康蘇煤礦M7煤層煤厚變化特征及其控制因素分析

白 冰，牛 然，汪師逵

(1.鄭州煤電股份有限公司 蘆溝煤礦，河南 鄭州 452373;2.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450052;3. 山西羊頭嶺集團(tuán) 紅旗煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100)

煤礦智能化開采是我國煤炭工業(yè)化發(fā)展的必由之路，準(zhǔn)確預(yù)測和分析煤層厚度變化有利于實(shí)現(xiàn)煤礦智能化精準(zhǔn)開采。原生變化和后生變化對影響煤層厚度變化起著關(guān)鍵作用[1]。其中，原生變化主要包括地殼不均衡沉降、沉積環(huán)境、古地理?xiàng)l件等因素造成的煤層分叉、變薄[2-3]。后生變化主要指煤層形成后，古河流對煤層的沖刷、剝蝕，褶皺、斷裂及層滑構(gòu)造引起的煤層增厚或減薄，巖漿侵入對煤層厚度的影響等[4-6]。不同地區(qū)影響煤層厚度變化的因素不同，可能由一種或多種因素綜合作用。

康蘇煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)烏恰縣康蘇鎮(zhèn)內(nèi)，井田南北長3.1 km，東西寬2.6 km，主采煤層為M7煤層，煤礦生產(chǎn)規(guī)模為11 萬t/a，主要利用走向長臂一次全高綜合采煤法[7]。礦區(qū)經(jīng)歷了加里東期、海西期和喜山期共3次構(gòu)造運(yùn)動，井田地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層厚度變化較大。本次研究通過分析康蘇煤礦M7煤層賦存變化規(guī)律，查明其煤層厚度、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、穩(wěn)定性及其影響煤層厚度變化因素，對于煤炭高效清潔利用及煤礦安全生產(chǎn)具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 康蘇煤礦M7煤層煤厚變化規(guī)律

1.1 M7煤層煤厚變化特征

康蘇煤礦M7煤層位于侏羅系下統(tǒng)康蘇組頂部，為全區(qū)可采煤層，厚度為0.70～5.01 m，平均2.01 m，屬于中厚煤層，局部含夾矸1～2層，結(jié)構(gòu)較簡單，見圖1.該煤層共有18個(gè)鉆孔控制點(diǎn)，賦煤面積約為1.52×106m2，可采性指數(shù)為0.96，煤厚變異系數(shù)為55.2%，煤層厚度變化較大。煤層整體形態(tài)呈現(xiàn)為一寬緩向斜，向斜軸向南西傾伏，西翼走向300°、傾向180°、傾角25°；東翼走向160°、傾向225°、傾角40°.

圖1 M7煤層厚度直方圖

本次研究共收集18個(gè)見煤鉆孔點(diǎn)相關(guān)資料，據(jù)此繪制出M7煤層厚度等值線圖，見圖2.

圖2 M7煤層厚度等值線圖

由圖2可看出，M7煤層整體在礦區(qū)呈現(xiàn)南部和北部較薄，中間厚度大的趨勢。其中，M7煤層厚度最大的鉆孔V/ZK2位于F5斷層上盤，厚度達(dá)到5.01 m.

1.2 煤層結(jié)構(gòu)特征

在煤礦開采過程中經(jīng)常遇到夾矸對煤炭開采的影響，主要對中厚煤層影響較明顯。煤層中的夾矸厚度及發(fā)育程度常引起煤層發(fā)生分叉或疊置等特征現(xiàn)象，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易對工作面回采帶來一定的困擾。若在煤層回采工作面中發(fā)育煤層夾矸，會導(dǎo)致煤層大片冒頂、生產(chǎn)支架無法正常拉移等現(xiàn)象。另外，隨著煤層夾矸厚度的增加，破碎矸石的難度逐漸加劇。

根據(jù)煤層夾矸成因不同，煤層夾矸可分為原生夾矸和后生夾矸。原生夾矸主要指在煤層沉積時(shí)，沉積環(huán)境發(fā)生短暫的變化。不同夾矸巖性對已沉積煤層造成不同影響，一般情況下，當(dāng)夾矸巖性為砂巖時(shí)，下部煤層容易變薄，而泥巖夾矸對煤層厚度影響相對較小。后生夾矸主要由于構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致煤層頂?shù)装暹M(jìn)入煤層中，其影響范圍受構(gòu)造作用控制。煤層夾矸厚度并不會直接影響煤層厚度，煤層夾矸在沉積后，部分沉積區(qū)域重新恢復(fù)沼澤環(huán)境，進(jìn)一步進(jìn)行泥炭的堆積和成煤作用，而此時(shí)的成煤環(huán)境及頂板巖性決定了煤層的厚度[8]。

康蘇煤礦M7煤層結(jié)構(gòu)較簡單，根據(jù)18個(gè)勘探見煤鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)13個(gè)鉆孔含有夾矸，一般含1～2層，其中V/ZK1鉆孔中鉆遇4層夾矸，夾矸累計(jì)厚度為0.15～2.22 m，平均厚度為0.86 m.根據(jù)井下現(xiàn)場實(shí)地觀察，M7煤層上部為光亮型煤，下部稍暗，為半亮-光亮型煤；上部多為均一結(jié)構(gòu)和條帶狀結(jié)構(gòu)，下部多為條帶狀和線理-條帶狀結(jié)構(gòu)，總體上條帶清晰明顯；煤體手試強(qiáng)度較高，硬度較大，用手難以掰開，斷口參差階狀等，屬于I類或I～I(xiàn)I類結(jié)構(gòu)煤。基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和插值原理，根據(jù)13個(gè)鉆孔控制點(diǎn)繪制出M7煤層夾矸厚度等值線圖，見圖3.由圖3可知，研究區(qū)西北部和東部夾矸厚度較大，而在中部夾矸厚度較小，其中，有7個(gè)鉆孔夾矸為泥巖，6個(gè)鉆孔夾矸為砂巖，泥巖夾矸區(qū)域主要集中在井田中部，變化主要受沉積環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造綜合作用影響。同時(shí)，將不同類型的夾矸及其對應(yīng)的煤層厚度繪制散點(diǎn)圖，見圖4.由圖4可看出，煤層厚度與夾矸的巖性及厚度并沒有明顯的規(guī)律性，表明研究區(qū)M7煤層厚度受夾矸影響較小，但從區(qū)域上反映出煤層厚度大的位置夾矸薄的特點(diǎn)。

圖3 M7煤層夾矸厚度等值線圖

圖4 不同類型夾矸與煤厚關(guān)系圖

2 影響煤厚變化控制因素分析

由于康蘇礦區(qū)M7煤層沉積時(shí)，古植物和古氣候條件相對穩(wěn)定，因此，影響煤厚變化的因素主要從沉積環(huán)境和后期構(gòu)造作用兩個(gè)方面進(jìn)行分析和探討。

2.1 沉積環(huán)境對煤厚變化的影響

康蘇煤礦M7煤層所處的下侏羅統(tǒng)康蘇組上段主要發(fā)育濱、淺湖和泥炭沼澤兩種沉積相。濱、淺湖相主要發(fā)育粉砂巖，與中、粗粒砂巖交互出現(xiàn)；泥炭沼澤相主要發(fā)育泥巖、粉砂巖。沉積環(huán)境對煤層沉積的影響能夠通過煤層頂?shù)装鍘r性直觀地表現(xiàn)出來，當(dāng)煤層頂板是砂巖或礫巖時(shí)，表明煤層受到了沖蝕的作用。同時(shí)，砂體的厚度、粒度反映了古沖刷體的能量強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、物源供應(yīng)等[9]。一般情況下，砂體粒度越大沖蝕越強(qiáng)烈，煤層厚度越?。环粗?，煤層厚度越大。當(dāng)煤層頂板是泥巖或粉砂巖時(shí)，表明煤層在成煤后快速被靜態(tài)水覆蓋，煤層保存相對完整，形成的煤層厚度較大。

煤層底板對煤層影響相對較小，決定了成煤期的初始古地理?xiàng)l件。當(dāng)煤層底板為泥巖時(shí)，容易變形，形成高低不平的沉積基底，煤層沉積厚度會有較大變化；當(dāng)煤層底板為砂巖時(shí)，不易變形，能夠給煤層提供平整的沉積基底。初始古地理?xiàng)l件與成煤時(shí)的古構(gòu)造條件有關(guān)，如成煤時(shí)的構(gòu)造應(yīng)力場、構(gòu)造運(yùn)動類型及應(yīng)力集中的區(qū)域都會對沉積基底的形態(tài)產(chǎn)生影響。由此可見，研究底板對煤層的影響在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的局限性[9-10]。因此，本次研究把煤層頂板巖性作為沉積環(huán)境對煤層厚度變化的影響的唯一條件。

本次收集了康蘇煤礦18個(gè)見煤鉆孔資料，其中，有5個(gè)勘探鉆孔的煤層頂板巖性是砂巖，據(jù)此繪制出古河流沖刷煤層的示意圖，見圖5.由圖5可知，在古河流沖刷區(qū)域煤層厚度呈現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的特點(diǎn)，規(guī)律性不明顯。因此，沉積環(huán)境對康蘇煤礦區(qū)M7煤層厚度變化影響較小。

圖5 古河流沖刷區(qū)域示意

2.2 構(gòu)造對煤層厚度的影響

構(gòu)造作用是影響煤系形成、形變和賦存的關(guān)鍵地質(zhì)因素，一般情況下，構(gòu)造作用容易引起煤層增厚或減薄，具有突變性特征[11]。煤巖力學(xué)性質(zhì)不同是導(dǎo)致煤層變形行為和變形結(jié)果差異的內(nèi)在因素。煤層與其它巖層相比，具有密度小、孔隙多、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，根據(jù)構(gòu)造變形的最小耗能原理，煤層變形是釋放煤系中積累的應(yīng)變能的重要方式[12]。因此，煤層不僅能夠與其它巖層在構(gòu)造作用下發(fā)生褶皺或斷裂，而且煤層本身會在頂、底板巖層之間產(chǎn)生各種滑動變形。煤層厚度的次生變化，實(shí)質(zhì)上是煤層在應(yīng)力降作用下，由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)發(fā)生流變遷移的過程。

康蘇煤礦區(qū)整體上呈現(xiàn)一個(gè)不完整向斜構(gòu)造，在向斜軸部西側(cè)發(fā)育本區(qū)最大的一條斷層——F5逆斷層，煤層流變十分明顯，煤層的原生結(jié)構(gòu)已無法有效識別和分辨。在F5逆斷層下盤，11706探巷和12701巷道揭露的煤層均為碎粒煤，層理消失，且發(fā)育大量的小褶曲。由M7煤層厚度等值線圖(圖2)中可以看出，厚煤層主要分部在F5逆斷層和向斜的軸部，且斷層上盤煤層較厚。由此可知，構(gòu)造作用是造成研究區(qū)煤層厚度變化的主要原因。

康蘇礦區(qū)的控煤構(gòu)造只有F5逆斷層和其附近的向斜，查明二者形成的先后順序和成因機(jī)制對進(jìn)一步研究本區(qū)煤層厚度變化規(guī)律尤為關(guān)鍵。F5逆斷層為南北向斷裂代表，規(guī)模大，切過所有煤層。斷層延伸長約1 600 m，向北東延出露頭，向西南深部尖滅于勘探線5～7之間。斷層落差約30～150 m.斷層產(chǎn)狀傾向西南，傾角75°左右。在煤層勘探階段，僅有勘探線5穿過斷層，且沿著此勘探線在地表有探槽揭露。由5-5'剖面(圖6和圖7)可知，斷層附近上下盤煤巖層產(chǎn)狀幾乎沒有變化，向斜軸部在斷層下盤距離斷層面300 m處，向斜另外一翼產(chǎn)狀變化巨大，因此，該向斜不是斷層牽引所造成的，而是在向斜形成過程中，應(yīng)力在向斜軸部附近集中，產(chǎn)生斷裂，形成了F5斷層。

圖6 5勘探線位置示意

圖7 5勘探線剖面圖

研究區(qū)向斜軸部煤層厚度明顯高于兩翼，是在縱彎褶皺作用下形成的。煤層初始屬于單斜構(gòu)造形態(tài)，之后受到喜山期水平擠壓應(yīng)力作用，煤層產(chǎn)生順層流動變形，煤層向向斜軸部聚集。隨著擠壓應(yīng)力的持續(xù)作用，煤巖層產(chǎn)生的形變也越來越大，直到超過煤巖層的極限應(yīng)力狀態(tài)，煤巖層中的硬巖層先發(fā)生破裂，形成F5斷層，應(yīng)力在斷層面處得到釋放，而煤層在層間剪切應(yīng)力的作用下會繼續(xù)發(fā)生順層流動，在斷層面處聚集，造成了本研究區(qū)煤層在斷層附近厚度最大、向斜軸部煤層厚度居中、兩翼煤層厚度最小的煤層厚度變化規(guī)律。

3 結(jié) 語

1) 康蘇煤礦M7煤層厚度與夾矸兩者并沒有明顯的規(guī)律性，表明煤層厚度受夾矸影響較小。

2) 古河流沖刷區(qū)域M7煤層厚度時(shí)大時(shí)小，規(guī)律性不明顯，因此，沉積環(huán)境對煤層厚度變化影響較小。

3) F5斷層形成晚于向斜構(gòu)造，構(gòu)造是影響M7煤層厚度發(fā)生變化的主要原因。