金乡县大代庙地区煤层地质特征及成煤环境分析

周兴涛，顾莎，郭建，岳伟佳，赵宇辉，殷淑翠

(山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东省地质矿产勘查开发局地下水资源与环境重点实验室，山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

0 引言

金乡县大代庙地区位于山东省济宁市金乡县城南约19km，地处山东省鲁西南含煤区，具备成煤地质条件，存在一定的找煤前景。1974年以来先后有十余个地勘单位在该地区进行煤炭地质勘查工作，对该区的煤炭资源进行了物探测量和勘探工作，为本次研究工作提供了丰富的地质资料。金乡煤田霄云寺井田位于研究区的北邻，单县煤田陈蛮庄井田、张集井田位于研究区的南邻，3个井田位于同一区域构造断块内，成煤地质条件相似[1-3]。金乡县大代庙地区煤层厚度较大、煤层结构较简单，煤质条件较好，地表全被第四系覆盖，第四系和新近系厚度约460～690m，整体呈东薄西厚的变化趋势。山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队于2016—2017年在金乡县大代庙地区进行了普查找煤工作(1)山东省地矿工程勘察院，山东省金乡县大代庙地区煤炭普查报告，2018年。，利用二维地震勘探、地质钻探、全孔数字测井和采样测试等手段，新发现煤炭矿产地一处，煤类为焦煤(JM25)。

1 区域地质背景

研究区大地构造位置属华北陆块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁西南潜隆起(Ⅲ)菏泽-兖州潜断隆(Ⅳ)的金乡潜凹陷(Ⅴ)的东南部(图1)。

1.1 地层

研究区属华北平原地层区鲁西地层分区，地处黄泛平原，地表全部为第四系松散层。地层自下而上分布为：古生代寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生代侏罗系，新生代古近系、新近系、第四系。

石炭纪-二叠纪月门沟群为区域内主要含煤地层。分布于菏泽市单县东部及北部、成武县东部，济宁市金乡县西部和南部及巨野县南部。月门沟群自下而上可分为3个组，分别为本溪组、太原组和山西组。其中太原组厚度约140～175m，为重要含煤层位；山西组厚度约70～120m，山西组内的3煤层为该地区的主要可采煤层[4-9]。

1—古近系；2—侏罗系；3—二叠系；4—石炭-二叠系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武-奥陶系；8—寒武系；9—新太古界；10—推测地质界线；11—推测不整合接触界线；12—推测断裂及产状；13—研究区范围图1 金乡县大代庙地区区域基岩地质图

1.2 构造、岩浆岩

区域内构造较为发育。区域西部、南部菏泽地区被一些大型断裂分割为不同的Ⅳ级构造单元，形成凸起、凹陷相间排列的构造格局，控制着该区域内的地层分布和矿产资源分布[10-11]。凸起、凹陷和断裂在区域布格重力异常图上反映明显。研究区东部分布有嘉祥断裂，西部为司马断裂，西南侧为单县断裂，研究区中南部发育大代庙断裂，这些断裂构造控制着区域地层和煤炭资源的分布[12-15]。区内岩浆活动不发育[16]。

1.3 地球物理特征

区域重力资料显示，研究区处于金乡凹陷、鱼台凹陷及单县凸起三者的交会部位，重力场表现为重力高异常的边缘地带。大致以单县断裂-嘉祥断裂为界，东北侧为重力负异常区，其西南侧为重力正异常区，即研究区位于凸起构造内。从区域资料可知，基底以奥陶纪灰岩为主，地表被第四系全部覆盖，山西组、太原组含煤地层保存比较完整，找煤地质条件较好。

2 含煤岩系特征

研究区为全隐蔽的华北型石炭-二叠纪海陆交互相含煤沉积。区内地层主要为奥陶系、石炭-二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组和二叠纪石盒子群，以及新近系和第四系。其中奥陶纪马家沟群为含煤地层沉积基底，二叠-石炭纪山西组、太原组为主要含煤地层。区内基岩地层受大代庙断裂控制，大代庙断裂以北地区地层抬升，遭受剥蚀，只保留奥陶纪马家沟群；大代庙断裂以南地区地层下降，含煤地层得以保留。

2.1 本溪组

赋存于大代庙断裂以南，平行不整合于奥陶系基底之上，上与太原组连续沉积。区域资料显示，本溪组上部为泥岩和细砂岩，下部为铁铝质泥岩，平均厚度约14m。

2.2 太原组

太原组为区内重要含煤地层。海陆交互相沉积，岩性为灰—灰黑色泥岩和粉砂岩夹砂岩、夹石灰岩11～12层，其中三灰和十下灰厚度较大，是较为稳定的标志层。据菏泽市单县煤田张集井田资料显示，太原组厚度约140～175m，平均厚度160m。张集井田揭露太原组厚度≥0.7m的煤层有6层，分别为8煤、12下煤、15上煤、16上煤、17煤和18煤，其中17煤为可采或局部可采，其余5层煤层为偶可采或局部可采。研究区内可采煤层为14下煤，煤层厚度1.11m。太原组底部与本溪组呈整合接触。

2.3 山西组

山西组为区内主要含煤地层。为陆相含煤沉积，岩性主要由灰色、灰白色、深灰色砂岩、粉砂岩及泥岩组成，含有大量植物化石，并具有煤线及煤层。本组地层厚度60～133m，平均厚度约85m。区域范围内山西组含煤4层，分别为1煤、2煤、3煤(上、下)、4煤，其中3煤层为区内主要可采煤层。区内揭露煤层2层，分别为3上煤层、3下煤层。其中含可采煤层3上煤1层，煤层厚度2.12m。山西组底部与太原组呈整合接触。

3 煤层特征

本次工作在区内西南部施工ZK1钻孔一个，钻孔深度1295.28m，揭露区内含煤地层为石炭-二叠纪月门沟群的山西组和太原组，揭露月门沟群厚度145.55m，含煤8层，煤层总厚度5.57m。其中可采煤层为3上煤、14下煤，煤层厚度0.31～2.12m。本次工作煤层的划分与层数、厚度情况见表1。

表1 煤系地层含煤情况一览表

3.1 含煤地层

(1)山西组煤层。区内山西组厚度77.39m，含煤2层(3上、3下)，煤层总厚度2.58m，含煤系数3.33%；可采煤层1层，为3上煤层，厚度2.12m。可采含煤系数2.74%。3上煤层整体呈走向SN、倾向W的单斜构造，煤层倾角3°～12°左右，东部煤层倾角稍缓，西部倾角相对较陡。煤层埋深在1140～1940m左右，最浅处位于工作区东南边界，埋深1140m左右；最深处位于工作区西南边界附近，埋深1940m左右。煤层顶板为中砂岩，底板为泥岩、粉砂岩。

(2)太原组煤层。区内太原组揭露厚度68.16m，含煤6层(9、12上、14上、14下、15上、16)，煤层总厚度2.99m；可采煤层1层，为14下煤层，厚度1.11m。14下煤层底板标高-1228.25m，煤层倾角3°～12°左右。结构较简单，不含夹石，赋存范围内属较稳定煤层。顶板为中砂岩或细砂岩，偶见粉砂岩、泥岩、炭质泥岩，底板为砂质泥岩、粉砂岩或泥岩，偶见炭质泥岩或含炭泥岩。

3上煤层顶板砂岩裂隙含水层是开采3上煤主要直接充水含水层，三灰岩溶裂隙含水层是主要间接充水含水层；十下灰是14下煤开采时的直接充水含水层[17]。

3.2 煤层对比

根据区内可采煤层在本地区含煤地层中的空间分布特征，将区内煤层划分为上、下2个煤组，上煤组为山西组，山西组之下的为下煤组。

山西组煤层厚度在区域上呈规律性变化较为明显，山西组以陆相沉积为主，该区域内只有3上煤层为可采煤层。太原组为海陆交互相沉积，沉积环境稳定，岩性组合特征明显，变化较小，标志层多且沉积稳定，易于对比。太原组中的三灰、八灰和十下灰在该区域分布稳定，可作为区域对比的标志层。

4 控矿构造

前期勘查进行了二维地震勘探工作，通过物探资料解译，在区内初步查明了落差大于100m的断裂1条，断裂名称大代庙断裂(图2)，位于研究区中南部，延展长度约6.65km，走向近EW，倾向S，倾角65°(图3)。其中A级断点3个，B级断点2个，属可靠断裂。

1—古近系；2—侏罗系；3—石炭-二叠系；4—石炭系；5—奥陶系；6—寒武-奥陶系；7—新太古界；8—推测不整合接触界线；9—推测断裂；10—推测正断裂；11—煤田范围；12—本次施工钻孔位置及编号；13—研究区范围图2 金乡县大代庙地区基础地质简图

1—第四系；2—新近系；3—二叠纪石河子群；4—二叠纪山西组；5—石炭-二叠纪太原组；6—石炭纪本溪组；7—奥陶系；8—推测断裂；9—实测及推测地质界线；10—可采煤层位置及编号图3 大代庙地区地质剖面图

5 煤质特征和煤的类型

区内可采煤层地质特征见表2。

表2 可采煤层煤质特征一览表

区内煤的自然类型均为腐植煤，呈黑色，为层状原生沉积矿床。3上煤和14下煤均为炼焦用煤，煤类均属于焦煤(JM25)，为优质动力煤。

6 成煤环境分析

研究区赋煤区域与单县煤田张集井田位于同一构造格局内，控矿构造北边界为大代庙断裂，西为司马断裂[18-19]。对比单县煤田张集井田煤层地质特征可知，构造断块内的煤层产状稳定，矿床地质特征类似。研究区位于华北型石炭-二叠纪聚煤区的东部，区内聚煤环境与区域上存在共同特性。其中太原组为海陆交互相沉积，山西组为陆相沉积。

区域资料显示，华北地区在晚古生代之初是一片准平原面，风化壳内的铁铝物质在后来的海侵中得到富集，形成著名的山西式铁矿和G层铝土矿，区内发育铁铝质层。石炭纪晚期，本溪期海侵开始，华北东北部开始形成浅海，沉积形成海陆交互相的碎屑岩夹灰岩和煤系(本溪组)。区内地层沉积厚度自东北向西南逐渐变薄，海相沉积形成的灰岩夹层也逐渐变少。

石炭纪晚期，太原期海侵开始，该地区海侵范围进一步扩大，海侵范围较本溪海侵范围更为广泛。本次海侵使局部区域发育海陆交互相沉积。海侵形成的海相灰岩的夹层数与沉积厚度自东南向西北逐渐减少，沉积厚度变薄。本期海侵在该区域上形成灰岩夹层明显增多，并含丰富的海相动物化石，为典型的含煤岩系海陆交互相沉积[20-21]。

二叠纪开始，华北大部发生海退，逐渐成为陆地。该区沉积环境逐渐由海相沉积为主过渡到以陆相沉积为主，在低洼地区形成了大面积的沼泽[22]，其中二叠纪繁茂的植物为泥炭的形成提供了丰富的物质基础，形成了巨厚的泥炭沉积层，在地质作用下，形成了区内山西组的3煤等可采煤层。

成煤期后，该地区经历了长期构造运动的改造，研究区位于丰沛凸起的北部边缘，北部为金乡凹陷、鱼台凹陷，特殊的构造位置为区内煤系地层的保存提供了有利条件。

7 结论

金乡县大代庙地区含煤地层厚度较大，煤层结构简单，煤质较好，煤类为焦煤(JM25)，煤层埋深在1140～1940m左右，受断裂构造影响，局部厚度变化剧烈，含煤地层仅分布于大代庙以南区域。区内聚煤环境由太原组的海陆交互相沉积逐渐过渡到山西组的陆相沉积，后经构造运动影响，大代庙断裂以南区域含煤煤层得以保留，大代庙断裂以北区域含煤地层被剥蚀。