金能煤業(yè)2#煤層厚度變化原因分析

王洪斌

(霍州煤電集團(tuán) 云廈建筑工程有限公司, 山西 霍州 031400)

煤層形態(tài)和厚度的變化是多種多樣的,但就其成因來(lái)說(shuō),與聚煤期和聚煤期后的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切,有些屬于泥炭堆積初期,如沼澤基底不平,沼澤內(nèi)部不均衡沉降,河水或海水對(duì)泥炭層的沖蝕等形成的煤層形態(tài)和厚度的變化;有些屬于成煤期之后,受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)期地質(zhì)作用,對(duì)原生煤層進(jìn)行改造,如受褶皺、斷裂、巖漿侵入、河流沖刷等造成的形態(tài)和厚度的變化[1].

霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)開(kāi)采2#煤層平均厚度5.41 m,首采面順槽在掘進(jìn)過(guò)程中煤層厚度變化大,變化頻率高,且多處出現(xiàn)薄煤及無(wú)煤區(qū)段,給2#煤開(kāi)采帶來(lái)了較大的困難。為此,通過(guò)對(duì)煤層沉積環(huán)境、后期構(gòu)造發(fā)育規(guī)律及應(yīng)力變化等進(jìn)行研究,分析該工作面構(gòu)造層間滑動(dòng)機(jī)理,以查清2#煤層厚度變化現(xiàn)狀及規(guī)律,有效指導(dǎo)合理開(kāi)采。

1 礦井概況

霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)位于山西省靜樂(lè)縣城東北泉北村—曹峪村一帶,礦井生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a. 井田南北長(zhǎng)約9.366 km,東西寬約7.178 km,呈不規(guī)則形,面積20.4 km2,批采2#—5#煤層,開(kāi)采深度450～1 300 m,現(xiàn)開(kāi)采2#煤層,屬于二疊系下統(tǒng)山西組,位于山西組底部,距山西組底界K3砂巖0～11.10 m,平均4.22 m. 2#煤種主要為1/3焦煤,煤層厚度0～16.04 m,平均5.41 m,傾角12°. 礦井為一單斜構(gòu)造,地層總體走向北東向,傾向北西,傾角7°～41°. 井田內(nèi)落差大于20 m的斷層2條。礦井全井田帶壓,地質(zhì)類型簡(jiǎn)單、水文地質(zhì)類型中等。從現(xiàn)首采面2-1021工作面揭露情況來(lái)看,煤層厚度變化較大,在較小的范圍內(nèi)煤層急劇增厚、變薄、局部尖滅,但在其分布范圍內(nèi),煤層大部可采,為極不穩(wěn)定的大部可采煤層。

2 2-1201工作面揭露煤層厚度及頂?shù)装瀣F(xiàn)狀

2-1201工作面為金能煤業(yè)2#煤層首采工作面,其中運(yùn)輸順槽掘進(jìn)1 150 m,回風(fēng)順槽掘進(jìn)980 m,在巷道掘進(jìn)過(guò)程中,為準(zhǔn)確掌握工作面煤層厚度變化情況,對(duì)巷道地層實(shí)際揭露情況及煤層厚度變化進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量統(tǒng)計(jì),并通過(guò)該工作面及附近地質(zhì)鉆孔及超前鉆探數(shù)據(jù)資料,對(duì)工作面煤層厚度進(jìn)行了分析,繪制巷道掘進(jìn)距離與煤層厚度變化曲線圖,見(jiàn)圖1,2.

圖1 2-1201運(yùn)輸順槽掘進(jìn)距離與煤層厚度變化曲線圖

圖2 2-1201回風(fēng)順槽掘進(jìn)距離與煤層厚度變化曲線圖

由圖1,2可以看出,運(yùn)輸順槽煤層厚度變化幅度相對(duì)較小,但變化頻次較高,變化區(qū)間在0～10.7 m,其中在掘進(jìn)距離280～420 m、560～580 m,710～850 m 3個(gè)區(qū)段煤層厚度明顯變薄,局部煤層尖滅?；仫L(fēng)順槽煤層變化幅度相對(duì)較大,但變化頻率較低,變化區(qū)間在0～16 m,其中在560～620 m、840～920 m兩個(gè)區(qū)段煤層厚度變化較大,局部煤層也存在尖滅。煤層薄(無(wú))煤區(qū)域工作面內(nèi)部延伸方向?yàn)镹70°E分布,為工作面正常回采以及后續(xù)設(shè)計(jì)變更帶來(lái)了較大的困難,對(duì)未來(lái)一采區(qū)東南部采掘工作面布置有較大的影響。

工作面煤層頂板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖等河漫相沉積,沒(méi)有出現(xiàn)較大范圍的砂巖、礫巖等河床相沉積。煤層底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部粉砂巖,且底板較為平整,沒(méi)有明顯的高低起伏現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)巷道地層實(shí)際揭露情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并對(duì)工作面附近地質(zhì)鉆孔探查情況進(jìn)行分析,結(jié)合煤層頂?shù)装鍘r性鑒定,綜合分析煤層沉積環(huán)境及構(gòu)造影響因素,該工作面煤層厚度起伏變化大,局部存在尖滅現(xiàn)象,但底板較為平整,頂板沒(méi)有出現(xiàn)較大范圍的砂巖、礫巖等河床相沉積現(xiàn)象,由此可作為構(gòu)造煤的一個(gè)重要依據(jù)。

3 井田及工作面構(gòu)造發(fā)育情況

井田總體呈一單斜構(gòu)造形態(tài),次級(jí)褶曲發(fā)育,井田內(nèi)落差≥20 m的斷層有2條,均為走向SN,傾向E的正斷層,傾角60°～74°,最大落差30 m,延伸長(zhǎng)度大于1 000 m. 井田大中型斷層情況見(jiàn)表1.

表1 金能煤業(yè)井田大中型斷層表

井田內(nèi)軟巖層中小型緊密褶皺構(gòu)造十分發(fā)育,如在泵房通道施工過(guò)程20 m范圍內(nèi)連續(xù)揭露6個(gè)緊密的小型向背斜(圖3),2-1201工作面順槽施工過(guò)程中煤層起伏變化也十分明顯,巷道施工過(guò)程中追煤困難,這種地質(zhì)現(xiàn)象在華北型煤田各礦井中很少出現(xiàn)。

圖3 泵房通道揭露緊密褶皺構(gòu)造圖

在2-1201工作面兩順槽掘進(jìn)過(guò)程中,運(yùn)輸順槽在215 m和526 m處揭露F20和F29兩條斷層(見(jiàn)圖4,5),副巷未揭露較為明顯的較大落差斷層,但微小型斷層十分發(fā)育,在煤層頂?shù)装逯锌梢?jiàn)明顯的呈疊瓦狀排列的密集微小型斷層(圖6),落差10～50 cm,在疊瓦狀排列的微小型斷層密集發(fā)育地段,發(fā)育密度達(dá)3條/m.

圖4 F20斷層剖面圖

圖5 F29斷層剖面圖

圖6 頂板密集疊瓦狀構(gòu)造圖

在揭露的整個(gè)煤層中,微小型揉皺、層間滑動(dòng)面密集發(fā)育(圖6). 受構(gòu)造影響,整個(gè)煤層糜棱化嚴(yán)重,呈粉末狀,煤層變的暗淡、松軟,煤層原生沉積結(jié)構(gòu)(條帶狀、微薄層狀)全部破壞。煤層的無(wú)結(jié)構(gòu)性以及普遍存在的煤層層間滑動(dòng),使2#煤呈現(xiàn)明顯構(gòu)造煤跡象。

4 2-1201工作面煤層厚度變化機(jī)理分析

4.1 聚煤坳陷基底沉降影響

金能煤業(yè)位于寧武煤田南部,盆地本溪組至下石盒子組從下到上發(fā)育潮坪湖—三角洲—河流相沉積序列,整體為海退背景。二疊紀(jì),地殼緩慢上升,山西組以碎屑巖沉積為主,主要發(fā)育有河床相、河漫灘相、湖泊相、沼澤相和泥炭沼澤相[2],為內(nèi)陸準(zhǔn)平原的成煤環(huán)境。成煤沼澤面積廣,煤層沉積厚,成煤環(huán)境較好。金能煤業(yè)2#煤層即形成于中潮海岸障壁后潮坪、潮道沉積物形成的濱海平原上,沉積基底起伏變化不大,在此基礎(chǔ)上生成的泥炭層厚度不可能有劇烈的變化。

泥炭生成煤的過(guò)程中,在上覆沉積層的壓力作用下脫水、固結(jié)、成巖,厚度大幅縮小,據(jù)觀測(cè)研究,約10 m厚的泥炭層,最終可形成1 m的煤層。根據(jù)2-1201工作面順槽揭露的煤厚變化情況,在50 m的范圍內(nèi)煤厚可由10 m急劇減到1 m,若還原到原始沉積的泥炭厚度即為：在50 m的范圍內(nèi)泥炭層厚度可由100 m急劇減到10 m,由這種劇烈的泥炭沉積層厚度變化而映射到沉積基地的劇烈變化在華北型煤田沉積基底中是不存在的,而在巷道掘進(jìn)過(guò)程中揭露的煤層底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部粉砂巖,且底板較為平整,沒(méi)有明顯的高低起伏現(xiàn)象。這些充分說(shuō)明了工作面煤層厚度的變化不是由原始沉積形成的,不受聚煤坳陷基底沉降影響。

4.2 煤層的沖蝕影響

通過(guò)對(duì)井田成煤環(huán)境的分析,井田山西組上部展現(xiàn)為曲流河沉積環(huán)境,物源供給充足,發(fā)育多期疊置的厚層河道砂體-中薄層分流間泥巖的沉積相序組合,水動(dòng)力條件強(qiáng),泥炭堆積速率遠(yuǎn)大于可容納空間增長(zhǎng)速率,且河道的頻繁沖刷遷移,對(duì)泥炭的堆積具有一定的影響,局部地段煤層厚度變化較大,其煤層厚度變化與河道流向相關(guān)[3].

河流對(duì)煤層的沖蝕分為同生沖蝕和后生沖蝕。同生沖蝕主要發(fā)生在泥炭形成的后期,網(wǎng)狀曲流河河床對(duì)泥炭層進(jìn)行沖蝕,致使河床地段泥炭層厚度遭沖蝕變薄。成煤后主要表現(xiàn)為沖蝕變薄帶煤層厚度由沖蝕帶邊緣到中心均勻減小,且變化幅度較小,對(duì)煤層原生結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞。沖蝕范圍內(nèi)表現(xiàn)為河床相中粗粒砂巖沉積,且與兩側(cè)的泥巖頂板呈逐漸的過(guò)渡關(guān)系,煤層與頂板交接面較平整,沒(méi)有明顯的凹凸起伏;后生沖蝕主要發(fā)生在成煤后期或泥炭層被上覆一定厚度的細(xì)粒沉積物(河漫相沉積)覆蓋后,由更后期河床的沖蝕,將煤層上覆的細(xì)粒沉積連同部分煤層或泥炭層一起沖蝕,致使成煤后煤層厚度變薄。后生沖蝕帶內(nèi)煤層厚度變薄較為明顯,頂板砂巖體反映了原始的河床斷面特征,砂巖沉積體與兩側(cè)泥巖頂板突變,且參差交接,煤層中往往夾有砂巖捕虜體。

根據(jù)2-1201工作面兩順槽掘進(jìn)過(guò)程中揭露的煤層頂板巖性資料,煤層頂板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖等河漫相沉積,沒(méi)有出現(xiàn)較大范圍的砂巖、礫巖等河床相沉積,煤體也沒(méi)有受到?jīng)_刷痕跡,由此判定2-1201工作面煤層厚度變薄不受古河床沖蝕影響。

4.3 構(gòu)造作用對(duì)煤層厚度變化的影響

在區(qū)域構(gòu)造位置上,金能井田位于寧武向斜東翼南部。東翼產(chǎn)狀以35°、17°、13°和 4°向西傾斜,產(chǎn)狀變化大,反映了該翼強(qiáng)烈的擠壓作用[4]. 井田又處于該翼東部?jī)A角較大的區(qū)域內(nèi),以次級(jí)褶皺構(gòu)造為主,斷裂構(gòu)造不發(fā)育,地層走向?yàn)楸北睎|—南南西向與構(gòu)造線方向基本一致。受印支期、燕山期、喜山期等多期構(gòu)造長(zhǎng)期的構(gòu)造應(yīng)力伸展—擠壓作用,地層褶曲形態(tài)發(fā)育,尤其在軟弱巖層及煤層中,揉褶現(xiàn)象普遍存在。煤層形態(tài)松軟破碎,無(wú)結(jié)構(gòu)性,屬構(gòu)造擠壓改造煤層。

從2-1201工作面順槽揭露情況來(lái)看,煤層及其頂、底板中疊瓦狀構(gòu)造普遍發(fā)育,煤層中微小型揉皺、層間滑動(dòng)面密集發(fā)育。在煤層頂?shù)装逯锌梢?jiàn)明顯的密集微小型斷層落差10～50 cm,發(fā)育密度達(dá)3條/m. 受構(gòu)造影響,整個(gè)煤層糜棱化嚴(yán)重,呈粉末狀,煤層變的暗淡、松軟,煤層原生沉積結(jié)構(gòu)(條帶狀、微薄層狀)全部破壞。副巷雖未揭露較為明顯的較大落差斷層,但微小型斷層十分發(fā)育,煤層的無(wú)結(jié)構(gòu)性以及普遍存在的煤層層間滑動(dòng),使2#煤呈現(xiàn)明顯構(gòu)造煤跡象。

煤層做為一種生物化學(xué)沉積巖,在長(zhǎng)期的構(gòu)造應(yīng)力伸展—擠壓作用下很容易增厚、變薄,在小的褶曲軸部受擠壓增厚,翼部受拉伸變薄。有些地段煤層在長(zhǎng)期高溫、高壓作用下,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化,煤中有機(jī)質(zhì)大部流失,致使整個(gè)煤層缺失,僅保留煤層層位。在該礦井2#煤層位上明顯可見(jiàn)被嚴(yán)重糜棱化的極薄層及煤線,呈現(xiàn)構(gòu)造煤跡象[5].

由上述分析可知,金能井田2#煤層厚度變化主要受構(gòu)造作用影響,且煤層的增厚及變薄區(qū)的分布范圍受構(gòu)造作用控制,其延伸方向、范圍與構(gòu)造延伸的方向、范圍有著密切的相關(guān)性。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)煤層形態(tài)和厚度變化的綜合成因分析,排除了聚煤期由于聚煤坳陷基底沉降影響而引起的煤層厚度變化,也排除了成煤后期由于煤層受到?jīng)_蝕的影響而造成的煤層厚度變化。通過(guò)對(duì)已揭露煤層的厚度變化特點(diǎn)及煤巖層中展現(xiàn)的構(gòu)造特征綜合分析,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造發(fā)育規(guī)律,分析解釋了井田內(nèi)2#煤層厚度變化主要受構(gòu)造作用影響,且煤層的增厚及變薄區(qū)的分布范圍受構(gòu)造作用控制。