沉積特征與聚煤規(guī)律研究在煤礦開采中的應(yīng)用
——以黃隴侏羅紀煤田郭家河煤礦為例

賀 丹，段中會，葉楨妮，黃美濤，潘 怡

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710026；2.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，西安 710026；3.西安科技大學(xué)，西安 710054； 4.陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721599)

0 引言

礦井地質(zhì)是在煤田地質(zhì)勘查的基礎(chǔ)上，在礦井建設(shè)和生產(chǎn)期間，直接為煤礦建設(shè)和生產(chǎn)服務(wù)的一項重要技術(shù)基礎(chǔ)工作[1]，是礦井生產(chǎn)、建設(shè)開發(fā)中至關(guān)重要的組成部分，對地質(zhì)工作勘探、研究、控制程度的高低，直接影響到煤礦生產(chǎn)發(fā)展[2]。目前以板塊構(gòu)造理論為基礎(chǔ)的煤盆地構(gòu)造演化、聚煤特征等諸多研究成果，在我國煤炭資源深部找礦和遠景預(yù)測工作中發(fā)揮了重要作用[3-6]。在礦井地質(zhì)工作中，井下三維地震勘探、礦井水害、采區(qū)小構(gòu)造綜合探測、瓦斯賦存規(guī)律及排采等方面的研究成果，應(yīng)用和指導(dǎo)礦井生產(chǎn)取得了一定的實效[7-10]，但將沉積特征與聚煤規(guī)律研究深入到煤礦的很少見。

隨著第四代“本安型、智能化、生態(tài)化”煤礦的先進理念提出，陜西郭家河煤礦建設(shè)創(chuàng)新性打破了中國煤礦傳統(tǒng)設(shè)計理念，實現(xiàn)了煤礦“產(chǎn)煤不見煤，是礦不像礦”的夢想，顛覆了人們對煤礦的傳統(tǒng)認識，探索了一條煤礦實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展、安全發(fā)展、和諧發(fā)展的新路子[11]。同時安全環(huán)保、高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化煤礦開采對礦井地質(zhì)工作也提出了更高的要求。

該礦自投產(chǎn)以來，非常重視礦井地質(zhì)工作，較為重視工作面采后地質(zhì)總結(jié)以及采前采后對比分析。從已開采的1301、1303、1304、1305工作面來看，實際掘進和生產(chǎn)過程中的實測煤層厚度與采前各類地質(zhì)資料解釋的煤層厚度基本一致，生產(chǎn)過程較順利。但在1307工作面皮帶順槽掘進過程中，由于煤層缺失變薄帶的存在導(dǎo)致實測結(jié)果和采前結(jié)果相差較大，造成大量的廢巷，給礦井工作面接續(xù)帶來很大壓力。為此本文通過收集和對比研究礦井在勘查、建井、生產(chǎn)各階段的地質(zhì)資料，開展含煤地層的沉積特征、沉積環(huán)境分析，恢復(fù)其巖相古地理格局，結(jié)合煤層發(fā)育及賦存特征，研究其聚煤規(guī)律，再對比礦井生產(chǎn)的實測資料，預(yù)測和指導(dǎo)后續(xù)工作面或盤區(qū)的開采，對保障礦井安全、高效開采具有重要意義。

1 礦井基本概況及地質(zhì)背景

1.1 礦井基本概況

郭家河煤礦位于陜西省寶雞市麟游縣北部，屬黃隴侏羅紀煤田永隴礦區(qū)麟北區(qū)，位于麟游縣天堂鎮(zhèn)境內(nèi)。郭家河礦井井田東西長約14.8 km，南北寬約7.8 km，面積約95km2；可采煤層一層，為3號煤，平均煤厚11.57 m，煤層傾角3°～12°。礦井采用斜井、立井混合開拓方式，單水平開采，采用盤區(qū)布置，劃分為三個盤區(qū)，即西部的I盤區(qū)、中部的II盤區(qū)、東部的III盤區(qū)，首采區(qū)為一盤區(qū)[12]。

1.2 礦井地質(zhì)

1.2.1 地層

井田內(nèi)揭露地層由老至新依次為：三疊系中上統(tǒng)延長組(T2-3y)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)，新近系(N)及第四系更新統(tǒng)(Qp)、全新統(tǒng)(Qh)[13]。

1.2.2 構(gòu)造

郭家河煤礦位于閣頭寺背斜以北，屬彬長坳陷Ⅲ級構(gòu)造單元?？傮w構(gòu)造形態(tài)為一走向NE、傾向NW的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育次一級寬緩的褶曲構(gòu)造[14]。含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化不大，發(fā)育張性斷裂構(gòu)造，無巖漿活動影響。其成煤初期，多表現(xiàn)為不規(guī)則的古隆起地貌，線性特征不明顯，煤層底板起伏形態(tài)變化較大。總體而言，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造屬中等復(fù)雜程度。

1.2.3 含煤地層

區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)，厚度0～95.58 m，平均47.66 m，依據(jù)巖性、巖相、旋回結(jié)構(gòu)及煤層特征等劃分為三段，自下而上依次為第一段、第二段和第三段。第一段巖性以灰褐色鋁質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)粉砂巖、深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾細砂巖薄層，中部發(fā)育厚煤層，具水平層理、波狀層理，含褐鐵礦與菱鐵礦質(zhì)鮞粒、植物化石。第二段巖性為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與各種粒級的砂巖互層，夾炭質(zhì)泥巖及薄層煤。第三段受后期強烈剝蝕，在東部低洼地段殘留，巖性為灰白色中-粗粒砂巖與灰色粉細砂巖夾砂質(zhì)泥巖，頂部出現(xiàn)玫瑰紅色含鋁泥巖，偶夾煤線。

1.2.4 煤層及可采煤層

延安組每段各發(fā)育1個煤組，共含煤8層，其中第三段含1煤層，第二段含2煤層和2-1煤層，第一段含3、3下、3-1、3-1-1及3-2煤層。2煤層為局部可采煤層，3煤層為大部可采煤層。主采的3號煤厚度0.55～26.83 m，平均11.57 m，結(jié)構(gòu)以簡單—較簡單為主。煤層厚度與含煤地層的發(fā)育厚度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[15]。

2 延安組沉積特征

2.1 各組段沉積特征

研究區(qū)內(nèi)延安組發(fā)育和分布特征整體上來看，沿走向方向呈東西向條帶狀分布，各段沉積特征如下(圖1)。

(1)第一段(J2y1)。以泥炭沼澤沉積為主。下部為灰褐色泥巖、鋁質(zhì)泥巖，含褐鐵礦與菱鐵礦質(zhì)鮞粒，見植物根系化石；中部為厚煤層(3號煤層)，為區(qū)內(nèi)主要可采煤層；上部為深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、夾細砂巖薄層，具水平層理、波狀層理，含植物葉部化石。巖層單層厚度較大，層數(shù)較少，巖性以泥巖類為主，該段在煤系地層沉積初期，由高位泥炭沼澤向低位沼澤演變，成煤物質(zhì)沉積與盆地下沉速度比較穩(wěn)定，形成巨厚煤層。后期由于盆地沉降速度加快，沉積物質(zhì)以粗碎屑、泥質(zhì)為主，結(jié)束了成煤過程[16]。

(2)第二段(J2y2)。沉積普遍，受后期沖刷剝蝕，在礦井西部地區(qū)保存不全，以河漫相沉積為主，巖性巖相變化較大。底部為一層厚度較大的中-粗粒砂巖，與第一段為界，巖性以深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與各種粒級的砂巖互層，夾炭質(zhì)泥巖及次要可采煤層(2號煤層)，巖層單層厚度較薄，層數(shù)較多，巖性以砂巖類為主。該段為一個完整的中級旋回，包括多個次級小旋回，旋回底部均為中-粗粒砂巖，上部為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部地段發(fā)育炭質(zhì)泥巖與薄煤層，砂質(zhì)巖含量最高達68.6%，總體來看呈現(xiàn)自下而上沉積物粒度變細的特點。

(3)第三段(J2y3)。受后期強烈剝蝕，在局部地段殘留，僅見于礦井東部低洼地帶，以堤岸亞相沉積為主。下部發(fā)育砂質(zhì)巖，上部發(fā)育泥質(zhì)巖，自下而上沉積物粒度變細的特點，含植物化石碎片，發(fā)育波狀層理、水平層理。砂巖中長石、石英含量較高，分選、磨圓度變差；泥巖中鋁質(zhì)含量增高，特別是頂部紫雜色的出現(xiàn)，標志著成煤環(huán)境的結(jié)束[17]。

2.2 沉積體系及沉積相

根據(jù)永隴礦區(qū)以往地質(zhì)資料研究成果，區(qū)內(nèi)為河流沉積體系的曲流河沉積[18]。發(fā)育的沉積相主要為河漫沼澤相沉積、河漫灘沉積以及堤岸沉積[19](圖1)。

圖1 典型鉆孔沉積序列圖Figure 1 Typical borehole sedimentary sequence diagram

①河漫沼澤相。巖性以粉砂巖、泥巖為主，夾煤層、煤線及炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖，含植物化石或碎片，含黃鐵礦結(jié)核，發(fā)育水平層理。

②河漫灘相。巖性以細砂巖、粉砂巖為主，底部為中-粗砂巖，上部為泥巖，夾薄煤層或煤線，含植物化石碎片，偶見方解石、菱鐵礦，局部鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，堅硬，總體呈自下而上粒度變細的特征，發(fā)育水平層理、斜層理、波狀層理。

③堤岸相。巖性中-粗砂巖、細砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，含黃鐵礦結(jié)核，總體呈自下而上粒度變細的特征，頂部見鋁質(zhì)泥巖，發(fā)育波狀層理、斜層理。

從垂向上來看，第一段以河漫沼澤相沉積為主，主要發(fā)育泥炭沼澤相、沼澤相、河漫灘相，自下而上為沉積粒度呈由細變粗的逆旋回，在該段的中上部形成了較穩(wěn)定較厚的3號煤；第二段以河漫灘相沉積為主，主要發(fā)育河漫灘相、邊灘相、沼澤-泥炭沼澤相，自下而上為發(fā)育兩個沉積粒度由粗變細的次級旋回，局部地段在該中部形成厚度較薄的局部可采2號煤層；第三段以堤岸相沉積為主，主要發(fā)育邊灘相、河漫灘相，個別地段形成1號煤，該段大部分區(qū)域遭受后期強烈剝蝕。

從平面上來看，區(qū)內(nèi)范圍較小，因此平面沉積相區(qū)配置比較單一。受古地形影響，總體而言礦井中部地區(qū)腹水最深，沉積物更厚、更細，沿東西走向，沉積特征及沉積相變不大，而沿南北向，向南向北沉積物變薄變粗，直至古隆起剝蝕區(qū)，變化較明顯[20]。

3 巖相古地理格局

據(jù)以往地質(zhì)資料及研究成果顯示，鄂爾多斯盆地延安組沉積時期為一個大的內(nèi)陸湖泊，黃隴侏羅紀煤田位于南部湖泊邊緣區(qū)[21]，而位于煤田南部的永隴礦區(qū)延安組的沉積環(huán)境為河流相沉積，以曲流河沉積為主[22-24]。

本文在收集礦井的鉆孔資料基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計延安組地層厚度、砂巖厚度、泥巖厚度、煤層厚度、砂泥巖厚度之比的數(shù)據(jù)，綜合分析并繪制各種單因素數(shù)據(jù)等值線圖，結(jié)合單井、連井沉積相展布，勾勒出各古地理單元展布，恢復(fù)含煤巖系沉積期的巖相古地理格局[25-27]。

延安組厚度分布在整體上來看，呈東西向條帶狀分布，南北薄中部厚的特征，最小厚度為0 m，最大厚度為95.58 m，主要沉積中心在礦井中東部地區(qū)的二、三盤區(qū)內(nèi)，厚度大于80 m，礦井以南為一近東西向隆起帶，北部地區(qū)呈環(huán)島狀隆起區(qū)，受后期剝蝕，上部地層保存不全，見圖2。

砂巖厚度在0～44.03 m，砂巖厚度較大的地區(qū)主要位于礦井東部地區(qū)的三盤區(qū)北翼和礦井中部地區(qū)二盤區(qū)內(nèi)，砂巖厚度可到達30 m以上。泥巖厚度在0～68.37 m，泥巖厚度較大的地區(qū)主要位于礦井中東部地區(qū)的一盤區(qū)西翼和二盤區(qū)內(nèi)，泥巖厚度可達到50 m以上。砂巖與泥巖的厚度變化趨勢和地層厚度變化趨勢總體上一致，但砂巖厚區(qū)偏東，而泥巖厚區(qū)偏西。砂泥巖厚度比值總體來看不大，東部砂泥巖比值比西部略高，最大值為6.31，砂泥比值大于3的區(qū)域為于礦井中部一盤區(qū)西翼和二盤區(qū)內(nèi)基本呈孤島狀分布，見圖3。

通過對延安組厚度、砂巖厚度、泥巖厚度、砂泥厚度比值等因素的綜合分析研究了巖相古地理特征，見圖4。古隆起區(qū)位于礦井南部和北部，南部古隆起呈東西帶狀分布，北部古隆起呈孤島狀分布，古隆起區(qū)未接受延安組沉積；礦井大部分地區(qū)為河漫沼澤相沉積，巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，煤層發(fā)育較厚、較穩(wěn)定，含夾矸少，砂泥比值較??；礦井東部發(fā)育河漫灘相沉積，細砂巖、粉砂巖、泥巖互層，發(fā)育煤層，煤層上部含夾矸，部分出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，砂泥比值較高；中部地區(qū)的古洼地水體較深，發(fā)育河漫湖泊相沉積，延安組地層沉積厚、煤層發(fā)育厚、穩(wěn)定，基本不含夾矸，砂泥比值最小；在古隆起與河漫沼澤過渡區(qū)域發(fā)育沖積帶沉積，地層沉積較薄，砂巖、泥巖互層，砂泥比值中等，基本不含煤或含煤線。

4 聚煤規(guī)律特征

區(qū)內(nèi)延安組共劃分為3個含煤段，每段各發(fā)育1個煤組，各煤組在平面上均有不同程度的分岔與合并，共含煤8層，其中2煤層為局部可采煤層、3煤層為大部可采煤層。煤層累計總厚度在0.55～29.40 m，平均厚度12.76 m，含煤系數(shù)較高，在1.71%～58.94 %，平均達26.31 %。其中3號煤層分布最廣、發(fā)育最厚，厚度在0.55～26.83 m，平均厚度11.88 m，屬特厚煤層，為區(qū)內(nèi)唯一的主要可采煤層。區(qū)內(nèi)含煤性明顯受構(gòu)造及煤層沉積前的古地形控制，煤層厚度與含煤地層的發(fā)育厚度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。在古隆起區(qū)一般無煤系或煤層發(fā)育，靠近隆起部位，煤系沉積一般較薄，煤層亦明顯變薄，且一般只發(fā)育3號煤層，而煤系較厚區(qū)域，多發(fā)育兩層煤，3煤層也明顯增厚。

圖2 延安組地層厚度等值線圖Figure 2 Isogram of Yan’an Formation strata thickness

圖3 延安組砂泥厚度比等值線圖Figure 3 Isogram of Yan’an Formation sandstone/mudstone thickness ratio

圖4 延安組巖相古地理圖Figure 4 Yan’an Formation lithofacies-paleogeographical map

兩亭背斜軸部東端伸入郭家河礦井內(nèi)，其上不發(fā)育延安組及煤層，菜子溝-丈八溝向斜部位，煤層厚度在15.20～27.90m，含煤系數(shù)在30%～59%，南北兩側(cè)含煤性變較差，煤層較薄，厚度多在2～5m。富煤帶分布在礦井中部的菜子溝-丈八溝向斜部位。

從巖相古地理格局來看，根據(jù)沉積環(huán)境變化，沉積相具有沉積環(huán)帶狀特征，劃分為三個含煤性地帶，分別為富煤帶(厚煤區(qū))、穩(wěn)定聚煤區(qū)和含煤過渡帶，見圖5。富煤帶(厚煤區(qū))：主要發(fā)育在礦井中部二盤區(qū)內(nèi)的向斜古洼地河漫湖泊區(qū)域，煤層最厚，結(jié)構(gòu)簡單；穩(wěn)定聚煤區(qū)：分布在礦井大部區(qū)域的一盤區(qū)、二盤區(qū)南部和三盤區(qū)西部的河漫沼澤及礦井東部的河漫灘，煤層發(fā)育較厚較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較單一，且位于礦井東部三盤區(qū)的河漫灘部位，煤層有分叉現(xiàn)象；含煤過渡帶：位于在古隆起與河漫沼澤的過渡帶沖積相區(qū)，煤層變薄至不可采，甚至尖滅。

從剖面上來看，礦井中部含煤地層、煤層較厚，向南部古隆起(兩亭背斜)方向逐漸變薄至尖滅；向北礦權(quán)邊界亦有變薄之勢，見圖6。

圖5 延安組聚煤規(guī)律圖Figure 5 Yan’an Formation coal accumulation pattern

圖6 3號煤傾向(N-S)沉積斷面示意圖Figure 6 Coal No.3 dip (N-S) sedimentary schematic section

圖7 礦井一盤區(qū)勘探階段(a)與本次精細解釋與古地理綜合研究成果(b)對比圖Figure 7 Comparison of coalmine panel No.1 in exploration stage (a) and this time fine interpreted and paleogeographical comprehensively studied results (b)

5 采前預(yù)測

研究區(qū)內(nèi)整體上來看，含煤過渡帶內(nèi)的煤層厚度最不穩(wěn)定，煤層薄且變化大、快。在古隆起的“山溝”處，地勢梯度小，含煤過渡帶內(nèi)煤層厚度變化小且慢，相對較穩(wěn)定。在古隆起的“山脊”處，地勢梯度大，含煤過渡帶周邊的煤層厚度變化較大，煤層穩(wěn)定性、連續(xù)性較差，對礦井工作面開采帶來較大影響。

郭家河煤礦一盤區(qū)1307工作面在巷道掘進過程中，向東行進約1 090m時，煤層變薄至尖滅，對掘進帶來很大影響。僅據(jù)周邊勘探階段的施工鉆孔所揭露煤層厚度來看，鉆孔之間的煤層厚度在該處變化不大，而從鉆孔地層巖性分析來看，砂泥比值變高；據(jù)三維地震的第一次解釋成果顯示，該處發(fā)育背斜，煤層會變?。欢ぷ髅嫦锏谰蜻M至此處時發(fā)現(xiàn)煤層變薄消失；通過本次三維地震的二次解釋，結(jié)合周邊鉆孔資料以及巷道掘進地質(zhì)資料，綜合分析認為，該處為古隆起，且與南部大型古隆起相連通，形成無煤區(qū)。從古地形來看，其為南部大型古隆起向北東向延伸的“山脊”部位，詳見圖7。

一盤區(qū)1302工作面向西約800m處，據(jù)鉆孔揭露地質(zhì)資料及三維地震的第一次解釋成果顯示， 該處發(fā)育背斜，煤層會變??；經(jīng)過本次三維地震的二次精細解釋，北部古隆起向南延伸，在工作面形成小面積的無煤區(qū)；而工作面巷道掘進至此處時確實發(fā)現(xiàn)煤層變薄消失，向前繼續(xù)掘進約200m后，煤層出現(xiàn)且逐漸變厚至穩(wěn)定。

礦井一盤區(qū)與二盤區(qū)相鄰的北部邊界鉆孔G6-2處，據(jù)鉆孔揭露地質(zhì)資料顯示，該孔為無煤孔，亦無含煤巖系沉積，而其以北鄰近不到500m的鉆孔均為見煤孔，煤厚5.30～6.85m，繼續(xù)向北為一古隆起。地質(zhì)勘探階段時，據(jù)鉆孔地質(zhì)資料揭露及三維地震的第一次解釋成果綜合分析，認為G6-2處的無煤區(qū)為一獨立的小型古隆起，周邊煤層變薄，但與其北部古隆起尚未聯(lián)通；通過分析這兩見煤鉆孔含煤巖系巖性，該處砂泥巖比值較高，經(jīng)過本次三維地震的二次精細解釋，綜合分析認為G6-2孔處無煤區(qū)為其北部古隆起向南延伸的“山脊”部位，致使周邊含煤巖系及煤層厚度變化較快。

根據(jù)巖相古地理格局及沉積特征，結(jié)合礦井實際生產(chǎn)案例綜合分析，預(yù)測在二盤區(qū)南部、北部位于古隆起的“山脊”處的含煤過渡帶，煤層薄且變化大，出現(xiàn)類似于一盤區(qū)1307工作面無煤區(qū)的可能性較大。因此，要重點加強該處的三維地震資料解釋以及鉆探資料的綜合分析，提前為礦井工作面的掘進和生產(chǎn)做好預(yù)測預(yù)報工作。

6 結(jié)論

① 礦井大部分地區(qū)為河漫沼澤相沉積；東部發(fā)育河漫灘相沉積；中部地區(qū)的古洼地水體較深，發(fā)育河漫湖泊相沉積；在古隆起與河漫沼澤過渡區(qū)域發(fā)育沖積帶沉積。

② 根據(jù)沉積環(huán)境變化，沉積相具有沉積環(huán)帶狀特征，劃分為三個含煤性地帶，分別為富煤帶(厚煤區(qū))、穩(wěn)定聚煤區(qū)和含煤過渡帶。

③ 預(yù)測在二盤區(qū)南部、北部位于古隆起的“山脊”處的含煤過渡帶，煤層薄且變化大，出現(xiàn)類似于一盤區(qū)1307工作面無煤區(qū)的可能性較大。因此，要重點加強該處的三維地震資料解釋以及鉆探資料的綜合分析，提前為礦井工作面的掘進和生產(chǎn)做好預(yù)測預(yù)報工作。