司馬煤礦太原組下段成煤環(huán)境分析

楊連超

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 地質(zhì)辦,山西 襄垣 046200)

司馬煤礦位于沁水煤田東段中部的潞安礦區(qū),隸屬于山西省長(zhǎng)治市上黨區(qū)蘇店鎮(zhèn),礦區(qū)面積29.6 km2。該礦太原組下段發(fā)育14、15號(hào)2層可采煤層,是太原組最重要的含煤層段。

盡管邵龍義等[1]曾對(duì)晉東南沁水盆地石炭二疊紀(jì)含煤巖系古地理及聚煤作用進(jìn)行過宏觀研究,隨后楊利芳等[2]又對(duì)潞安礦區(qū)山西組的成煤環(huán)境進(jìn)行了進(jìn)一步研究,但是關(guān)于潞安礦區(qū)太原組(尤其是該組下段)成煤環(huán)境的專門性研究卻沒有。本文通過收集司馬煤礦以往52個(gè)鉆孔地層柱狀圖資料,綜合分析太原組下段的巖性、沉積構(gòu)造、動(dòng)植物化石等沉積特征,劃分沉積相類型并確定各類沉積相的平面分布范圍,結(jié)合層序地層學(xué)理論劃分層序級(jí)次,對(duì)該段的成煤環(huán)境進(jìn)行了精細(xì)研究,并從煤層賦存、硫分、水文地質(zhì)等方面討論了成煤環(huán)境對(duì)開采的影響,對(duì)該礦未來開采14、15號(hào)煤層具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 沉積特征分析

沁水盆地太原組之下段,又稱“一段”“K1段”,后又有專家學(xué)者將其命名為“Ⅰ煤段”[3]。該段的底界為K1砂巖(或相當(dāng)層位)之底,與下伏的上石炭統(tǒng)本溪組呈整合接觸,頂界為太原組K2灰?guī)r之底。根據(jù)以往鉆孔資料,井田內(nèi)該段平均厚17.62 m,發(fā)育2層可采煤層(14、15號(hào)煤層),是太原組最重要的含煤層段。

1.1 巖性特征

該段巖性主要為灰白色、灰色、深灰色砂巖,灰色、深灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖,深灰色、灰黑色泥灰?guī)r以及煤層。底部K1砂巖(第1層)厚0.50～7.25 m,平均3.15 m。巖性以中厚層狀細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主(如18-2鉆孔),個(gè)別鉆孔可見粗粒砂巖、中粒砂巖;成分以石英為主,硅質(zhì)膠結(jié),分選性、磨圓度中等。K1砂巖在井田內(nèi)普遍發(fā)育,僅個(gè)別鉆孔未鉆遇,推測(cè)其相變?yōu)槟鄮r(如22-3、22-4鉆孔)或砂質(zhì)泥巖。K1砂巖頂至15號(hào)煤層底之間的地層(第2層)平均厚4.98 m。巖性有時(shí)較為單一,為中厚層狀泥巖(如18-2鉆孔)或厚層狀鋁土質(zhì)泥巖(如20-2鉆孔),有時(shí)發(fā)育多種巖性,如泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂巖(如21-1、21-2鉆孔)。該層位發(fā)育大量的菱鐵礦鮞粒或菱鐵礦結(jié)核,局部菱鐵礦結(jié)核呈條帶狀富集(如22-4鉆孔)。15號(hào)煤層(第3層)厚3.20～6.70 m,平均4.43 m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—復(fù)雜,含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～6層,一般為2～3層,屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。15號(hào)煤頂至14號(hào)煤層底之間的地層(第4層)平均厚4.08 m,巖性有時(shí)較為單一,為中厚層狀泥巖(如21-1、22-4鉆孔)或泥灰?guī)r(如22-3鉆孔),有時(shí)為泥巖夾泥灰?guī)r(如18-2、20-2、21-2鉆孔)。該層中的泥灰?guī)r,俗稱K2下灰?guī)r,層位不如K2灰?guī)r穩(wěn)定,一般呈透鏡狀產(chǎn)出。與第2層相似,該層也發(fā)育較為豐富的菱鐵礦結(jié)核。14號(hào)煤層(第5層)厚0.60～3.05 m,平均0.98 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不含夾矸,屬大部可采的較穩(wěn)定煤層。該煤層一般直接下伏于K2灰?guī)r,偶見二者之間發(fā)育薄層炭質(zhì)泥巖。

1.2 沉積構(gòu)造特征

1.2.1層理構(gòu)造

根據(jù)鉆孔描述,該段發(fā)育的層理構(gòu)造包括交錯(cuò)層理、正粒序?qū)永怼⑺綄永?、透鏡狀層理。

1)交錯(cuò)層理:見于第1層的細(xì)粒砂巖(18-2、21-1鉆孔)、粉砂巖(18-2鉆孔)中，反映了較強(qiáng)的水動(dòng)力條件。

2)正粒序?qū)永?見于第2層。21-2鉆孔第2層中有一層厚0.70 m的粉砂巖,其底部為細(xì)粒砂巖,反映了砂巖沉積時(shí)的正粒序特征。

3)水平層理:見于第2、4層。在泥巖(18-2、20-2、21-2鉆孔)、泥灰?guī)r(20-2、21-2鉆孔)、粉砂巖(21-1鉆孔)中均有發(fā)育，反映了較弱水動(dòng)力條件。

4)透鏡狀層理:見于第2層。如21-2鉆孔15號(hào)煤層直接底為0.92 m的灰黑色泥巖夾粉砂巖透鏡體。反映了泥質(zhì)供給多、砂質(zhì)供給少的沉積環(huán)境。

1.2.2化學(xué)成因構(gòu)造

根據(jù)鉆孔描述,該段常見的化學(xué)成因構(gòu)造有菱鐵礦鮞粒、菱鐵礦結(jié)核以及黃鐵礦結(jié)核等。其中,菱鐵礦鮞粒及結(jié)核,是潟湖相沉積的典型代表,反映其形成于還原環(huán)境;黃鐵礦一般認(rèn)為是與微生物參與的甲烷厭氧氧化反應(yīng)和硫酸根還原反應(yīng)共同作用的產(chǎn)物[4],指示強(qiáng)還原環(huán)境。

根據(jù)鉆孔描述及硫分測(cè)試結(jié)果,該段14、15號(hào)煤層普遍發(fā)育有黃鐵礦結(jié)核。該段煤層硫分測(cè)試結(jié)果:14號(hào)煤層原煤硫分為1.07%～7.71%,平均3.42%;15號(hào)煤層原煤硫分為1.94%～8.68%,平均5.10%;14、15號(hào)煤層硫分均以硫化鐵硫?yàn)橹?有機(jī)硫次之,硫酸鹽硫最少。這些都直接反映了14、15號(hào)煤層形成于強(qiáng)還原環(huán)境。

1.3 動(dòng)、植物化石特征

根據(jù)鉆孔資料,該段煤層底板(巖性包括泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂巖)可見大量的植物化石碎片,且向上越靠近煤層,植物化石碎片的含量越高。此外,在第4層的泥灰?guī)r中,可見已碳化的腕足類等動(dòng)物化石碎片。

在司馬煤礦東南方向約50 km的陵川縣附城鎮(zhèn)松窯溝剖面(即晉東南地區(qū)太原組標(biāo)準(zhǔn)剖面),本人曾在該段相當(dāng)層位發(fā)掘了輪葉、楔葉、蘆木、櫛羊齒、脈羊齒等植物葉片和莖干化石。這些節(jié)蕨植物、真蕨植物、種子蕨植物在石炭-二疊紀(jì)最為繁盛,與石松植物門一起構(gòu)成晚古生代植物群,是晚古生代石炭-二疊紀(jì)的重要造煤植物[5]。上述植物的繁盛為該段14、15號(hào)煤層的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 沉積相劃分

綜合以上沉積特征,本次將司馬煤礦太原組下段劃分出障壁島(砂壩)、潟湖、潮坪等3種沉積相,在潮坪相中識(shí)別出泥坪和泥炭坪等2種亞相(見圖1)。

1)障壁島(砂壩)相:見于第1層。巖性以灰色中厚層狀細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主,有時(shí)為粗粒砂巖或中粒砂巖,多為硅質(zhì)膠結(jié)。發(fā)育交錯(cuò)層理。根據(jù)52個(gè)鉆孔中K1砂巖的厚度資料,本次繪制了司馬煤礦K1砂巖厚度等值線圖(圖2)。從圖上看,井田大部分范圍發(fā)育有障壁島(砂壩),其中厚度較大的區(qū)域(如補(bǔ)-6、補(bǔ)-7、1905、20-3、2105等鉆孔處)為障壁島相區(qū),厚度相對(duì)較小的區(qū)域?yàn)樯皦蜗鄥^(qū)。

2)潟湖相:見于第2、4層。巖性以泥巖、鋁土質(zhì)泥巖為主,有時(shí)可見粉砂巖、泥灰?guī)r。發(fā)育水平層理、透鏡狀層理,常見菱鐵礦結(jié)核或鮞粒。常見動(dòng)植物化石碎片。因所有鉆孔均發(fā)育有第2、4層,所以該相區(qū)在全井田廣泛分布。

3)潮坪相:見于第3、5層。在潮坪中,以15、14號(hào)煤層為代表的泥炭坪亞相較易識(shí)別。此外,在21-2、22-3鉆孔的第2層頂部,本次還識(shí)別出泥坪亞相,巖性為灰黑色薄層狀泥巖,厚度均不足1 m,見大量植物化石碎片,具水平層理,有時(shí)夾粉砂巖透鏡體并呈現(xiàn)透鏡狀層理(21-2鉆孔)。因所有鉆孔均發(fā)育有14、15號(hào)煤層,所以該相區(qū)在全井田廣泛分布。

3 層序劃分

目前,絕大多數(shù)成果[6-9]將沁水盆地太原組地層劃分為一個(gè)三級(jí)層序,同時(shí)又將太原組再細(xì)分出若干個(gè)四級(jí)層序。本次對(duì)司馬煤礦太原組下段進(jìn)行層序劃分采用該主流劃分方案。

對(duì)該段進(jìn)行四級(jí)層序細(xì)分,關(guān)鍵在于確定四級(jí)層序的界面。在障壁—潟湖及濱外碳酸鹽陸棚沉積背景下,由于缺乏河道下切所形成的下切谷充填砂巖,所以四級(jí)層序界面經(jīng)常與海侵面重疊,這樣的面可以是代表陸上暴露的古土壤層(煤層底板根土巖),也可以是沒有暴露但是表現(xiàn)出由深到淺、再由淺到深的沉積相轉(zhuǎn)換面[6]。據(jù)此,本次分別以K1砂巖、15號(hào)煤層、14號(hào)煤層之底,將該段劃分為S1、S2、S3等3個(gè)四級(jí)層序(圖1),將每個(gè)四級(jí)層序又細(xì)分為海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)。其中,S3層序的海侵體系域沉積為14號(hào)煤層及其上的泥巖或炭質(zhì)泥巖,位于本段的頂部;高位體系域沉積為K2灰?guī)r及13號(hào)煤層之下的砂、泥巖沉積,不在本段?？梢?司馬煤礦14、15號(hào)煤層均形成于四級(jí)層序中的海侵體系域。

4 成煤環(huán)境分析

自下而上,司馬煤礦太原組下段依次經(jīng)歷了障壁島(砂壩)—潟湖—潮坪—潟湖—潮坪等環(huán)境變化,先后發(fā)育了S1、S2、S3等3個(gè)四級(jí)層序。相應(yīng)地,水深依次經(jīng)歷了淺-深-淺-深-淺等震蕩變化。參照王保玉等提出的太原組3種聚煤環(huán)境模式[3],從沉積序列上分析,司馬煤礦太原組下段的成煤環(huán)境屬于“島湖潮坪聚煤模式”,14、15號(hào)煤層均形成于潟湖之上的潮坪(泥炭坪)環(huán)境,且該泥炭坪屬于“潟湖后泥炭坪”。與之相關(guān)的潟湖和障壁島(砂壩),存在于該礦的東南方向。

晚石炭世-早二疊世,華北地臺(tái)由“南升北降”變?yōu)椤氨鄙辖怠?海侵方向由原來的北東方向變?yōu)槟蠔|方向。目前普遍認(rèn)為,在沁水盆地這一構(gòu)造面轉(zhuǎn)換發(fā)生于太原組下段15號(hào)煤層沉積時(shí)[6-10]。因此,司馬煤礦太原組下段地層跨越了這一特殊地質(zhì)歷史節(jié)點(diǎn),即在S1層序沉積時(shí)海水自北東方向侵入,自S2層序開始海水自南東方向侵入。在這一變化后的第一次海侵初期,泥炭堆積速率與海平面的抬升速率維持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的平衡,從而形成了巨厚的15號(hào)煤層。隨著海平面的持續(xù)上升至最大海泛面,代表潟湖環(huán)境的K2下灰?guī)r、鋁土質(zhì)泥巖等開始沉積。第二次海侵初期,泥炭堆積速率與海平面的抬升速率維持平衡的時(shí)間較短,因此14號(hào)煤層雖然層位穩(wěn)定但厚度較薄。在海平面上升至最大海泛面后,K2灰?guī)r開始沉積,沉積環(huán)境由泥炭坪過渡為碳酸鹽巖開闊臺(tái)地。至此,太原組下段聚煤環(huán)境結(jié)束。

圖1 司馬煤礦太原組下段沉積相和層序劃分圖Fig.1 Sedimentary facies and sequence division of the lower section of Taiyuan Formation in Sima Coal Mine

圖2 司馬煤礦K1砂巖厚度等值線圖Fig.2 Thickness contour map of K1 sandstone in Sima Coal Mine

5 成煤環(huán)境對(duì)開采的影響

1)煤層賦存:因均形成于潟湖后泥炭坪,14、15號(hào)煤層分布面積廣,層位穩(wěn)定,大多數(shù)可采。加之二者間距較小(平均4.08 m),這有利于上下煤層聯(lián)合開采,但需注意上下采煤工作面的合理錯(cuò)距。

2)硫分:因均形成于障壁島—潟湖—潮坪環(huán)境下的海侵體系域,14、15號(hào)煤層的平均原煤硫分均大于3%,屬于高硫煤,應(yīng)注意與低硫煤層配采或與低硫原煤進(jìn)行配煤。

3)水文地質(zhì):因煤層底板以下地層以潟湖相的泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖為主,加之本溪組地層也多以潟湖相的泥巖類為主,這些巖石類型能夠起到很好的阻隔水作用,但總體上該隔水層厚度較小(11.40～35.02 m,平均18.57 m),且該礦存在帶壓開采問題,應(yīng)特別注意防范底板奧灰含水層突水。

6 結(jié)論

1)在該段識(shí)別出障壁島(砂壩)、潟湖、潮坪3種沉積相和泥坪、泥炭坪2種亞相。潟湖和潮坪相區(qū)廣布于全井田,障壁島(砂壩)相區(qū)分布于井田的大部分范圍。

2)將該段細(xì)分為S1、S2、S3等3個(gè)四級(jí)層序、3個(gè)海侵體系域(TST)以及2個(gè)高位體系域(HST)。14、15號(hào)煤層均形成于海侵體系域。

3)該段成煤環(huán)境屬于“島湖潮坪聚煤模式”,14、15號(hào)煤層形成于“潟湖后泥炭坪”。

4)建議上下煤層聯(lián)合開采，同時(shí)注意合理錯(cuò)距、采用配采或配煤以降低原煤硫分，注意防范奧灰含水層突水。