甜水堡矿区煤层厚度变化特征及地质控制因素

马永辉

(甘肃煤田地质局庆阳资源勘查院, 甘肃 庆阳 745000)

甜水堡矿区位于甘肃省环县北部，该区已发现煤炭资源3.66亿t，规划有一号、二号煤矿。位于北部的一号矿为一开采多年小型煤矿，现已资源枯竭关闭，南部的二号矿设计生产能力240万t/a，正在建设之中。已探明煤炭资源量3.14亿t，另外还预测煤炭资源量0.52亿t 。

在大地构造上，研究区地处六盘山东麓，鄂尔多斯盆地西缘断褶带的中东部(图1)。以予旺—炭山—固原深大断裂(F7)为界，以东为鄂尔多斯地台，以萌城—张家山大断裂(F4)为界，又分为鄂尔多斯西缘拗陷带和鄂尔多斯台凹(天环凹陷带)；西缘拗陷带又以青龙山-彭阳大断裂(F5)和高洼～古城大断裂(F6)为界划分为沙井子断褶带、青龙山断褶带和蟠龙坡断褶带等次一级构造单元。环县甜水堡矿区位于鄂尔多斯盆地西缘断褶带与天环凹陷带两个构造单元的交汇处，大地构造位置独特(图2)。

图1 研究区大地构造位置图

通过近几年的地质勘查工作，对研究区的地质、构造及含煤情况有了全面的了解，本文通过对地质构造、煤层厚度变化及控制因素的分析研究，为今后的地质工作、矿井建设及煤炭资源开采提供参考。

图2 西缘断褶带构造纲要图

1 研究区地质特征

1.1 地层

研究区地层从老到新有三叠系上统延长群(T3yn)、侏罗系下统富县组(J1f)、侏罗系中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、白垩系下统志丹群(K1zh)、新近系甘肃群(Ng)和第四系(Q)等地层。含煤地层为侏罗系中统延安组(J2y)，赋存有8层可采煤层，其中煤3、煤5-2层为主要可采煤层，厚度在0～9.10 m，煤层结构较简单，赋存范围较广，为研究区主要勘查、开采对象。

1.2 构造特征

研究区主体构造为甜水背斜。由于区域上受近EW向挤压应力的作用，总体构造呈SN向延展。受西缘断褶带的影响，处于石截子沟-李家沟沿逆断层(F3-1)与萌城-张家山逆断层(F4)之间的甜水背斜与区域构造的走向基本一致，断裂和褶皱伴生，断裂多为高角度的压性或压扭性。

1.2.1 褶皱

在研究区发育的次级褶皱构造自东向西有炭井沟膝状背斜、炭井沟背斜、甜水背斜、沙坡子背斜。煤炭资源就赋存在由延安组等地层组成甜水背斜构造中。甜水背斜呈向南倾伏的不对称背斜，北起王家沟，向南经炭井沟到孙板子沟，长约5km。东翼倾角23°～37°，西翼倾角22°～29°(图3)。

图3 炭井沟剖面示意图

1.2.2 断裂

区域上的断裂构造有石截子沟-李家沟沿逆断层(F3-1)，萌城-张家山逆断层(F4)、青龙山逆断层(F5)、高洼固城逆断层(F6)及萌城-高岘崾断裂(F8)等(图2)，对研究区产生直接影响的是两条边界断裂F3-1、F4及甜水向斜内发育的小型断裂。

①萌城-张家山断层(F4)：是沙井子断褶带东缘大断裂，为区域性的控制构造，走向近南北呈“S”型弯曲，倾向西，倾角70°，断距1 000m左右。断层东、西两侧差异明显，东侧为天环向斜，地层较平缓，构造简单，西侧为西缘隆起带，较其东侧明显隆起，褶皱、断裂十分发育，地层倾角变化较大。研究区处于该断裂的北部，构成研究区西边界。

②石截子沟-李家沟沿逆断层(F3-1)：走向近南北，倾向西，倾角60°～70°，长约15km。断层上盘岩层倾角较平缓，下盘岩层倾角较陡急，断距自北向南增大，从几百米至上千米左右，为本研究区的东侧边界，与前述F4断裂将研究区切割成倒三角形断块。

③DF1逆断层：位于研究区内，延展长度约280m,走向近NW，倾向WS，倾角约60°～65°，落差0～18m。

④2DF1逆断层：位于研究区内，延展长度约1 500m，走向近NNE，倾向NW，倾角约55°～60°，落差0～50m。

⑤DF4逆断层：位于研究区内，延展长度约720m，走向为NNW-NW、倾向WS，倾角约60°～70°，落差0～14m，落差由下至上变大。

⑥DF9逆断层：位于研究区内，延展长度约1 140m，走向为NW、倾向SW，倾角约70°，落差0～27m，落差由下至上变大。

2 煤层稳定性及其影响因素

本区8层可采煤层中，主要可采煤层煤3、煤5-2层及次要可采煤层煤2-3、煤4为较稳定煤层，其余4层局部可采煤层为较稳定-不稳定煤层。

2.1 构造的影响因素

煤系地层的赋存与构造运动关系密切，研究区位于西缘断褶带与天环凹陷带的交汇处，在近EW向的区域地应力强烈的挤压作用下，区内煤层赋存受到不同程度的影响。

图4 煤3层厚度等值线图

2.1.1 褶皱

区内主要褶皱是甜水背斜，煤层的分布范围、厚度、埋深等受此影响明显。甜水背斜呈向南倾伏的不对称形态，东翼倾角大，受边界断层F3-1的切割破坏严重，煤层赋存范围小(图4、图5)。而背斜西翼距边界断层F4较远，为煤层主要分布区，并沿南北向形成一厚煤带；背斜轴部在北部隆起较高，使得在东北部出现大面积剥蚀区，背斜轴部煤系地层被全部剥蚀，向南剥蚀程度逐渐减弱，才使下部煤层得到保存，而煤层埋深在背斜轴部较浅，两翼较深，北部较浅南部较深，最浅埋深87m，而最大在1 200m以深。

图5 煤5-2层厚度等值线图

2.1.2 断裂

①边界断裂对煤层赋存的控制作用：研究区是由南北走向的区域性断裂F3-1、F4控制下的小型断块，在构造演化过程中保留形成了一个小型聚煤盆地，两侧区域性断裂的抬升、活动对煤层的赋存及形态起控制性作用。主要表现在煤层走向与断裂方向基本一致，煤层分布在两断裂之间的区域，埋深受断层的上下盘影响而起伏，并形成了十多条次生小断层。

②次生断裂对煤层赋存的影响：在甜水背斜形成过程中，受近东西向压性地应力作用形成了多条走向与背斜轴向基本一致的逆断层，经过各种勘查手段在区内发现断层13条，断距0～60m，延展长度260～1 500m，全为逆断层。断层的形成破坏了煤层的连续性，影响了煤层的埋深，断层附近岩煤层受构造影响明显，处在断层附近的个别钻孔岩石倾角非常陡，达70°～80°，常见煤、岩石挤压错动痕迹，基至破碎，局部地段煤层厚度变化异常，出现突然增厚(1903孔煤4层)或变薄(3706孔煤3层)的现象，也造成部分地段岩煤层发生重复，如3305孔的煤5-2层及2903孔的煤10-1层发生重复，2304孔的煤9至煤10层间的岩层加厚。

2.2 构造演化与沉积环境的影响因素

研究区位于鄂尔多斯盆地西缘断褶带，区域构造演化先后经历了印支期-燕山早、中、晚期-喜马拉雅期。本区含煤岩系延安组的形成受古构造、古地理等综合地质因素的控制，但从根本上讲，主要受控于地史上的构造运动。中晚三叠世，随早印支运动结束，鄂尔多斯大型内陆盆地应运而生。晚印支运动使地壳上升，中上三叠统延长群遭受剥蚀。燕山运动初期盆地缓慢沉降，在其侵蚀面上沉积了下侏罗统富县组。早侏罗世末的燕山运动第Ⅰ幕，盆地抬升，富县组和出露的中上三叠统延长群再次受到剥蚀，造成了延安组与下伏延长群或富县组的平行不整合接触。之后，地壳又开始缓慢下降，沉积了厚度较稳定﹑分布较广泛的中侏罗统延安组含煤岩系。由于构造活动，古气候变化，造成盆地内河流、湖泊三角洲相和沼泽相环境交替出现，奠定了大面积聚煤作用的古地理基础。

在区内早期沉积了延安组第一段和第二段，主要以河流相为主，期间沉积了煤10至煤6等煤层，由于成煤环境不稳定，形成的煤层分布范围小、厚度薄、层数多，稳定性较差，煤7层受其影响较为明显，沿2103、2301、2702、2902、3301一线煤层被冲蚀，煤层变薄甚至尖灭；向上延安组第三段主要以湖泊三角洲及泥炭沼泽相为主，沉积环境较为稳定，沉积了煤5至煤3层相对较厚的煤层，煤层结构简单，煤层稳定且分布范围较大，在局部地段煤层较薄、夹矸厚而层数多、煤层有分岔甚至尖灭；在延安组第四段，河流、湖泊和沼泽环境相互交替，形成的煤2-3层分叉现象明显，夹矸层数较多。由此可见，由于区域构造演化过程中不均匀升降，使研究区的沉积环境频繁发生变化，进而影响了煤系的形成及空间分布。

3 结论

①研究区主要含煤地层为侏罗系下统延安组，其形成和分布受石截子沟-李家沟沿逆断层(F3-1)与萌城-张家山逆断层(F4)组成的次级断块及甜水背斜的控制和影响，后期伴随着区域构造运动，又受到了不同程度的改造。

②研究区煤层在褶皱和断裂构造的控制下，总体呈南北条带状分布，并大致呈北部浅、南部深、东部浅、西部深的特点，各类构造控煤作用明显。

③研究区煤层主要赋存在甜水背斜内，甜水背斜形成过程中的边界构造、次生构造、沉积环境变迁及后期构造活动的改造进一步控制了煤层的分布范围、埋藏深度和厚度等形态。

④根据地质构造及控煤因素分析，下一步工作的重点区域是甜水背斜外围。背斜北部抬起，两条边界控制性断裂构成的“V”型断块向北张口，形成较开阔区域，但北斜逐渐担升，形成较大剥蚀区，重点勘查研究次级坳陷区或剥蚀残留区赋存的煤炭资源；背斜向南倾伏，越向南埋深越大，超过1 200m，而且边界断裂切割破坏了背斜的南部形态并限制了其向南延伸，预测在南端受两断裂的挤压在背斜西翼的次级隆起区，还赋存具有开采价值的煤炭资源。