湖南龍?zhí)睹合稻勖禾卣鲄?shù)研究

劉海波, 劉石磊, 武志偉

(湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南湘潭 411104)

聚煤規(guī)律研究對(duì)煤田地質(zhì)勘探、煤礦安全生產(chǎn)布局等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

龍?zhí)睹合凳呛戏植甲顝V泛的含煤巖系，除了江南、雪峰等幾個(gè)古陸外，其它地區(qū)均有分布。龍?zhí)睹合颠€是省內(nèi)煤炭資源儲(chǔ)量最為豐富的含煤巖系，其資源儲(chǔ)量超過中生代安源煤系、上石炭統(tǒng)測水煤系等的總量。因?yàn)槔脙r(jià)值大，上二疊統(tǒng)龍?zhí)睹合凳艿搅藦V泛關(guān)注和高度重視，無論是煤系地層本身、還是其所含煤層、甚至于煤系氣等等都受了深入的研究[1-5]。

采用統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合作圖方法研究湖南龍?zhí)睹合稻勖禾卣鞯慕?jīng)典技術(shù)參數(shù)，難以量化分析聚煤作用在層序上的變化特征。層碼值被提出并用于統(tǒng)計(jì)分析煤層在層序上的分布規(guī)律。層碼值不僅補(bǔ)充了聚煤規(guī)律研究的技術(shù)參數(shù)，更利于量化分析煤層在層序上的分布和變化特征。

1 地層

湖南龍?zhí)睹合当４嬖谌∩习賯€(gè)各類向斜之中，其中規(guī)模較大的、具有一定開發(fā)價(jià)值且形成礦區(qū)的、共有66個(gè)(圖1)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，開發(fā)強(qiáng)度最大的2008年全省共有668對(duì)礦井開發(fā)龍?zhí)睹合怠?/p>

圖1 龍?zhí)睹合档牡V區(qū)分布

湖南龍?zhí)睹合岛穸茸兓?。湘東南龍?zhí)睹合岛襁_(dá)數(shù)百米，甚至超千米；而湘西北相當(dāng)于龍?zhí)睹合档膮羌移航M辰溪段一般僅有數(shù)米厚。礦區(qū)平均厚度等值線圖(圖2)顯示，湘東南龍?zhí)睹合岛穸却螅鞅辈恐饾u變薄。龍?zhí)睹合邓簩訑?shù)亦由東南向西北減少，湘東、湘南龍?zhí)睹合低?0層左右，甚至超20層；而湘西、湘北相當(dāng)于龍?zhí)睹合档某较蝺H含煤1層，即8煤。

圖2 龍?zhí)睹合党练e厚度及砂泥比值等值線

按沉積物特征，湖南龍?zhí)睹合荡笾驴梢苑譃槿齻€(gè)區(qū)域[6-11]。

1.1 湘西北桑石、黔敘煤田區(qū)

包括桑石、黔敘兩個(gè)煤田。

湘北桑石煤田內(nèi)，相當(dāng)于龍?zhí)睹合档牡貙訛閰羌移航M辰溪段。辰溪段與其下伏茅口組之間呈假整合，假整合面凹凸不平。面上即為辰溪段下部，由風(fēng)化后呈磚紅-黃褐色的灰白色、灰綠色鋁土質(zhì)泥巖，或夾雜色泥巖及其上覆的8煤層組成，厚約數(shù)米，常不穩(wěn)定。慈利往東，辰溪段下部相變?yōu)楣栀|(zhì)、鈣質(zhì)、鋁質(zhì)泥巖互層；更東至澧縣，已相變?yōu)槟嗷規(guī)r夾硅質(zhì)、鈣質(zhì)泥巖、長石石英砂巖。辰溪段上部為灰?guī)r段，由深灰色中—厚層狀石灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，厚數(shù)十米。

湘西黔溆煤田內(nèi)，辰溪段、茅口組之間呈假整合接觸。假整合面上的辰溪段類似湘北桑石煤田，由鋁土泥巖及上覆的8煤組成；不同之處是泥巖富含黃鐵礦，且部分地段常夾細(xì)碎屑巖，底部常含下伏地層的巖溶角礫，從而相變?yōu)楹[鋁土質(zhì)泥巖。

1.2 湘中韶山煤田區(qū)

包括韶山煤田及漣邵煤田北部。

區(qū)內(nèi)，龍?zhí)睹合蹬c其下伏茅口組之間呈假整合。假整合面上的龍?zhí)睹合涤苫疑皫r、細(xì)砂巖，以及黑色泥巖夾煤層組成；其底部常含下伏地層的巖溶角礫或古風(fēng)化殼黏土層。如圖2所示，本區(qū)南部的龍?zhí)睹合岛窦s100m，往北減小至20m左右，局部可能薄至10m。沉積物的砂泥比值最低處于本區(qū)中部，約0.1。往北增加較慢，如靠近江南古陸的煤炭壩、山口官渡礦區(qū)也多為0.2～0.3；但往南、往東增加迅速，至漣源—湘潭—醴陵一線以南，砂泥比值基本上都在1.0以上。

1.3 湘中—湘南區(qū)

包括郴耒、資汝煤田及漣邵煤田南部。

本區(qū)是省內(nèi)龍?zhí)睹合底顬榘l(fā)育的區(qū)域，可將區(qū)內(nèi)龍?zhí)睹合祫澐譃椴缓旱南露魏秃旱纳隙?。下部不含煤段由灰白色石英砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖組成，厚度在200m左右，主要沉積在數(shù)個(gè)洼陷區(qū)。含煤段由灰白色砂巖、灰色細(xì)砂巖，以及黑色泥巖夾煤層組成，但分布較下部不含煤段廣泛、且厚度較穩(wěn)定。區(qū)內(nèi)龍?zhí)睹合岛穸纫话阍?00m左右。往東北，厚度增大，如攸縣一帶超過300m；往西南變薄，如邵陽—常寧一帶的西南區(qū)域小于100m。本區(qū)東、北部的砂泥比值大于1.0，往西南部低于1.0，至新寧—東安一帶甚至低于0.5。

2 經(jīng)典參數(shù)分析

含煤系數(shù)、煤層厚度[12-16]等經(jīng)典技術(shù)參數(shù)的研究表明，湖南龍?zhí)睹合岛合禂?shù)由東南向西北逐漸增加；含煤總層數(shù)、可采煤總層數(shù)自東南向西北逐漸減少；主采煤層厚度和可采煤層累厚也是自東向西變薄的。

2.1 含煤層數(shù)

湖南龍?zhí)睹合岛簩訑?shù)變化較大，總層數(shù)在1～24層，可采煤層層數(shù)也在1～10層(圖3)。

圖3 含煤總層數(shù)分布

湘西北的桑石、黔溆煤田內(nèi)，相當(dāng)于龍?zhí)睹合档膮羌移航M辰溪段僅含煤1層，即8煤，為局部可采煤層。

湘中的韶山煤田內(nèi)，龍?zhí)睹合狄话愫?～8層，可采1～2層。韶山煤田中部的湘潭一帶，含煤3層，可采2層。往東至醴陵—瀏陽交界及其以東，含煤層數(shù)增至5層，可采2層。往北至寧鄉(xiāng)一帶僅含煤2層，可采1層。往南至株洲、湘潭一帶，所含煤層迅速增多，如譚家山礦區(qū)，煤層多達(dá)8層，可采3層?？傊厣矫禾锓秶鷥?nèi)，龍?zhí)睹合邓簩涌倢訑?shù)、可采層數(shù)均是往東南增加，往西北減少。

漣邵煤田一般含煤2～7層，可采1～4層。其規(guī)律是靠近龍山隆起帶，煤層層數(shù)較多，如牛馬司礦區(qū)多達(dá)7層，可采2層；短陂橋礦區(qū)含煤6層，可采2層。往南，煤層層數(shù)迅速減少到3～4層，可采1～2層。越過龍山隆起帶往北，含煤層數(shù)亦減少，如斗笠山礦區(qū)南部含煤層數(shù)多達(dá)4層，而該礦區(qū)的北部減少至2層，但煤層厚度比南部要穩(wěn)定。

郴耒—資汝煤田一般含煤5～20層，可采3～10層。東北部的攸縣至醴陵一帶，含煤10層以上，攸縣以東的少數(shù)礦區(qū)如黃豐橋、界化垅礦區(qū)甚至多達(dá)到20層以上，可采3～5層，甚至多達(dá)10層。往西南，層數(shù)減少，至常寧一帶多含煤5層，可采3～4層。往東南至耒陽—郴州一帶，含煤7層，可采2～5層，更東南至宜章，又增至10層以上，如梅田礦區(qū)達(dá)到13層，可采4～6層。

總體而言，省內(nèi)龍?zhí)睹合岛簩訑?shù)、可采層數(shù)均是東南部多，往西北逐漸減少，至湘北桑石煤田、湘西黔溆煤田一帶往往只含1層煤。

2.2 含煤系數(shù)

本次采用礦區(qū)可采含煤系數(shù)，即每個(gè)礦區(qū)全部可采煤層的累厚與龍?zhí)睹合悼偤穸鹊谋戎?，來分析湖南龍?zhí)睹合岛合禂?shù)的特征。省內(nèi)龍?zhí)睹合悼刹珊合禂?shù)變化極大為0.4%～25%(圖4)。黔溆煤田的沅陵礦區(qū)，辰溪段由下部3m左右的鋁土泥巖和其上1m左右的8煤組成，其含煤系數(shù)高達(dá)25%，是省內(nèi)含煤系數(shù)最高值。

圖4 含煤系數(shù)等值線

桑石、黔溆煤田，相當(dāng)于龍?zhí)睹合档某较斡上虏繑?shù)米厚的鋁土泥巖及其上覆的8煤組成，這使得區(qū)內(nèi)含煤系數(shù)多達(dá)10%以上。但桑石煤田往東，隨著辰溪段海相沉積物增多，8煤層變薄，含煤系數(shù)逐漸降低。

韶山煤田內(nèi)，含煤系數(shù)為5%～10%。往南，含煤系數(shù)逐漸降低，至湘潭以南，已經(jīng)低于5%；往北，逐漸增高，如寧鄉(xiāng)煤炭壩礦區(qū)高達(dá)13.8%?？傊?，由北往南,區(qū)內(nèi)含煤系數(shù)是逐漸降低的。

漣邵煤田可采含煤系數(shù)也是由北往南逐漸降低，且其總體水平是全省最低的。漣邵煤田南部出現(xiàn)了全省僅有的低于1%的兩個(gè)礦區(qū)，即箍腳底礦區(qū)的0.9%和三比田礦區(qū)的0.4%。

郴耒煤田的含煤系數(shù)在2%左右,東部的大多低于2%,而西部的大多高于2%?？傮w變化趨勢(shì)是西高東低。

綜上所述，湖南龍?zhí)睹合悼刹珊合禂?shù)是東南部低，往西北逐漸增高。

2.3 煤層厚度

桑石和黔溆煤田范圍內(nèi)，相當(dāng)龍?zhí)睹合档膮羌移航M辰溪段只含8煤。8煤屬于局部可采煤層，僅在沅陵—辰溪一帶、桑植縣周邊的兩個(gè)局部地段發(fā)育較好，達(dá)到可采厚度，但其厚度也多是小于1m的。

韶山煤田范圍內(nèi)，西北部的主采煤層厚度大，往東南方向遞減(圖5)。但西北部可采煤層的累厚比較大，往東南方向是遞增的(圖6)。漣邵煤田的北部，無論是主采煤層厚度、還是可采煤層的累厚，都是往東南方向增加的。

圖5 主采煤層厚度等值線

漣邵煤田南部，主采煤層厚度、可采煤層累厚都是向南遞減的，至新寧—東安一帶已經(jīng)沒有可采價(jià)值的煤層了。

圖6 可采煤層累厚等值線

郴耒煤田中部是本省龍?zhí)睹合抵鞑擅簩雍穸茸畲蟮膮^(qū)域，往東、西兩側(cè)都變薄。但可采煤層累厚的最大厚度并非在中心區(qū)，而是中心區(qū)的周邊鄰近區(qū)域(圖6)；周邊區(qū)域再往東、西兩側(cè)又逐漸變薄。

總之，湖南龍?zhí)睹合档闹鞑擅簩雍穸?、可采煤層累厚均不在湘中盆地中心，而是位于盆地中心地帶的周邊環(huán)帶形鄰近區(qū)域，再往周邊的古陸靠近，煤層厚度逐漸變薄。

3 層碼值分析

層碼值是量化地層層序關(guān)系的指標(biāo),可用于分析聚煤作用在地層層序上的特征。

3.1 層碼值的基本概念

層碼值是層序號(hào)與層數(shù)的比值，即地層單元內(nèi)自下而上編排的巖層層序號(hào)與該地層單元內(nèi)巖層總數(shù)的比值。算式如下

(1)

式中：αi為i巖層的層碼值；n為i巖層所在地層單元內(nèi)全部巖層的總層數(shù)，n∈N+；i為由下而上編排的i巖層的層序號(hào)，i={1,2,3，…，n}(n∈N+)。

層碼值是量化巖層在其所在地層單元內(nèi)層序位置關(guān)系的指標(biāo)值。層碼值越小表明該巖層越靠近所在地層單元底部；層碼值越大說明該巖層越靠近所在地層單元頂部。

依據(jù)層碼值量化的對(duì)象不同，還可定義

相對(duì)層碼值：是量化特征巖層在同類巖層中的相對(duì)層序位置關(guān)系的指標(biāo)值；是地層單元內(nèi)自下而上給特征巖層(比如煤層)進(jìn)行排序后的該巖層層序號(hào)與該地層單元內(nèi)所有該類同類巖層總層數(shù)的比值。算式如下

(2)

式中：βj為j特征巖層的相對(duì)層碼值；m為地層單元內(nèi)同類特征巖層總層數(shù)；j為j層特征巖層在地層單元中的層序號(hào)。

層碼值是量化地層單元內(nèi)絕對(duì)層序位置的指標(biāo)、是唯一的。相對(duì)層碼值則是量化地層單元內(nèi)同類巖層中的相對(duì)層序位置的指標(biāo)、表征其歸屬于此類特征巖層中的層序位置屬性。地層單元內(nèi)特征巖層可以存在多種多類，相對(duì)層碼值也就具有多樣多重性。

顯然，層碼值、相對(duì)層碼值的全體數(shù)值集合都是各自構(gòu)成等差數(shù)列的；其公差為總層數(shù)的倒數(shù)。層碼值、相對(duì)層碼值的值域在0.0～1.0，且層碼值<相對(duì)層碼值。

3.2 主采煤層層碼值分析

1)主采煤層(絕對(duì))層碼值。是主采煤層在地層單元內(nèi)的層序號(hào)與所有煤巖層總數(shù)的比值；是主采層在整個(gè)地層單元內(nèi)層序位置關(guān)系的量化值。算式如下

(3)

式中：αi為主采煤層(絕對(duì))層碼值；n為地層單元內(nèi)全部煤巖層的總層數(shù)；i為主采煤層在整個(gè)地層單元內(nèi)自下而上編排的層序號(hào)。

依據(jù)式(3)，可求得湖南龍?zhí)睹合蹈鞯V區(qū)主采煤層的層碼值，并展繪成主采煤層(絕對(duì))層碼值分布圖(圖7)。

圖7 主采煤層層碼值分布

湖南龍?zhí)睹合蹈鞯V區(qū)主采煤層的層碼值變化較大，取值范圍在0.13～1.0，說明湖南龍?zhí)睹合档闹鞑擅簩涌煞植加诘貙訂卧撞恐另敳康母鱾€(gè)層序地層位置。層碼值小于0.5的礦區(qū)基本分布在盆地中心區(qū)域內(nèi)，往盆地邊緣，層碼值逐漸增加，至盆地邊緣有4個(gè)區(qū)域的主采煤層層碼值全部是大于0.5的。結(jié)果表明，湖南龍?zhí)睹合抵鞑擅簩訉哟a值自盆地中心向邊緣逐漸增加；說明主采煤層在龍?zhí)睹合抵械膶有蛭恢糜膳璧刂行南蜻吘壷饾u遷移。

2)主采煤層相對(duì)層碼值。主采煤層相對(duì)層碼值是主采煤層在地層單元內(nèi)的煤層排序號(hào)與煤層總數(shù)的比值；是主采煤層在所有煤層中的相對(duì)層序位置關(guān)系的量化值，算式如下

(4)

式中：βj為主采煤層相對(duì)層碼值；m為地層單元中全部煤層的總層數(shù)；i為主采煤層在所有煤層中的排序號(hào)。

據(jù)式(4)計(jì)算結(jié)果，可展繪湖南龍?zhí)睹合抵鞑擅簩酉鄬?duì)層碼值分布圖(圖8)。

圖8 主采煤層相對(duì)層碼值分布

湖南龍?zhí)睹合抵鞑擅簩酉鄬?duì)層碼值類似層碼值，其值小于0.5的礦區(qū)多分布在盆地中心，自中心向邊緣增加。說明主采煤層在龍?zhí)睹合邓忻簩拥南鄬?duì)層序位置，自盆地中心向邊緣逐漸遷移。

主采煤層層碼值、相對(duì)層碼值都表明湖南龍?zhí)睹合党练e環(huán)境變遷過程中，最佳聚煤環(huán)境由盆地中心向邊緣逐漸推進(jìn)。

3.3 可采煤層平均層碼值分析

1)可采煤層平均層碼值?？刹擅簩悠骄鶎哟a值是地層單元內(nèi)全部可采煤層(含主采煤層)的層碼值的平均值，是所有可采煤層在地層單元中的整體層序位置關(guān)系的量化值。算式如下

(5)

據(jù)式(5)計(jì)算結(jié)果，展繪成湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鶎哟a值分布圖(圖9)。

圖9 可采煤層平均層碼值分布

湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鶎哟a值為0.13～1.0，變化較大；但盆地中心區(qū)域內(nèi)，各個(gè)礦區(qū)可采煤層平均層碼值都小于0.5，往盆地邊緣逐漸增高，至盆地邊緣有3個(gè)區(qū)域的可采煤層平均層碼值都是大于0.5的。分別是龍山隆起周邊區(qū)域、靠近武夷古陸的湘東南區(qū)域、靠近江南石陸的湘中東區(qū)域。因此，湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鶎哟a值自盆地中心向邊緣逐漸增高；說明可采煤層在龍?zhí)睹合抵械恼w層序位置由盆地中心向邊緣逐漸遷移。

2)可采煤層的平均相對(duì)層碼值。是地層單元內(nèi)全部可采煤層(含主采煤層)的相對(duì)層碼值的平均值。算式如下

(6)

據(jù)式(6)計(jì)算結(jié)果，展繪成湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鄬?duì)層碼值分布圖(圖10)。

圖10 可采煤層平均相對(duì)層碼值分布

可采煤層的平均相對(duì)層碼值自盆地中心向邊緣是逐漸增高的，說明可采煤層相對(duì)于所有煤層的整體層序位置，由盆地中心向邊緣是逐漸向上遷移的。

可采煤層平均層碼值、平均相對(duì)層碼值都表明湖南龍?zhí)睹合党练e環(huán)境的變遷過程中，可采煤層的整體聚煤環(huán)境由盆地中心向邊緣逐漸推進(jìn)。

4 結(jié)論

經(jīng)典參數(shù)、輔以層碼值對(duì)湖南龍?zhí)睹合稻勖禾卣鞯姆治?，獲得以下主要認(rèn)識(shí)：

1)湖南境內(nèi)，龍?zhí)睹合悼刹珊合禂?shù)是由東南向西北逐漸增加；含煤總層數(shù)、可采總層數(shù)是自東南向西北逐漸減少；主采煤層厚度、可采煤層累厚自東向西變薄。

2)湖南龍?zhí)睹合稻勖号璧刂行膮^(qū)域的主采煤層層碼值、相對(duì)層碼值，以及可采煤層平均層碼值、平均相對(duì)層碼值多低于0.5，但這些參數(shù)值均往盆地邊緣增高，靠近邊緣有3、4個(gè)區(qū)域的這些層碼值高于0.5。

3)通過主采煤層層碼值、相對(duì)層碼值，以及可采煤層平均層碼值、平均相對(duì)層碼值的分析，證實(shí)湖南龍?zhí)睹合档木勖鹤罴循h(huán)境是由盆地中央向邊緣逐漸遷移的。