永夏煤田可采煤层发育特征与沉积控制

许亚坤，王 昆

(河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 451464)

永夏煤田是豫东地区唯一的可开采隐伏式煤矿山，位于河南省商丘市东部，涵盖夏邑县和永城市。永夏煤田煤层属华北石炭-二叠系聚煤期的产物，可采煤层的煤炭资源储量约60亿t，丰富的煤炭资源保障了中南地区、华东地区的煤炭供给。本文从永夏煤田可采煤层的空间发育特征入手，探讨了沉积环境对煤层结构和煤层厚度的影响，为煤田进一步勘查利用、井田边界划分及资源统筹规划提供了地质依据。

1 区域构造控制与煤田分布

永夏煤田位于华北板块嵩箕构造区东部，区域上从北向南三级构造单元依次为开封坳陷、通许隆起-永城断褶带、周口坳陷，其中通许隆起又分太康凸起、商丘断块、颜集凹陷三个构造单元，整体呈现隆凹相间的构造格局。南北凹陷区新生界厚度均超过2 000 m，覆盖层下保存了较为完整的石炭-二叠系煤层，中部商丘断块由于后期隆升剥蚀为寒武-奥陶系基岩。浅埋赋煤区主要位于太康凸起和永城断褶带，而本文的研究区永夏煤田位于东部的永城断褶带上(图1)。

(注：Ⅰ-开封坳陷；Ⅱ-通许隆起；Ⅱ1-太康凸起；Ⅱ2-商丘断块；Ⅱ3-颜集凹陷；Ⅲ-永城断褶带；Ⅳ-周口坳陷；F2-焦作-商丘大断裂；F5-漯河-沈丘断裂；F6-漯河-项城断层；F11-周口-鹿邑断裂；F12-聊兰断层；F13-睢县断层；F14-睢县-商丘南断层；F15-于贤集-桑固断层；F16-济阳断层；F17-演集断层；F18-刘河断层；F19-太平集断层；S1-永城背斜。)图1 赋煤区大地构造位置示意图Fig.1 Sketch map of coal-bearingy area’s geotectonic location

永夏煤田构造以断裂为主，走向以NE-NNE向最为发育，近EW向和NW向次之，为一系列近平行的高角度正断层，如于贤集-桑崮断层(F15)、济阳断层(F16)、演集断层(F17)、刘河断层(F18)等。永夏煤田较大的背斜为永城背斜，背斜两翼分布有大小不等的宽缓背向斜或呈单斜构造，核部有岩浆岩侵入。煤层常围绕次级背斜核部呈穹状或环带状分布，但整体展布方向以NW向为主，部分为近EW向。永夏煤田受燕山中晚期岩浆活动影响[1]，相关岩体主要分布于永城隐伏背斜轴部、F19断层东北部。学者研究认为，永夏煤田岩浆活动受控于扬子板块与华北板块在南北方向的俯冲、碰撞、缩短和折返[2]。频繁的岩浆活动，使煤层变形，不同程度上影响了煤层的结构和厚度。

2 含煤地层和煤层

永夏煤田地层分区属鲁西地层分区之徐州小区，缺失上奥陶统至下石炭统。区内仅在永城市北部的芒砀山区和南部的柏山一带出露有少量的古生界寒武-奥陶系地层，其他地区全部被新生界覆盖。新生界地层厚度为150～1 500 m，总体呈现东薄西厚的趋势，与下伏基岩呈不整合接触。

区内地层年代自下而上依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系，其中，二叠系山西组为主要含煤地层，而位于山西组中下部的二2煤层，全区大部分发育，层位稳定。

2.1 含煤地层

永夏煤田含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系中统上石盒子组，各含煤地层与下伏地层整合接触，仅F19断层东北部及永城背斜轴部缺失含煤地层，其余地区发育稳定。

太原组即一煤段：厚度在91.38～168.49 m之间，平均厚度为132.95 m；全组由较稳定的薄-中厚层状灰岩、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩组成，常见黄铁矿结核，局部见菱铁矿鲕粒；本组岩性组合为一套碳酸盐岩与碎屑岩沉积的海陆交互相，受海侵影响，发育浅海潮坪相；含薄煤3～5层，煤层常以灰岩为顶板，均不可采。

山西组即二煤段：厚度在67.67～136.95 m之间，平均厚度为121.38 m，主要由灰-深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及煤层组成；本组整体呈现海退序列，上部为三角洲前缘和前三角洲沉积，中部为泥炭沼泽沉积，下部为潮坪沉积；含煤1～3层，煤层总厚度为3.77 m，含煤系数3.11%，可采层含煤系数2.20%。

下石盒子组即三煤段：厚度在45.64～124.96 m之间，平均厚度为112.24 m；岩性组合以深灰-灰黑色泥岩、砂质泥岩、浅灰色砂岩及不稳定的薄煤层为主，富含植物化石及其碎片，水平层理、斜层理发育；本组总体为湖泊-三角洲沉积环境，含煤1～7层，煤层总厚度为5.92 m，含煤系数5.27%，可采层含煤系数4.00%。

上石盒子组，含煤4～7层，厚度在368.55～993.31 m之间，由浅灰-深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、灰绿色或紫红色泥岩和中-细砂岩组成，局部夹浅灰白色中粒砂岩、薄煤线或炭质泥岩；本组发育湖泊-三角洲沉积体系，由于古气候向干旱转化，植物生长不茂盛，含煤性差，因此煤层不发育。

永夏煤田含煤地层累计平均厚度为1 082.26 m，含煤30余层，煤层累计平均厚度约为16 m，含煤系数1.48%。

2.2 可采煤层

上述含煤地层中可采煤层主要为山西组的二2煤层和下石盒子组的三2煤层和三4煤层。煤层结构总体简单，煤层厚度稳定-极不稳定，局部煤层遭受岩浆活动破坏(表1)。

表1 永夏煤田山西组和下石盒子组煤层特征Table 1 Coal seams’ characteristics of Shanxi formation and lower Shihezi formation in Yongxia coalfield

二2煤层赋存于山西组中下部，埋深为230～2 850 m，自东向西埋深逐渐增大，西南部煤层埋藏最深；厚度为0～8.86 m，平均厚度为2.67 m，平均可采厚度为2.95 m。二2煤层为永夏煤田的主力开采煤层，层位稳定，煤层大多为单一结构，双层结构多见于永城背斜两翼中南部边缘。由于燕山中晚期岩浆岩侵入煤层中部，导致煤层分叉、变质，烘烤形成天然焦，靠近岩浆岩的煤层变质程度高，向外逐渐减弱。顶板岩性多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，向上碎屑颗粒逐渐变粗，厚度较大，为稳定的顶板，个别有入侵的岩浆岩；底板岩性多为厚度较大且稳定的厚层条带状细砂岩，部分地段为薄层泥岩或砂质泥岩，还有一部分地段被侵入煤层底板的辉绿岩或闪长玢岩代替。

三2煤层赋存于三煤组中下部，埋深为230～2 750 m，厚度为0～4.24 m，平均厚度为1.46 m，平均可采厚度为1.60 m，属较稳定的局部可采煤层。该煤层多为单层结构和双层结构，少数为多层结构，其中双层结构含1～2层泥岩、炭质泥岩夹矸，且上厚下薄。煤层底板多为泥岩和砂质泥岩，顶板大部分为泥岩，局部为砂质泥岩。

三4煤层赋存于三煤组中上部，埋深为220～2 730 m，厚度为0.16～3.55 m，平均厚度为1.08 m，平均可采厚度为1.19 m，属较稳定的局部可采煤层，以单层结构为主，双层结构多下厚上薄，少数多层结构。煤层底板和顶板多为泥岩、砂质泥岩，个别为粉砂岩或细砂岩。三2煤层和三4煤层受岩浆岩影响较大，局部煤层被烘烤变质且岩浆岩侵入时直接成为煤层的顶底板。

3 沉积体系及其对可采煤层发育的影响

永夏煤田属华北晚古生代聚煤盆地的一部分，大地构造条件属基本稳定型，盆地基底持续缓慢沉降的同时也在接受河流搬运来的碎屑物质的充填补偿，因此永夏煤田是一个补偿型盆地。

3.1 含煤地层沉积体系

据前人对永夏煤田地层层序和沉积环境的系统研究成果[3-10]，区内石炭-二叠系主要发育陆表海碳酸盐台地体系(包括局限台地相和开阔台地相)、潮坪-障壁-潟湖体系、河流-湖泊-三角洲体系。其中，上石炭统本溪组和上石炭统太原组受海侵影响，发育台地体系和潮坪-障壁-潟湖体系；下二叠统山西组下部发育潮坪-潟湖体系，并沼泽化形成二2煤层，上部发育滨岸三角洲体系；下二叠统下石盒子组和上二叠统上石盒子组发育湖泊-三角洲沉积体系，在下石盒子组形成三煤组；上二叠统石千峰组以河流-湖泊沉积为主。

3.2 沉积环境对煤层发育的影响

3.2.1 二煤组可采煤层

太原组顶部发育潟湖相黑色泥岩，山西组下段二2煤层以下岩性主要为泥岩-砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩，分别属于泥坪沉积、混合坪沉积和砂坪沉积，有时见中粗粒砂岩的潮道沉积。混合坪沉积特征明显，常见粉砂岩和泥岩互层，分层较薄，仅几毫米；中粗粒砂岩中常发育大型的板状层理和楔状交错层理；细碎屑岩中常见潮汐成因的各种层理，如羽状交错层理及脉状、波状、透镜状层理等，且后三者往往同时存在且数量较多；双黏土构造的广泛发育是潮坪沉积环境的有力证据。二2煤层呈现自下而上粒度逐渐变粗的粒序垂直结构，细碎屑岩较发育，泥质岩、粉砂岩占70%；中粗粒砂岩具有大型板状、槽状、楔状及平行层理，对下伏岩层有冲刷作用，属于河流作用的产物；砂体平面分布成树枝状，走向断面呈透镜体状，可判断为三角洲砂体的平剖面特征。

综上，二煤组成煤的沉积背景为潮坪-潟湖体系(图2)，包括潟湖体系、潮坪体系、海湾体系等。山西组早期，随着阴山古陆上升，海水进一步(由西北向东南)退缩，逐渐演化成广阔的滨海平原，当时地势平坦，气候温湿，植物繁盛，泥坪较长时间暴露在水上，发生沼泽化形成泥炭沼泽[11-12]。二1煤层沉积时，永夏煤田泥炭沼泽持续短暂，二1煤层不太发育；二2煤层沉积时，永夏煤田为开阔、平坦且较稳定的潮坪环境，沼泽基底沉降速度和泥炭的堆积速度平衡，且长期持续发育，加之有利的古气候条件，形成了分布面积广、厚度大且稳定的二2煤层；二2煤层聚煤作用末期，基底沉降速度加快，陆源碎屑供给减少，海平面上升速率较快，可容纳空间增大速率大于沉积基底沉降速率，水体深度增大[13]，发生短暂的海侵，泥炭沼泽沉积中断，成煤作用结束，发育了前三角洲环境的泥质沉积物，进而形成了煤层的盖层。随后，由于北部阴山古陆继续隆起，永夏煤田基底沉降速度变缓，陆源碎屑物质供给充分，造成海平面相对下降，可容纳空间增大速率小于沉积基底沉降速率，水体深度变浅[13]，海岸线继续向东南方后移，发生小规模海退，二2煤层以上出现三角洲沉积，河流作用不断增强，由于水体较浅，三角洲分流河道水流对下伏泥炭盖层及泥炭层形成冲刷作用，造成煤层局部变薄或缺失。 如永夏煤田中部城郊地区向西南一线煤层厚多小于1 m，形成一条长6 000 m、宽600 m的冲刷带。

图2 永夏煤田主要含煤组钻井柱状图Fig.2 Bore histogram of the major coal-bearing formations in Yongxia coalfield

永夏煤田二2煤层厚度为0.10～8.86 m，平均厚度为2.67 m，以中厚煤层为主，整体变化不大，依据煤层顶底板岩性分析，影响煤层厚度变化的因素主要是沼泽基底形态、沉降速率和岩浆岩的侵入。沼泽基底形态起伏不平、沼泽沉降速度快，植物来源不充分，因此形成的煤层厚度较薄；当沼泽基底形态起伏不大、植物来源充分，补偿与下降速度大致均衡时，形成的煤层结构单一且较厚。研究发现，当沼泽基底砂体厚度为10～20 m时，煤层厚度为2～4 m；砂体厚度小于10 m或大于20 m时，煤层厚度都相对较薄；底砂体的厚度控制着煤层的变化幅度。二2煤层形成后，三角洲沉积发育，由于海退规模较小且时间相对短暂，先期形成的前三角洲和三角洲前缘沉积较薄，分流河道砂质沉积常直接与湾底沉积相接触，使局部地段二2煤层被冲刷殆尽或厚度变薄、分叉。如永夏煤田东北部地区砂体厚度大于30 m，二2煤层之上直接与砂体接触或发育厚度小于0.5 m的泥岩、砂质泥岩顶板，煤层多不可采。

此外，燕山中晚期形成的岩浆岩常沿松软岩层或煤层侵入，侵入方式有侵入煤层顶底板、在煤层中间穿插侵入、在煤层夹矸上下侵入及整体侵入煤层4种[1]，使煤层分叉、变薄或被吞蚀，造成煤的焦化现象，煤层厚度和结构也随之改变。

3.2.2 三煤组可采煤层

三煤组煤层的沉积环境为湖泊-三角洲体系，包括滨浅湖、三角洲平原等。永夏煤田三煤组较发育，煤层层数多，有局部可采煤层。煤层的形成方式有两种，一种是在三角洲建设阶段，分流间湾(位于三角洲平原上分流河道之间)中，当沉积物的补偿速率与沉积基底沉降速率大致平衡时，有利于形成植物生长繁茂的沼泽环境，进而形成泥炭沼泽；但由于基底振荡运动，加之分流河道频繁改道，泥炭沼泽不易长期保持，形成的煤层多不可采，横向发育不连续且厚度差异大。另一种是在三角洲废弃阶段，压实作用导致废弃的三角洲朵叶上地形低洼，适宜植物大量生长，形成泥炭沼泽并持续较长时间，但部分地段覆水较浅，植物遗体容易被氧化，不利于形成较厚的泥炭，甚至造成泥炭大面积缺失。永夏煤田局部可采煤层三2煤层、三4煤层便是在废弃的三角洲朵叶上形成的[11]。

沉积环境基本控制了煤层的形成和发展，主要体现在对煤层厚度和结构的影响上。三2煤层砂岩类底板多为分流河道沉积物，泥岩类底板主要为分流间湾沉积物，由于泥岩的压实率较大，而砂岩不易压实，在相同的水平面上，分流河道之上覆水较浅，有利于植物生长和泥炭形成，因此煤层厚度较大。原分流间湾沉积地层之上，水体较深，不适应植物生长，随着碎屑物的增加，水体变浅，出现沼泽化，因此分流间湾之上的沼泽化晚于分流河道，如果基底的沉降速度增加，分流间湾沉积之上的泥炭沼泽化会首先中断泥炭沉积，即分流间湾之上的沼泽化开始晚、结束早，泥炭堆积持续时间短，因此原分流河道位置上形成的三2煤层厚度大，而在原分流间湾环境之上形成的三2煤层厚度小，但由于后期顶板砂岩对煤层的冲刷作用及燕山中晚期岩浆岩对煤层的破坏，使得煤层厚度与原始的沉积厚度不相符。如图3所示，砂体周边煤层平均厚度为1.5～2.0 m，分流河道自北向南，北部底砂体厚度为10～15 m的厚砂带上，煤层厚度为2.0～2.5 m，个别地区砂体厚度大于15 m其上煤厚大于2.5 m，底砂体厚度与煤层厚度呈正相关，厚煤带和厚砂带大体一致但不完全重合，一方面由于砂体厚度控制了沼泽覆水的深浅，砂体之上覆水适中形成的煤层较厚，砂体边缘覆水缓慢变深，形成的煤层相对较薄；另一方面分流河道南端之上402～403一线的三2煤层由于后期顶板砂岩的冲刷作用厚度变薄(其中407孔三2煤层仅存0.3 m)，厚砂带与厚煤带不相吻合。总体看来，永夏煤田北部三2煤层厚度小，平均小于1 m，中南部厚度普遍大于1 m。

(注：1-厚度>15 m砂体；2-厚度10～15 m砂体；3-煤厚<1.0 m；4-煤厚1.0～1.5 m；5-煤厚1.5～2.0 m；6-煤厚2.0～2.5 m；7-煤厚>2.5 m；8-粗粒砂岩；9-细粒砂岩；10-砂质泥岩；11-泥岩；12-煤层；13-见煤钻孔。)图3 永夏煤田中东部三2煤厚与底砂体关系示意图Fig.3 Sketch map of the relationship between thethickness of 三2 coal seam and the bottom andbody in the middle east of Yongxia coalfield

三4煤层的厚度分布特点是北部、南部较薄，中部较厚。三4煤层聚煤期之前，区内的三角洲沉积控制了沼泽的微地形，厚砂体不易被压实，形成的地势较高，泥质沉积物压实率较大，形成的地势较低，三角洲由北向南推进，形成的总地势特点是北高南低。 南部沼泽覆水最深，适于成煤植物生长的时间有限，不是聚煤的最佳场所。中部为废弃三角洲主体，覆水程度适中，聚煤条件最佳，即泥炭沼泽化开始早、结束晚。北部接近上三角洲平原，易于暴露，成煤条件不如中部，因此形成的三4煤层中部厚、南北薄。

三2煤层和三4煤层结构较复杂，有单层结构、双层结构、多层结构，分布情况分地区而异，大体而言煤层结构间接受到不同程度的下伏砂体影响(此处不讨论受岩浆岩破坏的煤层结构)。一般认为，在分流间湾之上形成的三2煤层具有夹矸，由于基底多为泥质，压实作用较强，沉降幅度较大，成煤沼泽一度中断，形成了夹矸，此现象在永夏煤田中部城郊地区较为明显，以单层结构为主，双层结构呈条带状分布。而三2煤层～三4煤层分流河道或其两侧之上形成的三4煤层一般具双层结构或多层结构，在分流间湾上形成的三4煤层呈单层结构，从分流间湾中心向河道，煤层有分叉趋势。夹矸层数多的地方，灰分越高，距海越近，硫分越高，大体为从北向南、从西北向东南灰分减少，硫分增加，与海退方向基本一致。

4 结 论

1) 永夏煤田可采煤层为山西组的二2煤层，下石盒子组的三2煤层和三4煤层，其中二2煤层为研究区主力煤层，层位稳定，发育良好，研究区内大部分可采。煤层结构简单，多为单一结构，局部受河流冲刷作用或岩浆岩侵入影响偶见夹矸或分层。二2煤层平均厚度为2.67 m，永夏煤田内煤层厚度变化不大。三2煤层和三4煤层属较稳定的局部可采煤层，平均厚度为1.08～1.46 m，可见单层结构、双层结构或多层结构，煤层稳定性相对较差。

2) 可采煤层形成于两大沉积体系，即二2煤层以下的潮坪-潟湖沉积体系和二2煤层以上的三角洲沉积体系。煤层厚度与结构在成因上受沼泽基底形态和持续发育时间、发育过程中受碎屑物的供给、河流冲刷作用等影响，二2煤层沉积时，泥炭沼泽长期持续发育，基底较平坦，加之有利的古气候条件，形成的二2煤层分布面积广、厚度大且稳定，且当沼泽基底砂体厚度为10～20 m时，形成的煤层厚度较大。相比而言，三煤组受较动荡的三角洲沉积环境影响结构较为复杂，厚度较薄，平面上连续性相对较差(三2煤层北部厚度小，中南部厚度较大，且分流间湾上形成的三2煤层多有夹矸；而三4煤层则中部较厚，北部、南部较薄，分流河道及其两侧形成三4煤层多有夹矸)。此外，永夏煤田背斜两翼岩浆岩的侵入、吞蚀使煤层分叉、变薄、被焦化等，也是影响永夏煤田煤层发育的重要因素。