窑街矿区F19断层以东地区找煤方向研究

高小明,马国林,沈建林

(甘肃煤田地质局,兰州 730000)

窑街矿区位于兰州市红古区，距兰州市主城区约130 km，是甘肃省重要煤产地之一。矿区自1954年以来，经过煤田地质工作者六十多年坚持不懈的勘探，在F19断层以西已查明煤炭资源量7.18亿t，但在F19以东地区，一直未取得实质性的突破，更未找到可供开发利用的煤产地。

窑街矿区原有38对生产矿井，近年来因资源不足，仅保留了1家乡办的炭洞沟煤矿和窑街煤电集团的3对矿井(三矿、金河、海石湾)。截止2015年底，期末保有储量3.97亿t，可采储量2.65亿t，除海石湾煤矿外，其它3对矿井剩余服务年限均不足10 a。区内的煤炭资源储备严重不足，保有资源储量和可采储量的急剧减少，已成为制约当地经济发展的瓶颈，在研究区寻找埋深适宜的煤炭接替资源已成当务之急[1]。

1 地质概况

1.1 地层及煤层

矿区范围内的地层自下而上分别为：元古界长城系湟源群(Chhn)、中生界侏罗系下统炭洞沟组(J1t)、侏罗系中统窑街组(J2y)、侏罗系上统享堂组(J3x)、白垩系下统河口群(K1hk)、白垩系上统民和组(K2m)、古近系西宁群(Exn)及第四系(Q)。

侏罗系中统窑街组(J2y)是本区主要含煤地层，为一套灰色、灰黑色陆相含煤碎屑岩沉积，夹有油页岩，岩石水平层理发育，动植物化石丰富，代表一个广阔湖盆的沉积环境。该地层厚度57.90～324.53m，平均厚163.08m，含煤5层，自下而上为煤3、煤2、煤B、煤1及煤A层，其中煤1与煤2层为区内主要可采煤层，矿区东部边界F19断层处煤层最厚，两层主要可采煤层累计真厚达70余米[2]。本组地层按岩性组合的不同自下而上分为五段(图1)，泥炭沼泽相主要发育在本组第二段，煤1层位于该段顶部，较稳定，厚度0～11.79m，平均厚4.14m，结构简单；煤2层位于本段下部，厚0.7～59.28m，平均厚19.61m，厚度变化大，但分布普遍，层位稳定。煤3层位于本段底部，厚0.34～3.72m，平均厚2.27m，分布面积较小，属于局部可采煤层。

1.2 构造

研究区在构造位置上位于中祁连地块的民和盆地内。根据盆地构造演化和现今构造格局之间的关系，民和盆地由北向南划分为皋兰隆起(Ⅰ)、永登坳陷(Ⅱ)、周家台断隆(Ⅲ)、巴州坳陷(Ⅳ)四个一级构造单元(图1)，而中部的周家台断隆(Ⅲ)从西到东又划分为海石湾断鼻(Ⅲ1)、西捍厅凸起(Ⅲ2)和河口凸起(Ⅲ3)三个二级构造单元[3]。

窑街矿区位于海石湾断鼻，总体上呈一向东倾覆的单斜构造。矿区范围内断裂构造极其发育，使煤层的连续性受到严重破坏，断裂构造以近南北向或北北西向为主，其性质为压扭性和张性兼有[4]。矿区东部煤层边界F19断层极具代表性(图2)。

图1 窑街煤田构造单元划分及侏罗纪原型盆地Figure 1 Structural elements partition and Jurassic prototype basin in Yaojie coalfield

图2 窑街矿区F19断层剖面Figure 2 Yaojie mining area fault F19 section

2 沉积环境与聚煤规律

2.1 沉积环境

研究区位于民和盆地，民和盆地在晚三叠世基本没有接受沉积。早侏罗世盆地沉降缓慢，盆地基底凹凸不平，主要表现为“填平补齐”式的沉积。中侏罗世盆地进一步沉降，沉积范围在早侏罗世沉积的基础上进一步扩大，水体加深，中侏罗世接受了煤系的沉积。盆地边缘沉积了一套水下扇、扇三角洲、河流相为主的沉积物；盆地中心沉积了油页岩、铝质泥岩及泥灰岩等滨浅湖-深湖相沉积物；两者之间的中间地带沉积了一套以细粒碎屑岩为主的湖泊三角洲-浅湖相沉积物，发育炭质泥岩、煤层及油页岩等(图3)。

图3 中侏罗统窑街组综合沉积层序及沉积环境Figure 3 Middle Jurassic Yaojie Formation comprehensive sedimentary sequence and environment

2.2 聚煤规律

由于本区中侏罗统窑街组为冲击扇-湖泊-湖泊三角洲相沉积，因此依次有多种聚煤方式。中侏罗世早期，盆地冲击扇上的河流发育，由于河漫沼泽环境本身稳定性差，物质来源欠丰，在局部范围内沉积形成泥炭和煤3层，其特点是煤层厚度小、稳定性差、结构复杂；在冲击扇向湖泊发育过程中，形成大面积的滨湖沼泽化，滨湖环境水体较深，物源丰富，形成巨厚煤层——煤2层，夹矸少，且延展好；随着湖泊的发育，水体进一步变深，发育稳定的浅湖沼泽环境，多低等植物繁殖，形成煤1层，赋存稳定，但灰分高。

3 控煤构造F19断层特征

含煤盆地形成之后，由于地壳运动，地应力急剧变化，往往在盆地内形成大型断裂构造，故研究成盆后的构造对煤田的改造作用，对预测和勘探煤炭资源具有重要意义。

窑街矿区最大的断裂为F19正断层，走向近SN，倾向E，倾角35°～65°。北起连城以西，经连城铝厂过大通河，进入海石湾，向南延伸到下旋子。F19断层是一条长期发育、多期活动的深大断裂，而它的多期活动又呈现了张性、压性和压扭性等多种力学性质组合。这条断层何时开始发育还没有定论，可以肯定的是该断层切割了侏罗系及白垩系，因此，F19断层在燕山运动晚期还在活动，可能终止于新近纪末期。最关键的是F19断层切割了煤系及煤层，下盘的煤系因受牵引作用，靠近断层带形成明显的直立或倒转，使煤层挤压加厚；远离断层，煤层则变薄。而在矿区西部、南部及北部，煤系不仅变薄，而且超覆于震旦系之上，边界轮廓十分清楚，却在矿区的东部边界F19断层处，未见煤系的边缘相沉积，显然，把F19断层作为煤层的自然沉积边界是不合理的。

根据煤系与煤层的沉积规律[5]，窑街矿区东部边界F19断层处不但未见煤系的边缘相沉积物，而且该处两层主采煤层厚度达到最大后断然尖灭。为了合理解释这一现象，笔者认为，在地质历史时期，F19断层的东西两侧应是一个完整的沉积盆地，煤盆地形成后，由于地壳运动，地应力发生剧烈变化，才形成F19断层，改变了原始煤盆地的形态，使原本完整的煤盆地被F19断层分成了东西两块。因此，推断F19断层以东也具有煤系及煤层赋存，通过一定的勘探手段可以发现另一个“窑街矿区”。若F19断层为同沉积边界断层，则在F19断层以东就不会发现煤系及煤层，但石油地质人员在F19断层以东10km的小钱家盘1井中发现了中侏罗统窑街组的含煤地层，这充分表明笔者的推断是合理的。现有矿区仅为窑街煤田的西南隅，窑街煤田的另一部分应该在F19断层东侧(上盘)，但因靠近该断层处而致使煤层埋藏较深，所以，目前窑街矿区仅在F19断层以西探明了可供开发利用的煤产地，并未在F19断层以东发现煤炭资源。

4 找煤方向分析

通过对民和盆地侏罗纪原型盆地分析，窑街组煤系可能沿中侏罗世古湖泊边缘呈弧形条带状不同程度的分布。再根据分析整个民和盆地的构造格局关系，周家台断隆(Ⅲ)构造单元内或邻区，存在埋藏深度相对较浅的煤炭资源靶区。在上述宏观聚煤规律的基础上，可以圈定小钱家与河口2处煤炭预测区(图4)。

4.1 小钱家煤炭预测区

从区域上分析，自中侏罗世以来，民和盆地内中生代主应力场为来自南北向的挤压力。挤压作用的结果一方面形成了盆地内周家台低隆起构造带的雏形，另一方面产生北北东或北东向的扭动平移，从这个角度上考虑，寻找F19断层上盘的煤炭资源，应在F19断层的东北方向，即小钱家含煤区。据石油地质资料，小钱家南侧杨家岭附近已钻遇到埋深2 000 m以内的可采煤层。另外，在F19断层以西窑街矿区南北两侧深部，基底埋深在2 500 m以内的范围内，分别探明了埋深在1 200 m以内的煤炭资源1.33亿t(北侧-深部扩大区)、2亿t(南侧-海石湾南)。因此，推断位于F19断层以东小钱家含煤区在埋深2 500 m的范围内，也应赋存埋深在1 200 m以内的煤炭资源，应优先作为下一步勘查工作的靶区。

4.2 河口煤炭预测区

在侏罗纪时期，河口与窑街、阿干镇及榆中水岔沟等三个矿区沉积环境相似，同为民和盆地中冲击扇-滨湖相，均处于环湖边缘或滨湖地带。运用类比方法推测，河口一带聚煤方式应该与其相似，煤系和煤层赋存的可能性较大。从构造上讲，河口与窑街矿区分别位于河口凸和海石湾断鼻两个二级构造单元中，但两者同位于周家台断隆(Ⅲ)，基底相对较高，基底埋深均在2 500m以内，根据盆地的沉积基底埋深及沉积环境，有望找到埋藏深度适宜的煤炭资源。

5 结论与建议

(1)研究区在中侏罗世盆地边缘地带，属于冲击扇-湖泊三角洲-浅湖相沉积，从聚煤盆地演化和沉积环境方面分析，应与F19断层以西的窑街矿区成煤环境相同，且石油勘探成果也证实该地区有煤系及煤层存在，从而扩大了窑街煤田煤层的赋存范围。

图4 窑街矿区F19断层以东沉积基底埋深Figure 4 Sedimentary basement buried depth to the east of fault F19 in Yaojie mining area

(2)近南北向的F19断层附近未见煤系的边缘相沉积，因此不是窑街煤田的东部边界，正好验证了F19断层的多期活动改变了原始煤盆地的形态。窑街矿区开发的煤炭资源只是F19断层下盘的煤层，在其东侧一定范围内应有上盘煤层赋存。

(3)通过对研究区侏罗纪含煤沉积特征及赋煤构造的研究，提出小钱家含煤预测区与河口含煤预测区，为下一步资源勘查提供了方向。

(4)研究区内第四系黄土覆盖层巨厚，沟谷发育，地形相对高差较大，煤层埋藏较深，构造发育，采用地震勘探方法采集的原始资料质量不高，可以利用研究区煤系与元古界震旦系变质岩间距小且电阻率及密度差别大的特点，建议首先选用电法或重力勘探大致探测其基底深度，再沿第四系较薄的沟谷采用地震勘探了解煤系地层的赋存情况，后用钻探验证，以达到较好的找煤成果。

参考文献:

[1]高小明,权有,张德仲,等.甘肃省永登县散马池～上吴家煤炭资源预查总结[R].兰州:甘肃煤田地质局一四九队,2009.

[2]周文昭,毕金先.甘肃省兰州市窑街矿区海石湾井田煤炭勘探报告[R].兰州:甘肃煤田地质局一四九队,1988.

[3]卫平生,张虎权,陈启林,等.民和盆地多种能源矿产共存成藏机理[M].北京:石油工业出版社,2007.

[4]黄载忠,周文昭.甘肃省阿干～窑街找煤地质报告[R].兰州:甘肃煤田地质局一四九队,1990.

[5]刘志刚.煤矿构造学兼工作手册[M].北京:世界图书出版社,1990.