【導(dǎo)讀】長平煤業(yè)有限責(zé)任公司。井田應(yīng)力狀態(tài)與大采高工作。面巷道支護(hù)技術(shù)研究。晉煤集團(tuán)長平煤業(yè)有限責(zé)任公司。遼寧工程技術(shù)大學(xué)

　　

【正文】 體中有能量的存在，動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)是能量的積累，能量積聚是與構(gòu)造活動(dòng)、應(yīng)力場變化有關(guān)，又是板塊運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的。工程巖體所處的斷塊其地質(zhì)動(dòng)力背景有兩種情況，一是具備產(chǎn)生地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象的背景條件，二是不具備產(chǎn)生地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象的背景手條件。所以地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃能夠回答兩個(gè)問題，一是能夠根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形式與背景，在工程進(jìn)行之前判別人類工程所處斷塊是否具備發(fā)生 礦井動(dòng)力災(zāi)害 的地質(zhì)動(dòng)力條件，同時(shí)能夠解釋，為什么某些礦區(qū)從不發(fā)生 礦井動(dòng)力災(zāi)害 ，而其它一些礦區(qū)則頻頻發(fā)生 礦井動(dòng)力災(zāi)害 ；二是對(duì)具備發(fā)生 礦井動(dòng)力災(zāi)害 地 質(zhì)動(dòng)力條件的斷塊，可查明斷塊活動(dòng)特征、確定活動(dòng)斷裂劃分依據(jù)，進(jìn)而劃分不同級(jí)別的構(gòu)造及斷塊，確定斷裂活動(dòng)性，構(gòu)造對(duì)應(yīng)力分布的影響以及產(chǎn)生的能量積聚。 在工程塊體的運(yùn)動(dòng)方式和速率研究方面，由于它的運(yùn)動(dòng)速率很小，與人類工程活動(dòng)速率相差 3～ 5 個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)由于工程重要程度和經(jīng)費(fèi)的要求，多數(shù)工程很難進(jìn)行精確的大地運(yùn)動(dòng)觀測，位移量很難測得到。目前僅少量礦井建立了閉合導(dǎo)線測量方案，通過閉合導(dǎo)線測量可以確定斷塊活動(dòng)與進(jìn)行開采工程的相互關(guān)系，其成果可用于地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的研究工作中。 依據(jù)地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的原理，要求礦井的工程活動(dòng)所 產(chǎn)生的地質(zhì)動(dòng)力效應(yīng)要根據(jù)大地構(gòu)造和板塊的動(dòng)動(dòng)特點(diǎn)來確定。這是控制地下地質(zhì)動(dòng)力狀態(tài)、進(jìn)行安全開采的主要條件。應(yīng)用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法對(duì)工程所在區(qū)域?qū)⒁l(fā)生地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測，劃分安全區(qū)、威脅區(qū)和危險(xiǎn)區(qū) ， 并制定安全開采的措施，指導(dǎo)工程的合理、安全地進(jìn)行。 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的工作原則 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃研究應(yīng)該遵循從總體到局部的原則，這一原則能夠在小比例尺進(jìn)行地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃時(shí)從一般現(xiàn)象抽象出個(gè)別特征，分析出地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域發(fā)展規(guī)律，確定礦區(qū)地質(zhì)動(dòng)力演變過程。 在研究過程中，確定的研究范圍越大，就越能表現(xiàn)出同一性，也就越明顯地分析 出隱藏著的規(guī)律性。例如：在人類了解宇宙空間之前，從地球觀察火星只能看到一些直線區(qū)段，科學(xué)家稱之為 “ 火星人的運(yùn)河 ” ，甚至推出假設(shè)說這是火星居民的創(chuàng)造。同樣從衛(wèi)星照片上也可以看到地球上同樣的直線區(qū)段 “ 輪廓 ” ，但是如果更近的觀察地球表井田應(yīng)力狀態(tài)與大采高工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究 中期研究報(bào)告 25面，這直線的 “ 輪廓 ” 就會(huì)消失，而變成模糊不清的許多個(gè)別部分 構(gòu)造片段，這是因?yàn)楸壤呒哟罅?。因此從一般到個(gè)別就能確定活動(dòng)構(gòu)造發(fā)展的一般規(guī)律。這一規(guī)律對(duì)研究地質(zhì)動(dòng)力過程和預(yù)測地質(zhì)動(dòng)力災(zāi)害是非常重要。 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃工作遵循從總體到局部的原則，查明地殼的活動(dòng)構(gòu)造，以解決工程實(shí)際問題為目標(biāo) ，針對(duì)人類工程活動(dòng)所引發(fā)的地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象開展研究工作?！安恢\全局者，不足謀一域”，首先在板塊構(gòu)造研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級(jí)區(qū)劃工作。每級(jí)區(qū)劃所用比例尺逐漸增大，也就是說研究范圍在逐漸縮小。Ⅰ級(jí)區(qū)劃工作是建立板塊構(gòu)造研究與工程所在的大區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)之間的聯(lián)系，下一級(jí)別的區(qū)劃工作都是建立與上一級(jí)別區(qū)劃研究的聯(lián)系，并進(jìn)一步細(xì)化研究內(nèi)容和縮小研究范圍，Ⅴ級(jí)區(qū)劃工作尺度與井田范圍相對(duì)應(yīng)。通過這一系統(tǒng)的研究和區(qū)劃工作，建立了板塊構(gòu)造學(xué)說與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，確定人類工程所處的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)動(dòng)力背景，查明各級(jí)構(gòu)造 斷塊的邊界，劃分構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，建立工程所處位置的地質(zhì)構(gòu)造模型，進(jìn)而分析巖體應(yīng)力狀態(tài)，劃分地質(zhì)動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)，對(duì)地質(zhì)動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測，最終達(dá)到預(yù)測人類工程活動(dòng)產(chǎn)生的地質(zhì)動(dòng)力效應(yīng)的目標(biāo)。 為遵循從總體到局部這一工作原則，地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃研究中所選用的劃分各級(jí)斷塊構(gòu)造的比例尺范圍見表 22所示。表中巨大斷塊選用的比例尺范圍為 1： 4000 萬～ 1： 600萬，這是進(jìn)行板塊劃分所選用的比例尺，通過這一比例尺范圍建立全球斷塊構(gòu)造系統(tǒng)。表中Ⅰ級(jí)斷塊和Ⅱ級(jí)斷塊選用的比例尺范圍為 1： 250 萬～ 1： 100 萬，地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃工作在這一 比例尺范圍內(nèi)確定斷塊構(gòu)造，目的是建立板塊構(gòu)造劃分和地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的聯(lián)系，將板塊構(gòu)造所確定的一般性規(guī)律和研究成果應(yīng)用到地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃中。Ⅲ級(jí)斷塊和Ⅳ級(jí)斷塊的比例尺范圍為 1： 20 萬～ 1： 萬，根據(jù)這一尺度范圍可以將斷塊構(gòu)造劃分至礦區(qū)尺度范圍。通過 1： 1 萬～ 1： 2021 比例尺范圍的確定的Ⅴ級(jí)斷塊和Ⅵ級(jí)斷塊構(gòu)造，則在以上基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小范圍，可以劃定至井田尺度或者更小的范圍。通過以上由 1： 250～ 1： 5000（ 1： 2021）的逐級(jí)劃分，最終確定了井田尺度或者更小的范圍的斷塊構(gòu)造，由此便建立了板塊構(gòu)造與工程應(yīng)用之間的 聯(lián)系。 表 22 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃斷塊劃分比例范圍 序號(hào) 查明活動(dòng)構(gòu)造所用的地形圖比例尺 斷塊構(gòu)造 斷塊級(jí)別 地形圖比例尺 1 巨大斷塊 Ⅰ 1： 4000萬 3 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃原理和方法 26 2 巨大斷塊 Ⅱ 1： 2500萬 3 巨大斷塊 Ⅲ 1： 1200萬 4 巨大斷塊 Ⅳ 1： 600萬 5 斷 塊 Ⅰ 1： 250萬 6 斷 塊 Ⅱ 1： 100萬 7 斷 塊 Ⅲ 1： 20萬～ 1： 10萬 8 斷 塊 Ⅳ 1： 5萬～ 1： 9 斷 塊 Ⅴ 1： 1萬 10 斷 塊 Ⅵ 1： 5000～ 1： 2021 活動(dòng)斷裂的特征與識(shí)別 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃的首要工作是查明斷裂的形成與發(fā)展，確定斷塊的邊界，評(píng)估斷塊間的動(dòng)力相互作用方式和特征。 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃中對(duì)于斷裂構(gòu)造的劃分采用綜合方法進(jìn)行。這些方法以活動(dòng)斷裂的特征為基礎(chǔ)，綜合考慮活動(dòng)斷裂的地形地貌特征、地震特征、地層特征、地球物理和地球化學(xué)特征等等，利用室內(nèi)分析和野外觀測相結(jié)合的方法進(jìn)行活動(dòng)斷裂的綜合分析。因此，進(jìn)行活動(dòng)斷裂的劃分，首先需要明確活動(dòng)斷裂的特征及其識(shí)別方法。內(nèi)業(yè)工作中活動(dòng)斷裂的 確定方法包括繪圖法、夷平面法、趨勢面法、分形幾何法、地震判別法、遙感圖像分析法等。野外觀測是對(duì)于內(nèi)業(yè)工作的檢查和補(bǔ)充，野外觀測包括地形地貌調(diào)查、水系分析、河流階地變形分析、斷裂帶 EH4 電導(dǎo)率剖面測量等。通過以上工作，劃分?jǐn)鄩K構(gòu)造，確定活動(dòng)斷裂的形態(tài)。在劃分?jǐn)鄩K構(gòu)造、確定活動(dòng)斷裂形式的基礎(chǔ)上，需要確定各個(gè)斷塊與相鄰斷塊的動(dòng)力相互作用和斷裂活動(dòng)性。斷塊動(dòng)力相互作用主要反映在其與相鄰斷塊的邊界 — 斷裂的活動(dòng)性。斷裂活動(dòng)性評(píng)估需要確定能夠反映其活動(dòng)性的若干指標(biāo)，獲取各個(gè)斷裂活動(dòng)性指標(biāo)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后在對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜 合處理后進(jìn)行活動(dòng)性評(píng)估，確定斷裂的活動(dòng)性。建立包含斷裂活動(dòng)性的地質(zhì)構(gòu)造模型。通過上述工作，建立地質(zhì)構(gòu)造模型，對(duì) 礦井動(dòng)力災(zāi)害 危險(xiǎn)性作出初步評(píng)估。 活動(dòng)斷裂的類型 至今為止，對(duì)活動(dòng)斷裂并沒有一個(gè)統(tǒng)一的分類原則，因而也就沒有統(tǒng)一的類型。 1964年 ，這種分類是從活動(dòng)證據(jù)的角度出發(fā)的。 1966 年A． L．阿爾貝和 J． L．斯米思根據(jù)斷層的活動(dòng)強(qiáng)弱程度分為強(qiáng)烈活動(dòng)、中等活動(dòng)和輕微活動(dòng) 3類。 1972 年國際原子能委員會(huì)將活動(dòng)斷裂分為 4類：即“ A類 —— 高運(yùn)動(dòng)速率，井田應(yīng)力狀態(tài)與大采高工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究 中期研究報(bào)告 27每千年大于 lm。 B 類 —— 地形上顯 示清晰的斷層證據(jù)。 C類 —— 地形上顯示不清晰的斷層證據(jù)。 D類 —— 在定量評(píng)價(jià)上，沒有斷層速率或數(shù)量證據(jù)基礎(chǔ)，這樣的斷層叫做能動(dòng)的地表斷層”。 1973 年美國建設(shè)規(guī)劃委員會(huì) （ Crading Codes Board） 考慮到與地震活動(dòng)的關(guān)系，將斷層劃分三大類型：即活動(dòng)斷裂，潛伏活動(dòng)斷裂和非活動(dòng)斷裂。 鄧起東根據(jù)中國地殼動(dòng)力學(xué)過程和當(dāng)前的研究程度，并考慮到工程建設(shè)的實(shí)際需要和盡量使用已有的名詞和概念，他建議應(yīng)用以下三類概念，并分別定義如下： （ 1） 活動(dòng)斷裂：指第四紀(jì) （ 200～ 300 萬年 ） 至現(xiàn)代活動(dòng)過及正在活動(dòng)的斷裂； （ 2） 能動(dòng)斷裂：指中晚更新世以來 （ 10～ 50 萬年 ） 有過活動(dòng)的斷裂。這是考慮工程建設(shè)需要而采用的名詞，因?yàn)樯鲜龌顒?dòng)斷裂的概念對(duì)工程需要而言，時(shí)間尺度過長； （ 3） 發(fā)震斷裂：是指 1000～ 2021 年來有過破壞性歷史地震記載及被查明全新世（ ） 以來有過中強(qiáng)史前古地震活動(dòng)的斷裂。 活動(dòng)斷裂的基本特征 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是全球性的一次劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，主要由巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)所決定，其形成的應(yīng)力場稱現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場。在這種應(yīng)力場作用下，產(chǎn)生了許多新構(gòu)造形跡，這一系列的新構(gòu)造形跡構(gòu)成新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的“時(shí)空記錄”，為人們考察、研究和剖析 活動(dòng)斷裂特征與規(guī)律提供了客觀依據(jù)?；顒?dòng)斷裂有如下基本特征： （ 1） 現(xiàn)代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是延續(xù)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，而活動(dòng)斷裂大多繼承于新構(gòu) 造斷塊的差異運(yùn)動(dòng)，形成構(gòu)造地貌形態(tài)、景觀和單元； （ 2） 構(gòu)成歷史和現(xiàn)代的地震帶； （ 3） 活動(dòng)斷裂的構(gòu)造形變非常明顯； （ 4） 有現(xiàn)代的地球物理異常并形成異常帶； （ 5） 在現(xiàn)代區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場中，成為地應(yīng)力作用集中的地帶和區(qū)段； （ 6） 活動(dòng)斷裂的形成在時(shí)空上 具有斷續(xù)性、統(tǒng)一性。大的斷裂形成前，總是形成許多小的裂隙、斷裂。 根據(jù)以上活動(dòng)斷裂的基本特征和規(guī)律，可建立它的鑒定標(biāo)志和判據(jù)。 活動(dòng)斷裂的 運(yùn)動(dòng)方式 活動(dòng)斷裂運(yùn)動(dòng)是構(gòu)造形變的重要特征之一，這與地震、 礦井動(dòng)力災(zāi)害 的發(fā)生有著密切的關(guān)系，因此，觀測研究活動(dòng)斷裂運(yùn)動(dòng)方式，是識(shí)別活動(dòng)斷裂的一項(xiàng)重要工作。斷裂是一個(gè)或一組斷層的組合形式。在研究斷裂的運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，必須針對(duì)某個(gè)斷層而進(jìn)行。 3 地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃原理和方法 28 根據(jù)活斷層兩側(cè)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，活斷層可分為傾滑、走滑和張裂三種。傾滑斷層又可分為正斷層和逆斷層，正斷層為上盤相對(duì)下降的斷層，逆斷層為上盤相對(duì)上升的斷層。走滑斷層又有右旋和左旋之分，右旋走滑斷層為在斷層的一側(cè)面向斷層觀察，斷層的另一側(cè)向右移動(dòng)的斷層，左旋走滑斷層為在斷層的一側(cè)面向斷 層觀察，斷層的另一側(cè)向左移動(dòng)的斷層。張裂斷層為有張裂運(yùn)動(dòng)的斷層。上述幾種斷層運(yùn)動(dòng)方式見圖 24。當(dāng)然有的斷層可能兼有走滑、傾滑與張裂運(yùn)動(dòng)，當(dāng)斷層跡線不在地表出露時(shí)為隱伏斷層。 圖 24 活動(dòng)斷裂（斷層 ） 的運(yùn)動(dòng)方式 活動(dòng)斷裂的識(shí)別 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是地球上地形地貌形成與發(fā)展的動(dòng)力，地形地貌單元之形成及其特征依賴于相應(yīng)的新構(gòu)造單元的成生特點(diǎn)，為開展新構(gòu)造研究工作提供了一個(gè)理論基礎(chǔ)和宏觀的依據(jù)。通過提取和分析現(xiàn)代地貌中的一切 新構(gòu)造信息，來追溯新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特征與規(guī)律，即新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)塑造相應(yīng)的新構(gòu)造地貌，使得用新構(gòu)造形跡來追蹤活動(dòng)斷裂成為可能。 活動(dòng)斷裂識(shí)別中最突出的標(biāo)志是地貌標(biāo)志，即活動(dòng)斷裂在地貌上有明顯顯示。其次是地震活動(dòng)和地層錯(cuò)斷標(biāo)志。其他還有地球化學(xué)、地球物理標(biāo)志等?？傊?，活動(dòng)斷層的識(shí)別是個(gè)復(fù)雜的問題，活動(dòng)時(shí)代愈新愈難于確定。因此，必須利用多種手段進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，才能提高識(shí)別的可靠性。 活動(dòng)斷裂 的研究方法 活動(dòng)斷裂的識(shí)別與斷塊劃分遵循從一般到個(gè)別的原則，從板塊構(gòu)造的尺度出發(fā)，通井田應(yīng)力狀態(tài)與大采高工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究 中期研究報(bào)告 29過Ⅰ～Ⅴ級(jí)斷塊的劃分，最終將研究范圍劃定至井 田尺度上。通過活動(dòng)斷裂的識(shí)別和斷塊的劃分，形成了板塊構(gòu)造與工程應(yīng)用之間的橋梁和紐帶，建立了板塊構(gòu)造至工程應(yīng)用之間的聯(lián)系。需要指出的是，活動(dòng)斷裂的劃分是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作，期間需要利用多種方法和手段，借助豐富翔實(shí)的資料以確保準(zhǔn)確性和精確度。 地質(zhì)構(gòu)造形式劃分是在斷塊劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過這一工作建立區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造模型。研究中利用板塊構(gòu)造學(xué)的觀點(diǎn)和理論研究局部區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，查清了礦區(qū)及其鄰近區(qū)域的各級(jí)斷塊結(jié)構(gòu)，建立了適合于進(jìn)行具體工程實(shí)際應(yīng)用的地質(zhì)構(gòu)造模型，為礦區(qū)應(yīng)力場的研究奠定了基礎(chǔ)。 繪圖法 用繪圖法進(jìn)行斷塊劃 分主要是基于活動(dòng)斷裂的地貌特征進(jìn)行的，根據(jù)地形地貌的基本形態(tài)和主要特征決定于地質(zhì)新構(gòu)造形式的原理，通過對(duì)地形地貌的分析，查明區(qū)域活動(dòng)斷裂的形成與發(fā)展。是研究工作中最基本和最常用的方法。繪圖法是在各種圖件上進(jìn)行的，最重要的是地形圖，它具有定量地反映地貌形態(tài)三維空間的特點(diǎn)，在許多情況下能夠?yàn)榈孛渤梢蚍治鎏峁┲匾罁?jù)。 利用地質(zhì)圖和地形圖進(jìn)行活動(dòng)斷裂分析，來說明地貌的成因，特別是可用來分析構(gòu)造地貌現(xiàn)象。不同走向或產(chǎn)狀的兩組 （ 或兩組以上 ） 斷裂，會(huì)形成具有一定規(guī)模的正地形或負(fù)地形。在陸地上，斷裂構(gòu)造所建造的正地形，常 見的有斷塊山地、褶皺斷塊山地和被埋藏的古斷塊山地 （ 或古斷塊褶皺山地 ） 。負(fù)地形包括斷陷盆地、埋藏古斷陷盆地，以及裂谷型構(gòu)造盆地等等。 斷層線通過處一般巖層破碎，易于風(fēng)化，所以斷層線通過處，溝谷較多，一般都構(gòu)成負(fù)地形特征，如山脊的埡口。過去老地質(zhì)學(xué)家常說 “ 逢溝必?cái)?” 。當(dāng)然 并 不是每條溝谷都是斷裂，但是溝谷需做斷層來考慮，再來尋找依據(jù)加以證實(shí)。 例如 活動(dòng)褶曲構(gòu)造地貌 （ 原生褶曲構(gòu)造地貌 ） 是新構(gòu)造活動(dòng) 下 形成的 地貌 ，表現(xiàn)為構(gòu)造和地貌的同向性，即褶曲隆起或背斜構(gòu)造在地表表現(xiàn)為正地形，褶曲拗陷或向斜構(gòu)造表現(xiàn)為負(fù)地形。 原生褶曲在后 期地質(zhì)營力的作用下產(chǎn)生的地貌（ 次生褶曲構(gòu)造地貌 ） 征和地質(zhì)構(gòu)造有時(shí) 表現(xiàn)為同向性 ，如背斜山或向斜谷；有時(shí) 地貌特征和構(gòu)造又不一致，如背斜頂部因受張力作用容易被侵蝕形成谷地，而向斜槽部因受擠壓作用不易被侵蝕從而形成山嶺，即 向斜山或背斜谷。 因此在進(jìn)行活動(dòng)斷裂的識(shí)別與劃分時(shí)應(yīng)該注意正負(fù)地形的影響。 在對(duì)比地質(zhì)圖與地形圖時(shí)，倘若山地兩側(cè)山麓同時(shí)存在一組或兩組斷層，且山麓線