華北型淮南煤田大構造成因分析及構造控水研究

丁同福，汪敏華，趙俊峰

(1.淮南礦業集團地質勘探工程處，安徽 淮南 232052；2.淮南礦業集團煤業分公司，安徽 淮南 232091)

淮南煤田東西長100 km，南北寬35 km，面積3 600 km2，是華北型煤田最南端的整裝煤田；煤田含煤地層為石炭-二疊系，為連續沉積地層；石炭-二疊系太原組厚度110～125 m、含薄煤線7～9 層、不可采；二疊紀煤系厚度近1 000 m，含煤32～40 層，主采煤系厚度290～340 m、含煤厚度29.5～32.6 m[1]。下部為奧陶系灰巖地層，厚度數十米至530 m，石炭紀與奧陶紀地層角度不整合；上部為古近紀、新近紀松散沉積地層，厚度0～500 m，隨二疊系基巖面起伏呈“填坑填洼”式沉積。華北地臺的志留紀、泥盆紀、早石炭世地層沉積缺失。

淮南煤田的石炭-二疊紀煤系沉積于華北克拉通之上，且華北克拉通為地球大陸最古老及最穩定地臺之一，是中國大陸最主要構造單元，完整記錄了大陸構造演化歷史，是全球地質事件親歷者[2]。淮南煤田大構造褶皺變形，直接映射了印支運動、燕山運動及喜馬拉雅運動分期構造和疊加構造對華北克拉通的影響。印支運動由法國地質學家(Fromaget，1934)在越南桑怒的三疊紀地層中發現前諾立克和前瑞替克兩個不整合，為最重要的旋回(主要運動)，命名為印支褶皺，黃汲清(1945)在《中國主要構造單位》中沿用此名[3-4]；國內學者把整個三疊紀到早侏羅世之前的地殼運動統稱為印支運動[5]。燕山運動是由中國地質學家翁文灝1926 年創立的，以北京燕山為代表，泛指侏羅紀末、白堊紀初的造山運動[6]。喜馬拉雅運動是中國地質學家黃汲清于1945 年提出，代表中國境內新生代的造山運動，這一造山運動因首先在喜馬拉雅山區確定而得名。印支運動在華北克拉通表現為揚子板塊碰撞華北板塊，即形成了秦嶺-大別山超高壓變質巖帶以及太行山隆起為標志的陜(山)西煤田整體抬升等。對淮南煤田而言，在井田南邊界形成了超100 km 的舜耕山-八公山推覆體造山帶，構建了淮南煤田主構造格局。

自淮南煤礦1897 年地下開采，淮南煤田基礎地質研究已長達100 年之久。相關學者和單位先后開展大量地質勘探[7]及煤田小范圍構造研究工作，研究指出，淮南煤田主要構造格架為一近東西向展布的“對沖式斷—褶構造帶”[8]，煤田內部由一系列的次級背向斜組成復向斜構造[9]。隨著淮南煤田工作的進一步開展，煤田南端阜鳳推覆體構造微觀變形特征及形成機制[10]、水文地質特征[11]，淮南煤田巖漿侵入特征[12]、陷落柱成因[13]、斷層導隔水性[14]、礦區地應力場[15]等方面也取得了一定的研究認識。

目前，國內針對華北型煤田大構造成因方面仍缺少較為系統的研究方法，因此，筆者基于華北煤田的地史學、地層學、巖相古地理、區域構造及沉積巖、變質巖和巖漿巖三大巖的沉積、變質演化過程，對淮南煤田大構造褶皺變形成因進行深入系統研究，并結合礦區不同區域褶皺斷裂顯現的張性和壓扭性不同、導水性與阻水性不同，對不同礦區構造控水進行定量化研究，以評價大構造的控水作用[16-17]。

1 區域地質構造演化

淮南煤田位于中國大陸南北與東西構造的交匯地帶，區域構造異常復雜。東部為蚌埠古隆起、徐宿弧形構造帶、郯廬斷裂帶，其中，蚌埠古隆起為含石榴子石花崗片麻巖，鋯石定年分析記錄了巖漿結晶和變質兩期事件，其對應的年齡為2 433～2 584 Ma[18]；徐宿弧形構造帶，展布江蘇徐州-安徽宿州-安徽蚌埠一線，延長達三百多千米的弧形構造(造山)帶，是華北板塊與揚子板塊的東部地層分界線[19]；郯廬斷裂帶，是多組發育且平移長度450～800 km 斷裂帶(組)，構造受力既擠壓又張裂，地貌上兩塹一壘，向南延展切斷大別山造山帶[20-22]。

淮南煤田的南部是延展超100 km 的舜耕山-八公山推覆體造山帶、合肥“凹陷”盆地、大別山造山帶。其中，舜耕山-八公山造山帶為一系列變質巖及沉積巖組成推覆體造山帶；合肥“凹陷”盆地，位于舜耕山-八公山推覆體造山帶之南，是基底為華北克拉通(新元古界青白口系)、上覆沉積厚度近5 000 m 侏羅系-白堊系紅層巨型沉積盆地，面積近2 萬km2[23-24]；大別山造山帶，從陜西秦嶺到安徽廬江一線的超高壓變質巖帶，延展長度超1 300 km，是揚子板塊與華北板塊的南部地層分界線。

2 淮南煤田地質構造特征

淮南煤田即華北克拉通的南端，不是沉積形成的自然邊界，而是印支運動當期揚子板塊正面碰撞華北板塊形成的構造邊界。淮南煤田分為北部新礦區和南部老礦區，北部新礦區為新生代地層全掩蓋的潘(潘集)謝(謝橋)礦區，南部老礦區為基巖(煤系)出露礦區，為印支運動直接顯露褶皺構造區；分為九龍崗-大通礦區(1989 年已經閉坑)、謝家集-八公山礦區(2018 年已經閉坑)，淮南煤田南部老礦區構造如圖1 所示。

2.1 淮南煤田大構造主要特征

圖1 淮南煤田南部老礦區構造簡圖Fig.1 Tectonic sketch in the old mining area in the south of Huainan coalfield

淮南煤田大構造主要有延展超100 km 的推覆體造山帶，延展30～60 km、由西向東傾伏的多個背(向)斜構造，斜切多井田、延展近 8 km 的地塹式斷裂構造帶，基底發育在寒武系灰巖的多個巖溶陷落柱(最大橢圓長軸超1 km)，呈巖柱和巖床產出的巖漿巖構造等。整個礦區煤系走向呈“S 型”展布，地層傾向從近水平、傾斜、急傾斜、直立、倒轉都有發育，且南部老礦區基巖出露區構造發育類型多樣。

淮南煤田礦井構造經過多輪次普查、精查、詳查等勘探，建井勘探，生產補充勘探(最小線距250 m，最小孔距300 m)，高分辨三維地震勘探，廣域電磁勘探及井下巷探、井下鉆探、采掘活動等，淮南煤田構造研究程度很高。

2.1.1 舜耕山-八公山推覆體造山帶

造山帶為淮南煤田南部邊界構造帶，由沉積巖及變質巖構成一系列山丘，海拔標高+100～+297 m，山脈整體呈東西向展布，延展長度100 km、寬度2～7 km。其中的沉積巖從三疊系(紅層)、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、震旦系，一直到青白口系(上元古界)、前長城系(下元古界)都有直接裸露，這些沉積地層累積厚度6 000～7 000 m。變質巖主要是片麻巖，內含3～10 mm 灰巖礫包裹體，片麻巖層厚30～200 m。

沿造山帶從東往西追溯，礦井煤系形態變化劇烈，依次為地層傾角近90°(九龍崗礦)—地層倒轉(李二礦)—單斜構造(新莊孜礦)—地層傾角70°～80°(孔集礦)—煤系位于推覆體片麻巖下、緩傾斜地層(花家湖礦)。

2.1.2 “330°”方向的造山帶

以八公山造山帶為典型代表，由一系列標高+100～+240 m 高度山峰組成，山峰為早元古代、晚元古代、古生代古老地層，近似按地層由老到新順序排列。造山帶延展近16 km、寬度7 km，面積近120 km2；山脈走向與地層的走向近似330°方向，稱“330°”的構造線。

“330°”構造線在淮南煤田廣泛存在，在煤田東部上窯山造山帶(長6 km×寬3 km)，古老基巖出露地表成山，如新生代松散地層全掩蓋下的顧桂地塹式斷裂構造帶(330°方向斜穿顧橋礦、顧北，延展8 km)，出露于新生界地表的港河、窯河等。

2.1.3 “X 型”斷裂帶(組)

“X 型”斷裂帶(組)主要發育在八公山造山帶之內，位于其西南山脈，發育“X 型”斷裂帶(組)，一組“/”走向N46°E，另一組“”走向N82°E，組成“X 型”斷裂帶(組)；切割青白口系、前長城系、震旦系、寒武系等地層，分布面積約35 km2，“X 型”斷裂帶示意如圖2 所示。

2.1.4 羽狀平行斷裂帶(組)

羽狀平行斷裂帶(組)主要分布于謝八礦區的謝二、謝一、新莊孜、畢家崗、李嘴孜等井田，發育1 組相互平行、間距300～500 m、走向E20°～40°S、傾向EW、傾角45°～60°的正斷層組，呈羽狀平行展布，分布面積約為48 km2，羽狀平行斷裂帶示意如圖3 所示。

2.2 淮南煤田大構造成因分析

需要從多維度展開分析淮南煤田大構造成因。石炭-二疊紀聚煤后，經歷了印支、燕山、喜馬拉雅地史構造運動疊加。若研究淮南煤田當期的印支運動，需要剝去燕山、喜馬拉雅運動的疊加構造對當期褶皺構造影響來實現還原，且需要將當期構造置于華北地臺中，以構建為華北地臺整體構造的一部分，同時將構造與華北地臺以外周邊區域大構造進行對比、驗證。對淮南煤田而言，還需要煤巖層對比、背(向)斜傾伏延展、斷層切割關系、巖漿巖噴發形態、新生代地層賦存及巖石年齡測定等進行綜合研究，以此類推來厘清當期構造和疊加構造。

圖2 “X 型”斷裂帶示意(圖例同圖1)Fig.2 Schematic diagram of "X type" fault zone

圖3 羽狀平行斷裂帶示意(圖例同圖1)Fig.3 Schematic pinnate parallel fault zone

綜上研究方法，淮南煤田大構造經歷了一抬升(Ⅰ期)、二碰撞(Ⅱ期)、三侵入(Ⅲ期)、四沖積(Ⅳ期)4 期構造疊加。

2.2.1 一抬升(Ⅰ期)

淮南煤田一抬升的動力來自印支運動，使煤田西部地層整體抬升、向東傾斜，形成了淮南煤田一系列近東西向構造，主要有由西向東傾伏的陳橋背斜、延展50～60 km，由西向東傾伏潘集背斜、延展30～40 km，東西向延展的F1 斷層(組)、F24 斷層(組)等，統稱Ⅰ期構造。淮南煤田Ⅰ期構造與華北地臺西高東低地質地形呈現出一致性特征。

2.2.2 二碰撞(Ⅱ期)

淮南煤田二碰撞動力同樣來自印支運動，為揚子板塊正面碰撞華北板塊的前端，板塊碰撞產生的巨大能量，在淮南煤田內發生了地層水平位移、地層擠壓垂直抬升、下部地層推覆到上部地層之上倒轉、沉積地層受壓演變成變質巖、變質巖推覆體造山等。同時形成了煤田南部延展100 km 的舜耕山-八公山推覆體造山帶以及淮南煤田南部老礦區古老基巖地層裸露“330°”構造線、“X 型”斷裂和羽狀平行斷裂等；在潘謝新區形成了“S 型”走向的煤層形態、顧桂地塹式斷裂構造帶以及一系列近南北方向礦區邊界斷層(組)等，統稱Ⅱ期構造。

煤田Ⅱ期構造在礦區不同區域內其構造形態具有巨大差異性。當期淮南煤田全基巖出露，地形地貌高低起伏巨大，合肥“凹陷”盆地是八公山-舜耕山造山帶的山前盆地，當期山脈與盆地基底絕對高差超過7 000 m。在華北地臺內、沿大別山-八公山-舜耕山造山帶，古淮河形成。印支運動后，淮南煤田主體構造成型。

2.2.3 三侵入(Ⅲ期)

淮南煤田三侵入是指燕山運動的巖漿巖侵入。燕山運動在華北地臺主要表現為巖漿巖造山(如北京燕山)和巖漿巖成礦(如金、銅、鉬礦)；在華北煤田內主要表現為巖漿巖大面積順層侵蝕煤系，造成煤層蝕變成焦炭；在淮南煤田主要沿潘集背斜軸向侵入，背向斜兩翼發展；在淮南的丁集井田，巖漿巖穿過煤系，呈巖柱狀產出近2 km2；在潘三、潘二、朱集等井田，巖漿巖呈順層侵入，層位從A 組1 煤—B 組8 煤，巖漿巖侵入厚度為幾厘米至數十米，巖性基本是閃長玢巖，少見花崗巖，年齡測定約為118 Ma[25]。

巖漿巖侵入對礦區整體構造形態產生的影響較小，目前巖漿巖揭露多是在煤系內，深部地層內(奧陶系、寒武系)缺少資料，賦存狀態不詳；但巖漿巖對礦井深部陷落柱等強導水通道的形成和發展存在正面抑制作用。

2.2.4 四沖積(Ⅳ期)

淮南煤田四沖積是古近系、新近系松散層在煤系上的沉積。由于基巖面起伏落差大、溝壑林立，自古近紀(約66 Ma)開始，接受了新生代“填坑填洼”沖積，沉積厚度0～500 m；形成地表標高+25 m 左右、近水平一致的淮河平原。

四沖積與喜馬拉雅(約70 Ma)運動具有一定關聯。雖然喜馬拉雅運動對淮南煤田不存在直接影響，但其造成了山西太行山脈南段局部應力或節理裂隙變化，在經歷約4 Ma 后即古近紀，受困于鄂爾多斯盆地的古黃河，向下沖刷切過太行山脈并攜帶巨量山(陜)西高原煤田的(風化)剝蝕物，沖積形成了遍布河南、安徽、山東的黃淮沖積平原，黃河奪取淮河入海口，一直持續至今。

3 淮南煤田構造控水作用

淮南煤田的主要含水層為新生界砂層、基巖裂隙及灰巖巖溶含水層，其中，新生界砂層和奧陶(寒武)灰巖巖溶含水層對礦井安全開采存在主要威脅。

與煤系基巖露頭直接接觸的是上覆新生界下部含水層組(簡稱下含)，構成淺部煤層安全開采的直接威脅水源；下含在淮南煤田大部分礦區發育，巖性為細粉砂-中粗砂-砂礫層不等，層厚數十米至一百多米，含水層單位涌水量q=0.002～2.051 L/(s·m)，不同礦區富水性強弱差異大；有些礦淺部煤層采區涉及到下含的“天窗區”及提高上限后防水煤巖柱合理留設等安全評價。

淮南煤田下伏含水層主要是高承壓灰巖巖溶含水層，其中，石炭系灰巖為海陸交互相沉積，薄層-中厚層灰巖與砂泥頁巖互層，地層厚度115～125 m，含12～13 層灰巖，灰巖累積厚度約占50%，正常地層單位涌水量q=0.001～0.000 1 L/(s·m)，富水性較弱；奧陶系、寒武系灰巖為淺海-深海沉積的厚層狀灰巖含水層，其中，奧陶紀地層在淮南煤田聚煤前，受加里東運動抬升，地層風化剝蝕，現存厚度從淮南煤田西部謝橋礦數十米到潘二礦二百多米到東部九龍崗礦的五百多米；寒武灰巖沉積厚度近千米；奧陶與寒武灰巖在淮南煤田水力聯系密切，無法區分開，為強充水含水層，最大單位涌水量大于5 L/(s·m)，發育了一系列基底為寒武灰巖的巖溶陷落柱。

淮南煤田分期構造對煤田內斷裂、陷落柱導水通道的發育具有控制作用。印支運動的Ⅰ期抬升，形成了淮南煤田由西向東延展的謝橋、潘集背斜和東西向延展F1 等正斷層組，這些張性構造切割了寒武系灰巖、奧陶系灰巖、石炭-二疊紀全部煤系，控制了淮南煤田沿背斜軸部、煤系露頭及轉折端附近發育的強導水構造陷落柱等；印支運動的Ⅱ期碰撞，對潘謝新區8 對生產礦井形成了330°延展的顧桂地塹構造及一系列近南北方向的礦井邊界大斷層；Ⅲ期燕山運動的巖漿侵入，僅對受巖漿巖影響的潘集背斜軸兩翼的丁集等3 對礦井部分采區深部巖溶含水層強導水通道發育具有壓制作用；Ⅳ期喜馬拉雅運動沖積形成的下含含水層，對煤系基巖淺部埋深煤層及提高上限開采的顧北礦等2 對礦井有明顯影響。

綜合煤田大構造形成機制、導水構造展布、礦井所處位置受構造及疊加影響程度等為評價指標，研究分期構造對淮南煤田現有8 對生產礦井水害影響程度，以1～5 分值進行計算，正、負分別為阻水正面影響和導水的負面影響程度，且分值絕對值越高影響越顯著；Ⅰ期數值的確定，主要依據礦井距離張性背斜(切割深部高壓含水層)位置及受影響程度；Ⅱ—Ⅳ期數值的確定，主要描述分期構造對礦井張性導水(正)斷裂構造、壓扭性阻水(逆)斷裂構造形成的制約，如Ⅱ期構造對顧北礦等3 對礦井增加了一組張性導水構造，對顧橋礦等5 對礦井地層造成壓扭性改變等。這些數值是一個相對值，淮南礦區8 對生產礦井水害影響程度評價結果見表1。

從表1 可以得出，Ⅰ期構造對各礦都存在顯著負面影響，其中最為顯著的負面影響是潘二(潘四東)、潘三、顧北、謝橋礦。Ⅱ期構造對顧北、張集、謝橋礦存在負面影響，對其他各礦則存在正面影響。Ⅲ期構造對朱集、潘三、丁集存在正面影響，其他各礦不受影響。Ⅳ期構造對潘二(潘四東)、顧北存在負面影響，其他各礦不存在影響。

表1 不同構造分期對生產礦井水害影響程度評價Table 1 Evaluation score of the impact of different structure stages on water hazards

綜上所述可以得出，Ⅰ—Ⅳ期構造對不同礦井水害影響程度的排序為顧北(-7)、謝橋(-6)、張集和潘二(-5)、潘三(-3)、顧橋(-2)、朱集和丁集(-1)。從構造控水成因評價礦井受水害威脅影響程度，更精準刻畫了礦井水文地質條件復雜的原因，避免在礦井一些隱伏導水構造沒有充分揭露時，水文地質類型評價時帶來偏差；同時為水害治理工程選擇提供依據。

4 結論

a.淮南煤田大構造為印支、燕山、喜馬拉雅運動疊加形成的，印支運動的Ⅰ期形成淮南煤田近東西向構造線(體)，Ⅱ期形成淮南煤田近南北向構造線(體)。印支運動后淮南煤田主體構造格局基本成型，Ⅲ期為燕山運動、Ⅳ期為喜馬拉雅運動，對淮南煤田大構造格局影響不顯著。

b.根據運動時間前后、形成構造的切割關系進行分析可以得出，Ⅱ期構造切割Ⅰ期構造，近南北方向斷層(裂)切割近東西向斷層(裂)，Ⅲ期的巖漿巖全部穿越Ⅰ、Ⅱ期斷層帶(組)，不存在切割關系，且不存在斷層(裂)發育到新生代地層。

c.Ⅰ—Ⅳ期分期構造對研究區各個礦井水害影響程度差異較為顯著，新區8 對生產礦井評價得分綜合排序為顧北(-7)、謝橋(-6)、張集和潘二(-5)、潘三(-3)、顧橋(-2)、朱集和丁集(-1)。

d.淮南煤田沉積于古老的華北克拉通之上，華北克拉通又是全球地質事件親歷者，因而，淮南煤田是石炭-二疊紀聚煤后全球構造事件參與者、見證者；淮南煤田大構造中蘊含的分期構造特征是研究華北克拉通和周邊區域構造最直接的佐證資料。

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