金鄉縣大代廟地區煤層地質特征及成煤環境分析

周興濤，顧莎，郭建，岳偉佳，趙宇輝，殷淑翠

(山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東省地質礦產勘查開發局地下水資源與環境重點實驗室，山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

金鄉縣大代廟地區位于山東省濟寧市金鄉縣城南約19km，地處山東省魯西南含煤區，具備成煤地質條件，存在一定的找煤前景。1974年以來先后有十余個地勘單位在該地區進行煤炭地質勘查工作，對該區的煤炭資源進行了物探測量和勘探工作，為本次研究工作提供了豐富的地質資料。金鄉煤田霄云寺井田位于研究區的北鄰，單縣煤田陳蠻莊井田、張集井田位于研究區的南鄰，3個井田位于同一區域構造斷塊內，成煤地質條件相似[1-3]。金鄉縣大代廟地區煤層厚度較大、煤層結構較簡單，煤質條件較好，地表全被第四系覆蓋，第四系和新近系厚度約460～690m，整體呈東薄西厚的變化趨勢。山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊于2016—2017年在金鄉縣大代廟地區進行了普查找煤工作(1)山東省地礦工程勘察院，山東省金鄉縣大代廟地區煤炭普查報告，2018年。，利用二維地震勘探、地質鉆探、全孔數字測井和采樣測試等手段，新發現煤炭礦產地一處，煤類為焦煤(JM25)。

1 區域地質背景

研究區大地構造位置屬華北陸塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯西南潛隆起(Ⅲ)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅳ)的金鄉潛凹陷(Ⅴ)的東南部(圖1)。

1.1 地層

研究區屬華北平原地層區魯西地層分區，地處黃泛平原，地表全部為第四系松散層。地層自下而上分布為：古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生代侏羅系，新生代古近系、新近系、第四系。

石炭紀-二疊紀月門溝群為區域內主要含煤地層。分布于菏澤市單縣東部及北部、成武縣東部，濟寧市金鄉縣西部和南部及巨野縣南部。月門溝群自下而上可分為3個組，分別為本溪組、太原組和山西組。其中太原組厚度約140～175m，為重要含煤層位；山西組厚度約70～120m，山西組內的3煤層為該地區的主要可采煤層[4-9]。

1—古近系；2—侏羅系；3—二疊系；4—石炭-二疊系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武-奧陶系；8—寒武系；9—新太古界；10—推測地質界線；11—推測不整合接觸界線；12—推測斷裂及產狀；13—研究區范圍圖1 金鄉縣大代廟地區區域基巖地質圖

1.2 構造、巖漿巖

區域內構造較為發育。區域西部、南部菏澤地區被一些大型斷裂分割為不同的Ⅳ級構造單元，形成凸起、凹陷相間排列的構造格局，控制著該區域內的地層分布和礦產資源分布[10-11]。凸起、凹陷和斷裂在區域布格重力異常圖上反映明顯。研究區東部分布有嘉祥斷裂，西部為司馬斷裂，西南側為單縣斷裂，研究區中南部發育大代廟斷裂，這些斷裂構造控制著區域地層和煤炭資源的分布[12-15]。區內巖漿活動不發育[16]。

1.3 地球物理特征

區域重力資料顯示，研究區處于金鄉凹陷、魚臺凹陷及單縣凸起三者的交會部位，重力場表現為重力高異常的邊緣地帶。大致以單縣斷裂-嘉祥斷裂為界，東北側為重力負異常區，其西南側為重力正異常區，即研究區位于凸起構造內。從區域資料可知，基底以奧陶紀灰巖為主，地表被第四系全部覆蓋，山西組、太原組含煤地層保存比較完整，找煤地質條件較好。

2 含煤巖系特征

研究區為全隱蔽的華北型石炭-二疊紀海陸交互相含煤沉積。區內地層主要為奧陶系、石炭-二疊紀月門溝群本溪組、太原組、山西組和二疊紀石盒子群，以及新近系和第四系。其中奧陶紀馬家溝群為含煤地層沉積基底，二疊-石炭紀山西組、太原組為主要含煤地層。區內基巖地層受大代廟斷裂控制，大代廟斷裂以北地區地層抬升，遭受剝蝕，只保留奧陶紀馬家溝群；大代廟斷裂以南地區地層下降，含煤地層得以保留。

2.1 本溪組

賦存于大代廟斷裂以南，平行不整合于奧陶系基底之上，上與太原組連續沉積。區域資料顯示，本溪組上部為泥巖和細砂巖，下部為鐵鋁質泥巖，平均厚度約14m。

2.2 太原組

太原組為區內重要含煤地層。海陸交互相沉積，巖性為灰—灰黑色泥巖和粉砂巖夾砂巖、夾石灰巖11～12層，其中三灰和十下灰厚度較大，是較為穩定的標志層。據菏澤市單縣煤田張集井田資料顯示，太原組厚度約140～175m，平均厚度160m。張集井田揭露太原組厚度≥0.7m的煤層有6層，分別為8煤、12下煤、15上煤、16上煤、17煤和18煤，其中17煤為可采或局部可采，其余5層煤層為偶可采或局部可采。研究區內可采煤層為14下煤，煤層厚度1.11m。太原組底部與本溪組呈整合接觸。

2.3 山西組

山西組為區內主要含煤地層。為陸相含煤沉積，巖性主要由灰色、灰白色、深灰色砂巖、粉砂巖及泥巖組成，含有大量植物化石，并具有煤線及煤層。本組地層厚度60～133m，平均厚度約85m。區域范圍內山西組含煤4層，分別為1煤、2煤、3煤(上、下)、4煤，其中3煤層為區內主要可采煤層。區內揭露煤層2層，分別為3上煤層、3下煤層。其中含可采煤層3上煤1層，煤層厚度2.12m。山西組底部與太原組呈整合接觸。

3 煤層特征

本次工作在區內西南部施工ZK1鉆孔一個，鉆孔深度1295.28m，揭露區內含煤地層為石炭-二疊紀月門溝群的山西組和太原組，揭露月門溝群厚度145.55m，含煤8層，煤層總厚度5.57m。其中可采煤層為3上煤、14下煤，煤層厚度0.31～2.12m。本次工作煤層的劃分與層數、厚度情況見表1。

表1 煤系地層含煤情況一覽表

3.1 含煤地層

(1)山西組煤層。區內山西組厚度77.39m，含煤2層(3上、3下)，煤層總厚度2.58m，含煤系數3.33%；可采煤層1層，為3上煤層，厚度2.12m。可采含煤系數2.74%。3上煤層整體呈走向SN、傾向W的單斜構造，煤層傾角3°～12°左右，東部煤層傾角稍緩，西部傾角相對較陡。煤層埋深在1140～1940m左右，最淺處位于工作區東南邊界，埋深1140m左右；最深處位于工作區西南邊界附近，埋深1940m左右。煤層頂板為中砂巖，底板為泥巖、粉砂巖。

(2)太原組煤層。區內太原組揭露厚度68.16m，含煤6層(9、12上、14上、14下、15上、16)，煤層總厚度2.99m；可采煤層1層，為14下煤層，厚度1.11m。14下煤層底板標高-1228.25m，煤層傾角3°～12°左右。結構較簡單，不含夾石，賦存范圍內屬較穩定煤層。頂板為中砂巖或細砂巖，偶見粉砂巖、泥巖、炭質泥巖，底板為砂質泥巖、粉砂巖或泥巖，偶見炭質泥巖或含炭泥巖。

3上煤層頂板砂巖裂隙含水層是開采3上煤主要直接充水含水層，三灰巖溶裂隙含水層是主要間接充水含水層；十下灰是14下煤開采時的直接充水含水層[17]。

3.2 煤層對比

根據區內可采煤層在本地區含煤地層中的空間分布特征，將區內煤層劃分為上、下2個煤組，上煤組為山西組，山西組之下的為下煤組。

山西組煤層厚度在區域上呈規律性變化較為明顯，山西組以陸相沉積為主，該區域內只有3上煤層為可采煤層。太原組為海陸交互相沉積，沉積環境穩定，巖性組合特征明顯，變化較小，標志層多且沉積穩定，易于對比。太原組中的三灰、八灰和十下灰在該區域分布穩定，可作為區域對比的標志層。

4 控礦構造

前期勘查進行了二維地震勘探工作，通過物探資料解譯，在區內初步查明了落差大于100m的斷裂1條，斷裂名稱大代廟斷裂(圖2)，位于研究區中南部，延展長度約6.65km，走向近EW，傾向S，傾角65°(圖3)。其中A級斷點3個，B級斷點2個，屬可靠斷裂。

1—古近系；2—侏羅系；3—石炭-二疊系；4—石炭系；5—奧陶系；6—寒武-奧陶系；7—新太古界；8—推測不整合接觸界線；9—推測斷裂；10—推測正斷裂；11—煤田范圍；12—本次施工鉆孔位置及編號；13—研究區范圍圖2 金鄉縣大代廟地區基礎地質簡圖

1—第四系；2—新近系；3—二疊紀石河子群；4—二疊紀山西組；5—石炭-二疊紀太原組；6—石炭紀本溪組；7—奧陶系；8—推測斷裂；9—實測及推測地質界線；10—可采煤層位置及編號圖3 大代廟地區地質剖面圖

5 煤質特征和煤的類型

區內可采煤層地質特征見表2。

表2 可采煤層煤質特征一覽表

區內煤的自然類型均為腐植煤，呈黑色，為層狀原生沉積礦床。3上煤和14下煤均為煉焦用煤，煤類均屬于焦煤(JM25)，為優質動力煤。

6 成煤環境分析

研究區賦煤區域與單縣煤田張集井田位于同一構造格局內，控礦構造北邊界為大代廟斷裂，西為司馬斷裂[18-19]。對比單縣煤田張集井田煤層地質特征可知，構造斷塊內的煤層產狀穩定，礦床地質特征類似。研究區位于華北型石炭-二疊紀聚煤區的東部，區內聚煤環境與區域上存在共同特性。其中太原組為海陸交互相沉積，山西組為陸相沉積。

區域資料顯示，華北地區在晚古生代之初是一片準平原面，風化殼內的鐵鋁物質在后來的海侵中得到富集，形成著名的山西式鐵礦和G層鋁土礦，區內發育鐵鋁質層。石炭紀晚期，本溪期海侵開始，華北東北部開始形成淺海，沉積形成海陸交互相的碎屑巖夾灰巖和煤系(本溪組)。區內地層沉積厚度自東北向西南逐漸變薄，海相沉積形成的灰巖夾層也逐漸變少。

石炭紀晚期，太原期海侵開始，該地區海侵范圍進一步擴大，海侵范圍較本溪海侵范圍更為廣泛。本次海侵使局部區域發育海陸交互相沉積。海侵形成的海相灰巖的夾層數與沉積厚度自東南向西北逐漸減少，沉積厚度變薄。本期海侵在該區域上形成灰巖夾層明顯增多，并含豐富的海相動物化石，為典型的含煤巖系海陸交互相沉積[20-21]。

二疊紀開始，華北大部發生海退，逐漸成為陸地。該區沉積環境逐漸由海相沉積為主過渡到以陸相沉積為主，在低洼地區形成了大面積的沼澤[22]，其中二疊紀繁茂的植物為泥炭的形成提供了豐富的物質基礎，形成了巨厚的泥炭沉積層，在地質作用下，形成了區內山西組的3煤等可采煤層。

成煤期后，該地區經歷了長期構造運動的改造，研究區位于豐沛凸起的北部邊緣，北部為金鄉凹陷、魚臺凹陷，特殊的構造位置為區內煤系地層的保存提供了有利條件。

7 結論

金鄉縣大代廟地區含煤地層厚度較大，煤層結構簡單，煤質較好，煤類為焦煤(JM25)，煤層埋深在1140～1940m左右，受斷裂構造影響，局部厚度變化劇烈，含煤地層僅分布于大代廟以南區域。區內聚煤環境由太原組的海陸交互相沉積逐漸過渡到山西組的陸相沉積，后經構造運動影響，大代廟斷裂以南區域含煤煤層得以保留，大代廟斷裂以北區域含煤地層被剝蝕。