华北型淮南煤田大构造成因分析及构造控水研究

2020-08-19丁同福汪敏华赵俊峰

煤田地质与勘探 2020年4期

丁同福，汪敏华，赵俊峰

(1.淮南矿业集团地质勘探工程处，安徽淮南 232052；2.淮南矿业集团煤业分公司，安徽淮南 232091)

淮南煤田东西长100 km，南北宽35 km，面积3 600 km2，是华北型煤田最南端的整装煤田；煤田含煤地层为石炭-二叠系，为连续沉积地层；石炭-二叠系太原组厚度110～125 m、含薄煤线7～9 层、不可采；二叠纪煤系厚度近1 000 m，含煤32～40 层，主采煤系厚度290～340 m、含煤厚度29.5～32.6 m[1]。下部为奥陶系灰岩地层，厚度数十米至530 m，石炭纪与奥陶纪地层角度不整合；上部为古近纪、新近纪松散沉积地层，厚度0～500 m，随二叠系基岩面起伏呈“填坑填洼”式沉积。华北地台的志留纪、泥盆纪、早石炭世地层沉积缺失。

淮南煤田的石炭-二叠纪煤系沉积于华北克拉通之上，且华北克拉通为地球大陆最古老及最稳定地台之一，是中国大陆最主要构造单元，完整记录了大陆构造演化历史，是全球地质事件亲历者[2]。淮南煤田大构造褶皱变形，直接映射了印支运动、燕山运动及喜马拉雅运动分期构造和叠加构造对华北克拉通的影响。印支运动由法国地质学家(Fromaget，1934)在越南桑怒的三叠纪地层中发现前诺立克和前瑞替克两个不整合，为最重要的旋回(主要运动)，命名为印支褶皱，黄汲清(1945)在《中国主要构造单位》中沿用此名[3-4]；国内学者把整个三叠纪到早侏罗世之前的地壳运动统称为印支运动[5]。燕山运动是由中国地质学家翁文灏1926 年创立的，以北京燕山为代表，泛指侏罗纪末、白垩纪初的造山运动[6]。喜马拉雅运动是中国地质学家黄汲清于1945 年提出，代表中国境内新生代的造山运动，这一造山运动因首先在喜马拉雅山区确定而得名。印支运动在华北克拉通表现为扬子板块碰撞华北板块，即形成了秦岭-大别山超高压变质岩带以及太行山隆起为标志的陕(山)西煤田整体抬升等。对淮南煤田而言，在井田南边界形成了超100 km 的舜耕山-八公山推覆体造山带，构建了淮南煤田主构造格局。

自淮南煤矿1897 年地下开采，淮南煤田基础地质研究已长达100 年之久。相关学者和单位先后开展大量地质勘探[7]及煤田小范围构造研究工作，研究指出，淮南煤田主要构造格架为一近东西向展布的“对冲式断—褶构造带”[8]，煤田内部由一系列的次级背向斜组成复向斜构造[9]。随着淮南煤田工作的进一步开展，煤田南端阜凤推覆体构造微观变形特征及形成机制[10]、水文地质特征[11]，淮南煤田岩浆侵入特征[12]、陷落柱成因[13]、断层导隔水性[14]、矿区地应力场[15]等方面也取得了一定的研究认识。

目前，国内针对华北型煤田大构造成因方面仍缺少较为系统的研究方法，因此，笔者基于华北煤田的地史学、地层学、岩相古地理、区域构造及沉积岩、变质岩和岩浆岩三大岩的沉积、变质演化过程，对淮南煤田大构造褶皱变形成因进行深入系统研究，并结合矿区不同区域褶皱断裂显现的张性和压扭性不同、导水性与阻水性不同，对不同矿区构造控水进行定量化研究，以评价大构造的控水作用[16-17]。

1 区域地质构造演化

淮南煤田位于中国大陆南北与东西构造的交汇地带，区域构造异常复杂。东部为蚌埠古隆起、徐宿弧形构造带、郯庐断裂带，其中，蚌埠古隆起为含石榴子石花岗片麻岩，锆石定年分析记录了岩浆结晶和变质两期事件，其对应的年龄为2 433～2 584 Ma[18]；徐宿弧形构造带，展布江苏徐州-安徽宿州-安徽蚌埠一线，延长达三百多千米的弧形构造(造山)带，是华北板块与扬子板块的东部地层分界线[19]；郯庐断裂带，是多组发育且平移长度450～800 km 断裂带(组)，构造受力既挤压又张裂，地貌上两堑一垒，向南延展切断大别山造山带[20-22]。

淮南煤田的南部是延展超100 km 的舜耕山-八公山推覆体造山带、合肥“凹陷”盆地、大别山造山带。其中，舜耕山-八公山造山带为一系列变质岩及沉积岩组成推覆体造山带；合肥“凹陷”盆地，位于舜耕山-八公山推覆体造山带之南，是基底为华北克拉通(新元古界青白口系)、上覆沉积厚度近5 000 m 侏罗系-白垩系红层巨型沉积盆地，面积近2 万km2[23-24]；大别山造山带，从陕西秦岭到安徽庐江一线的超高压变质岩带，延展长度超1 300 km，是扬子板块与华北板块的南部地层分界线。

2 淮南煤田地质构造特征

淮南煤田即华北克拉通的南端，不是沉积形成的自然边界，而是印支运动当期扬子板块正面碰撞华北板块形成的构造边界。淮南煤田分为北部新矿区和南部老矿区，北部新矿区为新生代地层全掩盖的潘(潘集)谢(谢桥)矿区，南部老矿区为基岩(煤系)出露矿区，为印支运动直接显露褶皱构造区；分为九龙岗-大通矿区(1989 年已经闭坑)、谢家集-八公山矿区(2018 年已经闭坑)，淮南煤田南部老矿区构造如图1 所示。

2.1 淮南煤田大构造主要特征

图1 淮南煤田南部老矿区构造简图Fig.1 Tectonic sketch in the old mining area in the south of Huainan coalfield

淮南煤田大构造主要有延展超100 km 的推覆体造山带，延展30～60 km、由西向东倾伏的多个背(向)斜构造，斜切多井田、延展近 8 km 的地堑式断裂构造带，基底发育在寒武系灰岩的多个岩溶陷落柱(最大椭圆长轴超1 km)，呈岩柱和岩床产出的岩浆岩构造等。整个矿区煤系走向呈“S 型”展布，地层倾向从近水平、倾斜、急倾斜、直立、倒转都有发育，且南部老矿区基岩出露区构造发育类型多样。

淮南煤田矿井构造经过多轮次普查、精查、详查等勘探，建井勘探，生产补充勘探(最小线距250 m，最小孔距300 m)，高分辨三维地震勘探，广域电磁勘探及井下巷探、井下钻探、采掘活动等，淮南煤田构造研究程度很高。

2.1.1 舜耕山-八公山推覆体造山带

造山带为淮南煤田南部边界构造带，由沉积岩及变质岩构成一系列山丘，海拔标高+100～+297 m，山脉整体呈东西向展布，延展长度100 km、宽度2～7 km。其中的沉积岩从三叠系(红层)、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、震旦系，一直到青白口系(上元古界)、前长城系(下元古界)都有直接裸露，这些沉积地层累积厚度6 000～7 000 m。变质岩主要是片麻岩，内含3～10 mm 灰岩砾包裹体，片麻岩层厚30～200 m。

沿造山带从东往西追溯，矿井煤系形态变化剧烈，依次为地层倾角近90°(九龙岗矿)—地层倒转(李二矿)—单斜构造(新庄孜矿)—地层倾角70°～80°(孔集矿)—煤系位于推覆体片麻岩下、缓倾斜地层(花家湖矿)。

2.1.2 “330°”方向的造山带

以八公山造山带为典型代表，由一系列标高+100～+240 m 高度山峰组成，山峰为早元古代、晚元古代、古生代古老地层，近似按地层由老到新顺序排列。造山带延展近16 km、宽度7 km，面积近120 km2；山脉走向与地层的走向近似330°方向，称“330°”的构造线。

“330°”构造线在淮南煤田广泛存在，在煤田东部上窑山造山带(长6 km×宽3 km)，古老基岩出露地表成山，如新生代松散地层全掩盖下的顾桂地堑式断裂构造带(330°方向斜穿顾桥矿、顾北，延展8 km)，出露于新生界地表的港河、窑河等。

2.1.3 “X 型”断裂带(组)

“X 型”断裂带(组)主要发育在八公山造山带之内，位于其西南山脉，发育“X 型”断裂带(组)，一组“/”走向N46°E，另一组“”走向N82°E，组成“X 型”断裂带(组)；切割青白口系、前长城系、震旦系、寒武系等地层，分布面积约35 km2，“X 型”断裂带示意如图2 所示。

2.1.4 羽状平行断裂带(组)

羽状平行断裂带(组)主要分布于谢八矿区的谢二、谢一、新庄孜、毕家岗、李嘴孜等井田，发育1 组相互平行、间距300～500 m、走向E20°～40°S、倾向EW、倾角45°～60°的正断层组，呈羽状平行展布，分布面积约为48 km2，羽状平行断裂带示意如图3 所示。

2.2 淮南煤田大构造成因分析

需要从多维度展开分析淮南煤田大构造成因。石炭-二叠纪聚煤后，经历了印支、燕山、喜马拉雅地史构造运动叠加。若研究淮南煤田当期的印支运动，需要剥去燕山、喜马拉雅运动的叠加构造对当期褶皱构造影响来实现还原，且需要将当期构造置于华北地台中，以构建为华北地台整体构造的一部分，同时将构造与华北地台以外周边区域大构造进行对比、验证。对淮南煤田而言，还需要煤岩层对比、背(向)斜倾伏延展、断层切割关系、岩浆岩喷发形态、新生代地层赋存及岩石年龄测定等进行综合研究，以此类推来厘清当期构造和叠加构造。

图2 “X 型”断裂带示意(图例同图1)Fig.2 Schematic diagram of "X type" fault zone

图3 羽状平行断裂带示意(图例同图1)Fig.3 Schematic pinnate parallel fault zone

综上研究方法，淮南煤田大构造经历了一抬升(Ⅰ期)、二碰撞(Ⅱ期)、三侵入(Ⅲ期)、四冲积(Ⅳ期)4 期构造叠加。

2.2.1 一抬升(Ⅰ期)

淮南煤田一抬升的动力来自印支运动，使煤田西部地层整体抬升、向东倾斜，形成了淮南煤田一系列近东西向构造，主要有由西向东倾伏的陈桥背斜、延展50～60 km，由西向东倾伏潘集背斜、延展30～40 km，东西向延展的F1 断层(组)、F24 断层(组)等，统称Ⅰ期构造。淮南煤田Ⅰ期构造与华北地台西高东低地质地形呈现出一致性特征。

2.2.2 二碰撞(Ⅱ期)

淮南煤田二碰撞动力同样来自印支运动，为扬子板块正面碰撞华北板块的前端，板块碰撞产生的巨大能量，在淮南煤田内发生了地层水平位移、地层挤压垂直抬升、下部地层推覆到上部地层之上倒转、沉积地层受压演变成变质岩、变质岩推覆体造山等。同时形成了煤田南部延展100 km 的舜耕山-八公山推覆体造山带以及淮南煤田南部老矿区古老基岩地层裸露“330°”构造线、“X 型”断裂和羽状平行断裂等；在潘谢新区形成了“S 型”走向的煤层形态、顾桂地堑式断裂构造带以及一系列近南北方向矿区边界断层(组)等，统称Ⅱ期构造。

煤田Ⅱ期构造在矿区不同区域内其构造形态具有巨大差异性。当期淮南煤田全基岩出露，地形地貌高低起伏巨大，合肥“凹陷”盆地是八公山-舜耕山造山带的山前盆地，当期山脉与盆地基底绝对高差超过7 000 m。在华北地台内、沿大别山-八公山-舜耕山造山带，古淮河形成。印支运动后，淮南煤田主体构造成型。

2.2.3 三侵入(Ⅲ期)

淮南煤田三侵入是指燕山运动的岩浆岩侵入。燕山运动在华北地台主要表现为岩浆岩造山(如北京燕山)和岩浆岩成矿(如金、铜、钼矿)；在华北煤田内主要表现为岩浆岩大面积顺层侵蚀煤系，造成煤层蚀变成焦炭；在淮南煤田主要沿潘集背斜轴向侵入，背向斜两翼发展；在淮南的丁集井田，岩浆岩穿过煤系，呈岩柱状产出近2 km2；在潘三、潘二、朱集等井田，岩浆岩呈顺层侵入，层位从A 组1 煤—B 组8 煤，岩浆岩侵入厚度为几厘米至数十米，岩性基本是闪长玢岩，少见花岗岩，年龄测定约为118 Ma[25]。

岩浆岩侵入对矿区整体构造形态产生的影响较小，目前岩浆岩揭露多是在煤系内，深部地层内(奥陶系、寒武系)缺少资料，赋存状态不详；但岩浆岩对矿井深部陷落柱等强导水通道的形成和发展存在正面抑制作用。

2.2.4 四冲积(Ⅳ期)

淮南煤田四冲积是古近系、新近系松散层在煤系上的沉积。由于基岩面起伏落差大、沟壑林立，自古近纪(约66 Ma)开始，接受了新生代“填坑填洼”冲积，沉积厚度0～500 m；形成地表标高+25 m 左右、近水平一致的淮河平原。

四冲积与喜马拉雅(约70 Ma)运动具有一定关联。虽然喜马拉雅运动对淮南煤田不存在直接影响，但其造成了山西太行山脉南段局部应力或节理裂隙变化，在经历约4 Ma 后即古近纪，受困于鄂尔多斯盆地的古黄河，向下冲刷切过太行山脉并携带巨量山(陕)西高原煤田的(风化)剥蚀物，冲积形成了遍布河南、安徽、山东的黄淮冲积平原，黄河夺取淮河入海口，一直持续至今。

3 淮南煤田构造控水作用

淮南煤田的主要含水层为新生界砂层、基岩裂隙及灰岩岩溶含水层，其中，新生界砂层和奥陶(寒武)灰岩岩溶含水层对矿井安全开采存在主要威胁。

与煤系基岩露头直接接触的是上覆新生界下部含水层组(简称下含)，构成浅部煤层安全开采的直接威胁水源；下含在淮南煤田大部分矿区发育，岩性为细粉砂-中粗砂-砂砾层不等，层厚数十米至一百多米，含水层单位涌水量q=0.002～2.051 L/(s·m)，不同矿区富水性强弱差异大；有些矿浅部煤层采区涉及到下含的“天窗区”及提高上限后防水煤岩柱合理留设等安全评价。

淮南煤田下伏含水层主要是高承压灰岩岩溶含水层，其中，石炭系灰岩为海陆交互相沉积，薄层-中厚层灰岩与砂泥页岩互层，地层厚度115～125 m，含12～13 层灰岩，灰岩累积厚度约占50%，正常地层单位涌水量q=0.001～0.000 1 L/(s·m)，富水性较弱；奥陶系、寒武系灰岩为浅海-深海沉积的厚层状灰岩含水层，其中，奥陶纪地层在淮南煤田聚煤前，受加里东运动抬升，地层风化剥蚀，现存厚度从淮南煤田西部谢桥矿数十米到潘二矿二百多米到东部九龙岗矿的五百多米；寒武灰岩沉积厚度近千米；奥陶与寒武灰岩在淮南煤田水力联系密切，无法区分开，为强充水含水层，最大单位涌水量大于5 L/(s·m)，发育了一系列基底为寒武灰岩的岩溶陷落柱。

淮南煤田分期构造对煤田内断裂、陷落柱导水通道的发育具有控制作用。印支运动的Ⅰ期抬升，形成了淮南煤田由西向东延展的谢桥、潘集背斜和东西向延展F1 等正断层组，这些张性构造切割了寒武系灰岩、奥陶系灰岩、石炭-二叠纪全部煤系，控制了淮南煤田沿背斜轴部、煤系露头及转折端附近发育的强导水构造陷落柱等；印支运动的Ⅱ期碰撞，对潘谢新区8 对生产矿井形成了330°延展的顾桂地堑构造及一系列近南北方向的矿井边界大断层；Ⅲ期燕山运动的岩浆侵入，仅对受岩浆岩影响的潘集背斜轴两翼的丁集等3 对矿井部分采区深部岩溶含水层强导水通道发育具有压制作用；Ⅳ期喜马拉雅运动冲积形成的下含含水层，对煤系基岩浅部埋深煤层及提高上限开采的顾北矿等2 对矿井有明显影响。

综合煤田大构造形成机制、导水构造展布、矿井所处位置受构造及叠加影响程度等为评价指标，研究分期构造对淮南煤田现有8 对生产矿井水害影响程度，以1～5 分值进行计算，正、负分别为阻水正面影响和导水的负面影响程度，且分值绝对值越高影响越显著；Ⅰ期数值的确定，主要依据矿井距离张性背斜(切割深部高压含水层)位置及受影响程度；Ⅱ—Ⅳ期数值的确定，主要描述分期构造对矿井张性导水(正)断裂构造、压扭性阻水(逆)断裂构造形成的制约，如Ⅱ期构造对顾北矿等3 对矿井增加了一组张性导水构造，对顾桥矿等5 对矿井地层造成压扭性改变等。这些数值是一个相对值，淮南矿区8 对生产矿井水害影响程度评价结果见表1。

从表1 可以得出，Ⅰ期构造对各矿都存在显著负面影响，其中最为显著的负面影响是潘二(潘四东)、潘三、顾北、谢桥矿。Ⅱ期构造对顾北、张集、谢桥矿存在负面影响，对其他各矿则存在正面影响。Ⅲ期构造对朱集、潘三、丁集存在正面影响，其他各矿不受影响。Ⅳ期构造对潘二(潘四东)、顾北存在负面影响，其他各矿不存在影响。

表1 不同构造分期对生产矿井水害影响程度评价Table 1 Evaluation score of the impact of different structure stages on water hazards

综上所述可以得出，Ⅰ—Ⅳ期构造对不同矿井水害影响程度的排序为顾北(-7)、谢桥(-6)、张集和潘二(-5)、潘三(-3)、顾桥(-2)、朱集和丁集(-1)。从构造控水成因评价矿井受水害威胁影响程度，更精准刻画了矿井水文地质条件复杂的原因，避免在矿井一些隐伏导水构造没有充分揭露时，水文地质类型评价时带来偏差；同时为水害治理工程选择提供依据。