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1 新汶矿区区域地质构造概况 1 新汶矿区区域地质构造概况 1.1 概述 新汶矿业集团有限责任公司是年产煤千万吨的国有特大型企业、全国500家最大工业企业之一。集团公司地处山东泰安、莱芜两市的四个县市区境内，共有12个生产矿井。矿区总面积912平方公里，保有储量8亿吨，可采储量4亿多吨，另有深部储量6.8亿吨和新开发的龙固煤田可采储量8亿吨。现有矿井设计能力800万吨/年，核定能力935万吨/年，自1988年以来原煤产量已连续10年保持在千万吨以上，现年产原煤1400万吨以上。此外，汶宁、巨野煤田正在勘探开发过程中，具有良好的发展前景。矿井分布及其交通位置如图1-1所示。 图1-1 孙村、协庄和潘西煤矿交通位置示意图 1.2 区域地质构造基本特征 1.2.1 新汶煤田地质构造基本特征 新汶向斜位于鲁西断块鲁中块隆内，北翼由于受莲花山断裂破坏，向斜形态表现不明显，南自蒙山背斜古生界，北至莲花山断裂，地层走向自西而东由近东西向转为北西向，地层向北倾斜. 新汶煤田东起涝坡、员外哨，西至南杨家庄、大霞雾，东、西均以煤系地层露头为界。北至莲花山断裂，南至蒙山背斜北坡奥陶系地层出露处，东西长约30km，南北宽约8～10km，面积约305km2，地层走向呈北西向。 新汶煤田受多期构造运动控制，北翼大部分被莲花山断层切割，良F3断层以东仅存南翼，呈单斜形态，而翟镇煤矿被F10、F22、F11与良F3断层围限的范围内发育一个有次级褶曲的菱形断块，仅在西部泉沟与协庄之间表现断块型向斜形态，向斜南翼地层保存完整，是煤田开发的重要地段。煤田内断裂构造发育，方向性明显，大致可分为北西向、北东东向、北东向三组。 1.2.2 断层 1 北西向断层组 与区域背、向斜轴近于平行，以莲花山断层和F10断层为代表，这组断层数量较少，生成时代较早，延伸远，落差大，多期活动。如莲花山断层落差＞1000m，使泰山群与石炭～二迭系地层相接触。该组断层对区域内各时代地层的赋存起重要的控制作用。 2北东东向断层组 主要分布在向斜北翼，泉沟煤矿范围内尤为突出，如F22、F20等断层。 3北东向断层组 主要分布于向斜南翼，如良F1、F3断层等，该组断层多沿地层倾向发育，除发育横切煤田的大断层外，也发育密集的中小断层。 从构造发展过程看，运动初期以印支垂直运动为主，区域整体抬升，遭受剥蚀，至燕山期第一幕产生宽缓褶曲和少量断层，向斜的雏形和北西向大断层大致在这一时期形成，尔后燕山运动中、晚期主要受南北向强大水平挤压，先后形成第二组和第三组断层。这些断层在喜山期又继续活动，由此使断层切割关系变得十分复杂，大体是第三组切割第一、二组，第二组切割第一组。燕山运动晚期强烈构造运动既产生了新的断裂又使早期断裂继续活动。莲花山断层这时又大幅度活动，地形差异也越明显，巨大的地形差异造就了巨厚砾岩沉积。喜山运动时，各期断层均继续活动，第三系也遭受构造运动影响而向北倾斜，第四系与第三系呈角度不整合接触。 1.3 孙村矿地质构造特征 1.3.1 井田位置与范围 孙村井田位于新汶煤田的东部，其行政区划属新汶办事处境内。主井口位置，东北距新泰市9公里，西距磁窑68公里，距济南168公里。主井口地理坐标为东径1174057“，北纬355216“，主井口标高175.5m。区内交通十分方便图1-1。 井田以F10断层为界分为南北两区。南区东以F6号断层与张庄矿为界；西以F2断层与良庄矿、汶河矿相邻；南至各煤层露头；北到F10断层及-1000m人为边界。北区东起原F10、F2号断层；西以F8号断层与良庄矿相邻；南止-450m人为与良庄矿毗邻；北到-1000m人为边界。平均走向长4.64Km，倾斜宽3.6Km，面积16.72Km2。 1.3.2 孙村矿区构造特征 井田位于莲花山和蒙山山脉两大分水岭之间，为半缓阶地型丘陵，呈东西带状分布。地形标高158～230m，井田西部地形较平坦，东部起伏较大。总的趋势是西北部地势较低，东南部较高。煤系地层大部为冲积层所掩盖，只在溪沟中略有出露。奥陶系石灰岩广泛出露于井田南部区域。井田中南部有柴汶河纵贯东西。 井田由F10断层分为南北两区，构造形态基本属一简单的单斜构造，有宽缓的褶曲，以断层为主。地层走向300～330，倾向30～60，倾角由浅至深33～12～31之间。南区地层倾角由东到西逐渐变小，北区则变化不大。 比较发育的断层有三组75～80为一组，南区相对发育，延展性长，代表断层有F6、F5、F3、F2-1、F2、F5等；40～50为一组，南北两区均较发育，代表断层有F4、F6、F9、F11、F12、良F13等；近10～20方向为一组，北区发育，代表断层有F8及北区西翼发育密集的H5的断层。小型（2H10m），2.7条/Km2,延展长度2600m/Km2。 井田内近倾向断层较多，致使将煤层沿走向分割成若干块段，造成采区走向短，开拓量大。小断层发育。井田内断层多以高角度正断层为主，逆断层少见。采区统计小型断层倾角在70～90的最发育，占56.3，50～70的次之占31.7。北区断层发育，南区相对较简单，总的趋势，随深度增加，断层条数增多，落差增大。从断层方向看，70～105的最发育占68.1；35～70的占21.8。从断层延展形式统计，上组煤多呈弧形或直线形断层；下组煤多表现为S形；断层拐弯或分叉时，落差减小后消失。 1.4 协庄矿地质构造特征 1.4.1 井田位置与范围 协庄煤矿位于新汶煤田南翼西端，行政区划归新泰市管辖。东距新泰市13km图1-1。 矿井范围以国土资源部核发采矿许可证矿区范围拐点坐标圈定，开采深度110m～-1050m。东西长9～12km,南北宽1.1～4.2km,面积约35.662km2。地理坐标东经11731′03″～11741′15″，北纬3553′45″～3556′58″。 1.4.2 协庄井田构造特征 协庄煤矿位于新汶向斜南翼的西端，构造形态属中等偏复杂的单斜构造，地层总体走向为近东西向，倾向北，东部倾角较缓，一般为15～20，西部、深部倾角增大，一般为22～28，局部地段受断层影响变陡或变缓。矿井内侏罗系地层被剥蚀后仅沿F10断层上盘保留一部分，平行F10断层呈带状分布。 区内断裂构造主体为NE向，其次为NW向，多为正断层，偶见逆断层。共有26孔揭露32个断点与地震、井巷揭露断点共组合断层85条，其中落差大于100m的断层10条，落差50～100m的断层16条，落差10～50m的断层39条，落差小于10m的断层20条。除边界断层羊流断层、F10、F28、良F3等断层外，其它均集中于矿井中、西部，尤其是F2断层以深，多呈北东方向展布，断层之间距离较小，沿北东方向将煤层分隔成若干狭长的条带。大断层附近常伴生诸多小断层，形成断层密集带。 1.5 潘西矿地质构造特征 1.5.1井田位置与范围 潘西井田位于山东省莱芜市境内，莱芜煤田长尾岭勘探区西部。地理坐标东经11744′35“～48′51“，北纬367′40“～12′58“，井口标高＋233.50m。区内交通十分方便图1-1。 井田西至F2-1断层和秦家洼断层与西港、南冶井田相邻；东部边界为F6断层与潘东井田相邻。浅部至各煤层露头，深部到-800m水平，平均走向长4.6km，斜长3km，面积约13.9km2。 1.5.2 潘西矿地质构造特征 莱芜煤田位于山东地块中部，区域地质构造属断陷盆地型，特点为向、背斜相间，自南向北依次为新泰向斜、莲花山背斜、莱芜向斜、太山背斜、章邱向斜。莱芜向斜处于莲花山背斜和太山背斜之间，构成一个大的褶皱带，莱芜煤田处于莱芜向斜南翼，潘西井田是单斜构造。 潘西井田基本构造形态属简单的单斜构造，地层走向290～320，倾向NE，倾角一般为22～28，自浅入深倾角变大，井田深部倾角一般为28～30，局部地段受断层影响变陡或变缓。 井田主要构造为断层，断层发育情况中等，无明显褶曲，区内断裂构造主要为NW、NE和近南北向三组，三个不同时期生成，NE向切割NW向断层，近南北向切割NW、NE断层。该区共有大中型断层22条，方向性明显，其中北西向断层3条F颜、F2-1断层、F5，北东向断层16条F15、F11、F3、F3-1、F10、F8、F7、F7-1、F4、F13、F12、F12-1、F9、F6、F14、F16，近南北向断层3条F6-1、F付、F秦。大都为正断层，都是北盘上升，南盘下降。其中F14、F16为逆断层。 1.6 矿井灾害 随着采深的增加，煤层承受上部岩层的压力越来越大，煤层本身的应力越来越高，冲击地压的发生频率也会升高。就一定开采技术条件而言，任何一个发生冲击地压的矿井都存在着始发临界深度的问题，不同地质与开采条件的冲击地压其临界深度不同，如华丰煤矿的临界深度为560m。 新汉矿区经过40余年的开采，多数矿井进入深部生产。自华丰煤矿1991年1月24日在1405面首次发生冲击地压以来，孙村矿、张庄矿均发生过明显的冲击地压情况，给矿区造成巨大的损失和人员伤亡。 根据冲击倾向性理论和原煤炭部有关规定，经煤科院试样鉴定，新汉矿区发生冲击地压的煤层具有强烈冲击倾向，如孙村矿2、4层煤、协庄矿2、4层煤、潘西矿19煤层等，煤层本身弹性高，强度大，在高应力压缩下，积存了较多的弹性能，顶板也为中等偏强烈冲击倾向，具备了产生冲击地压的客观因素。特别是孙村煤矿，作为我国最大采深的煤矿之一，其-1000m 水平地面标高200m，埋深达1310 m延深即面临更为严重的问题。目前该矿-1000m水平的开拓延深，4层煤深部采掘工作面，由于深埋高地应力作用，加之上部煤层多次采动的应力叠加影响，造成深部围岩明显的应力集中。由于井田范围深部煤层赋存条件的差异， 4层煤厚及其顶底板厚度变化差异较大。在巷道掘进和回采过程中，冲击地压屡次发生，给安全开采带来了巨大影响与潜在威胁。冲击地压问题越来越严重，给安全生产带来巨大压力。解决冲击地压问题，确保安全生产，已成为新汶矿区所面临的首要问题。 1.7 冲击地压及防治 1.7.1 概 述 煤矿冲击地压属矿井动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式。是指在一定条件的高地应力作用下，井巷或回采工作面周围的煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生破坏的动力现象，常伴随有巨大的声响、煤岩体被抛向采掘空间和气浪等。它往往造成采掘空间中支护设备的破坏以及采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡和井巷的毁坏，甚至引起地表塌陷而造成局部地震。 根据新汉矿区冲击地压发生的实际情况，冲击地压发生的基本条件可从地应力来源、煤岩的基本力学性质等方面考虑。地应力主要来自3个方面一是井田地层的自重应力，由于矿井采深最深已达1300 m，自重应力很大；二是由地质构造造成的；三是受采动掘进时的应力叠加影响，特别是三面均为采空区的孤岛煤体，受到邻近采空区的影响，煤体除了承受上覆岩层的压力外，还承受构造应力及邻近采空区转嫁过来的3种应力的综合作用，且这些力往往比其自身的上覆岩层的压力要大的多。 从另一方面考虑，煤岩体的强度、变形等力学特性是发生冲击地压的内因。调查显示，华丰煤矿，孙村煤矿发生冲击地压的煤层，顶板岩石大多不易冒落，说明煤层顶底板的强度很高、连续完整，能够储存大量的弹性能，为冲击地压的发生创造了条件。 为了提高安全程度，减少、避免人员伤亡和财产损失，扩大经济效益，新汶矿区采取了一系列冲击地压的预测预报与治理方法，取得了一定的效果。 1.7.2 冲击地压检测方法 新汶矿区主要应用了以下几中检测方法 （1）钻屑法根据危险区每米钻进的煤粉量超过正常煤粉量的比例判定冲击地压的危险性。钻屑法是最简单且可靠的方法。钻屑法可以较准确地预测冲击地压的危险性，也可以检查采取卸压措施后卸压效果的好坏。该方法的关键是确定正常煤粉量和符合实际的危险煤粉量。 （2）冲击倾向鉴定根据煤岩冲击倾向判定冲击地压的危险性。冲击倾向测定是目前确定煤层本身是否有冲击危险性的唯一方法。这种方法只能确定某一煤岩层是否有冲击危险。但不能确定在什么地方，什么时候可能产生冲击危险。 （3）地音监测通过不间断地音监测，找出冲击地压发生的规律。地音监测系统和流动地音的原理基本相同，岩体中随机发射的地音信号与岩体中的压力水平及其增长有关，以此来评价岩体中的应力状态。地音研究的目的就是确定岩体中的应力状态以及预测采掘面及周围岩体突然、猛烈的破坏，如冲击地压、垮落等。 （4）经验类比法根据发生冲击地压规律进行研究分析。经验类比法是根据矿区发生冲击地压的实际，分析在什么区域有可能发生冲击她压，进而分析什么工序最可能诱发冲击地压。可以经过分析确定开采设计和卸压措施，以减少冲击地压的危害，通过实践，可以利用已掌握的冲击地压发生的规律，减小冲击地压的危害。 （5）流动地音根据冲击地压发生前地音变化判定冲击地压的危险性。 （6）顶板动态通过观测顶板动态变化情况判定冲击地压的危险性。 （7）地表岩移通过地表岩移研究冲击地压发生规律。 （8）水分法根据煤层中水分含量研究冲击地压危险性。 1.7.3 冲击地压治理 新汶矿区主要应用以下几种治理方法 （1）诱发放炮对有冲击危险的地段用放炮的方法释放能量。 （2）煤层注水通过对煤层注水改变煤层性质，以减少冲击危险。 （3）改革开采设计通过改革巷道布置、推采方向、采煤方法的等减少冲击危险。 （4）改革支护通过加强支护和改革支护材料和方法，减少冲击危险。 （5）加大巷道断面加大有冲击危险的断面，减少冲击危险。 （6）大孔卸压用大于100mm的大直径钻空来释放能量。 （7）卸压巷道在压力集中区用巷道卸压。 （8）避峰送巷通过分析，避开有冲击危险的应力叠加区送巷。 7