甜水堡礦區(qū)煤層厚度變化特征及地質(zhì)控制因素

馬永輝

(甘肅煤田地質(zhì)局慶陽資源勘查院, 甘肅 慶陽 745000)

甜水堡礦區(qū)位于甘肅省環(huán)縣北部，該區(qū)已發(fā)現(xiàn)煤炭資源3.66億t，規(guī)劃有一號、二號煤礦。位于北部的一號礦為一開采多年小型煤礦，現(xiàn)已資源枯竭關(guān)閉，南部的二號礦設(shè)計生產(chǎn)能力240萬t/a，正在建設(shè)之中。已探明煤炭資源量3.14億t，另外還預(yù)測煤炭資源量0.52億t 。

在大地構(gòu)造上，研究區(qū)地處六盤山東麓，鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶的中東部(圖1)。以予旺—炭山—固原深大斷裂(F7)為界，以東為鄂爾多斯地臺，以萌城—張家山大斷裂(F4)為界，又分為鄂爾多斯西緣拗陷帶和鄂爾多斯臺凹(天環(huán)凹陷帶)；西緣拗陷帶又以青龍山-彭陽大斷裂(F5)和高洼～古城大斷裂(F6)為界劃分為沙井子斷褶帶、青龍山斷褶帶和蟠龍坡斷褶帶等次一級構(gòu)造單元。環(huán)縣甜水堡礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶與天環(huán)凹陷帶兩個構(gòu)造單元的交匯處，大地構(gòu)造位置獨(dú)特(圖2)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖

通過近幾年的地質(zhì)勘查工作，對研究區(qū)的地質(zhì)、構(gòu)造及含煤情況有了全面的了解，本文通過對地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度變化及控制因素的分析研究，為今后的地質(zhì)工作、礦井建設(shè)及煤炭資源開采提供參考。

圖2 西緣斷褶帶構(gòu)造綱要圖

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

1.1 地層

研究區(qū)地層從老到新有三疊系上統(tǒng)延長群(T3yn)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)、新近系甘肅群(Ng)和第四系(Q)等地層。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)，賦存有8層可采煤層，其中煤3、煤5-2層為主要可采煤層，厚度在0～9.10 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，賦存范圍較廣，為研究區(qū)主要勘查、開采對象。

1.2 構(gòu)造特征

研究區(qū)主體構(gòu)造為甜水背斜。由于區(qū)域上受近EW向擠壓應(yīng)力的作用，總體構(gòu)造呈SN向延展。受西緣斷褶帶的影響，處于石截子溝-李家溝沿逆斷層(F3-1)與萌城-張家山逆斷層(F4)之間的甜水背斜與區(qū)域構(gòu)造的走向基本一致，斷裂和褶皺伴生，斷裂多為高角度的壓性或壓扭性。

1.2.1 褶皺

在研究區(qū)發(fā)育的次級褶皺構(gòu)造自東向西有炭井溝膝狀背斜、炭井溝背斜、甜水背斜、沙坡子背斜。煤炭資源就賦存在由延安組等地層組成甜水背斜構(gòu)造中。甜水背斜呈向南傾伏的不對稱背斜，北起王家溝，向南經(jīng)炭井溝到孫板子溝，長約5km。東翼傾角23°～37°，西翼傾角22°～29°(圖3)。

圖3 炭井溝剖面示意圖

1.2.2 斷裂

區(qū)域上的斷裂構(gòu)造有石截子溝-李家溝沿逆斷層(F3-1)，萌城-張家山逆斷層(F4)、青龍山逆斷層(F5)、高洼固城逆斷層(F6)及萌城-高峴崾斷裂(F8)等(圖2)，對研究區(qū)產(chǎn)生直接影響的是兩條邊界斷裂F3-1、F4及甜水向斜內(nèi)發(fā)育的小型斷裂。

①萌城-張家山斷層(F4)：是沙井子斷褶帶東緣大斷裂，為區(qū)域性的控制構(gòu)造，走向近南北呈“S”型彎曲，傾向西，傾角70°，斷距1 000m左右。斷層?xùn)|、西兩側(cè)差異明顯，東側(cè)為天環(huán)向斜，地層較平緩，構(gòu)造簡單，西側(cè)為西緣隆起帶，較其東側(cè)明顯隆起，褶皺、斷裂十分發(fā)育，地層傾角變化較大。研究區(qū)處于該斷裂的北部，構(gòu)成研究區(qū)西邊界。

②石截子溝-李家溝沿逆斷層(F3-1)：走向近南北，傾向西，傾角60°～70°，長約15km。斷層上盤巖層傾角較平緩，下盤巖層傾角較陡急，斷距自北向南增大，從幾百米至上千米左右，為本研究區(qū)的東側(cè)邊界，與前述F4斷裂將研究區(qū)切割成倒三角形斷塊。

③DF1逆斷層：位于研究區(qū)內(nèi)，延展長度約280m,走向近NW，傾向WS，傾角約60°～65°，落差0～18m。

④2DF1逆斷層：位于研究區(qū)內(nèi)，延展長度約1 500m，走向近NNE，傾向NW，傾角約55°～60°，落差0～50m。

⑤DF4逆斷層：位于研究區(qū)內(nèi)，延展長度約720m，走向為NNW-NW、傾向WS，傾角約60°～70°，落差0～14m，落差由下至上變大。

⑥D(zhuǎn)F9逆斷層：位于研究區(qū)內(nèi)，延展長度約1 140m，走向為NW、傾向SW，傾角約70°，落差0～27m，落差由下至上變大。

2 煤層穩(wěn)定性及其影響因素

本區(qū)8層可采煤層中，主要可采煤層煤3、煤5-2層及次要可采煤層煤2-3、煤4為較穩(wěn)定煤層，其余4層局部可采煤層為較穩(wěn)定-不穩(wěn)定煤層。

2.1 構(gòu)造的影響因素

煤系地層的賦存與構(gòu)造運(yùn)動關(guān)系密切，研究區(qū)位于西緣斷褶帶與天環(huán)凹陷帶的交匯處，在近EW向的區(qū)域地應(yīng)力強(qiáng)烈的擠壓作用下，區(qū)內(nèi)煤層賦存受到不同程度的影響。

圖4 煤3層厚度等值線圖

2.1.1 褶皺

區(qū)內(nèi)主要褶皺是甜水背斜，煤層的分布范圍、厚度、埋深等受此影響明顯。甜水背斜呈向南傾伏的不對稱形態(tài)，東翼傾角大，受邊界斷層F3-1的切割破壞嚴(yán)重，煤層賦存范圍小(圖4、圖5)。而背斜西翼距邊界斷層F4較遠(yuǎn)，為煤層主要分布區(qū)，并沿南北向形成一厚煤帶；背斜軸部在北部隆起較高，使得在東北部出現(xiàn)大面積剝蝕區(qū)，背斜軸部煤系地層被全部剝蝕，向南剝蝕程度逐漸減弱，才使下部煤層得到保存，而煤層埋深在背斜軸部較淺，兩翼較深，北部較淺南部較深，最淺埋深87m，而最大在1 200m以深。

圖5 煤5-2層厚度等值線圖

2.1.2 斷裂

①邊界斷裂對煤層賦存的控制作用：研究區(qū)是由南北走向的區(qū)域性斷裂F3-1、F4控制下的小型斷塊，在構(gòu)造演化過程中保留形成了一個小型聚煤盆地，兩側(cè)區(qū)域性斷裂的抬升、活動對煤層的賦存及形態(tài)起控制性作用。主要表現(xiàn)在煤層走向與斷裂方向基本一致，煤層分布在兩斷裂之間的區(qū)域，埋深受斷層的上下盤影響而起伏，并形成了十多條次生小斷層。

②次生斷裂對煤層賦存的影響：在甜水背斜形成過程中，受近東西向壓性地應(yīng)力作用形成了多條走向與背斜軸向基本一致的逆斷層，經(jīng)過各種勘查手段在區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層13條，斷距0～60m，延展長度260～1 500m，全為逆斷層。斷層的形成破壞了煤層的連續(xù)性，影響了煤層的埋深，斷層附近巖煤層受構(gòu)造影響明顯，處在斷層附近的個別鉆孔巖石傾角非常陡，達(dá)70°～80°，常見煤、巖石擠壓錯動痕跡，基至破碎，局部地段煤層厚度變化異常，出現(xiàn)突然增厚(1903孔煤4層)或變薄(3706孔煤3層)的現(xiàn)象，也造成部分地段巖煤層發(fā)生重復(fù)，如3305孔的煤5-2層及2903孔的煤10-1層發(fā)生重復(fù)，2304孔的煤9至煤10層間的巖層加厚。

2.2 構(gòu)造演化與沉積環(huán)境的影響因素

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶，區(qū)域構(gòu)造演化先后經(jīng)歷了印支期-燕山早、中、晚期-喜馬拉雅期。本區(qū)含煤巖系延安組的形成受古構(gòu)造、古地理等綜合地質(zhì)因素的控制，但從根本上講，主要受控于地史上的構(gòu)造運(yùn)動。中晚三疊世，隨早印支運(yùn)動結(jié)束，鄂爾多斯大型內(nèi)陸盆地應(yīng)運(yùn)而生。晚印支運(yùn)動使地殼上升，中上三疊統(tǒng)延長群遭受剝蝕。燕山運(yùn)動初期盆地緩慢沉降，在其侵蝕面上沉積了下侏羅統(tǒng)富縣組。早侏羅世末的燕山運(yùn)動第Ⅰ幕，盆地抬升，富縣組和出露的中上三疊統(tǒng)延長群再次受到剝蝕，造成了延安組與下伏延長群或富縣組的平行不整合接觸。之后，地殼又開始緩慢下降，沉積了厚度較穩(wěn)定﹑分布較廣泛的中侏羅統(tǒng)延安組含煤巖系。由于構(gòu)造活動，古氣候變化，造成盆地內(nèi)河流、湖泊三角洲相和沼澤相環(huán)境交替出現(xiàn)，奠定了大面積聚煤作用的古地理基礎(chǔ)。

在區(qū)內(nèi)早期沉積了延安組第一段和第二段，主要以河流相為主，期間沉積了煤10至煤6等煤層，由于成煤環(huán)境不穩(wěn)定，形成的煤層分布范圍小、厚度薄、層數(shù)多，穩(wěn)定性較差，煤7層受其影響較為明顯，沿2103、2301、2702、2902、3301一線煤層被沖蝕，煤層變薄甚至尖滅；向上延安組第三段主要以湖泊三角洲及泥炭沼澤相為主，沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，沉積了煤5至煤3層相對較厚的煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層穩(wěn)定且分布范圍較大，在局部地段煤層較薄、夾矸厚而層數(shù)多、煤層有分岔甚至尖滅；在延安組第四段，河流、湖泊和沼澤環(huán)境相互交替，形成的煤2-3層分叉現(xiàn)象明顯，夾矸層數(shù)較多。由此可見，由于區(qū)域構(gòu)造演化過程中不均勻升降，使研究區(qū)的沉積環(huán)境頻繁發(fā)生變化，進(jìn)而影響了煤系的形成及空間分布。

3 結(jié)論

①研究區(qū)主要含煤地層為侏羅系下統(tǒng)延安組，其形成和分布受石截子溝-李家溝沿逆斷層(F3-1)與萌城-張家山逆斷層(F4)組成的次級斷塊及甜水背斜的控制和影響，后期伴隨著區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動，又受到了不同程度的改造。

②研究區(qū)煤層在褶皺和斷裂構(gòu)造的控制下，總體呈南北條帶狀分布，并大致呈北部淺、南部深、東部淺、西部深的特點，各類構(gòu)造控煤作用明顯。

③研究區(qū)煤層主要賦存在甜水背斜內(nèi)，甜水背斜形成過程中的邊界構(gòu)造、次生構(gòu)造、沉積環(huán)境變遷及后期構(gòu)造活動的改造進(jìn)一步控制了煤層的分布范圍、埋藏深度和厚度等形態(tài)。

④根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造及控煤因素分析，下一步工作的重點區(qū)域是甜水背斜外圍。背斜北部抬起，兩條邊界控制性斷裂構(gòu)成的“V”型斷塊向北張口，形成較開闊區(qū)域，但北斜逐漸擔(dān)升，形成較大剝蝕區(qū)，重點勘查研究次級坳陷區(qū)或剝蝕殘留區(qū)賦存的煤炭資源；背斜向南傾伏，越向南埋深越大，超過1 200m，而且邊界斷裂切割破壞了背斜的南部形態(tài)并限制了其向南延伸，預(yù)測在南端受兩斷裂的擠壓在背斜西翼的次級隆起區(qū)，還賦存具有開采價值的煤炭資源。