大同煤田概况

大同煤田是我国著名的煤田之一，包括大同市、怀仁、左云、右玉、山阴等县（图一1），含煤范围1900玩2，赋存着侏罗纪、石炭纪、二叠纪含煤地层。煤炭资源极为丰富，是我国重要的能源建设基地［70］。2.2区域构造背景大同煤田呈一北东30一50°C走向不对称向斜，东翼陡而窄（倾角40一60°）,西翼宽缓（倾角3一7°）;北起云岗东北，西南经北羊路、庙湾、马道头，南至玉井，东西宽约30km，向斜轴延伸长约50km（图2一2）［71］。煤田大地构造位置位于内蒙古一阴山构造隆起带的南侧。东以平旺一鹅毛口大断层为界，与新生带断陷盆地（大同平原）相毗临;西临吕梁经向构造带的西石山脉;南为一东西向小型洪涛山背斜为界，再南与平朔、宁武煤田相连。在平面上三者组成一个北北东向“S'形［70］。受历次构造运动的影响，煤田内早期部分地层缺失，而侏罗系、白堊系、第三系也发育不全。后期受燕山，喜马拉雅山运动强烈褶皱、断裂、推覆作用，导致煤田东部地层陡峻，直立甚至倒转，并伴生一系列次一级的小型褶皱和断裂，印支期发生了大规模的煌斑岩顺主要的山小2、3一5、8号煤层侵入，使煤层结构，煤的工艺性能遭到极大破坏。在煤田内，东部、东南部、南部构造较复杂，断层多，北部及西部则相对简单，断层、褶皱皆少I2］。煤田基底由古老的上太古界五台群花岗片麻岩、花岗岩、黑云母斜长片麻岩、石英岩等杂岩组成。晚太古代末期受到五台运动的影响长期北东向隆起，缺失元古界的沉积。因而五台群成为太古代时期的古构造格架。寒武一奥陶纪时，因祁县运动使盆地基底开始下沉，沉降幅度北部较缓慢，广泛海水由南而北呈北东向侵入，沉积一套海相碳酸盐岩类为主的沉积地层，厚度约500一800m,不整合在五台群之上。中奥陶世后，整个华北克拉通发生大面积隆起，作为华北晚古生代典型克拉通的一部分，大同煤盆地也整体发生了抬升，经受长期的风化剥蚀，达到准平原的景观。因而盆地内缺失奥陶系上统、志留系、泥盆系，乃至石炭系下统的沉积。直到中石炭世，地壳才再次缓慢下降，十里河以南地层沉降幅度较快，形成北东向聚煤拗陷，沉积了本溪组、太原组、山西组。含煤地层以太原组为主，其次为山西组，本溪组地层中仅可见几层不稳定的薄煤线。2.3区域含煤地层概况大同煤田下组煤系含煤地层为石炭系中统本溪组、上统太原组和二叠系下统山西组山西组含煤4层，自上而下为山1、山2、山3、山4号煤层。太原组含煤n层，自上而下为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11号煤层，部分地区3、5号煤合层为3一5号煤，缺失4号煤层2.3.1中石炭统本溪组本溪组底界自平旺一旧高山一线以南覆于中奥陶统灰岩剥蚀面之上，此线以北覆于中、下寒武统灰岩之上，至十里河以北尖灭，与中奥陶灰岩呈平行不整合接触。自上而下，岩性分别为浅灰色铝土岩（G层铝土矿层位），层位稳定;下部时有紫红色山西式铁矿，厚度变化大，不稳定，与下伏奥陶系灰岩平行不整合接触，泻湖相沉积。深灰色粉砂质泥岩，含菱铁质鲡粒，具水平波状层理，含植物化石假星轮叶、楔羊齿，夹不稳定泥灰岩一层，含动物化石波斯贝，为海进的潮间坪沉积。灰白色石英细砂岩，潮下带沉积。深灰色石灰岩，生物碎屑粉屑灰岩，即口泉灰岩（K1）,厚2一5m,最厚达15.60m，裂隙充填有方解石脉，含有孔虫、珊瑚、腕足类、蜓等动物化石，有时夹砂泥岩、粉砂岩，此层灰岩于忻洲窑一旧高山一线以南赋存，海岸线呈凸凹弯曲形，浅海碳酸盐台地沉积。灰一深灰色粉砂岩、砂质泥岩互层，夹不稳定薄煤一层，含植物化石碎片，水平层理发育，泻湖、沼泽相上述岩性特征表明本溪组地层以粉砂、泥岩为主，粗碎屑岩含量较少，此外出现碳酸盐岩;粉砂岩中碎屑成分主要为石英、长石、岩屑等;粗碎屑岩中则以纯净的石英砂为主。前人认为本溪组沉积时海水进退相对频繁，主要为潮坪一泻湖相沉积。本组厚度一般为30m，最大厚度在南部酸茨河达65m，呈南厚北薄至剥蚀尖灭。2.3.2上石炭统太原组下段:厚10-30m，属于滨岸型河控上三角洲环境。底界为灰白色细、中粗含砾石英砂岩，含菱铁质和云母片，胶结坚硬，分选较好，为太原组与下伏本溪组地层平行不整合接触的划分标志层一鹅毛口砂岩（K2）,远砂坝、河口坝沉积。灰色一灰绿色沉凝灰岩，疏松。深灰色砂质泥岩、粉砂岩，含煤9、10号煤，其中9号煤较发育，局部可采，含植物化石卵脉羊齿和脉羊齿，属分流间湾相，泥炭潮坪相沉积。浅灰或浅褐黄色含砂高岭岩、含云母泥岩，砂屑成分主要为石英;泥质重结晶，为高岭石及水云母，分流间湾沉积。8号煤层，结构简单，全区可采，厚度达2一6m,部分地区有分叉，为8号和8下两层，夹层多为粉砂岩、砂质泥岩，顶板为玉井泥灰岩（可与太原西山煤田的吴家峪灰岩对比），海侵线在吴家窑至增子坊一线或者再北伸延至鹅毛口以北，属泥炭沉积。粉砂岩，砂质泥岩，泥岩，深灰色，含菱铁矿团块和黄铁矿葛粒，杂基重结晶为高岭石，中下部含生物碎屑，区内普遍赋存，稳定，为8号煤层对比标志，分流间湾沉积。15太原理工大学硕士研究生学位中段:厚20一40m,属于山前平原的曲（网）状河沉积环境。石英砂岩，以两层灰白色含砾粗砂岩、粗中砂岩为主，即悟道砂岩、铁匠沟砂岩。上部为中一细粒状，下部较粗，夹透镜状砾岩，胶结疏松，发育大型斜层理和楔型交错层理，具有冲刷面，含大量硅化木化石，分流河道相沉积。褐灰色高岭岩、高岭质泥岩，贝壳状断口，含炭质和黄铁矿，顶部含植物根化石，分流间湾相沉积。7号煤，不稳定煤层，仅部分地区可采。上段:厚20一50m,属于山前平原的曲（网）状河沉积环境。主要为一层巨厚的砂砾岩、含砾粗砂岩、中粗砂岩，即小峪砂岩。韵律分选明晰，多阶性，大型交错及缓斜层理发育，具有冲刷面。其间夹4、5号煤层，局部具有工业价值，两层之间砂岩分别为东山砂岩、偏岭砂岩。再上为大同煤田上部的巨厚主要可采2、3号煤层。以上表明太原组地层中粗碎屑岩较本溪组增多，粉砂岩、泥岩含量减少，煤的含量最高。粗碎屑岩在底部为石英砂岩，中部为石英杂砂岩，上部为长石岩屑石英杂砂岩等;泥岩以高岭石、水云母为主。前人的研究认为太原组沉积物经历的搬运和筛选作用较本溪组弱，主要反映了过渡相一陆相的沉积，沉积环境为三角洲前缘环境。太原组厚度一般为80一100rn，最厚在楼子沟附近达186m。总的趋势南厚北薄，由13价50m逐渐向北被剥蚀变薄，至云岗十里河以北尖灭。含煤总厚0.0卜47.45m，平均厚为17m，含煤系数20%。2.3.3下二叠统山西组底部为窑子头砂岩(绳)，灰色一灰白色砾岩夹砂砾岩，中、粗粒砂岩互层组成，与太原组呈整合接触，为山西组和太原组地层划分对比标志。灰色一深灰色粉砂岩、砂质泥岩，夹4层薄煤层，其中下部的山;号煤层具有工业价值。山西组地层中粗碎屑岩含量较本溪组、太原组增多，而粉砂岩、泥岩含量则介于本溪组和太原组之间，煤层含量次于太原组。粗碎屑岩主要为长石(岩屑)石英杂砂岩等。粉砂岩、泥岩中为碎屑与高岭石共有的特征，前人研究表明山西组沉积地层主要为陆相河流沉积。本组厚20一80m，一般约为50一60m,最后在鹅毛口北魏家沟达90m,大致呈南、16太原理工大学硕士研究生学位论文南东厚，北、北西薄的趋势，至忻洲窑一新、旧高山以北隆起剥蚀尖灭。沉积环境属于山前平原的曲流河沉积。含煤总厚0.1卜10.63m，平均厚为3m,含煤系数4%。2.4沉积体系特征大同晚古生代煤田濒临华北聚煤盆地北缘，含煤岩系是一组大陆环境十分显著、陆相地层占很大比例的含煤沉积，由碎屑一碳酸盐混合滨岸带体系、三角洲体系及河流体系三大沉积类型构成。其中，本溪组全为混合滨岸沉积;太原组中下部为三角洲沉积，中上部和上部为河流沉积，山西组是一套纯河流相的沉积。2.4.1碎屑一碳酸盐混合滨岸带体系泻湖一潮坪相:见于整个本溪组。由铝质泥岩、黑灰色泥岩、粉砂岩和细砂岩组成。砂岩分选磨圆较好，常见小型槽状交错层理、波状层理及沙泥互层层理;泥岩含植物化石，水平层理和透镜状层理发育，含菱铁矿和黄铁矿结核。、开阔台地相:含生物砂质灰岩，即口泉灰岩。深灰色，有链、有孔虫、海百合、珊瑚等生物化石。普遍含中粒石英砂，块状构造，局部因夹泥质条带而具缓波状层理。局限台地相:深灰色泥质灰岩，即玉井灰岩。含极丰富的浸染状黄铁矿，层理不明显。生物十分单调，仅有瓣鳃类和腕足类，壳体较小，壳饰也不发育，但保存较好.指示盐度异常的生态环境。2.4.2浅水三角洲体系三角洲沉积仅赋存于本区太原组中部。沉积时极浅的陆表海环境使三角洲前缘很不发育，显示出浅水三角洲的典型特征。前三角洲相:为含菱铁矿结核的黑色泥岩和含粉砂泥岩，含少量瓣鳃类，钙质胶结，块状构造。三角洲前缘相:分布局限，为黑灰色泥质粉砂岩和灰白色中细粒长石石英砂岩，中夹菱铁质粉砂岩，钙质胶结。碎屑磨圆中等，但分选较差。具大、中型板状交错层理和逆粒序。三角洲平原相:在本区很发育，依沉积特征不同分为上下两部分:下部分流河道是一套灰白色中细粒砂岩，底部常含细砾，分选较差，磨圆中等。l7太原理工些哩垫丝全丝些至一一一一一具大型板状、槽状交错层理和正粒序。该分流河道砂体除在局部上覆于三角洲前缘外，大部地区都冲刷接触于前三角洲或泻湖沉积之上。上部为泛滥盆地沉积，主要是决口扇、泛滥平原及泥炭沼泽等亚相。决口扇亚相为中细砂岩和粉砂岩，分选磨圆较差，具板状交错层理和逆粒序;泛滥平原亚相主要是泥岩和粉砂岩，具水平层理和透镜状层理，植物化石丰富;泛滥盆地内的泥炭沼泽形成了本区的5号主煤层和其它薄煤层。2.4.3河流体系细粒点坝高弯度河体系:本区煤系中的该类河流沉积广泛分布于太原组底部和中上部，垂向上可明显分为两部分，即下部的河道沉积和上部的洪泛盆地沉积，二者之比为0.3一2.0，各自的沉积特征分别为:河道沉积:太原组中部的河道砂体呈典型的条带状或串珠状，剖面上呈2一3个透镜体错位叠置;底部河道砂体为几个侧向相连的扁透镜体。砂体之底都有一宽缓起伏的冲刷面，其上是断续分布的细砾岩，分选磨圆较差，含炭质碎屑，砂体中上部是含砾中细粒砂岩，夹炭质条带，分选磨圆中等，钙质胶结，大中型槽状、板状和楔状交错层理极为发育，粒度和层系规模向上变小。泛滥盆地沉积:包括天然堤、决口扇、泛滥平原、漫滩湖泊和泥炭沼泽等亚相。天然堤、决口扇亚相为中细砂岩和粉砂岩，分选磨圆中等，具水平层理、沙纹层理和槽状交错层理，含丰富植物化石和小云母片。决口扇具逆粒序。泛滥平原亚相为灰黑色泥岩和粉砂岩。泥岩中不同程度地含粉砂，中夹煤线，大都含丰富的植物碎片和菱铁矿结核，具水平层理和透镜状层理;粉砂岩为泥质胶结，具缓波状层理和透镜状层理。漫滩湖泊亚相为很细密的高岭石泥岩和铝质泥岩，大都不含粉砂和植物化石，块状构造，偶见水体扰动构造，表明此时的地下水位很浅，泥炭沼泽亚相在河间泛滥盆地内广泛发育，形成了2、3和8号煤及该层段内的其它薄煤层。2.4.4辫状型曲流河体系本区煤系缺乏典型的低弯度(辫状)河沉积，而存在一种介于低弯度(辫状)河与高弯度河之间的过渡型河流，称其为辫状曲流河。它的河道形态及其内部特征与低弯度(辫状)河相似，而其泛滥盆地沉积特征及其在整个河流沉积中的比例又类似于高弯度河，垂向结构特征介于二者之间。该类河流见于山西组，河道砂体与泛滥盆地沉积之比大致18太原理工大学硕士研究生学位论文卜1，各自的沉积特征分别是:河道砂体呈侧向连续的宽板状，厚度较稳定，具宽缓的冲刷底面。底部是断续的河床滞留细砾岩，砾石分选差，但磨圆尚好，粉砂、粘土胶结;中上部是含砾中粗粒砂岩。分选、磨圆中等一较差，泥质胶结，具大型板状和槽状交错层理，粒度和层系规模向上变小。泛滥盆地沉积较低弯度河发育，但天然堤却很少见，表现为泛滥盆地相直接覆于河砂体之上，其它特征类似于高弯度河，只是陆源碎屑含量增高，煤层不太发育。综上所述，这两种河流均具明显的二元结构，河道砂体为正粒序，泛滥盆地沉积较发育，且泛滥盆地沉积中的薄层砂岩向上增多。2.5盆地的形成及演化华北晚古生代聚煤盆地是发育在华北板块上的巨型克拉通盆地，它位于阴山造山带南侧，南邻秦岭一大别造山带。华北地块早古生代(寒武纪、奥陶纪)一直处于沉降过程，接受了浅海相艺碳酸盐岩为主的沉积，O:末期整个地块发生抬升，遭受长达约looMa之久的风化剥蚀，直至中石炭世，盆地再次下沉，接受了石炭一二叠纪海陆交互相含煤岩系的沉积。盆地的形成演化，沉积，聚煤作用的发生，无疑受控于南北两侧造山带的造山作用控制。在中奥陶世，南侧的古秦岭洋逐渐封闭，扬子板块向北俯冲，北侧的古亚洲洋板块在早古生代中晚期沿温都尔庙一西拉沐伦河一线向南俯冲，两侧板块的作用致使华北板块在中奥陶世以后全面抬升，而华北板块遭受了长达looMa之长的剥蚀，故华北克拉通缺失03一C;的沉积。华北地块北缘与西伯利亚南蒙微地块在晚石炭世初发生初始陆一陆俯冲碰撞，华北克拉通北侧于晚石炭世开始逐步进入俯冲碰撞造山阶段，至早二叠世末期一三叠世初全面陆一陆碰撞造山带隆升。在这一碰撞造山过程中，华北陆块俯冲带后缘形成挤压坳陷，即在华北克拉通的北部的大同一带产生坳陷沉积，大同晚古生代聚煤盆地得以形成，开始接受晚古生代含煤岩系沉积【72］。大同晚古生代含煤盆地从盆地开始沉积到趋于封闭主要经历了泻湖潮坪、三角洲、陆相河流（曲流河、瓣状河）三大沉积环境的演化过程。其演化过程如下:大同晚古生代含煤盆地在中石炭世本溪早期开始接受沉积，在下奥陶统碳酸盐为主太原理工大学硕士研究生学位论文的凹凸不平风化面上进入了泻湖潮坪沉积环境演化阶段，接受了泻湖潮坪相的紫红色铁质泥岩、灰白色铝土质泥岩、粉砂质泥岩和泥岩沉积。到本溪中期，受一次较大规模海侵影响，大同一带在浅海环境下接受了碳酸盐台地相的口泉沉积，在沉积之时，可能由于原风化面上的凸出高地并未因前期的泻湖潮坪沉积而填平补齐，作为水下隆起而限制了口泉灰岩的沉积分布。本溪晚期，海水退却，大同一带处于三角洲环境，分流间局部演化成为短时期的泥炭沼泽，在本溪组上部形成l一2层煤线。太原期是大同晚古生代含煤盆地发展演化的鼎盛时期，太原早期，继先期本溪晚期三角洲相沉积演化之后，首先接受了太原组底部K2砂岩三角洲平原的分流河道相沉积，仅保留有不稳定且零星分布的10、9号煤层。随着三角洲分流河道的逐渐淤积，或者因分流河道改道，盆地范围发生大面积泥炭沼泽化，加上气候温暖潮湿，植物生长茂盛，不断繁衍、死亡、堆积、沉积，形成了全区可采、富有工业意义的8号煤层。太原中期，继8号煤形成之后，大同晚古生代含煤盆地发生了一次小规模的海侵，局部地区形成泥灰岩沉积。随着海退作用的发生，盆地又进入三角洲环境沉积阶段，在沉积层序上形成了两个逆粒序沉积旋回，在第二旋回三角洲环境沉积末期，整个三角洲平原发生泥炭沼泽化，且持续时间较长，形成了全区可采、稳定、巨厚的5号煤层。太原晚期大同晚古生代含煤盆地进入了陆相曲流河沉积环境阶段，盆地基底整体抬升，盆地从先期的过渡环境演变为陆相环境，在沉积层序上形成了3一4个正粒序旋回，在每个沉积旋回结束，河道沉积基础上演化为泥炭沼泽，分别形成了4、3、2、1号煤层，其中3、2号煤稳定可采。早二叠世山西期，本区进入陆相辫状河型曲流河环境演化阶段，砂体侧向连续性较好，垂向上形成典型的二层结构，具有4个向上变细的正粒序旋回，每个旋回顶部均含一层煤层，仅下部的山4号煤层为可采煤层。早二叠世下石盒子期，大同晚古生代含煤盆地进入辫状河沉积环境阶段，河流十分发育，地层中的砂体侧向连续性较好，砂岩透镜体相互叠置。晚二叠世上石盒子期和石千峰期，本区演化为河流体系的山前冲积平原演化阶段，沉积物粒度变粗，地层骨架以含砾粗砂岩、粗砂岩为主，气候炎热干燥，未形成泥炭堆积。