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门帘石及其地质意义

时间:2019-07-28 22:49

门帘石是指自煤层上部岩层贯入煤层内部并与煤层近垂直的平面上为脉状、剖面上为楔状的沉积物。这种在煤巷掘进过程中突然出现、宽度不大的非煤物,象悬挂于门道上的门帘一样,称之为门帘石”。
煤层上部岩层,是指煤层顶板以上的某一层位岩层。因此,门帘石在岩层中也有存在,只不过不如在煤层中醒目、难以分辨罢了。贯入煤层内部,表明煤层之上的沉积物沿裂隙局部下延呈楔状插入煤层,一般不与煤层底板相接。
门帘石的粒度一般<2mm;水平层理发育,多与煤层斜交;岩石组成以长石为主,石英次之,钙质胶结、疏松易碎(反映压实差;圆度一般,分选差;颜色灰白。从沉积岩石学角度,总体上可称为灰白色钙质胶结含砾细-粉砂岩。结合井田钻孔资料分析,其可与煤层顶板之上某一层位的岩层岩性(例如10煤层以上岩层)直接对比。
门帘石在剖面上总体呈楔状,上宽下窄,直至尖灭于煤层内不同高度的部位上,门帘石模状体两侧不平直,呈折曲状(图1),顶部最宽,为0.3m。平面上为条带状展布,具体长度不明。经过对四台井田402盘区10°煤层过渡轨道巷总共7个门帘石的观察统计表明(图1),走向均为NE,与煤层近垂直产出,倾向于陷落柱存在的一侧。
门帘石在有陷落柱存在的地段附近极为发育;走向上具有一定的规律性,主要以NE向展布,与陷落柱长轴平行;各门帘石赋存间距无规律性,总体上背离陷落柱方向略宽、略深,密集,然后消失间隔一般为5-10m;门帘石均自煤层之上的岩层向下煤层本身插入伸展(与其定义相一致),深度不等。1门帘石的成因及地质意义
1.1门帘石的形成条件
门帘石首先是在泥炭层及其上覆非泥炭沉积层经一定程度压实后,或煤层及其直接顶板形成后才发育的;其次,这些煤(泥炭)层产生一定宽度纵张裂隙后,随再上部岩层发生沉积时部分沉积物充填裂隙而形成的,故再上部岩层的岩性与门帘石的岩性一致。
1.2门帘石的成因分析
1.2.1门帘石成因的地质分析
由门帘石的形成条件可知,煤层(包括煤层的顶板岩层部分)发育一定宽度的裂隙才在再上覆岩层沉积时充填裂隙而导致门帘石的形成。因此,裂隙的存在是门帘石发育的关键,门帘石的成因,归根到底是其所在的裂隙的成因问题。
(1)在重力作用下地下溶洞将会塌陷,形成所谓的岩溶陷落柱,塌陷之前的重力作用及塌陷过程中产生的拉张应力可以形成伴生断裂和裂隙1。四台井田内陷落柱发育的特点为:①陷落柱水平截面之长轴主要沿NE~NNE方向展布,符合陷落柱成生的基本规律—沿区域和基底断裂构造发育;②经郝临山研究,大同煤田陷落柱具准同生性质。所谓准同生陷落柱是指煤层形成之后其上覆沉积物在固结前松软状态下发生塌陷,变形后仍保留原生沉积构造特有的形迹。准同生陷落柱形成于大同组沉积全过程中,下部的沉积物已开始成岩或基本固结成岩、中部还未成岩,而上部正在沉积之时;③规模较大的陷落柱附近张性小断层、裂隙发育,其与陷落柱的塌陷拉张作用密切相关。在前述三种因素共存条件下,上覆层沉积时充填裂隙,即形成门帘石是可能的。
(2)煤岩层中原有构造裂隙的存在并在重力作用下进一步发展,为门帘石的形成创造了条件。四台井田以NE向断裂为主,观察有门帘石发育的煤层顶板也发现,NE向裂隙发育,NW向次之,这与成煤作用时期井田乃至煤田内主构造方向一致3、4,说明这些NE向的裂隙或断裂在门帘石成生以前就已存在,但是还没有达到使门帘石发育的规模。另一方面,门箭石的是简男简也表明重方作用产生的裂隙具有继承性,使原有裂隙进一步加宽加深。
由此看来,导致门帘石贯入煤层的张裂隙,主要是陷落柱塌陷之前的重力作用及塌陷过程中产生的拉张应力对煤层(或压实的泥炭层)及其上部岩层拉张拉裂作用、并沿着在区域构造应力场下产生的原有NE向裂隙发育起来的。当沉积上部岩层时,部分沉积物沿裂隙贯入下部岩、煤层而形成门帘石(图2)。(3)门帘石与类似的楔状沉积体-泥裂充填构造及砂楔有着本质的区别。泥裂充填构造及砂楔是在剖面形态上与门帘石相似的沉积充填构造。泥质沉积物或灰泥沉积物曝露干涸、收缩而产生的裂隙被上覆层的砂质、粉砂质充填,便可形成V”字形沉积构造,即所谓的泥裂充填构造。在多年冻土区,由地表水周期性注入到裂隙中再冻结,使裂隙不断扩大并为冰体充填,因剖面上为楔状,称为冰楔。冰楔可以演变成砂楔,当冰楔内的脉冰完全融化后,砂土代替冰体充填于楔内,形成砂模。
上述三种楔状沉积充填现象成因的共同特点都是首先在本岩层形成一定规模的裂
隙,然后当上覆层沉积时裂隙被充填而成楔状沉积构造。门帘石与泥裂充填构造、砂楔有着本质的区别:①门帘石平面上成单一的脉状,而后两者模状体则结成网状1;②门帘石延展长度大于后两者,达若干米至数十米;③泥裂的裂隙是收缩裂隙,砂模裂隙则是结冰膨胀而成。导致门帘石形成的裂隙是陷落柱坍塌时因重力作用在原有构造裂隙的基础之上发育起来的张裂缝。泥炭干缩裂隙是煤层天然裂隙(如割理[n),因其规模小(在毫米以下数量级),纵横向延伸短,无上覆层充填的条件,因而不会导致门帘石的生成。另外,后生陷落柱成生时代晚,在大同煤田为喜山期的产物,此期及其之后仅有零星的沉积,而且距煤系地层甚远,所以不可能为门帘石的成生创造条件。
1.2.2门帘石成因的岩石力学分析
岩溶洞塌陷是在其发育过程中,因出现相当规模的临空面导致洞体及其周边应力发
生变化的结果,是由量变(洞体内径和高度不断增长)到质变(侧壁与上覆岩层塌陷)的过程。应力变化主要与上覆岩层及周边岩体重力(垂向)不均匀分布有关。溶洞的形成导致其上覆岩层及周壁应力状态发生重分布,从而出现变形与破坏。从工程地质学的角度而言,陷落柱形成及其围岩裂缝的产生与地下洞室受应力重分布出现的变形与破坏具有相同特征,可分为三个阶段阳 Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.(1)洞室形成,溶洞周壁(包括上覆岩层)应力重分布。
图1所示的10°煤层中门帘石和陷落柱形成于中侏罗世大同组成煤作用时期,上覆岩层厚度并不大,而且呈塑性。虽然溶洞上端临空面积不大,但是由于溶洞本身有较大的高度(在大同煤田>200m),因此重力作用十分明显,产生应力重分布。图3表明,当宽高比极小时,最大拉应力集中于洞顶部,即初始最大主应力与周边垂直相交的一点,最大压应力集中于角点上。这种应力重分布的结果便使溶洞周壁发生变形与破坏。
溶洞的形成也是岩体力学特性变化过程。地下岩溶洞最初为一似椭圆形的狭长裂缝。
设椭圆形的长短轴分别为a=ecosho,b=esin/o(图4)。则椭圆方程为:
x=ecoshSocos7 y=esinhsosin设无限远处应力为0m和0,与x、y轴保持B角,则有:
0.=sin2β+os'p:o=nsin2B+acosp;Tv=-1/2(0-a)si'B按照A.C.Stevenson的解,可得周边切应力a,如下式:
a.=(on+oalsin'sot(on-a))fcn'(alcos't8-n-oas2)
cosh'so-cos'β
同矿务局地测处给予的协助和课题组成员融洽的合作,以及梁冰博士对岩溶洞裂隙形成过程部分的理论推导给予的帮助,特表衷心的感谢!

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