潘一矿东区11-2煤层滑构造的成因机制
刘永栓
（淮南矿业集团潘一矿东区地测二科，安徽淮南232000）
【摘要】潘一矿东区11-2煤层及其顶底板中滑动现象极为普遍，层滑构造是导致煤层不稳定的主要因素。从三个方面分析了层滑构造形成的成因机制，为分析层滑构造提供了理论依据。
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关键词 层滑构造；控制因素；应力条件；挤压剪切型
潘一矿东区11-2煤层滑构造发育，其形成主要受构造应力的作用，即层滑驱动力来源于构造应力的作用，11-2煤层本身的煤岩性组合为层滑提供了较有利的层滑条件，本文将从三个方面对11-2煤层层滑构造的成因机制进行分析，即层滑形成的控制因素，层滑形成的应力条件及层滑构造形成模式。
1层滑构造形成的控制因素分析
1.111-2煤岩层的褶皱程度对层滑构造的控制
讨论层滑构造形成的力学条件时，假定滑面水平或近于水平，而实际中的层滑构造面多数与岩层面一致（主要指主滑面）。潘一矿东区层滑薄化带普遍发育，层滑带边缘煤体结构较完整。从而有必要讨论地层倾角对层滑的控制作用。假定滑动体A沿斜面滑动，其宽度c，高度d均为定值，斜面倾角为θ，见图1。A滑动的应力条件为
由（3）式可见，对同一滑动体，?滋为定值，滑动时所需F的大小与θ有关，θ越大，F就越大；θ越小，F就越小，此时块体只需要较小的力就能产生滑动。θ为零时，（4）式就变为（6）式的情况，滑动时所需F最小。由（4）式可见，θ越大，要使岩层结构破坏，所需F越小。所以，在地层倾角较大的情况下，只需较小的推力就会使岩层破碎，整体滑动性减小。相反，如θ越小，对应的F又较为适中时，越不易发生结构破碎。
在实际中，当岩层受力条件合适时，单考虑褶皱变形强度，只要满足（3）和（4）两式（即θ在一定的范围内取值）条件，最有利于发生层间滑动。如从滑动体长度（即滑动范围）的角度看，因为F≥F1，只要
就满足（3）式，可得：
式中
为层滑的难易指数。可见，当S，μ一定时，滑体长度与θ有关。θ（小于90度）越大，a就越小，b也相应越小，整体滑动能力就差，此时影响范围也越小，反之亦然。这与从应力角度分析的结果相吻合。
假定有两个受力相同应力σ1作用的褶皱岩层，如图2，一个较缓a，另一个较陡b。对于a来说，θ1较小，层间剪切方向的分力为σ11相对较大，垂直作用于岩层体的分力σ12相对较小，此时易使其发生剪切滑动；岩层继续褶皱，变为b状态时，θ2较大，层间剪切分力σ´11相对减小，而正应力σ´12相对增大，此时岩层易发生结构破碎，整体滑动性减小，但并不是越缓滑动就越强烈。地层太缓时受边界条件的限制，没有滑动空间；应力集中需要过程，层滑前后应力条件并不相同。只有当岩层弯曲变形到一定的程度，且具备了层滑应力条件，才有利于层间整体的滑动。
1.211-2煤层岩性差异及地下水对层滑构造的影响
岩性差异是层滑构造发生的物质基础，由黏土矿物（如高岭石、蒙脱石）或其它片状矿物（如云母类）组成的岩石，如砂质泥岩、泥岩等，力学性质弱、具塑性、抗剪强度小，当其与力学性质强、抗剪强度大的岩石接触时易于发生剪切滑动。岩层发生层间滑动时，层间摩擦力不完全相同的重要原因是岩性存在自然差异，除了表现在矿物本身的强度不同外，还与地下水的作用有关。观察潘一矿东区11-2煤层层滑构造带时发现，同一物质成分的岩层，所受应力条件相同，但滑动的强烈程度不尽一致。在滑动强烈带内，滑面上有明显的方解石脉充填。
由（10）式可见，μ的变化值直接影响b的大小。同种岩石，由于所处干湿状态不同，挤压、抗剪强度也不同，不同性质的岩石，这种变化幅度更明显，见表1。
1.3层滑构造与其他构造的关系
层滑构造的产生一般与褶皱、断层密切相关断层褶皱复杂的矿井，层滑构造也较复杂，他们在成因和分布上与断层或褶皱具有不可分割的联系。大范围层滑构造的发生多与褶皱作用有关。层滑构造的发生条件正是纵弯褶皱作用的基础。潘一矿东区11-2煤生产中遇见的层滑，往往出现在褶皱的一定部位，最常见的是在褶皱翼部倾角适中的部位，构成层滑平面展布带。小范围的层滑常与断层两盘活动有关，与断层直接相关的是规模较小的揉皱型层滑，他们分布在断层的一盘距断面一定距离的较弱层。在有多次构造作用的矿区，有些层滑与相邻断层的存在无关，因为它们不是同一构造应力的产物。因此，详细分析层滑所表现的滑动方向，确定滑动次数，其与断层或褶皱的成因联系至关重要。
2层滑构造形成的应力分析
目前对层滑构造的形成机理主要有重力滑动、重力扩张、液压推动、后方构造推动和应力传递等学说但对小型层滑构造的力学形成条件研究尚少。层滑构造实质上是一种端面平行于岩层面或微弱穿层的剪切运动，它于积压（或张拉）运动应处于同一系统之中。在同一高应力场的作用下，当一定厚度的滑动体与其相邻岩体发生挤压（或拉张）运动时，一方面与相邻两侧的岩体发生剪切面近垂直或高角度剪切运动，另一方面则于下伏岩层发生层间滑动。有时就是同一滑动体，各层之间不但发生不同方式的滑动变形，且会表现出水平唯一的差异。或者说，不仅不同层位上的水平滑移速度不同，且上下相对滑动时，各处位移也并非一致。这种性质与断层在不同的层位、不同地段断距和位移速度总不可能完全一致极为相似。其原因是岩层各处遭受应力大小不同（有边缘向内部减弱）；另外，岩层发生层间滑动时各处摩擦力也不尽一致。
设有一滑动体A，其长为b，宽为c，高为d，在B岩体上发生水平滑动，如图3。要使A滑动，一方面必须满足
F≥μW（6）
式中：F——作用于A的水平推动；μ——摩擦系数；W——滑动体A的自重。
对（6）式进行分解、推导得
scd≥μbcdg或S≥μbpg（7）
式中：S——滑动体A后侧（cd面）所受应力；?籽——岩体容重；G——重力加速度。
由（7）式可见，S越大，b越大，整体滑动性增强，滑动距离就越大，层滑构造也相应明显。
S又必须小于岩石（或煤）的抗压强度
综合（7）和（8）两式得
两式分别为岩层发生层间滑动的基本力学条件及岩体的理想滑动长度。对于一定性质的岩层，参数?滓p，?籽，g等均为定值，层滑发生难易程度取决于?滋的大小及其变化。
3潘一矿东区11-2煤层滑构造形成模式—挤压剪切型
煤系地层发生煤岩层层间滑动的主要条件有两个：一是必须具备侧向的挤压力或引张力，二是岩性组合必须存在软弱面。侧向上的挤压力有利于层间滑动的进行，但必须大于煤层与顶底板之间的摩擦力。软弱面是指易把岩层运移，具有强度低和易变形等特性的各种地质界面。在11-2煤层生产中见到的软弱面系有煤层、煤岩层顶底板为泥岩界面及构造裂隙面。11-2煤含煤地层是由一套刚柔相间、软硬各异的岩层叠合而成，当受到大致相向的侧向挤压力或相背的引张力作用时，不同的岩性所发生的形变是不同的，因而，煤层所发生的顶底板之间的层间滑动，在不同的顶底板之间的岩性组合所伴生的层间滑动现象各有差异。
岩层在褶曲过程中，层间滑动是普遍现象。层理面是原始沉积过程中形成的原生结构面，是比较薄弱的，所以岩层滑动也就沿着易于剥开的层理面发育起来。由于岩石力学性质的差异，在形成层间滑动面的过程中，较松软的岩层（如煤层）在褶曲作用下，呈现高度的塑性，层间滑动发生时，就沿着易于滑动和塑性变形的煤层发生相对集中的搓动。由于挤压，断裂结构面也就表现了压性结构面舒缓波状的形态。呈舒缓波状的断裂结构面，在滑动中破坏了煤层的原生结构，煤层厚度随着断裂结构面的起伏而发生变化。在层滑构造的作用下，断裂结构面以上的岩层（包括煤层），在发生位移时的形式不同，也导致煤厚的变化。在发生层间滑动时，断裂结构面以上的煤层、夹矸及顶板岩层，较其下的岩层是主动盘顺层产生位移，岩层的完整性受到破坏。由于岩层遭受破坏程度上的差异及其它地质因素的制约，在产生位移时，就表现为有的地段顺层理平行滑动；断裂构面以上仍有煤层存在；有的地段切层发生牵引，致使煤层缺失。断裂结构面以下的煤层是被动盘，煤层结构基本完整，塑性变形表现得也不明显，但剪节理较发育，它可作为逆冲断裂的伴生构造，并可用来确定断裂的力学性质和判断两盘相对位移方向。根据潘一矿层滑构造的运动学和动力学特点。区内层滑构造主要为挤压剪切型，煤系地层受区域挤压应力场作用，在形成纵弯褶皱过程中，煤岩层顺层剪切而形成的层滑构造为潘集煤田常见的一种层滑构造成因类型，生成时间早，影响范围广，可形成揉皱型及断裂型层滑构造。
4结束语
通过对潘一矿东区11-2煤层滑的形成的控制因素，层滑形成的应力条件及层滑构造形成模式三个方面的分析，对判断该矿区层滑构造导致的煤层变薄区甚至无煤区提供了理论基础，为开展地质预测预报，确保矿井安全生产，提高矿井经济效益及矿井的长远规划都具有十分重要的意义。
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参考文献
［1］徐开礼,朱志澄.构造地质学[M].北京:地质出版社,1984.
［2］薛喜成.南桐矿区砚石台煤矿褶皱、层间滑动构造的定量评价与预测研究[D].北京:中国矿业大学（北京）,1994.
［责任编辑：刘展］
