大同煤田东周窑井田三维区构造特征分析

摘 要：东周窑井田位于大同煤田西北，发育石炭-二叠系、侏罗系和白垩系三大构造层系，整体北高南低的特征，构造层的分布主要受控于印支期和燕山期构造应力作用，使改区确实二叠系石盒子组、三叠系以及西北区侏罗系遭受不同程度的剥蚀。3D区断裂构造复杂，主要表现NW和NEE-NE向断裂，前者形成于燕山早期，后者形成于喜山期，并在燕山中晚期挤压作用形成一系列NEE向宽缓褶皱，其与两期断裂叠加多形成断背斜、断向斜、垒堑和断阶构造样式，控制着研究区煤层的赋存状态，直接影响煤矿的高效安全生产。

关键词：赋存特征；断裂特征；地层格架；东周窑井田三维区

中图分类号： P2 文献标识码： A

地质概况

东周窑井田位于山西省左云县城东，东起东周窑村，西至左云县城东，北起西堡村，南至井儿沟村，东西长约15.8km，南北宽约14.4km，井田面积约119km2。井田位于大同向斜西北翼，地层总体为宽缓的单斜构造，地层走向185-190°，倾向95-100°，倾角2-10°，一般3-5°，石炭-二叠系成煤后主要经历燕山运动多向伸展-挤压交替作用和喜山运动右旋剪切作用，形成井田内部NW、NNE和近EW向正断层和小型近NEE向褶皱，断裂与褶皱组合使井田北部局部构造复杂化，并伴生有陷落柱[1-2]。

区内发育石炭系与侏罗系双系煤层，其中太原组5号、8号和山西组山4号煤为主采煤层，总体北部薄南部厚，且受印支期煌斑岩的侵入，不同程度破坏、吞吃了5号、山4号煤层，使煤结构变的更加复杂，同时受火山岩接触变质作用，使原本的长烟煤、气煤变质为贫煤、无烟煤。

1 地层结构与煤层反射特征

1.1 地层结构特征

对3D区地震剖面与钻井连井剖面分析，明确了该区主要发育三大构造层系，即石炭-二叠系、侏罗系和白垩系，其中石炭-二叠系底部与奥陶系呈角度不整合接触，风化剥蚀面全区分布，本溪组、太原组和山西组呈NW薄，SE厚的特征，缺失二叠系石盒子组，其中5号煤层向NW向逐渐抬升剥蚀尖灭；侏罗系永定庄组、大同组和云冈组接受连续沉积，底部与下伏山西组呈微角度不整合接触，顶部与上覆白垩系左云组呈大型角度不整合接触，向NW侏罗系剥蚀规模、范围逐渐增大，导致区内侏罗系上部云冈组残余地层厚度较薄；白垩系左云组为巨厚层棕色砂砾岩-泥岩洪积扇沉积，向北部，北西沉积规模扩大（图1）。

图1 东周窑三维区NW-SE向地层结构剖面

1.2 煤层反射特征

3D区主要发育太原组5号、8号和山西组山4号煤，Zt4波为山西组山4煤层形成的地震波，主要赋存于工区西南，厚度大、稳定性好、能量强、连续性好、频率稳定，可以连续追踪；Zt5波为5号煤层形成的地震波，由于5号煤在工区内属稳定煤层，厚度大，平均厚度可达9.51m，结构相对简单，与上覆厚层砂岩存在较大的波阻抗差异，形成强振幅、强相对、高连续性，频率稳定的反射波，视周期16-20ms，频率50-60Hz，在时间剖面上极易识别和对比追踪，是地震解释的主要标准波；Zt8波为8号（8-1+8-2）号煤层形成的地震波，在工区内属于较稳定煤层，厚度较薄，前者平均厚度为1.67m，后者为1.93m，与5号煤层行，间距稳定，受上部5号煤屏蔽的影响，形成弱-中等振幅，中等连续性，波形变化较大的反射波。

图25号煤层底板构造图 图3 3D区正断层走向玫瑰花图

2 断裂构造特征

由于研究区经历了多期构造运动，既有燕山早期的张性断裂，也有燕山晚期的挤压褶皱和喜山期的走滑张扭断层。在了解区域地质构造背景的基础上，应用地震相干体、水平切片和方差属性等精细识别断层技术，3D区共解释组合出54条断层（图2）。通过对东周窑井田三维地震区内白垩系底、山4、5和8号煤层底面和断层进行解释，剖面上，断层多切割晚古生代-侏罗纪沉积盖层，基底断裂少，西北部，地震同相轴连续性好，断距比较明显，主要以正断层为主，但在东南部，由于受上覆采空区的影响，地震品质差，断层不易识别。

从5号煤层底板构造图可见，3D区北部褶皱构造发育，幅度较大，并且与NW向和NE-NEE向断层相互切割，使本区构造更加复杂，形成复杂的网格状断裂体系，断裂与背斜共同控制该区煤层的分布（图2）。统计认为正断层落差大于15m的46条，约占74%，其次5-10m的断层12条，约占19%，对区内断层要素（走向、断距、长度）的统计分析，其几何学特征具有一定的规律性，断层走向可分为二个优势方向，NW和NEE-NE向（图3），断层倾向NW、NE、SE和SW四个方向均有发育。

3 控煤作用分析

3.1 沉积作用对煤层的控制

本次研究对东周窑井田三维区，主要采用平面残余地层厚度图以及层拉平方法，解析太原组沉积时古地貌形态。研究三维区内太原组厚度范围44-85m，平均厚度约67m，西北和南东地层相对较薄，中部较厚，并通过剖面对比认为厚度差异多是由于沉积相带及沉积速率不同造成，整体表现为西北高南东底的缓坡古构造背景。对山西组底界面拉平，可以发现石炭系沉积期，构造活动弱，地形平缓，其中下部中期基准面旋回三角洲下平原-前缘发育，分流河道砂体规模小，横向连续性差，多呈孤立状，随着基准面上升，形成了横向连续性较好的8号煤层，厚度向北减薄，区内多分叉为8-1，8-2；8号煤层形成后，北部物源区抬升，沉积物供给充足，基准面相对下降，进入下一个中期旋回，发育厚层砂体，砂体连续性较好，向北厚度增大，多冲刷切割下伏地层，随后构造活动再次减弱，沉积物供给减少，基准面再次逐渐上升，形成了广泛的分流间泥岩-粉砂质泥岩沉积，晚期随着基准面上升速率与泥炭堆积速率平衡时，形成了横向连续、稳定的5号后煤层。而后，北部陆源区继续抬升，基准面再次下降，山西组河流相砂体覆盖于5号煤层之上，在局部泛滥平原泥沼区发育横向连续性较差的山4号煤层。因此，该区成煤期整体为北高南低，构造平缓的古沉积地貌，中期基准面上升晚期，分流间扩大化，控制着主采煤层的分布。

3.2 后期构造对煤层的改造作用

前述分析认为，聚煤期地质构造稳定，宽泛的分流间形成连续分布的主采煤层，但从现今地质剖面可见，该区煤层赋存状态起伏不平，与沉积时相比发生变化很大，这主要是受后期印支期、燕山期及喜山期多期构造应力作用，使地层发生伸展作用形成的正断层，挤压作用形成的褶曲构造，导致3D区煤层难于开采。从构造图可见，3D区内褶皱构造发育，多表现为宽缓背斜与深窄向斜相间排列的特征，西北部幅度相对较大。大多数褶皱与NW和NEE-NE二个优势方向断裂交切，错综复杂，形成断背斜、断阶和垒堑构造样式，它们破坏了煤层的连续性，使煤层上下错位，倾角增大，局部煤层加厚或减薄，并伴有断背斜、牵引褶曲、节理构造等地质现象，对煤层的开采影响程度较大。特别是，规模较大的断裂，如F17、F19、F21、F27、F33、F35、F48、F49、F50断层将主力煤层切割成“网格”状，直接影响采煤区划分、巷道和工作面的布置，往往造成掘进率增高，甚至出现无效进尺（找不着煤巷），回采工作面不能平推硬过，需重新开掘切割眼，工作面搬家到断层另一盘进行回采，严重制约煤层的高效开采。

4 结论

（1）东周窑井田发育石炭-二叠系、侏罗系和白垩系三大构造层系，整体表现北高南低的特征，构造层的分布主要受控于印支期和燕山期构造应力作用。

（2）3D区断裂构造复杂，主要表现NW和NEE-NE向断裂，前者形成时间早，多被后期断裂切割，并且断裂与挤压期宽缓褶皱叠加组合，形成断背斜、断向斜、垒堑和断阶构造样式，严重影响着煤层的开采。

参考文献

[1] 李彩峰.大同煤田东周窑井田石炭二叠系煤炭资源评价[J].华北国土资源.2009,4:7-9

[2] 李祝平,李志君,王紫艳.山西省大同煤田左云县同发东周窑井田补充勘探报告[R]. 2010,5:96-97

[3] 袁远，曹代勇，林中月等.大同煤田构造控煤特征研究[J].中国煤炭地质,2011:1674-1803

[4] 辛成华.大同煤田东周窑井田地质构造发育规律分析[J].价值工程.2009:321-322