淮北孫疃煤礦下石盒子組主采煤層沉積環(huán)境與聚煤特征

任澤強(qiáng)，何金先，董守華，吳泓辰，張曉麗，王愛寬，周逃濤，師 帥，3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

0 引言

孫疃煤礦位于淮北煤田中部，主要開采二疊系山西組與下石盒子組煤層。其中下石盒子組主采煤層由于受沉積環(huán)境影響，其煤層變化較大，給煤礦的高效生產(chǎn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文在研究區(qū)礦井資料以及前人研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)下石盒子組主采煤層含煤段巖相特征分析、測(cè)井曲線形態(tài)特征分析、砂巖粒度分析等識(shí)別其沉積模式，總結(jié)并歸納其主要聚煤特征。

1 研究區(qū)概況

孫疃煤礦隸屬于安徽省淮北煤田濉溪縣境內(nèi)，距宿州市約23km(圖1)。其構(gòu)造位于淮北煤田童亭背斜東翼，整體上為南北走向、向東傾斜的單斜構(gòu)造。孫疃煤礦主要含煤地層為石炭系、二疊系，其中石炭系煤層為太原組，其煤層厚度較薄因而不可采；二疊系煤層以下石盒子組為最優(yōu)、山西組次之。孫疃煤礦下石盒子組厚度為206.7～264.4m， 灰白色厚層鋁土質(zhì)泥巖為山西組與其的分界線，頂部則以灰白色厚層砂巖(K3)與上石盒子組為界。巖性以砂巖、粉砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖及煤層組成，含4、5、6、7、8五個(gè)煤層(組)，其中72、82煤層為下石盒子組主采煤層，82煤層距鋁質(zhì)泥巖平均約為23m，平均厚度為1.76m，72煤層距鋁質(zhì)泥巖55m左右，平均厚度約1.53m。整體孫疃煤礦下石盒子組煤層厚度變化較大，其中沉積環(huán)境扮演了至關(guān)重要的角色。

圖1 淮北煤田孫疃煤礦地理位置圖Figure 1 Geographical location of Suntuan coalmine,Huaibei coalfield

2 沉積相分析

沉積相不僅決定著研究區(qū)巖石的類型、組構(gòu)以及空間分布，同時(shí)也決定著煤層的發(fā)育和分布，因此，沉積相的研究對(duì)于煤礦生產(chǎn)至關(guān)重要。本文主要在原有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，通過鉆孔巖心分析七、八含煤段巖相特征、測(cè)井特征、沉積構(gòu)造以及砂巖粒度特征綜合判斷研究區(qū)的沉積環(huán)境以及沉積相。

2.1 巖相特征

巖心作為沉積相研究的基礎(chǔ)資料，其成分、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等蘊(yùn)含著豐富的沉積相信息。通過對(duì)研究區(qū)鉆孔的宏觀以及鏡下觀察，其主要巖石類型為：砂巖、粉砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層(圖2)。

(1)砂巖?；野咨蚧液谏≈林泻駥訛橹?，整體分選、磨圓一般，礦物以石英、長(zhǎng)石為主，巖屑含量較高。粒度在0.1～0.5mm，為中細(xì)粒砂巖。巖石類型主要為長(zhǎng)石石英砂巖、長(zhǎng)石巖屑石英砂巖，發(fā)育于7、8煤層之間，以交錯(cuò)層理、波狀層理為主。總體石英在單偏光下呈現(xiàn)黃白色，表面不潔凈，在正交偏光下為波狀消光；長(zhǎng)石表面發(fā)生蝕變，整體為雜基支撐，孔隙式或基底式膠結(jié)，常與泥巖、粉砂巖互層，并夾有煤線，整體主要為分流河道相沉積物。

(a)7、8煤層間石英砂巖，鉆孔2017-4,556 ～561m。(b)鋁質(zhì)泥巖，鉆孔2017-4，588 ～591m。(c)7煤，鉆孔2017-4,536.5 ～537m 。(d)巖屑長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖，鉆孔2017-10,308m。(e)巖屑長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖，鉆孔2017-10,308m，正交偏光，40倍。(f)交錯(cuò)層理，鉆孔2017-10，317m。(g)粉砂巖，鉆孔2017-10,328m。(h)粉砂巖，單偏光，40倍。(i)炭質(zhì)泥巖，鉆孔2017-10,326.2m。圖2 孫疃煤礦下石盒子組巖相特征Figure 2 Xiashihezi Formation lithofacies features in Suntuan coalmine

(2)粉砂巖。孫疃煤礦下石盒子組含煤巖段地層中，粉砂巖廣泛分布,并常與泥巖，炭質(zhì)泥巖互層。粉砂巖顏色主要為灰白色，成分以石英為主，巖屑含量較高，可達(dá)30%。沉積構(gòu)造以水平層理或緩波狀層理為主，形成于水動(dòng)力較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。

(3)泥巖?；液谏瑝K狀層理或水平層理，含煤巖系普遍存在，常為煤層直接頂?shù)装濉：剂扛呖勺優(yōu)樘抠|(zhì)泥巖，有大量生物遺跡構(gòu)造。

(4)鋁質(zhì)泥巖。下石盒子組底部的鋁質(zhì)泥巖在淮北地區(qū)廣泛分布，為全區(qū)標(biāo)志層。顏色為灰白色或乳白色，具有紫色花斑，鋁質(zhì)含量較高，層面常含鮞粒，厚度可達(dá)5m。根據(jù)前人的研究成果，其主要為三角洲平原的陸相沉積產(chǎn)物[15]。

2.2 測(cè)井相標(biāo)志

利用測(cè)井曲線的幅度、形態(tài)、厚度等特征進(jìn)行評(píng)價(jià)或解釋沉積相是研究沉積環(huán)境常用的方法[14]。通過對(duì)孫疃煤礦下石盒子組測(cè)井曲線形態(tài)進(jìn)行綜合歸納，該區(qū)測(cè)井曲線形態(tài)主要包括中-高幅鐘形、中幅箱形、中幅-指形、低幅-平直形、齒形等。

(1)中-高幅鐘形： 如圖3a所示， 該曲線在巖性上表現(xiàn)為下粗上細(xì)的正粒序結(jié)構(gòu)，底部砂巖與泥巖呈突變接觸，頂部漸變?yōu)槟鄮r。因而測(cè)井曲線形態(tài)常表現(xiàn)為底部突然變高，曲線由下向上幅度降低回歸基線，反映出沉積環(huán)境從低能突變?yōu)楦吣埽缓笏畡?dòng)力逐漸減弱的特征(圖3a)。

(2)中幅箱形：測(cè)井曲線形態(tài)呈箱狀，巖性以砂巖為主，頂、底與泥巖、粉砂巖呈突變接觸，測(cè)井曲線整體幅度變化不大，部分曲線為齒化箱形、反應(yīng)了一種物源豐富且水動(dòng)力較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境(圖3b)。

(3)低幅平直形-齒形：曲線形態(tài)平直，幅度變化不大，巖性以泥巖，粉砂巖為主，自然伽馬曲線為高值，視電阻率曲線為低值，水平層理或塊狀層理較為發(fā)育，反應(yīng)了水動(dòng)力條件較弱，穩(wěn)定的沉積環(huán)境(圖3c)。

(4)中幅指形：曲線形態(tài)呈指狀，曲線幅度為中-高形，巖性多為砂巖、粉砂巖，砂體頂?shù)撞颗c泥巖呈突變接觸，反應(yīng)了水體能量突然增大后又迅速恢復(fù)(圖3d)。

(a)中-高幅鐘形(b)中幅箱形(c)低幅平直形-齒形(d)中幅指形圖3 研究區(qū)下石盒子組主要測(cè)井曲線圖Figure 3 Study area Xiashihezi Formation main well logging traces

2.3 粒度分析

礦物碎屑和巖屑組成沉積巖的基本顆粒，其大小、形態(tài)、組構(gòu)、來源等是大地構(gòu)造環(huán)境、氣候和水動(dòng)力因素相互作用的結(jié)果。其中沉積物顆粒大小是水動(dòng)力條件的直接反映，同時(shí)也是氣候干旱和潮濕的指示劑[4]。通過選取合適的鉆孔中的樣品，利用薄片粒度法進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：孫疃煤礦下石盒子組含煤巖系砂巖粒度主要以細(xì)砂以及粉砂巖為主，根據(jù)概率累計(jì)曲線的形態(tài)可分為三類，具體特征如下。

(1)“一段式”?！耙欢问健绷６雀怕是€特點(diǎn)是：巖石粒度以細(xì)砂巖，粉砂巖為主，分選相對(duì)較差(圖4a)。概率累計(jì)曲線整體呈45°左右，懸浮次總體占粒度分布的大部分，滾動(dòng)成分較少且AB混合度較高，該類型反映了高密度負(fù)載的較強(qiáng)水動(dòng)力，流速突然減弱的沉積環(huán)境，如三角洲平原泛濫盆地沉積。

(2)“二段式”。“二段式”粒度概率曲線為研究區(qū)下石盒子組砂巖主要粒度特征，巖石以中砂巖、細(xì)砂巖組成，分選一般(圖4b)。概率曲線主要由跳躍次總體和懸浮次總體組成，其中跳躍次總體傾斜度較大在60°左右，占總體含量占80%左右。懸浮成分總體分選較差，含量較低，懸浮次總體傾斜多在30 °，約占總體含量小于20%；整體概率曲線混合度較低，細(xì)截點(diǎn)主要集中在2.5～3Φ，代表了一種強(qiáng)水動(dòng)力沉積環(huán)境，如三角洲平原分流河道沉積環(huán)境。

(a) “一段式”粒度概率曲線2017-4鉆孔7煤底部砂巖(544.9m)；(b)“二段式”粒度概率曲線2017-4鉆孔8煤頂部細(xì)砂巖(548m)；(c)“三段式”粒度概率曲線2017-10鉆孔8煤頂部粉砂巖 (318.62m)圖4 孫疃煤礦下石盒子組砂巖概率粒度曲線Figure 4 Probability grain-size curve of Xiashihezi Formation sandstone in Suntuan coalmine

(3)“三段式”?！叭问健绷６雀怕是€包括滾動(dòng)次總體、跳躍次總體以及懸浮次總體三種基本形式(圖4c)。曲線形態(tài)以三段型為主，其中部分跳躍次總體分為兩段，變?yōu)樗亩涡?。該類型巖石滾動(dòng)次總體以粗砂巖為主， 傾斜度在45°左右， 粗截點(diǎn)為2～2.5Φ，分選性適中；跳躍次總體以細(xì)砂巖為主，整體含量60%,曲線傾斜度為45°～50°，細(xì)截點(diǎn)為3.5～4Φ，分選性較好；與前兩者相比懸浮次總體含量最低，曲線接近水平，分選較差且混合度較高。整體“三段式”粒度概率曲線符合雙向水流的特征，反映了研究區(qū)以河流作用為主，局部同時(shí)受一定的波浪潮汐影響。

2.4 沉積環(huán)境及其特征

通過對(duì)孫疃煤礦下石盒子組含煤巖系巖性、測(cè)井曲線、粒度分析研究，筆者認(rèn)為其主要以三角洲沉積環(huán)境為主，形成于高速度建設(shè)型的三角洲平原環(huán)境，且受河水以及海水的共同作用，其沉積微相主要為分流河道、分流間灣、泥炭沼澤、天然堤等沉積微相(表1，圖5),并在此基礎(chǔ)上。

圖5 研究區(qū)沉積模式圖(修改自文獻(xiàn)[13])Figure 5 Study area sedimentary model(afetr reference [13], modified)

(1)分流河道。三角洲平原分流河道沉積特征與河流體系河道沉積相似，主要由淺灰色、灰色、灰白色細(xì)-中砂巖組成，也含有一定的粉砂巖，分流河道砂體在橫剖面上呈透鏡狀,為向上變細(xì)的正旋回序列。砂巖內(nèi)部發(fā)育的沉積構(gòu)造包括塊狀層理、平行層理、交錯(cuò)層理等。測(cè)井曲線常表現(xiàn)為箱形和鐘形。

(2)分流間灣。三角洲平原分流間灣主要由深灰色、灰黑色泥巖及泥巖等細(xì)粒沉積物組成，局部根土巖發(fā)育。向上常沼澤化形成泥炭沼澤。其發(fā)育的沉積構(gòu)造包括塊狀層理和水平層理，測(cè)井曲線表現(xiàn)為平直狀。

(3)天然堤。天然堤是高水位期或洪水期河道水漫溢河床形成的,是分流河道兩側(cè)的天然堤壩。其巖性主要由灰—淺灰色粉砂巖組成，也含有一定的薄層細(xì)砂巖。測(cè)井曲線上受砂質(zhì)含量的影響可表現(xiàn)為平直形或鐘形。

(4)泥炭沼澤。泥炭沼澤常形成于分流間灣之上，沼澤中水動(dòng)力條件微弱，植物繁茂，沉積環(huán)境穩(wěn)定，為較強(qiáng)的還原性環(huán)境，主要由富含有機(jī)質(zhì)黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖以及煤層組成，植物化石豐富， 常見植物、根、莖、葉。由于煤層較薄且具有高電阻率和低伽馬的特征，因此測(cè)井曲線常表現(xiàn)為指狀。

表1 孫疃煤礦下石盒子組沉積體系

(5)泛濫盆地。泛濫盆地作為三角洲平原洪水時(shí)期的產(chǎn)物，其沉積物以泥巖、粉砂巖為主， 水平層理或緩波狀構(gòu)造常見。測(cè)井曲線為中低幅指狀或微齒狀，常見植物根部以及葉片化石。由于其為洪水時(shí)期的沉積產(chǎn)物，多與決口扇、分流間灣等沉積環(huán)境相連，為泥炭沼澤提供充足養(yǎng)分。

3 聚煤特征

華北地區(qū)在奧陶紀(jì)時(shí)期經(jīng)歷了長(zhǎng)期剝蝕、夷平和準(zhǔn)平原化，本溪期海水從東北方向侵入,形成太原組海相的沉積環(huán)境[10]。早二疊世晚期，華北地區(qū)逐漸變?yōu)楸备吣系偷母窬?，發(fā)生大規(guī)模海退。海水以向南退卻為主,出現(xiàn)了進(jìn)積作用強(qiáng)的淺水三角洲沉積,故淮北地區(qū)下石盒子組以三角洲平原為主。大量陸源區(qū)的碎屑物隨著河流進(jìn)入三角洲平原，為植物的生長(zhǎng)帶來了充足的養(yǎng)分，有利于煤層的形成。

孫疃煤礦下石盒子組主采煤層形成于高建設(shè)的三角洲沉積環(huán)境，其中分流河道的廣泛發(fā)育，對(duì)煤層的發(fā)育以及賦存起到了關(guān)鍵作用、通過對(duì)孫疃煤礦鉆孔資料的對(duì)比，其主要的巖相組合為五種類型如圖6所示。由于沉積物的快速堆積， 導(dǎo)致短暫的陸相鋁質(zhì)泥巖的形成。河水作用的增強(qiáng)在區(qū)域范圍內(nèi)形成廣闊的泛濫盆地，故在鋁質(zhì)泥巖頂部多以泛濫盆地沉積為主。隨著水流的減弱逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌某练e微相，但通常只有泛濫盆地、分流間灣和廢棄的分流河道有利于泥炭的聚集，從而形成大規(guī)模穩(wěn)定的煤層。7、8煤層主要發(fā)育于相對(duì)穩(wěn)定的分流間灣泥炭沼澤上，在此沉積環(huán)境下，水動(dòng)力較弱，沉積速率相對(duì)穩(wěn)定，利于煤層的聚集。此外，河流的不斷變遷沖蝕作用在一定程度上造成7、8煤層在不同區(qū)域的缺失。

圖6 孫疃煤礦下石盒子組主采煤層巖相組合示意圖Figure 6 A schematic diagram of main mineable coal seam lithofacies assemblage

4 結(jié)論

(1)孫疃煤礦下石盒子組含煤地層主要巖性為：砂巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖，其構(gòu)造主要為水平層理、交錯(cuò)層理、波狀層理等。其巖性、沉積構(gòu)造為典型的三角洲平原沉積。

(2)根據(jù)巖性、測(cè)井以及粒度分析可知：孫疃下石盒子組形成于高速度建設(shè)型的三角洲平原環(huán)境。其沉積微相主要為分流河道、分流間灣、天然堤等。其主采煤層主要發(fā)育于相對(duì)穩(wěn)定的分流間灣泥炭沼澤上。在此沉積環(huán)境下，水動(dòng)力較弱，沉積速率相對(duì)穩(wěn)定，利于煤層的聚集。