安徽省濉溪縣劉小廟礦區(qū)地質(zhì)作用對(duì)煤層的影響

陳珊珊

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325地質(zhì)隊(duì)，安徽 淮北 235000)

0 引言

劉小廟煤礦區(qū)位于淮北平原地帶，地勢(shì)較平坦，地形高程+27.72～+31.58 m，北起安徽與河南省界，東從黃集大斷層，西到F7斷層，南至符離集EW向大斷裂，面積為68.81 km2。礦區(qū)以貧煤、無(wú)煙煤為主，具有特低硫、中灰、低磷分、低揮發(fā)分、高熱值的特點(diǎn)。

在開(kāi)采煤礦過(guò)程中，礦區(qū)地質(zhì)對(duì)煤層有著至關(guān)重要的影響，充分認(rèn)識(shí)它不僅對(duì)礦井的正常生產(chǎn)提供幫助，還會(huì)降低開(kāi)采的耗費(fèi)成本、提高資源的回收利用率[1-2]。本文通過(guò)分析劉小廟煤礦礦區(qū)地質(zhì)特征，揭示區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造、巖漿巖活動(dòng)等地質(zhì)作用對(duì)煤層的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 地層

該地區(qū)位于華北地臺(tái)南緣，淮北煤田南部。地層分區(qū)屬華北地層區(qū)、淮河地層分區(qū)、淮北地層小區(qū)。區(qū)域上已揭露的地層，由老至新有下古生界寒武系、奧陶系中下統(tǒng)、上古生界上石炭統(tǒng)、二疊系及新生界新近系和第四系。

1.2 構(gòu)造

從淮北煤田區(qū)域構(gòu)造框架來(lái)看，為緯向構(gòu)造體系與NNE向新華夏系相互作用的結(jié)果，主要表現(xiàn)為NNE向構(gòu)造改造早期的緯向構(gòu)造。

從構(gòu)造區(qū)劃看，淮北煤田位于華北板塊東南緣，東以郯廬斷裂為界與楊子板塊相接，南以蚌埠隆起與淮南煤田相鄰。區(qū)內(nèi)構(gòu)造受EW向構(gòu)造及郯廬斷裂所控制，加上多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加的結(jié)果，使得區(qū)內(nèi)形成了EW向大斷裂及NNE向大斷裂網(wǎng)狀交錯(cuò)的構(gòu)造格局。在煤系地層的后期改造中則形成一系列短軸褶曲構(gòu)造，其軸向多為NNE向(圖1)。

1.3 巖漿巖

本區(qū)巖體主要由花崗閃長(zhǎng)巖、石英斑巖、閃長(zhǎng)玢巖等組成，呈不規(guī)則巖珠狀。除在芒山附近有少量花崗閃長(zhǎng)巖裸露外，大多被新生界覆蓋。侵入時(shí)代據(jù)同位素地質(zhì)年齡測(cè)定約1～1.223億年，相當(dāng)于燕山晚期。該區(qū)還有燕山晚期的輝綠巖、煌斑巖等，呈巖床、巖脈狀侵入石炭紀(jì)、二疊紀(jì)煤系地層或早期的巖漿巖中。

圖1 淮北煤田構(gòu)造綱要圖

① 夏邑—固始斷裂 ② 豐渦斷裂 ③ 固鎮(zhèn)—長(zhǎng)豐斷裂 ④ 靈璧—武店斷裂 ⑤ 郯廬斷裂 ⑥ 宿北斷裂 ⑦ 光武—固鎮(zhèn)斷裂⑧ 太和—五河斷裂 ⑨ 臨泉—?jiǎng)⒏當(dāng)嗔?/p>

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

本礦區(qū)出露地層由下至上主要有中奧陶統(tǒng)老虎山組、上石炭統(tǒng)本溪組和太原組、下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組、上二疊統(tǒng)上石盒子組和石千峰組。其中含煤地層主要為下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組及上石盒子組：

下二疊統(tǒng)山西組(P1s)：厚度為72.00～115.30 m。① 下段：自標(biāo)志層K1頂至10煤組頂，其巖性主要為黑色泥巖、深灰色、細(xì)粒砂巖及粉砂巖，夾煤層。最底部為黑色泥巖，發(fā)育較穩(wěn)定。該段含10、11兩煤組，11煤組多為炭質(zhì)泥巖、煤線，該段主要可采煤層為10煤組。② 上段：自10煤組頂至標(biāo)志層K2底部，主要為一套深灰泥巖、灰色細(xì)粒砂巖及粉砂巖互層沉積，9煤組同11煤組相似，多見(jiàn)炭質(zhì)泥巖、煤線。10煤組以上發(fā)育著一層細(xì)—中粒砂巖，上細(xì)下粗，顯示含菱鐵質(zhì)鮞粒的交錯(cuò)層理。具交錯(cuò)層理的砂巖局部地段成為10煤組煤層的直接頂板。

下二疊統(tǒng)下石盒子組(P2x)：厚度為153.40～230.50 m。下段主要含煤層為K2底至7煤層頂。主要為一套深灰色泥巖、灰色粉砂巖、細(xì)砂巖和煤層互層沉積。煤層之上通常發(fā)育為一層厚3～5 m的細(xì)粒砂巖，成分主要為長(zhǎng)石和石英，摻雜有少量云母，條帶呈暗色泥質(zhì)膠結(jié)。最底部為較穩(wěn)定且分布廣泛的淺灰色含鋁土質(zhì)泥巖—K2標(biāo)志層，與下伏山西組的分界層。該段含8、7兩個(gè)煤組有四個(gè)煤分層，其中72、82煤組為主要可采煤層。7煤組頂至K3砂巖標(biāo)志層底為上段，主要為一套深灰色泥巖、灰色夾細(xì)粒砂巖、粉砂巖互層和煤線。中上部有極不穩(wěn)定的兩三個(gè)煤組層位，多相變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖。6煤組在局部地段不可采，多為極不穩(wěn)定的煤線。

上二疊統(tǒng)上石盒子組(P2s)：厚度為572.00～643.35 m。下段主要為灰紫、灰綠色泥巖，粉砂巖和淺灰色、灰色細(xì)砂巖互層沉積，偶夾幾層中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖和煤線。下部富含植物化石和植物碎片化石，見(jiàn)有煤層及煤線1、2、3煤，其中距3煤組60～90 m處，發(fā)育一層雜色中粗—細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，主要由石英、長(zhǎng)石組成，硅泥質(zhì)膠結(jié)為其主要特點(diǎn)，厚度大于10 m，定為K3標(biāo)志層。3煤組為本區(qū)的局部可采煤層，在本區(qū)不太穩(wěn)定，局部過(guò)渡為粉砂巖。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)位于徐宿弧形構(gòu)造的西緣、豐渦斷裂的東側(cè)?？傮w形態(tài)為一走向NW、傾向NE的單斜構(gòu)造，由于受多次地質(zhì)作用的影響，沿走向、傾向出現(xiàn)不同程度的波狀起伏，形成褶曲和斷裂。地層走向、傾向有一定變化，傾角一般為5°～15°，局部較陡。

礦區(qū)北部、黃集斷層以西表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，地層走向?yàn)榻麰W、傾向南、傾角5°～15°，礦區(qū)南部及黃集斷層以東分布著多條走向NE、NEE和NW向的正斷層。地層走向、傾向發(fā)生變化，傾角15°～30°。

現(xiàn)該區(qū)構(gòu)造格局為多期構(gòu)造作用疊加的結(jié)果。早期，在近SN向作用力的影響下促使地層的單斜構(gòu)造、褶曲及斷裂均呈EW走向。由于早期構(gòu)造加上受EW向作用力的影響，形成了近SN向的短軸狀褶曲及張性大斷裂，同時(shí)改造了地層的走向。后期的徐宿弧向構(gòu)造側(cè)向擠壓應(yīng)力對(duì)該區(qū)影響不太大。在褶曲發(fā)育過(guò)程中張應(yīng)力及張扭應(yīng)力的作用下形成小正斷層，從斷層切割關(guān)系來(lái)看，這種應(yīng)力作用持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，說(shuō)明該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)存在延續(xù)性[3-4]。圖2為礦區(qū)構(gòu)造綱要圖。

區(qū)內(nèi)共發(fā)育15條正斷層，其中1條斷距小于30 m，2條斷距為50～100 m，12條斷距大于100 m。斷層走向呈NNE向、NNW向、EEN向及NW向有規(guī)律地展布。其中正斷層DF6位于礦區(qū)西部，貫穿整個(gè)礦區(qū)，走向NNE，傾向SEE，傾角70°，斷距為100～200 m，平面延伸約7500 m。本礦區(qū)最大的斷層——黃集斷層位于礦區(qū)東部，從北向南穿過(guò)整個(gè)礦區(qū)，走向NNE，傾向SEE，傾角70°，平面延伸大于14 km，斷距為300～800 m(表1)。

圖2 礦區(qū)構(gòu)造綱要圖

1—上二疊統(tǒng)石千峰組 2—上二疊統(tǒng)上石盒子組 3—下二疊統(tǒng)下石盒子組 4—下二疊統(tǒng)山西組 5—中石炭統(tǒng) 6—中奧陶統(tǒng) 7—正斷層及編號(hào) 8—閃長(zhǎng)玢巖 9—礦區(qū)范圍

2.3 巖漿巖

礦區(qū)內(nèi)主要為燕山晚期的閃長(zhǎng)玢巖和少量輝綠巖，呈巖脈狀、似層狀侵入含煤巖系中。南厚北薄。閃長(zhǎng)玢巖一般出現(xiàn)1～2條，厚度為0.20～148.15 m，主要侵入礦區(qū)南部下石盒子組(7、8煤組)和山西組(10煤組)煤層位，少見(jiàn)侵入上石盒子組(3煤組)煤層位。輝綠巖一般出現(xiàn)1～2層，厚度一般為0.50～2 m，最厚達(dá)5.50 m，常侵入礦區(qū)北部下石盒子組(7、8煤組)和山西組(10煤組)煤層位。礦區(qū)南部巖漿侵入層位較高，礦區(qū)北部巖漿侵入層位較低，巖漿自南向北侵入，基本上為順層侵入。

2.4 煤層

區(qū)內(nèi)主要含煤地層為上二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組及上二疊統(tǒng)上石盒組。山西組含煤3組(9組、10組、11組)，其中主要可采煤層為10煤組，平均厚2.54 m，從全礦區(qū)的分布來(lái)看，為較穩(wěn)定煤層。

下石盒子組含煤3組(6組、7組、8組)，主要集中在該組下部，總厚度為1.19～9.54 m，平均厚4.68 m，含煤系數(shù)為2.8%。8煤組有兩個(gè)分層81和82，其中82煤層全礦區(qū)分布，層位穩(wěn)定，是本區(qū)的主要可采煤層，為較穩(wěn)定煤層；7煤組有兩個(gè)分層71和72，其中72煤層分布廣泛，層位較穩(wěn)定，僅在7線和9線附近沉缺、不可采或相變?yōu)槟鄮r，為主要可采的較穩(wěn)定煤層；71煤層在5線、7線、9線42線和45線附近沉缺或相變?yōu)槟鄮r，為局部可采的較穩(wěn)定煤層。

表1 礦區(qū)斷層情況

上石盒子組含煤3組(1組、2組、3組)，總厚度為0.21～1.71 m，平均厚0.67 m，含煤系數(shù)為0.12%。其中3煤組位于該組下部，發(fā)育在礦區(qū)的南部，為本區(qū)可采煤層。

3 地質(zhì)作用對(duì)煤層的影響

3.1 斷層對(duì)煤層的影響

由于斷層在發(fā)育過(guò)程中，構(gòu)造應(yīng)力的影響下，剪切破壞了煤層，煤層滑面發(fā)生變化，煤層的裂隙增多，導(dǎo)致煤層中的巖性松軟破碎，比較大的斷層還會(huì)使煤層斷開(kāi)錯(cuò)位(圖3)。同時(shí)還伴生有一系列的小斷層，把煤層切割分散，破壞其連續(xù)性和完整性，造成煤層變薄甚至形成無(wú)煤區(qū)[5-8](圖4)。礦區(qū)斷層DF7和DF8相交，導(dǎo)致3煤、K3錯(cuò)位斷開(kāi)，而以下的煤層消失。斷層DF1和黃集斷層的相交把煤層長(zhǎng)距離的拉開(kāi)，直接形成了無(wú)煤三角區(qū)。此外據(jù)前人研究[6，10-11]，主結(jié)構(gòu)為向斜，斷層裂縫的封閉性較小，膠合度小，對(duì)煤層的破壞相對(duì)也較小，主結(jié)構(gòu)為背斜，斷層為張性裂縫，對(duì)煤層的破壞非常大。

由于煤層較軟弱，構(gòu)造應(yīng)力使其發(fā)生塑性流動(dòng)或變形。當(dāng)多條斷層同時(shí)作用于同一段煤層時(shí)，該煤層容易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而引起斷層兩側(cè)的煤層尖滅。當(dāng)煤層及其頂?shù)装迨艿絺?cè)向壓應(yīng)力時(shí)，就會(huì)因力的作用產(chǎn)生剪切滑動(dòng)，造成煤層頂板下凹或底板上隆，煤層因流變和揉皺變形，厚度變薄或增厚[9-12，16-19]。斷層的拉張拖曳作用使煤層厚度隨斷層遠(yuǎn)近而發(fā)生改變，通常煤層遇正斷層則越遠(yuǎn)越厚，反之，煤層遇逆斷層則越遠(yuǎn)越薄(圖5)。煤層塊段距斷層DF10的平均厚度為1.29 m，靠近斷層DF8的平均厚度為1.13 m，而距離黃集斷層較遠(yuǎn)的平均厚度達(dá)2.44 m。

圖3 煤層被斷層連續(xù)性破壞

圖4 45線剖面—斷層相交形成無(wú)煤三角區(qū)

圖5 斷層與煤層的距離的厚度對(duì)比

3.2 巖漿巖對(duì)煤層的影響

侵入體巖性、規(guī)模、產(chǎn)狀、層位影響著對(duì)煤層的破壞程度?；居型茢D和熔蝕兩種作用。當(dāng)煤層受到巖漿熱力及推擠壓力作用時(shí)，煤層流變，影響煤層穩(wěn)定性，促使煤層中的物質(zhì)發(fā)生運(yùn)移從而煤層發(fā)生局部厚度增減，造成巖體呈波浪起伏狀延伸，并迫使煤層局部聚攏成團(tuán)而形成煤包[13-15，20-22]。侵人體巖漿巖的高溫使煤質(zhì)發(fā)生焦化作用，部分煤層被吞蝕，這種熔蝕作用造成煤層的變薄和局部缺失，并使殘留部分烘烤變質(zhì)，使煤層的厚度減薄，降低煤層的可采性(圖6)。另外在向、背斜的核部等構(gòu)造薄弱地帶也有少量基性巖漿侵入，進(jìn)入煤系地層后，順著煤層侵入，對(duì)煤質(zhì)影響很大。

煤層侵入巖多為輝綠巖，它們的侵入破壞了煤層的原生厚度、結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)。輝綠巖脈穿插煤層時(shí)，巖石大多溶蝕強(qiáng)烈，顏色變淺，具有殘余輝綠結(jié)構(gòu)。有些斜長(zhǎng)石僅保留其假象，被次生的高嶺土和碳酸鹽礦物所替代。此外由于巖漿巖的穿插，將部分可采煤層穿插多個(gè)分層，使煤層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低煤層的穩(wěn)定性。

3.3 煤變質(zhì)作用對(duì)煤層的影響

礦區(qū)內(nèi)煤變質(zhì)作用主要包括兩種類型：區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用和接觸變質(zhì)作用，在不同煤層或同一煤層不同煤類，兩種變質(zhì)作用類型所起作用有主次之分。

圖6 巖漿巖的侵入使煤層局部缺失

10煤組以區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用為主，其變質(zhì)程度與其在現(xiàn)代構(gòu)造中的埋藏深度有關(guān)。礦區(qū)北部東側(cè)埋藏淺，變質(zhì)程度低于南部或北部西側(cè)煤變質(zhì)程度，東側(cè)以貧煤為主，西側(cè)或南部則為無(wú)煙煤。

各煤層煤的變質(zhì)程度受兩種變質(zhì)作用的疊加影響遠(yuǎn)高于正常地質(zhì)背景下因深成變質(zhì)作用導(dǎo)致的煤的變質(zhì)程度，屬高變質(zhì)煤甚至天然焦[23-24]。而接觸變質(zhì)作用表現(xiàn)為巖漿直接侵入煤層，因其高溫、揮發(fā)物和壓力使煤發(fā)生接觸變質(zhì)，使之變質(zhì)為天然焦和高變質(zhì)煤，3、7和8煤組部分的天然焦和無(wú)煙煤，即為在區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用的基礎(chǔ)上，疊加了接觸變質(zhì)作用的結(jié)果。

3.4 巖相古地理對(duì)煤層的影響

巖相古地形的發(fā)育對(duì)煤層的變化程度、可采程度及厚度也起到了至關(guān)重要的作用。

山西組底部的黑色泥巖和下部的條帶狀砂巖就是在早二疊世早期由于海水全面撤退，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)海灣，潟湖—潮坪沉積體系所形成的。大量植物的生長(zhǎng)，逐漸形成泥炭沼澤相，且歷時(shí)較為漫長(zhǎng)，形成了較穩(wěn)定可采煤層10煤組。

10煤組之上第一個(gè)較大的正粒序旋回及其之后的多個(gè)小粒序旋回沉積，代表了整個(gè)三角洲沉積體系在本區(qū)建造和發(fā)育的過(guò)程。

到了早二疊世晚期，該區(qū)最底部為一層灰色鋁土泥巖為濱海無(wú)碎屑進(jìn)入的微咸水或半咸水湖泊相沉積。之上出現(xiàn)幾個(gè)粒序旋回及煤層沉積。8煤組、7煤組便形成于相對(duì)穩(wěn)定期的三角洲平原分流間地區(qū)。再往上出現(xiàn)的6、5、4煤組，均為極不穩(wěn)定的薄煤層或炭質(zhì)泥巖，很可能與三角洲體系活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，該期碎屑體系活動(dòng)頻繁，分流間泥炭沼澤相經(jīng)常受到周期性決口或溢岸作用的影響，持續(xù)時(shí)間短，因而無(wú)法形成大面積可采煤層。

晚二疊世早期，由于氣候、環(huán)境的演變均不利于成煤，因而只在上石盒子中下部見(jiàn)有局部可采煤層和薄煤層或炭質(zhì)泥巖，即1、2、3煤組。

4 結(jié)論

1)斷層對(duì)煤層的分布、厚度、產(chǎn)狀及變化程度具有一定的控制作用，致使煤層不連續(xù)、局部缺失甚至尖滅。使采礦難度增加。主結(jié)構(gòu)是背斜(張性斷裂)時(shí)，其破壞能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于向斜，對(duì)煤層的破壞非常之大，在勘查過(guò)程中需引起足夠重視。

2)巖漿巖的侵入對(duì)煤層破壞性不容忽視，輝綠巖的侵入，破壞了煤層的原生厚度、結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)。順煤層侵入，使煤層大部分變質(zhì)為天然焦或侵吞，造成不可采區(qū)，嚴(yán)重降低了開(kāi)采價(jià)值。此外煤層被侵蝕后，會(huì)導(dǎo)致瓦斯(煤成氣)含量增高，使采礦安全性降低。

3)煤變質(zhì)作用使煤質(zhì)發(fā)生變化，煤變質(zhì)作用的程度與礦區(qū)收益率形成正比。通常情況下，變質(zhì)程度與煤層的埋藏深度相關(guān)，埋藏淺其變質(zhì)程度就較低，多為貧煤；反之，埋藏深其變質(zhì)程度就較高，形成高變質(zhì)煤。

4)巖相古地理區(qū)內(nèi)古生界的沉積層及新生界的松散層，其厚度及變化規(guī)律也為尋找可采煤層提供一定的理論及技術(shù)指導(dǎo)。