湖北省云台荒煤田梁山煤系特征及控煤因素分析

李江力， 郭宁宁， 姜志勇， 胡尚军， 江为民

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

云台荒煤田位于鄂西南建始、巴东、长阳一带,属华南赋煤区川鄂湘边赋煤带。前人对云台荒煤田含煤地层龙潭组(P3l)和梁山组(P2l)的潜在煤炭资源进行了预测,认为二者具有“煤质好,分布面积广,埋深浅,潜在资源量大”的特点[1-3],但是对煤田地质特征、含煤地层特征及控煤因素认识尚有不足,本文将着重对梁山煤系进行探讨。

1 研究区地质特征

云台荒煤田位于扬子克拉通北缘,上扬子陆块恩施褶皱区之恩施台褶束(图1)。

图1 研究区大地构造位置图

1.1 地层

研究区地层属华南地层上扬子地层分区,地层发育较为齐全,主要出露寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系和三叠系(图2)。

1.2 构造

研究区褶皱和断裂均较发育。区内褶皱主要为近东西向的五龙山背斜和北东向的云台荒向斜,断裂以北东向的苏家坪断裂、石坪河断裂、皮家狗断裂为主。区内褶皱和断裂走向相交,使区内构造复杂化,发育了一系列的小型褶皱和断裂。

2 含煤岩系特征

2.1 含煤地层

本区含煤地层主要为上二叠统龙潭组和中二叠统梁山组，龙潭组平行不整合于孤峰组之上，整合于下窑组之下;梁山组平行不整合于黄龙组之上，整合于栖霞组之下,区内梁山组下伏地层船山组缺失。

区内梁山组分布面积大,呈北东向展布,明显受五龙山背斜、云台荒向斜两翼控制。云台荒向斜为较为平缓的对称性向斜,地层相对平缓,倾角一般在30°左右。梁山组厚度为5～69 m,受断裂和褶皱构造影响,具有一定的区域性和方向性的变化规律,呈现出“中部厚、两侧薄”的特点。东西两端北东向断裂构造较发育,地层连续性较差,但厚度变化较小,一般为5～10 m;中部地段地层连续,但地层厚度变化大,一般为10～69 m。

图2 云台荒煤田地质简图

图3 云台荒煤田梁山组煤层柱状对比图

梁山组从黄龙组灰色、深灰色厚层状生物屑灰岩的剥蚀面开始沉积,到栖霞组含藻类泥质灰岩终止,为一套上部以灰黑色、灰色炭质页岩、泥岩、粉砂岩夹煤层或者煤线,中—下部以灰白色粉砂岩、灰白色—略呈肉红色石英砂岩组成的含煤岩系。沉积构造主要发育水平层理、微波状层理、斜层理等。

2.2 煤层特征

区内梁山组煤层呈似层状、透镜状及藕节状产出，发育两个煤层。1号煤层为不稳定煤层,仅在铁厂荒一带可见,含煤性差,煤层厚度为0～0.15 m。2号煤层为较稳定煤层,是研究区主要的可采煤层,主要分布在八字岭、蔡家沟、麻砂、张家山、田家坪—凉风台一带和大垭—黑湾一带,含煤性较好,煤层厚度一般都在1 m以上;在峰子岩、桃树坪、四方岭等地煤层厚度变化较大,尤其是峰子岩一带以煤线产出,煤层厚度<0.5 m(图3)。全区煤层的顶板、底板岩性主要以炭质页岩和泥岩为主,煤层结构以简单—较复杂为主。

2.3 煤质特征

梁山组2号煤层的煤质以光亮煤—半亮煤为主,半暗—暗淡煤次之。煤的镜下显微特征表明,以凝胶化—半凝胶化组分为主,丝炭化—半丝炭化及矿物质次之。煤岩类型主要为中等—强矿化微亮煤类,少量为微暗煤类。

煤化分析结果显示,原煤发热量为12.51～30.76 MJ/kg,平均为19.66 MJ/kg;灰分为9.66%～57.14%,平均为38.72%;挥发分为0.68%～28.92%,平均为11.88%;全硫分在2.19%～11.57%之间,平均值为5.73%。按照《中国煤炭行业标准》(GB/T 15224—2010),本区煤类主要为中—高灰分高硫无烟煤。

3 控煤因素分析

3.1 构造序次

研究区在晋宁运动形成的结晶基底基础上,经历了扬子地块盖层发展和多期构造改造的过程。按构造运动特点和相互关系,本区构造演化大致可划分为加里东—海西期、印支期和燕山—喜山期三个阶段。加里东—海西期构造活动以伸展作用为主,形成了克拉通盆地及小规模的板内裂陷盆地,其构成了含煤地层的沉积基底,裂陷盆地是成煤的有利地段。印支期受到南北向挤压应力的作用,区内地层发生大规模的褶皱变形,含煤地层发生明显的厚度变化,在褶皱转折端顶端变厚,翼部变薄,引起煤层的厚薄不一。燕山期构造活动十分强烈,区内以断裂变形为主，褶皱变形为辅,这一时期的断裂构造作用破坏了含煤地层的连续性[4]。

3.2 古沉积基底构造

梁山煤系的古沉积基底为上石炭统黄龙组。综合研究发现,梁山组煤层厚度、结构的差异受到古沉积基底沉降与起伏的影响。区内黄龙组岩性主要为青灰色厚层—块状含生物屑灰岩,见少量燧石结核,底部局部可见厚层状粗晶灰岩,顶部与梁山组接触面为起伏不平的古岩溶剥蚀面。区内黄龙组分布广泛,但由于后期剥蚀作用影响，造成黄龙组厚度变化较大,进而在后期沉积过程中引起梁山组沉积厚度的变化,直接对煤层的形成起到控制作用[5-7]。

煤系、煤层厚度的变化与黄龙组灰岩残存厚度存在着直接关系(图4)。从隆起区到凹陷区,岩溶作用越来越强烈,岩溶谷的规模越来越大,在云台荒煤田麻沙带,岩溶谷长宽可达几百米。基底凹陷区煤系沉积厚度较大,含煤性也好;隆起区煤系沉积厚度较小,含煤性也差[7-11]。

图4 云台荒煤田上石炭统古剥蚀面起伏情况与梁山组的沉积关系图[5]

古沉积基底的起伏与煤层含煤性有显著关系(图5),是煤层局部变化的重要因素。基底起伏造成煤层小范围内含煤性有显著差别,如在富煤带内,由于基底黄龙组灰岩剥蚀程度不一,局部地段基底起伏较大,造成煤层变薄甚至尖灭。

3.3 岩相古地理特征

研究区内梁山组以陆缘含煤碎屑岩沉积为主,其沉积相为潮坪相和泻湖相,主要成煤环境和聚煤区为潮坪相沼泽亚相(图6)。根据梁山组岩性组合特征,把梁山组分为四段。底部以灰白色略带肉红色中—厚层状细粒石英砂岩为主,层间夹少量粉砂岩,石英砂岩具平行层理和波状层理,见少量交错层理,与黄龙组接触界线略微可见冲刷痕迹,石英砂岩中含有少量黄铁矿,沉积环境为砂坪亚相,沉积动力较强,成煤环境极差,基本不含煤。下部为中—厚层状粉砂岩夹少量细砂岩、泥岩,局部可见少量煤层或煤线,粉砂岩、细砂岩主要为平行层理和交错层理,为砂泥坪亚相,成煤环境较好。中部以粉砂质泥岩夹粉砂质页岩、炭质页岩为主,可见泥岩、页岩中夹有少量煤层或煤线,为铝土质砂泥坪亚相。上部以灰黑色炭质页岩、炭质泥岩夹煤层为主,具有平行层理和小型交错层理,含植物和腕足、腹足类化石,为泥炭沼泽亚相,成煤环境极好,为主要的产煤相区[14-15]。

图5 鄂西地区中二叠世梁山煤系沉积期古构造简图[12]

图6 鄂西地区中二叠世梁山期岩相古地理图[13]

4 结论

通过对云台荒煤田地质构造和含煤地层特征的分析,认为含煤地层梁山组受五龙山背斜南翼和云台荒向斜两翼的控制,呈近东西向、北东向展布。在区域构造演化过程中,不同期次构造活动对煤层的形成起到不同的控制作用。古基底沉积构造的剥蚀、沉降与起伏引起梁山组在区内呈现出厚度差异性,直接影响煤层厚度和结构的变化。岩相古地理特征显示，潮坪—泥炭沼泽亚相为煤的形成提供了最佳环境。