华北型淮南煤田大构造成因分析及构造控水研究_丁同福.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Coal Branch of Huainan Mining Group, Huainan 232091, China Abstract In order to analyze deeply the genesis and tectonic control on water of the macrostructures of the fourth stage of the Huainan North China-type coalfield, the s of folds and faults of the Huainan coalfield were used to verify and compare the North China craton geohistory, stratigraphy, and regional tectonics. Quantitative uation of the impact of mining area 8 on production mines was conducted. The results show that the Huainan coalfield was ed by the su- perposition of the Indosinian, Yanshan and Himalayan movements. The Indosinian movement ed the Huainan coal- field at near-east-west tectonic linebody in the first stage, and the Huainan coalfield was ed at near-north-south tectonic linebody in the second stage. After the tributary movement, the main tectonic pattern of the Huainan coalfield had basically taken shape. The third stage of the Yanshan movement and the fourth stage of the Himalayan movement had no significant effect on the large tectonic pattern of the Huainan coalfield. According to the movement time and the cutting relationship of the ed structures, the second stage structures cut the first stage structure. The near- north-south faultscracks cut the near-east-west faultscracks, and the third stage magmatic rocks all crossed the first and the second stage fault zonesgroups, there was no cutting relationship, and no faultsfractures developed into the Cenozoic strata. The first stage to fourth stage structures had a significant difference in the degree of impact on the water hazards in each mine. Among them, the Gubei coalmine is the most effected. Huainan coalfield was a participant and witness of global tectonic events after coal accumulation in the Carboniferous-Permian, the staged tectonic feature of the macrostructures in Huainan coalfield provides direct evidence for study on the North China craton and the surrounding areas. Keywords tectonic control on water; genesis; North China craton; Yanshan movement; Himalayan movement; Huainan coalfield ChaoXing 第 4 期 丁同福等 华北型淮南煤田大构造成因分析及构造控水研究 103 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 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 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 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 N46E，另一组“\”走向 N82E，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 E20～40S、 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 ChaoXing 第 4 期 丁同福等 华北型淮南煤田大构造成因分析及构造控水研究 105 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 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。 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。 ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 q0.002～2.051 L/sm， 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 q0.001～0.000 1 L/sm，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/sm， 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；ⅡⅣ 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 uation score of the impact of different structure stages on water hazards 不同构造分期对水害影响程度评价得分 矿井 Ⅰ期 Ⅱ期 Ⅲ期 Ⅳ期 累计 朱集 -3 1 1 0 -1 潘二潘四东-5 1 0 -1 -5 潘三 -5 1 1 0 -3 丁集 -3 1 1 0 -1 顾北 -5 -1 0 -1 -7 顾桥 -3 1 0 0 -2 张集 -4 -1 0 0 -5 谢桥 -5 -1 0 0 -6 综上所述可以得出，ⅠⅣ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。 4 结 论 a. 淮南煤田大构造为印支、燕山、喜马拉雅运 ChaoXing 第 4 期 丁同福等 华北型淮南煤田大构造成因分析及构造控水研究 107 动叠加形成的，印支运动的Ⅰ期形成淮南煤田近东 西向构造线体，Ⅱ期形成淮南煤田近南北向构造 线体。印支运动后淮南煤田主体构造格局基本成 型，Ⅲ期为燕山运动、Ⅳ期为喜马拉雅运动，对淮 南煤田大构造格局影响不显著。 b. 根据运动时间前后、形成构造的切割关系进 行分析可以得出，Ⅱ期构造切割Ⅰ期构造，近南北 方向断层裂切割近东西向断层裂，Ⅲ期的岩浆岩 全部穿越Ⅰ、Ⅱ期断层带组，不存在切割关系， 且不存在断层裂发育到新生代地层。 c.ⅠⅣ期分期构造对研究区各个矿井水害影 响程度差异较为显著，新区 8 对生产矿井评价得分 综合排序为顾北-7、谢桥-6、张集和潘二-5、 潘三-3、顾桥-2、朱集和丁集-1。 d. 淮南煤田沉积于古老的华北克拉通之上，华 北克拉通又是全球地质事件亲历者，因而，淮南煤 田是石炭-二叠纪聚煤后全球构造事件参与者、 见证 者；淮南煤田大构造中蕴含的分期构造特征是研究 华北克拉通和周边区域构造最直接的佐证资料。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 淮南矿务局钻探队. 安徽省淮南矿区谢家集新庄孜区段矿 井深部－662～-1 000 m地质勘探报告精查[R]. 淮南淮南 矿务局，1982. 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