安徽省濉溪县刘小庙矿区地质作用对煤层的影响

陈珊珊

(安徽省地质矿产勘查局325地质队，安徽 淮北 235000)

0 引言

刘小庙煤矿区位于淮北平原地带，地势较平坦，地形高程+27.72～+31.58 m，北起安徽与河南省界，东从黄集大断层，西到F7断层，南至符离集EW向大断裂，面积为68.81 km2。矿区以贫煤、无烟煤为主，具有特低硫、中灰、低磷分、低挥发分、高热值的特点。

在开采煤矿过程中，矿区地质对煤层有着至关重要的影响，充分认识它不仅对矿井的正常生产提供帮助，还会降低开采的耗费成本、提高资源的回收利用率[1-2]。本文通过分析刘小庙煤矿矿区地质特征，揭示区内地层、构造、岩浆岩活动等地质作用对煤层的影响。

1 区域地质特征

1.1 地层

该地区位于华北地台南缘，淮北煤田南部。地层分区属华北地层区、淮河地层分区、淮北地层小区。区域上已揭露的地层，由老至新有下古生界寒武系、奥陶系中下统、上古生界上石炭统、二叠系及新生界新近系和第四系。

1.2 构造

从淮北煤田区域构造框架来看，为纬向构造体系与NNE向新华夏系相互作用的结果，主要表现为NNE向构造改造早期的纬向构造。

从构造区划看，淮北煤田位于华北板块东南缘，东以郯庐断裂为界与杨子板块相接，南以蚌埠隆起与淮南煤田相邻。区内构造受EW向构造及郯庐断裂所控制，加上多期构造运动叠加的结果，使得区内形成了EW向大断裂及NNE向大断裂网状交错的构造格局。在煤系地层的后期改造中则形成一系列短轴褶曲构造，其轴向多为NNE向(图1)。

1.3 岩浆岩

本区岩体主要由花岗闪长岩、石英斑岩、闪长玢岩等组成，呈不规则岩珠状。除在芒山附近有少量花岗闪长岩裸露外，大多被新生界覆盖。侵入时代据同位素地质年龄测定约1～1.223亿年，相当于燕山晚期。该区还有燕山晚期的辉绿岩、煌斑岩等，呈岩床、岩脉状侵入石炭纪、二叠纪煤系地层或早期的岩浆岩中。

图1 淮北煤田构造纲要图

① 夏邑—固始断裂 ② 丰涡断裂 ③ 固镇—长丰断裂 ④ 灵璧—武店断裂 ⑤ 郯庐断裂 ⑥ 宿北断裂 ⑦ 光武—固镇断裂⑧ 太和—五河断裂 ⑨ 临泉—刘府断裂

2 矿区地质特征

2.1 地层

本矿区出露地层由下至上主要有中奥陶统老虎山组、上石炭统本溪组和太原组、下二叠统山西组和下石盒子组、上二叠统上石盒子组和石千峰组。其中含煤地层主要为下二叠统山西组、下石盒子组及上石盒子组：

下二叠统山西组(P1s)：厚度为72.00～115.30 m。① 下段：自标志层K1顶至10煤组顶，其岩性主要为黑色泥岩、深灰色、细粒砂岩及粉砂岩，夹煤层。最底部为黑色泥岩，发育较稳定。该段含10、11两煤组，11煤组多为炭质泥岩、煤线，该段主要可采煤层为10煤组。② 上段：自10煤组顶至标志层K2底部，主要为一套深灰泥岩、灰色细粒砂岩及粉砂岩互层沉积，9煤组同11煤组相似，多见炭质泥岩、煤线。10煤组以上发育着一层细—中粒砂岩，上细下粗，显示含菱铁质鲕粒的交错层理。具交错层理的砂岩局部地段成为10煤组煤层的直接顶板。

下二叠统下石盒子组(P2x)：厚度为153.40～230.50 m。下段主要含煤层为K2底至7煤层顶。主要为一套深灰色泥岩、灰色粉砂岩、细砂岩和煤层互层沉积。煤层之上通常发育为一层厚3～5 m的细粒砂岩，成分主要为长石和石英，掺杂有少量云母，条带呈暗色泥质胶结。最底部为较稳定且分布广泛的浅灰色含铝土质泥岩—K2标志层，与下伏山西组的分界层。该段含8、7两个煤组有四个煤分层，其中72、82煤组为主要可采煤层。7煤组顶至K3砂岩标志层底为上段，主要为一套深灰色泥岩、灰色夹细粒砂岩、粉砂岩互层和煤线。中上部有极不稳定的两三个煤组层位，多相变为炭质泥岩。6煤组在局部地段不可采，多为极不稳定的煤线。

上二叠统上石盒子组(P2s)：厚度为572.00～643.35 m。下段主要为灰紫、灰绿色泥岩，粉砂岩和浅灰色、灰色细砂岩互层沉积，偶夹几层中粗粒长石石英砂岩和煤线。下部富含植物化石和植物碎片化石，见有煤层及煤线1、2、3煤，其中距3煤组60～90 m处，发育一层杂色中粗—细粒长石石英砂岩，主要由石英、长石组成，硅泥质胶结为其主要特点，厚度大于10 m，定为K3标志层。3煤组为本区的局部可采煤层，在本区不太稳定，局部过渡为粉砂岩。

2.2 构造

矿区位于徐宿弧形构造的西缘、丰涡断裂的东侧。总体形态为一走向NW、倾向NE的单斜构造，由于受多次地质作用的影响，沿走向、倾向出现不同程度的波状起伏，形成褶曲和断裂。地层走向、倾向有一定变化，倾角一般为5°～15°，局部较陡。

矿区北部、黄集断层以西表现为单斜构造，地层走向为近EW、倾向南、倾角5°～15°，矿区南部及黄集断层以东分布着多条走向NE、NEE和NW向的正断层。地层走向、倾向发生变化，倾角15°～30°。

现该区构造格局为多期构造作用叠加的结果。早期，在近SN向作用力的影响下促使地层的单斜构造、褶曲及断裂均呈EW走向。由于早期构造加上受EW向作用力的影响，形成了近SN向的短轴状褶曲及张性大断裂，同时改造了地层的走向。后期的徐宿弧向构造侧向挤压应力对该区影响不太大。在褶曲发育过程中张应力及张扭应力的作用下形成小正断层，从断层切割关系来看，这种应力作用持续时间长，说明该区构造运动存在延续性[3-4]。图2为矿区构造纲要图。

区内共发育15条正断层，其中1条断距小于30 m，2条断距为50～100 m，12条断距大于100 m。断层走向呈NNE向、NNW向、EEN向及NW向有规律地展布。其中正断层DF6位于矿区西部，贯穿整个矿区，走向NNE，倾向SEE，倾角70°，断距为100～200 m，平面延伸约7500 m。本矿区最大的断层——黄集断层位于矿区东部，从北向南穿过整个矿区，走向NNE，倾向SEE，倾角70°，平面延伸大于14 km，断距为300～800 m(表1)。

图2 矿区构造纲要图

1—上二叠统石千峰组 2—上二叠统上石盒子组 3—下二叠统下石盒子组 4—下二叠统山西组 5—中石炭统 6—中奥陶统 7—正断层及编号 8—闪长玢岩 9—矿区范围

2.3 岩浆岩

矿区内主要为燕山晚期的闪长玢岩和少量辉绿岩，呈岩脉状、似层状侵入含煤岩系中。南厚北薄。闪长玢岩一般出现1～2条，厚度为0.20～148.15 m，主要侵入矿区南部下石盒子组(7、8煤组)和山西组(10煤组)煤层位，少见侵入上石盒子组(3煤组)煤层位。辉绿岩一般出现1～2层，厚度一般为0.50～2 m，最厚达5.50 m，常侵入矿区北部下石盒子组(7、8煤组)和山西组(10煤组)煤层位。矿区南部岩浆侵入层位较高，矿区北部岩浆侵入层位较低，岩浆自南向北侵入，基本上为顺层侵入。

2.4 煤层

区内主要含煤地层为上二叠统山西组、下石盒子组及上二叠统上石盒组。山西组含煤3组(9组、10组、11组)，其中主要可采煤层为10煤组，平均厚2.54 m，从全矿区的分布来看，为较稳定煤层。

下石盒子组含煤3组(6组、7组、8组)，主要集中在该组下部，总厚度为1.19～9.54 m，平均厚4.68 m，含煤系数为2.8%。8煤组有两个分层81和82，其中82煤层全矿区分布，层位稳定，是本区的主要可采煤层，为较稳定煤层；7煤组有两个分层71和72，其中72煤层分布广泛，层位较稳定，仅在7线和9线附近沉缺、不可采或相变为泥岩，为主要可采的较稳定煤层；71煤层在5线、7线、9线42线和45线附近沉缺或相变为泥岩，为局部可采的较稳定煤层。

表1 矿区断层情况

上石盒子组含煤3组(1组、2组、3组)，总厚度为0.21～1.71 m，平均厚0.67 m，含煤系数为0.12%。其中3煤组位于该组下部，发育在矿区的南部，为本区可采煤层。

3 地质作用对煤层的影响

3.1 断层对煤层的影响

由于断层在发育过程中，构造应力的影响下，剪切破坏了煤层，煤层滑面发生变化，煤层的裂隙增多，导致煤层中的岩性松软破碎，比较大的断层还会使煤层断开错位(图3)。同时还伴生有一系列的小断层，把煤层切割分散，破坏其连续性和完整性，造成煤层变薄甚至形成无煤区[5-8](图4)。矿区断层DF7和DF8相交，导致3煤、K3错位断开，而以下的煤层消失。断层DF1和黄集断层的相交把煤层长距离的拉开，直接形成了无煤三角区。此外据前人研究[6，10-11]，主结构为向斜，断层裂缝的封闭性较小，胶合度小，对煤层的破坏相对也较小，主结构为背斜，断层为张性裂缝，对煤层的破坏非常大。

由于煤层较软弱，构造应力使其发生塑性流动或变形。当多条断层同时作用于同一段煤层时，该煤层容易发生相对运动从而引起断层两侧的煤层尖灭。当煤层及其顶底板受到侧向压应力时，就会因力的作用产生剪切滑动，造成煤层顶板下凹或底板上隆，煤层因流变和揉皱变形，厚度变薄或增厚[9-12，16-19]。断层的拉张拖曳作用使煤层厚度随断层远近而发生改变，通常煤层遇正断层则越远越厚，反之，煤层遇逆断层则越远越薄(图5)。煤层块段距断层DF10的平均厚度为1.29 m，靠近断层DF8的平均厚度为1.13 m，而距离黄集断层较远的平均厚度达2.44 m。

图3 煤层被断层连续性破坏

图4 45线剖面—断层相交形成无煤三角区

图5 断层与煤层的距离的厚度对比

3.2 岩浆岩对煤层的影响

侵入体岩性、规模、产状、层位影响着对煤层的破坏程度。基本有推挤和熔蚀两种作用。当煤层受到岩浆热力及推挤压力作用时，煤层流变，影响煤层稳定性，促使煤层中的物质发生运移从而煤层发生局部厚度增减，造成岩体呈波浪起伏状延伸，并迫使煤层局部聚拢成团而形成煤包[13-15，20-22]。侵人体岩浆岩的高温使煤质发生焦化作用，部分煤层被吞蚀，这种熔蚀作用造成煤层的变薄和局部缺失，并使残留部分烘烤变质，使煤层的厚度减薄，降低煤层的可采性(图6)。另外在向、背斜的核部等构造薄弱地带也有少量基性岩浆侵入，进入煤系地层后，顺着煤层侵入，对煤质影响很大。

煤层侵入岩多为辉绿岩，它们的侵入破坏了煤层的原生厚度、结构和煤质。辉绿岩脉穿插煤层时，岩石大多溶蚀强烈，颜色变浅，具有残余辉绿结构。有些斜长石仅保留其假象，被次生的高岭土和碳酸盐矿物所替代。此外由于岩浆岩的穿插，将部分可采煤层穿插多个分层，使煤层的结构复杂，降低煤层的稳定性。

3.3 煤变质作用对煤层的影响

矿区内煤变质作用主要包括两种类型：区域岩浆热变质作用和接触变质作用，在不同煤层或同一煤层不同煤类，两种变质作用类型所起作用有主次之分。

图6 岩浆岩的侵入使煤层局部缺失

10煤组以区域岩浆热变质作用为主，其变质程度与其在现代构造中的埋藏深度有关。矿区北部东侧埋藏浅，变质程度低于南部或北部西侧煤变质程度，东侧以贫煤为主，西侧或南部则为无烟煤。

各煤层煤的变质程度受两种变质作用的叠加影响远高于正常地质背景下因深成变质作用导致的煤的变质程度，属高变质煤甚至天然焦[23-24]。而接触变质作用表现为岩浆直接侵入煤层，因其高温、挥发物和压力使煤发生接触变质，使之变质为天然焦和高变质煤，3、7和8煤组部分的天然焦和无烟煤，即为在区域岩浆热变质作用的基础上，叠加了接触变质作用的结果。

3.4 岩相古地理对煤层的影响

岩相古地形的发育对煤层的变化程度、可采程度及厚度也起到了至关重要的作用。

山西组底部的黑色泥岩和下部的条带状砂岩就是在早二叠世早期由于海水全面撤退，区内出现海湾，潟湖—潮坪沉积体系所形成的。大量植物的生长，逐渐形成泥炭沼泽相，且历时较为漫长，形成了较稳定可采煤层10煤组。

10煤组之上第一个较大的正粒序旋回及其之后的多个小粒序旋回沉积，代表了整个三角洲沉积体系在本区建造和发育的过程。

到了早二叠世晚期，该区最底部为一层灰色铝土泥岩为滨海无碎屑进入的微咸水或半咸水湖泊相沉积。之上出现几个粒序旋回及煤层沉积。8煤组、7煤组便形成于相对稳定期的三角洲平原分流间地区。再往上出现的6、5、4煤组，均为极不稳定的薄煤层或炭质泥岩，很可能与三角洲体系活动强度有关，该期碎屑体系活动频繁，分流间泥炭沼泽相经常受到周期性决口或溢岸作用的影响，持续时间短，因而无法形成大面积可采煤层。

晚二叠世早期，由于气候、环境的演变均不利于成煤，因而只在上石盒子中下部见有局部可采煤层和薄煤层或炭质泥岩，即1、2、3煤组。

4 结论

1)断层对煤层的分布、厚度、产状及变化程度具有一定的控制作用，致使煤层不连续、局部缺失甚至尖灭。使采矿难度增加。主结构是背斜(张性断裂)时，其破坏能力远远大于向斜，对煤层的破坏非常之大，在勘查过程中需引起足够重视。

2)岩浆岩的侵入对煤层破坏性不容忽视，辉绿岩的侵入，破坏了煤层的原生厚度、结构和煤质。顺煤层侵入，使煤层大部分变质为天然焦或侵吞，造成不可采区，严重降低了开采价值。此外煤层被侵蚀后，会导致瓦斯(煤成气)含量增高，使采矿安全性降低。

3)煤变质作用使煤质发生变化，煤变质作用的程度与矿区收益率形成正比。通常情况下，变质程度与煤层的埋藏深度相关，埋藏浅其变质程度就较低，多为贫煤；反之，埋藏深其变质程度就较高，形成高变质煤。

4)岩相古地理区内古生界的沉积层及新生界的松散层，其厚度及变化规律也为寻找可采煤层提供一定的理论及技术指导。