湖南省“三下”找煤模式研究及靶区优选

朱文卿

(1.湖南省煤炭地质勘查院，长沙 410014；2.湖南省地质新能源勘探开发技术研究中心，长沙 410014)

湖南是一个缺煤少气能源匮乏的内陆省份，赋煤地质条件复杂，煤炭占一次性能源消费的70%，随着国民经济的发展，地层出露及浅埋深的煤系地层已基本勘查完毕，亟需向煤系地层隐伏区开辟新的找矿空间，然而湖南省经历了多期构造运动，形成了复杂的构造形迹，严重破坏了原有的煤层沉积盆地，给隐伏煤炭资源的勘探带了很多困难。众多地质工作者通过对含煤地层、构造、聚煤规律的研究，在滑脱构造下、老地层下、白垩系红层下发现了丰富的煤炭资源，积累了较丰富的找煤经验，本文结合工程实例开展湖南主要煤田区域构造、滑脱构造及红层沉积特征研究，进而建立“三下”找煤典型矿床模式，并提出新的勘查靶区，对湖南隐伏区找煤具有一定指导意义。

1 地质背景

湖南地跨扬子地台与华南褶皱系两大构造单元，自古生代以来，经历了陆壳的增生，裂塌解体，差异沉积，各构造单元相互移离和剪切拼合等一系列演化过程，煤田地质构造复杂。湖南地层发育较齐全，从中元古界至新生界均有分布，主要有五个成煤时期，形成五套含煤岩系，即石炭系下统测水煤系、二叠系下统梁山煤系、二叠系中统龙潭煤系、三叠系上统和下侏罗统含煤地层，各时代煤系均有可采价值的煤层赋存，以测水组、龙潭组含煤面积大、煤层发育较好，煤炭资源量占全省80%[1]。

1.1 滑脱构造演化与基本特征

湖南加里东期运动以水平运动为主，形成了一系列构造线主体呈东西向和北东向的封闭性的褶皱与断裂，加里东运动之后，湖南进入了一个相对稳定的构造环境，该时期全区海水浸没，接受了海相碳酸盐岩类、碎屑岩类及海陆交互相含煤地层沉积，由于地壳活动较平稳，在古植物、古气候、古地理条件适合的情况下，形成了下石炭统及上二叠统等重要煤系[1]。

印支期，古亚洲大陆东缘裂解，拉伸周边区块，使得湖南再度转入强烈活动阶段，该时期主要表现为一系列的北北东—北东向的裂谷盆地和断陷盆地沿早期断裂形成，并随之形成一系列滑覆构造和重力滑动构造，形成褶皱和逆冲断层[2]，从而奠定了本区的基本构造格局，印支运动结束，晚三叠世，湘南进入晚三叠世—早侏罗世成煤期。

燕山期，为湖南省构造运动最为强烈的时期，形成了湖南省复杂的构造行迹，该时期湖南地区主要遭受北西-南东向挤压应力，并随之形成一些列北北东向断裂及北西西、北北西向共轭剪切构造。与此同时，拉伸作用多次交替，从而形成了湖南省的主要的滑脱构造[2]。

喜马拉雅运动中，在以伸展裂陷为主的构造背景下，发生短暂的逆冲推覆作用，致使重力滑动构造进一步发展并最终定型(图1)。

1-侏罗系；2-三叠系下统大冶组；3-二叠系中统大隆组；4-二叠系中统龙潭组上段；5-二叠系中统龙潭组下段；6-二叠系下统；7-石炭系上统壶天群；8-石炭系下统；9-泥盆系图1 永耒推覆断裂形成模式Figure 1 Yonglei nappe structure formation mode

多期构造运动的叠加，使得推覆构造在涟邵煤田、郴耒煤田及韶山煤田广泛发育。涟邵煤田主要发育有金盘仑、集云、寒婆坳等大型推覆断裂，郴耒煤田主要有永耒、白沙等推覆大型断裂，韶山煤田主要有跃龙-张坊、神冲-张坊等推覆断裂。推覆体由滑面、上覆系统、下伏系统构成，主滑脱面一般沿软质岩层发育，含煤岩系中煤炭、泥岩、砂质泥岩发育，抗压、抗剪能力差，滑脱面多形成于此，走向长数十千米到200km不等，滑面一般呈上陡下缓的铲状发育，并且具有一定幅度的波状起伏，断面形态复杂。上覆系统地层组成复杂，各区不一，渣渡矿区金盘伦推覆构造上覆系统主要为断层上覆系统的地层主要由测水组3煤或5煤组以上地层组成，永耒推覆大断裂上覆系统主要为龙潭组5煤组以上地层，而韶山煤田推覆断裂上覆系统主要为元古界、古生界。下伏系统因受应力较小，变形小，构造相对简单，如渣渡矿区、永耒矿区推覆构顺层推移，下伏系统煤层保存较好，煤层稳定程度好于上覆系统，是找煤的理想区[3-7]。

1.2 红层分布特征及其与赋煤地层的关系

三叠纪至白垩纪，红层在湖南大量沉积，湘中、湘南主要以郴耒煤田、韶山煤田为主，湘北以桑石煤田西段为主体，湘西发育在黔溆煤田西北段，呈北东向延伸，受北东向-北北东向弧形构造控制。郴州永红矿区、湘潭杨家山矿区红层覆盖于含煤岩系之上，呈不整合接触，受红层覆盖，煤系受构造及侵蚀影响小，下部煤层保存完好。湖南白垩系均分布广泛，特别是湘东南区红层发育于郴耒煤田聚煤中心周边，其下部地层大面积被掩盖，最有可能发现隐伏的大型煤矿区(图2)。

图2 湖南省含煤岩系与白垩系、大型推覆构造位置关系Figure 2 Positional relationship between coal-bearing rock series and Cretaceous System,large sized nappe structures in Hunan Province

2 “三下”找煤典型实例

随着推覆构造理论的研究的深入，湖南在构造下、老地层下等以往找煤禁区取得了较好的找煤成果，同时在地表大面积白垩系红层覆盖层下也找到了丰富的煤炭资源，积累了“三下”找煤实践经验。

2.1 推覆构造下找煤实例

郴耒煤田湘永矿区邓家冲区段含煤地层为二叠系龙潭组上段，构造处于永耒向斜西翼，F1区域逆冲断层是区内的主干断层，是永耒向斜西翼大断裂的一段，以往勘查认为该断层为一浅缓深陡的断层，勘查区中深部F1断层下盘煤层与煤系被断失，区内无进一步工作价值(图3a)，据调查分析，结合推覆构造理论解释发现F1断层应为一浅部陡深部缓的犁式推覆断层，其下盘在中深部仍保存有可采煤层，通过钻孔验证，F1断层走向及倾向与地层基本一致，倾角11°～58°，一般为40°，主要发育于区内龙潭组上段中上部，通过部位一般为2～6煤顶板疏松砂岩，表现为缺失3～5煤层位。推覆体上盘1、2煤层保存较好，下盘构造相对简单，主采煤层6煤层保存较好，形成了典型的“二层楼”式控煤样式(图3b)，全区共施工钻孔28个14 825.71m，所有钻孔在F1断层下盘找到了可采煤层，探获的煤炭资源量6 509万t，为推覆构造下找煤重大突破。

a b1-三叠系下统大冶组；2-二叠系中统大隆组；3-二叠系中统龙潭组上段；4-二叠系中统龙潭组下段；5-断层；6-煤层；7-钻孔图3 邓家冲区段44线剖面两种解释对比图Figure 3 Comparison between two interpretations for line No.44 in Dengjiachong sector

2.2 老地层下找煤实例

郴耒煤田永耒矿区柏林区段含煤地层为二叠系龙潭组上段，构造上位于永耒复式向斜东北转折端外围，地层走向北西—南东，倾向南西，倾角40°～60°，往深部变缓，总体倾角小于45°，以往认为该区含煤地层呈一被高角度断层挟持的单斜构造(图4a)，断层对煤层破坏极大，老地层石炭系上统壶天群推覆在龙潭煤系主采煤层之上，仅少量煤系地层出露，经验证，该区主干构造实为一条上陡(倾角60°)下缓(倾角20°～30°)的推覆断裂(图4b)，经钻探工程验证该断层为一，深部煤层保存较好，钻孔揭露，龙潭组赋存可采煤层共2层，共获得煤炭资源量790万t。

a b1-二叠系中统龙潭组上段；2-二叠系中统龙潭组下段；3-石炭系上统壶天群；4-断层；5-煤层；6-钻孔图4 柏林区段矿区2线剖面图Figure 4 Bailin sector line No.2 section

2.3 红层下找煤实例

韶山煤田杨家桥矿区王家山区段含煤地层为二叠系龙潭组，勘查区总体为一不对称向斜，未发现较大断层。向斜北翼地层甚陡，倾角45°～80°，局部直立以至倒转；南翼地层较平缓，倾角10°～45°，轴部最深处大于900m，杨家桥向斜在东部勘查边界收敛。向斜北冀17线以西出露大冶组、长兴组、龙潭组、茅口组，向斜北冀21线以东及南翼均为白垩系红层覆盖，以往认为该区域无找煤可能(图5a)，后经地震勘探与钻孔验证，发现矿区东部的白垩系红层下存在含煤地层(图5b)，后投入钻孔，揭露白垩系全层最大厚度达586.00m，2层可采，共获煤炭资源量3 527.4万t。

a b1-白垩系；2-三叠系上统安源组；3-三叠系下统大冶组；4-二叠系中统长兴组；5-二叠系中统龙潭组上段；6-二叠系下统茅口组；7-煤层；8-不整合界线；9-钻孔图5 杨家桥矿区王家山20线剖面图Figure 5 Wangjiashan line No.20 section in Yangjiaqiao mine area

3 “三下”找煤样式研究

3.1 构造下、老地层下控煤样式

构造下、老地层下找煤主要是运用推覆构造理论在隐伏区寻找新的煤炭资源，滑脱构造实指岩层受断裂作用所形成的大规模平缓断裂的构造组合，可分为盖层向上推覆及向下滑覆两种类型[2-5]。湖南的各煤田普遍发育这种构造，同时又由于各煤田在不同的构造格局及应变环境中，经受不同动力作用及演化历史，因而形成了彼此各异、多样的滑脱构造类型，断层一般对煤层的保存作用一般是负面的，但在一定模式下却利于煤层的赋存，湖南主要滑脱构造控煤样式如下[4-10]。

(1)逆冲顺层型

沿煤系顺层发育，浅部陡、深部缓，次生断层向深部收敛于主画面，下伏系统保存较好，呈“二层楼式”，有利于勘探开发(图6)。

1-三叠系下统大冶组；2-二叠系中统大隆组；3-二叠系中统龙潭组上段；4-二叠系中统龙潭组下段；5-二叠系下统当冲组；6-煤层；7-钻孔；8-断层图6 梅田矿区识字岭区段10线剖面图Figure 6 Shiziling sector line No.10 section in Meitian mine area

(2)逆冲前锋型

滑面斜切下伏煤系，相交前锋煤层受滑面牵引产状变形强烈，呈直立、倒转，煤层产生塑性流变，变化较大(图7)。

1-石炭系上统壶天群；2-石炭系下统梓门桥组；3-石炭系下统测水组；4-石炭系下统石凳子组；5-断层；6-煤层；7-钻孔图7 渣渡矿区板桥区段12线剖面图Figure 7 Banqiao sector line No.12 section in Zhadu mine area

(3)双重逆冲型

由顶板逆冲断层与底板逆冲断层及夹于其中的一套叠瓦式逆冲断层和断夹块组合而成。煤层赋存在逆断层之下(图8)。

1-二叠系下统；2-石炭系上统；3-石炭系下统；4-泥盆系上统；5-泥盆系中统；6-断层图8 涟邵煤田双冲夹块构造Figure 8 Duplexes clamp-block structure in Lianshao coalfield

(4)对冲断夹块型

两相向逆冲断层的共用下盘，即逆冲断层三角带，受对冲断层控制，煤系变形一般较强烈(图9)。

1-白垩系；2-三叠系下统大冶组；3-二叠系中统长兴组；4-二叠 系中统龙潭组上段；5-二叠系中统龙潭组下段；6-石炭系上统壶天群；7-煤层；8-钻孔；9-断层图9 马鞍山矿区对冲构造Figure 9 Ramp structure in Maanshan mine area

(5)逆冲褶皱型

由于边界逆冲断层的挤压和逆冲牵引，煤系发生褶皱变形，褶皱轴向与边界逆冲断层平行(图10)。

1-三叠系下统大冶组；2-二叠系中统大隆组；3-二叠系中统龙潭组上段；4-二叠系中统龙潭组下段；5-煤层；6-钻孔；7-断层图10 石里山矿区21线剖面图Figure 10 Line No.21 section in Shilishan mine area

(6)飞来峰构造

推覆体的老地层受剥蚀，周围露出原地系统的新地层，原地系统构造较为简单，有利于煤系的赋存(图11)。

1-二叠系中统长兴组；2-二叠系中统龙潭组；3-二叠系下统茅口组；4-石炭系上统壶天群；5-石炭系下统梓门桥组；6-石炭系下统石凳子组；7-断层；8-煤层；9-钻孔图11 白兔潭矿区2线剖面图Figure 11 Line No.2 section in Baitutan mine area

通过对湖南省构造下、老地层下找煤实例的详细分析，研究滑脱构造对煤层形态、煤层厚度的影响等因素，确定了“构造下、老地层下”找煤的先决条件如下。

1)构造形态应为顺层发育，倾角上陡下缓，断层仅对浅部煤层切割，有利于下伏煤层的保存。

2)构造发育地区，周缘有钻孔或者是生产井，有利于判断断层形态，发育层位，为构造下找煤的有利条件。

3)上覆系统为老地层，推覆体构造规模较大，将下部老地层远距离推覆于煤系之上，有时形成飞来峰构造，推覆构造的原地系统内应有含煤地层存在。

4)断层形态一般为顺层发育，倾角上陡下缓的犁形(犁铲式)构造，断层倾角一般为20°～60°。断层深部由于倾角变缓，与地层倾角相一致，对原地系统的含煤地层破坏较小。

5)构造发育有明显的层位性，发育于煤系中上部，且断层与可采煤层有一定距离，有利于构造下盘煤层相对完整的保存。

6)找煤区构造复杂程度为简单、中等，若构造复杂，则区内构造发育，煤系地层等被构造破坏殆尽，不利于找煤。

3.2 红层下找煤模式

通过对红层下找煤勘查资料的分析研究，影响红层下找煤的主要因素为盖层厚度、不整合面的倾角、倾向以及隐伏的含煤岩系特征，总结出红层找煤样式如下。

(1)浅覆盖平缓型

不整合面倾角小缓、红层厚度小，使下伏煤岩系免于侵蚀，含煤向斜保存完成，是红层下找煤最有利样式。如韶山煤田杨家山矿区王家山井田17线，下伏赋煤构造保存完好(图12)。

1-白垩系；2-三叠系下统大冶组；3-二叠系中统长兴组；4-二叠系中统龙潭组上段；5-二叠系下统茅口组；6-煤层；7-不整合界线；8-钻孔；9-断层图12 王家山详查17线剖面示意图Figure 12 Schematic diagram of line No.17 in Wangjiashan general exploration area

(2)同倾向低倾斜型

盖层较厚，不整合面倾角小于含煤岩系倾角，对浅部煤层有一定影响，深部是找煤有利区。如街洞矿区茶山岭区段，煤系位于滑脱构造上覆系统，同时又被红层完成掩盖，受两者双重控制，但煤系保存较好(图13)。

1-白垩系；2-侏罗系下统；3-二叠系中统龙潭组上段；4-二叠系中统龙潭组下段；5-断层；6-煤层；7-不整合界线；8-钻孔图13 街洞矿区茶山岭区段40线剖面图Figure 13 Chashanling sector line No.40 section in Jiedong mine area

(3)同倾向高倾斜型

盖层较厚，不整合面倾角大于含煤岩系倾角，下伏煤系地层被红层侵蚀，仅浅部残存。如韶山煤田石门口矿区，深部煤系被剥蚀(图14)。

1-白垩系；2-三叠系上统张公岭组；3-三叠系上统石门口组；4-石炭系上统壶天群；5-二叠系中统龙潭组；6-断层；7-煤层；8-不整合界线；9-钻孔图14 石门口矿区3线剖面图Figure 14 Line No.3 section in Shimenkou mine area

(4)反倾斜型

红层厚、不整合面与含煤岩系倾斜相反，浅部被红层覆盖，深部煤层保存较好，找煤难度较大。如韶山煤田杨家桥矿区王家山井田20线(图15)。

1-白垩系；2-三叠系上统安源组；3-三叠系下统大冶组；4-二叠系中统大隆组；5-二叠系中统龙潭组；6-二叠系下统茅口组；7-煤层；8-不整合界线；9-钻孔图15 杨家桥矿区王家山20线剖面图Figure 15 Wangjiashan line No.20 section in Yangjiaqiao mine area

通过对湖南省红层下找煤实例的详细分析，研究红层周缘煤层发育规律、红层分布形态、红层分布的深度等因素，确定了红层找煤的先决条件。

1)红层形成后，未受到强烈的构造挤压运动的影响，内部构造相对简单，基本上层面为近水平状或单斜构造，偶尔为褶曲构造。

2)红层不整合面呈平缓状，或倾角小于等于下伏煤系地层同向倾斜，有利于对红层下的煤系地层的赋存，是实现红层下找煤的有利条件。倾角较大或反向倾斜，容易对红层深部煤系地层造成不同程度的破坏，不利于找煤。

3)由于红层覆盖的厚度一般较大，单纯的进行钻孔施工，既造成不必要的经济浪费，又未必能找到含煤地层。因此在红层覆盖层周缘有相应的煤系地层出露，是红层下找煤的有利条件。未见煤系地层出露，但出露煤系地层的相邻地层，或位于聚煤中心周边，亦是红层下找煤的有利条件。

4)在红层覆盖区周缘，有相应的生产矿井或者施工钻孔，通过分析煤层厚度，煤系地层倾角，走向等资料，可以推测红层下含煤地层的走向，便于钻孔的布置施工，增加红层下找煤成功的概率。

4 “三下”找煤区远景靶区优选

通过对湖南“三下”找煤的成功范例及控煤样式研究分析，总结出逆冲顺层型构造样式、逆冲前锋型构造样式为构造下、老地层下有利找煤样式。在红层下找煤样式中，不整合面与含煤岩系接触关系为浅覆盖平缓型为有利找煤样式。根据以上依据，提出了渣渡矿区东段推覆构造下找煤靶区、寒婆坳区段老地层下找煤靶区、永红矿区深部红层下找煤靶区。

4.1 构造下找煤靶区

渣渡矿区东段含煤岩系为测水组下段，含可采煤层2层，总体呈一纺锤形复式向斜，向斜轴向北东35°左右，东段构造较复杂，有金盘仑、大成坪等顺走向的多期次滑脱构造。以往认为该区浅部为一次级褶皱，中深部急倾斜，深部逐渐趋平缓的单斜构造，经分析认为金盘仑断层为先在伸展构造系统中的正断层及其构造组合，在受挤压，形成逆冲断层为典型的有利控煤构造，上盘强烈挤压褶皱；下盘构造简单，煤层呈一单斜向深部延伸，煤层保存完好(图16)，在邻区中深部勘查施工少量钻孔在金盘仑滑脱构造下盘均揭露了可采煤层，验证了金盘仑滑脱构造下盘可采煤层的存在。按照走向长35km，倾向宽5km，含煤面积约150km2，根据浅部钻孔煤厚资料，5煤层厚1.1m，视密度1.4 t/m3，可采系数取0.8，预算-100～-800m水平5煤层煤炭资源量约1.8亿t。

1-三叠系下统大冶组；2-二叠系上统大隆组；3-二叠系上统龙潭组；4-二叠系下统茅口组；5-二叠系下统栖霞组；6-石炭系上统壶天群；7-石炭系下统梓门桥组；8-石炭系下统测水组；9-石炭系下统石凳子组；10-断层；11-推覆构造；12-煤层；13-设计钻孔图16 渣渡矿区地质简图及剖面图Figure 16 Geological sketch map and section of Zhadu mine area

4.2 老地层下找煤(石墨)靶区

寒婆坳矿区含煤地层为测水组下段，含煤可采煤层2层，天龙山花岗岩体位于该区西侧，岩体附近煤层在岩浆作用下变质为石墨。该区东翼泥盆系中统与壶天群呈断层接触，以往认为寒婆坳向斜东翼被高角度大断距断层切割破坏，东翼无煤系保留，依据推覆构造理论，结合野外调查分析认为寒婆坳断层实为由西向东逆冲的推覆构造，造成寒婆坳向斜东翼推覆体由东向西推移1km以上，老地层掩盖在煤系地层之上，切割不深，东翼煤系深部保存较好(图17)，根据西翼煤层特征及分布，推断东翼-100～-800m水平含煤面积约30km2，根据浅部矿山揭露煤厚，预算-200～-800m，3煤层厚度1.54m，视密度1.97t/m3，5煤层厚度0.96m，视密度1.97t/m3，可采系数0.8，煤炭资源量1 180万t。

1-石炭系上统壶天群；2-石炭系下统梓门桥组；3-石炭系下统测水组；4-石炭系下统石凳子组；5-泥盆系上统；6-泥盆系中统；7-断层；8-煤层；9-设计钻孔；10-花岗岩体图17 寒婆坳矿区地质简图及剖面图Figure 17 Geological sketch map and section of Hanpoao mine area

4.3 红层下找煤靶区

永红矿区含煤地层为龙潭组上段，含煤7层，其中6煤层主要可采，5煤层局部可采。矿区浅部(西部)出露有含煤地层龙潭组，白垩系下统主要分布在区内东部，地层厚度最大达700m，一般厚度为300m，深部煤层被侵蚀。据野外调查及物探资料，推断不整合面倾向与地层相同，且红层不整合面倾角小于含煤地层倾角，为同向低倾斜红层找煤样式，深部煤层保存较好(图18)，按照走向长17km，平均倾向宽2km，含煤面积约34km2。采用浅部勘查区内钻孔资料，2煤层平均厚2.3m，容重1.62t/m3，可采系数为0.8，初步预测资源量1 180万t。

1-白垩系；2-三叠系大冶组；3-二叠系中统大隆组；4-二叠系中统龙潭组上段；5-二叠系中统龙潭组下段；6-煤层；7-不整合边界；8-设计钻孔图18 永红矿区地质简图及剖面图Figure 18 Geological sketch map and section of Yonghong mine area

5 结论

1)湖南滑脱构造主要构造控煤样式为挤压构造样式，可分为逆冲顺层型、逆冲前锋型、双冲构造型、对冲断夹块型、逆冲褶皱型及飞来峰构造型6种类型。其中逆冲顺层构造控煤样式、对冲夹块型是湖南主要控煤构造样式。

2)红层控煤样式可为红层浅覆盖平缓型，同倾向低倾斜型，同倾向高倾斜型，反倾斜型4类，其中浅覆盖平缓型为最有利型。

3)通过剖析构造下、老地层下、红层下找煤成果实例，总结了湖南“三下”找煤先决条件。其中构造下找煤以逆冲顺层式构造样式最为有利，多表现为顺层发育，断裂面多呈缓波状在含煤地层中穿过，在平面上表现为沿地层延伸，剖面上多为上陡下缓的犁(铲)式或叠瓦式，断层下盘构造较简单，多为单斜构造，少见断层，为良好的构造下找煤靶区。老地层下找煤，以顺层或低角度推覆构造最为有利，上覆老地层或飞来峰下，煤层保存较好。红层下找煤以浅覆盖平缓型最为有利，在聚煤中心附近，煤系或相邻地层与红层接触区域，采用地调先行、物探跟进、钻探验证的方法，有望取得较好找煤成果。