金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)煤層地質(zhì)特征及成煤環(huán)境分析

周興濤，顧莎，郭建，岳偉佳，趙宇輝，殷淑翠

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地下水資源與環(huán)境重點實驗室，山東省地下水環(huán)境保護與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)位于山東省濟寧市金鄉(xiāng)縣城南約19km，地處山東省魯西南含煤區(qū)，具備成煤地質(zhì)條件，存在一定的找煤前景。1974年以來先后有十余個地勘單位在該地區(qū)進行煤炭地質(zhì)勘查工作，對該區(qū)的煤炭資源進行了物探測量和勘探工作，為本次研究工作提供了豐富的地質(zhì)資料。金鄉(xiāng)煤田霄云寺井田位于研究區(qū)的北鄰，單縣煤田陳蠻莊井田、張集井田位于研究區(qū)的南鄰，3個井田位于同一區(qū)域構(gòu)造斷塊內(nèi)，成煤地質(zhì)條件相似[1-3]。金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)煤層厚度較大、煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤質(zhì)條件較好，地表全被第四系覆蓋，第四系和新近系厚度約460～690m，整體呈東薄西厚的變化趨勢。山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊于2016—2017年在金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)進行了普查找煤工作(1)山東省地礦工程勘察院，山東省金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)煤炭普查報告，2018年。，利用二維地震勘探、地質(zhì)鉆探、全孔數(shù)字測井和采樣測試等手段，新發(fā)現(xiàn)煤炭礦產(chǎn)地一處，煤類為焦煤(JM25)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置屬華北陸塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯西南潛隆起(Ⅲ)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅳ)的金鄉(xiāng)潛凹陷(Ⅴ)的東南部(圖1)。

1.1 地層

研究區(qū)屬華北平原地層區(qū)魯西地層分區(qū)，地處黃泛平原，地表全部為第四系松散層。地層自下而上分布為：古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生代侏羅系，新生代古近系、新近系、第四系。

石炭紀-二疊紀月門溝群為區(qū)域內(nèi)主要含煤地層。分布于菏澤市單縣東部及北部、成武縣東部，濟寧市金鄉(xiāng)縣西部和南部及巨野縣南部。月門溝群自下而上可分為3個組，分別為本溪組、太原組和山西組。其中太原組厚度約140～175m，為重要含煤層位；山西組厚度約70～120m，山西組內(nèi)的3煤層為該地區(qū)的主要可采煤層[4-9]。

1—古近系；2—侏羅系；3—二疊系；4—石炭-二疊系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武-奧陶系；8—寒武系；9—新太古界；10—推測地質(zhì)界線；11—推測不整合接觸界線；12—推測斷裂及產(chǎn)狀；13—研究區(qū)范圍圖1 金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)區(qū)域基巖地質(zhì)圖

1.2 構(gòu)造、巖漿巖

區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育。區(qū)域西部、南部菏澤地區(qū)被一些大型斷裂分割為不同的Ⅳ級構(gòu)造單元，形成凸起、凹陷相間排列的構(gòu)造格局，控制著該區(qū)域內(nèi)的地層分布和礦產(chǎn)資源分布[10-11]。凸起、凹陷和斷裂在區(qū)域布格重力異常圖上反映明顯。研究區(qū)東部分布有嘉祥斷裂，西部為司馬斷裂，西南側(cè)為單縣斷裂，研究區(qū)中南部發(fā)育大代廟斷裂，這些斷裂構(gòu)造控制著區(qū)域地層和煤炭資源的分布[12-15]。區(qū)內(nèi)巖漿活動不發(fā)育[16]。

1.3 地球物理特征

區(qū)域重力資料顯示，研究區(qū)處于金鄉(xiāng)凹陷、魚臺凹陷及單縣凸起三者的交會部位，重力場表現(xiàn)為重力高異常的邊緣地帶。大致以單縣斷裂-嘉祥斷裂為界，東北側(cè)為重力負異常區(qū)，其西南側(cè)為重力正異常區(qū)，即研究區(qū)位于凸起構(gòu)造內(nèi)。從區(qū)域資料可知，基底以奧陶紀灰?guī)r為主，地表被第四系全部覆蓋，山西組、太原組含煤地層保存比較完整，找煤地質(zhì)條件較好。

2 含煤巖系特征

研究區(qū)為全隱蔽的華北型石炭-二疊紀海陸交互相含煤沉積。區(qū)內(nèi)地層主要為奧陶系、石炭-二疊紀月門溝群本溪組、太原組、山西組和二疊紀石盒子群，以及新近系和第四系。其中奧陶紀馬家溝群為含煤地層沉積基底，二疊-石炭紀山西組、太原組為主要含煤地層。區(qū)內(nèi)基巖地層受大代廟斷裂控制，大代廟斷裂以北地區(qū)地層抬升，遭受剝蝕，只保留奧陶紀馬家溝群；大代廟斷裂以南地區(qū)地層下降，含煤地層得以保留。

2.1 本溪組

賦存于大代廟斷裂以南，平行不整合于奧陶系基底之上，上與太原組連續(xù)沉積。區(qū)域資料顯示，本溪組上部為泥巖和細砂巖，下部為鐵鋁質(zhì)泥巖，平均厚度約14m。

2.2 太原組

太原組為區(qū)內(nèi)重要含煤地層。海陸交互相沉積，巖性為灰—灰黑色泥巖和粉砂巖夾砂巖、夾石灰?guī)r11～12層，其中三灰和十下灰厚度較大，是較為穩(wěn)定的標志層。據(jù)菏澤市單縣煤田張集井田資料顯示，太原組厚度約140～175m，平均厚度160m。張集井田揭露太原組厚度≥0.7m的煤層有6層，分別為8煤、12下煤、15上煤、16上煤、17煤和18煤，其中17煤為可采或局部可采，其余5層煤層為偶可采或局部可采。研究區(qū)內(nèi)可采煤層為14下煤，煤層厚度1.11m。太原組底部與本溪組呈整合接觸。

2.3 山西組

山西組為區(qū)內(nèi)主要含煤地層。為陸相含煤沉積，巖性主要由灰色、灰白色、深灰色砂巖、粉砂巖及泥巖組成，含有大量植物化石，并具有煤線及煤層。本組地層厚度60～133m，平均厚度約85m。區(qū)域范圍內(nèi)山西組含煤4層，分別為1煤、2煤、3煤(上、下)、4煤，其中3煤層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層。區(qū)內(nèi)揭露煤層2層，分別為3上煤層、3下煤層。其中含可采煤層3上煤1層，煤層厚度2.12m。山西組底部與太原組呈整合接觸。

3 煤層特征

本次工作在區(qū)內(nèi)西南部施工ZK1鉆孔一個，鉆孔深度1295.28m，揭露區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭-二疊紀月門溝群的山西組和太原組，揭露月門溝群厚度145.55m，含煤8層，煤層總厚度5.57m。其中可采煤層為3上煤、14下煤，煤層厚度0.31～2.12m。本次工作煤層的劃分與層數(shù)、厚度情況見表1。

表1 煤系地層含煤情況一覽表

3.1 含煤地層

(1)山西組煤層。區(qū)內(nèi)山西組厚度77.39m，含煤2層(3上、3下)，煤層總厚度2.58m，含煤系數(shù)3.33%；可采煤層1層，為3上煤層，厚度2.12m?？刹珊合禂?shù)2.74%。3上煤層整體呈走向SN、傾向W的單斜構(gòu)造，煤層傾角3°～12°左右，東部煤層傾角稍緩，西部傾角相對較陡。煤層埋深在1140～1940m左右，最淺處位于工作區(qū)東南邊界，埋深1140m左右；最深處位于工作區(qū)西南邊界附近，埋深1940m左右。煤層頂板為中砂巖，底板為泥巖、粉砂巖。

(2)太原組煤層。區(qū)內(nèi)太原組揭露厚度68.16m，含煤6層(9、12上、14上、14下、15上、16)，煤層總厚度2.99m；可采煤層1層，為14下煤層，厚度1.11m。14下煤層底板標高-1228.25m，煤層傾角3°～12°左右。結(jié)構(gòu)較簡單，不含夾石，賦存范圍內(nèi)屬較穩(wěn)定煤層。頂板為中砂巖或細砂巖，偶見粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖或泥巖，偶見炭質(zhì)泥巖或含炭泥巖。

3上煤層頂板砂巖裂隙含水層是開采3上煤主要直接充水含水層，三灰?guī)r溶裂隙含水層是主要間接充水含水層；十下灰是14下煤開采時的直接充水含水層[17]。

3.2 煤層對比

根據(jù)區(qū)內(nèi)可采煤層在本地區(qū)含煤地層中的空間分布特征，將區(qū)內(nèi)煤層劃分為上、下2個煤組，上煤組為山西組，山西組之下的為下煤組。

山西組煤層厚度在區(qū)域上呈規(guī)律性變化較為明顯，山西組以陸相沉積為主，該區(qū)域內(nèi)只有3上煤層為可采煤層。太原組為海陸交互相沉積，沉積環(huán)境穩(wěn)定，巖性組合特征明顯，變化較小，標志層多且沉積穩(wěn)定，易于對比。太原組中的三灰、八灰和十下灰在該區(qū)域分布穩(wěn)定，可作為區(qū)域?qū)Ρ鹊臉酥緦印?/p>

4 控礦構(gòu)造

前期勘查進行了二維地震勘探工作，通過物探資料解譯，在區(qū)內(nèi)初步查明了落差大于100m的斷裂1條，斷裂名稱大代廟斷裂(圖2)，位于研究區(qū)中南部，延展長度約6.65km，走向近EW，傾向S，傾角65°(圖3)。其中A級斷點3個，B級斷點2個，屬可靠斷裂。

1—古近系；2—侏羅系；3—石炭-二疊系；4—石炭系；5—奧陶系；6—寒武-奧陶系；7—新太古界；8—推測不整合接觸界線；9—推測斷裂；10—推測正斷裂；11—煤田范圍；12—本次施工鉆孔位置及編號；13—研究區(qū)范圍圖2 金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)簡圖

1—第四系；2—新近系；3—二疊紀石河子群；4—二疊紀山西組；5—石炭-二疊紀太原組；6—石炭紀本溪組；7—奧陶系；8—推測斷裂；9—實測及推測地質(zhì)界線；10—可采煤層位置及編號圖3 大代廟地區(qū)地質(zhì)剖面圖

5 煤質(zhì)特征和煤的類型

區(qū)內(nèi)可采煤層地質(zhì)特征見表2。

表2 可采煤層煤質(zhì)特征一覽表

區(qū)內(nèi)煤的自然類型均為腐植煤，呈黑色，為層狀原生沉積礦床。3上煤和14下煤均為煉焦用煤，煤類均屬于焦煤(JM25)，為優(yōu)質(zhì)動力煤。

6 成煤環(huán)境分析

研究區(qū)賦煤區(qū)域與單縣煤田張集井田位于同一構(gòu)造格局內(nèi)，控礦構(gòu)造北邊界為大代廟斷裂，西為司馬斷裂[18-19]。對比單縣煤田張集井田煤層地質(zhì)特征可知，構(gòu)造斷塊內(nèi)的煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，礦床地質(zhì)特征類似。研究區(qū)位于華北型石炭-二疊紀聚煤區(qū)的東部，區(qū)內(nèi)聚煤環(huán)境與區(qū)域上存在共同特性。其中太原組為海陸交互相沉積，山西組為陸相沉積。

區(qū)域資料顯示，華北地區(qū)在晚古生代之初是一片準平原面，風(fēng)化殼內(nèi)的鐵鋁物質(zhì)在后來的海侵中得到富集，形成著名的山西式鐵礦和G層鋁土礦，區(qū)內(nèi)發(fā)育鐵鋁質(zhì)層。石炭紀晚期，本溪期海侵開始，華北東北部開始形成淺海，沉積形成海陸交互相的碎屑巖夾灰?guī)r和煤系(本溪組)。區(qū)內(nèi)地層沉積厚度自東北向西南逐漸變薄，海相沉積形成的灰?guī)r夾層也逐漸變少。

石炭紀晚期，太原期海侵開始，該地區(qū)海侵范圍進一步擴大，海侵范圍較本溪海侵范圍更為廣泛。本次海侵使局部區(qū)域發(fā)育海陸交互相沉積。海侵形成的海相灰?guī)r的夾層數(shù)與沉積厚度自東南向西北逐漸減少，沉積厚度變薄。本期海侵在該區(qū)域上形成灰?guī)r夾層明顯增多，并含豐富的海相動物化石，為典型的含煤巖系海陸交互相沉積[20-21]。

二疊紀開始，華北大部發(fā)生海退，逐漸成為陸地。該區(qū)沉積環(huán)境逐漸由海相沉積為主過渡到以陸相沉積為主，在低洼地區(qū)形成了大面積的沼澤[22]，其中二疊紀繁茂的植物為泥炭的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，形成了巨厚的泥炭沉積層，在地質(zhì)作用下，形成了區(qū)內(nèi)山西組的3煤等可采煤層。

成煤期后，該地區(qū)經(jīng)歷了長期構(gòu)造運動的改造，研究區(qū)位于豐沛凸起的北部邊緣，北部為金鄉(xiāng)凹陷、魚臺凹陷，特殊的構(gòu)造位置為區(qū)內(nèi)煤系地層的保存提供了有利條件。

7 結(jié)論

金鄉(xiāng)縣大代廟地區(qū)含煤地層厚度較大，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤質(zhì)較好，煤類為焦煤(JM25)，煤層埋深在1140～1940m左右，受斷裂構(gòu)造影響，局部厚度變化劇烈，含煤地層僅分布于大代廟以南區(qū)域。區(qū)內(nèi)聚煤環(huán)境由太原組的海陸交互相沉積逐漸過渡到山西組的陸相沉積，后經(jīng)構(gòu)造運動影響，大代廟斷裂以南區(qū)域含煤煤層得以保留，大代廟斷裂以北區(qū)域含煤地層被剝蝕。