离柳矿区构造应力较弱，因而与其以北以南的构造状态不同处是以宽缓 的褶皱为主，保存了向斜状的离石煤产地和三交柳林缓倾斜的单斜含煤区。 1 褶曲构造 1 吕梁复背斜占据吕梁山全部，轴向沿吕梁山脉近南北向延伸，长达4 0 0 k m 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 左右，轴部出露最老地层为中太古界界河口群。两翼为震旦系及寒武、奥陶系地层。 2 中阳一离石向斜体现为离石煤盆地沉积，盆长轴近南北向，南北长约5 0 k m ， 最宽处1 4 k r n ，轴部最新地层为二叠系上石盒子组，两翼出露石炭系及中奥陶统地层。 轴北端消失于本区东北隅。 3 王家会背斜轴线为王家会一王老婆联线，轴向近南北，明显呈反S 型，延 伸约4 0 k i n ，在轴部枣林一带出现中太古界界河E l 群地层及上元古界前震旦系地层，两 翼为寒武系至三叠系或二叠系地层。此背斜为离石煤盆地与柳林盆地的分界构造。 2 断裂构造 1 汉高山断层位于勘查区北东汉高山附近，呈北北东向延伸，长约5 0 k m 。属 新华夏系压性逆冲断层。断层发育于老地层中，上盘出露地层主要为太古界至震旦系地 层，下盘为下古