甘肃省白银市王家山煤矿含煤地层古地理环镜及煤层对比浅析

2018-06-19马思弼

西部探矿工程 2018年6期

马思弼

（甘肃煤田地质局133队，甘肃白银730913）

甘肃省白银市王家山煤矿位于白银市的东北端，隶属甘肃靖远煤电股份有限公司，是甘肃省的主要煤炭生产基地之一。该矿于20世纪70年代中期建成投产，现在已形成300×104t/a的煤炭产能，为甘肃省的经济建设做出了重要贡献。经过40年的开采，现保有煤炭资源量2.4×108t。矿区东西长约8km，南北宽1.0～3.0km，面积8.34km2。中侏罗统窑街组（J2y）和新河组（J2x）地层是王家煤矿含煤地层。具有煤层层数多、煤层厚度大、分布面积大、沉积相序发育较全等特点。本文以煤矿勘查地质资料为基础，通过含煤层地层的岩性特征，来分析总结煤矿煤层沉积过程中岩相古地理沉积环境特征，并且应用综合的煤岩层对比方法对矿区煤层进行对比，为煤矿开采及和矿区外围煤炭勘探提供理论指导。

1 含煤地层及岩性特征

研究区地层区划属祁连地层区，北祁连地层分区，靖远—西吉小区。王家山煤矿含煤地层主要为中侏罗统窑街组（J2y）地层，其次为中侏罗统新河组（J2x）地层[1-2]。

1.1 窑街组地层及岩性特征

中侏罗统窑街组（J2y）地层，为矿区主要含煤地层，含煤层5层，其中可采煤层4层，不可采煤层1层。窑街组（J2y）地层主要由灰白色中、粗粒砂岩，灰、深灰、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩及煤层组成。植物化石含量丰富。属温暖气候条件下的河湖、沼泽相沉积。与下伏地层呈角度不整合接触。厚度10～154m，平均116m。其总的变化趋势是由东向西、由北向南逐渐变薄。

1.2 新河组地层特征

中侏罗统新河组（J2x）地层，含煤2层。按岩性又分为上、下2段，新河组下段又称草黄色砂岩段，含薄煤层，新河组上段又称油页岩段，不含煤层。

（1）新河组下段（J2x1）：上部主要为草黄色中粗粒砂岩、细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩互层，中夹紫红、灰绿、深灰色泥岩及粉砂岩；下部主要为灰白色砾岩、砂砾岩及中粗粒砂岩夹灰色砂质泥岩及黄绿色粉、细砂岩，局部含薄层煤2层。含介形类、轮藻及植物化石。属河湖沼泽相沉积。与下呈平行不整合接触。平均厚度464m。

（2）新河组上段（J2x2）：由灰绿色页岩、粉砂岩及深灰、褐灰色页岩组成，夹薄层灰绿色细砂岩及暗紫红色泥岩，发育细水平层理及缓波状层理。含丰富的动植物化石及轮藻化石。属湿热气候条件下的湖泊沉积。与下呈整合接触。平均厚度114m。

2 含煤性

王家山煤矿煤系地层平均厚度为180.90m，煤层总厚度为33.06m，总含煤系数为18.3%，总可采含煤系数为22.2%。窑街组（J2y）平均地层厚度为116.9m，含煤5层（编号为煤2、煤2下、煤3、煤4、煤4下），平均煤层厚度29.95m，含煤系数25.6%。新河组（J2x）平均地层厚度为64m，含煤2层（编号为煤1、煤2上），平均总厚3.11m，含煤系数4.7%。上述煤层中，煤2和煤4为全区可采煤层，厚度大，较稳定，且分布面积广；煤3和煤4下为大部可采不稳定煤层，分布面积较大，厚度较大，变化亦较大，煤1、煤2上、煤4下煤层为大部分可采，不稳定，多呈透镜体状；煤2下为不可采煤层，呈透镜体状分布[4]（见表1）。

表1 王家山煤矿煤系地层含煤情况表

3 含煤地层岩相特征

本区的侏罗系含煤地层自下而上可划分为3个大旋回，均以河床相开始，经河漫相、沼泽相、泥炭沼泽相，以湖相告终。其中窑街组地层划分为第Ⅰ旋回和第Ⅱ旋回，新河组地层划分为第Ⅲ旋回。在这3个旋回中，由下向上旋回厚度由小变大，岩石粒度由粗变细，含煤性由好变差。也反映出在地壳沉降过程中，由早期到晚期，沉降幅度由小变大，沉降速度由慢变快，旋回结构清楚，比较稳定（见图1）。

图1 岩相旋回柱状剖面示意图

3.1 窑街组地层岩相特征

第Ⅰ旋回位于侏罗系窑街组底部，由河床相砾岩、砂砾岩或粗砂岩开始，经河漫相、沼泽相、泥炭沼泽相，至煤4顶板湖相粉砂岩及砂质泥岩告终。下部河流相沉积中发育了几个小旋回，可能系古河道迁移形成，局部有由牛轭湖演变而成的泥炭沼泽，形成煤层透镜体，偶亦达可采煤层以上，但很不稳定。该旋回在向斜北翼比较稳定，向南相变急剧，几乎全部为河床相沉积所取代，4层煤向南也逐渐分叉、变薄以至尖灭（图2）。煤4顶板湖相沉积有时亦相变为河漫相沉积，甚至被后来的河流冲刷掉，代之以河床相的粗碎屑沉积物。旋回厚度变化西薄都厚，厚21～86m，平均约50m。

Ⅱ旋回位于侏罗系窑街组中上部，由煤2底板河床相砂岩开始，经河漫相、沼泽相、泥炭沼泽相开始，经沼泽相、泥炭沼泽相，又以河床相或河漫相告终的小旋回，形成不稳定的煤2下及煤3。顶部湖相沉积往往由于后期冲刷而保存不全或缺失，或相变为河漫滩相。旋回厚度变化西薄东厚，厚23～83m，平均约56m[1]。

3.2 新河组地层岩相特征

新河组地层划分为第Ⅲ旋回，以河床相为主，次为河漫相，偶有沼泽相或泥炭沼泽相，形成不稳定的薄煤层1层煤和2上层煤，顶部出现湖沼相沉积，组成一个以河流相开始，以湖相告终死亡完整沉积旋回，该旋回厚度约464m（图1）。

4 含煤地层的沉积的古地理环境

侏罗纪初期，王家山煤矿为一南北被变质岩所限的谷地，西部为逐渐高起的由三叠统地层组成的山地，谷中地形高低不平，流过湍急的河流，起着削高填平的作用，沉积了侏罗系底部的河流相碎屑岩。由于河道变迁，偶有残留的河床被阻塞牛轭湖，进而演变成沼泽和泥炭沼泽，形成不稳定的薄煤层或煤层透镜体。随着时间的推移，高低不平的地形被夷平成开阔的平地，这时，南部沉降速度极快，河流侧蚀作用较强，主要发育河流相沉积物，北部则为一片河漫滩沼泽。由于气候湿热，植物生长茂密，沼泽被死亡植物填塞成泥炭沼泽。在地壳下降缓慢并与植物堆积速度一致的条件下，形成了巨厚的泥炭层。后来地壳下降速度加快，泥炭沼泽成为湖泊，泥炭层被沙泥物质迅速掩埋，经成煤作用形成4层煤。到侏罗系中期，地壳缓缓上升，王家山又形成了河流，此时地形高差不大，河流以侵蚀为主，沉积了4层煤上部的河流相碎屑岩。在西部离河床较远的河漫滩低凹地带，积水形成沼泽，在适宜的条件下变成泥炭沼泽，形成大部分可采的3层煤。有的地方则由于河流改道，遗弃的河床可演变成沼泽、泥炭沼泽，形成不稳定的2下层煤。之后，地形更为平坦、开阔，地壳又一次微微下降，潜水面变浅，造成更加广阔的沼泽地带，在植物堆积速度与地壳下降速度一致的有利条件下，形成了分布广且厚度大的2层煤。随着地壳下降速度加快，再次成为湖泊环境，沉积了2层煤顶板的湖相细碎屑岩。地壳继续上升，可能上升幅度较大，河流湍急，下蚀作用较强，沉积了一套较粗的河流相沉积物，局部的牛轭湖演变成泥炭沼泽后形成了不稳定的2上层煤。地壳第三次下降，这一时期下降速度大于植物堆积速度，形成了含煤性差的湖沼相沉积物，即1层煤层位[3]。

5 煤层对比

王家山煤矿地层为一套陆相碎屑岩含煤建造。岩性、岩相变化较大，含煤地层具有韵律性，旋回结构变化明显，煤层与围岩岩相及旋回结构有着内在联系，各煤层的物性特征明显，煤层与围岩物性差异较大。本区在勘查过程中采用综合方法进行煤岩层对比，主要为煤岩层组合特征对比法、标志层对比法、煤层顶底板岩性对比法、煤层层间距对比法、测井曲线对比法。选用煤2为对比基线，煤2在可采煤层中可采面积最大，厚度较大，与煤4间距较稳定，便于对比[4]。

5.1 煤岩层组合特征对比法

按沉积旋回及各煤岩层的特征，煤4位于第Ⅰ旋回的上部，为主要可采煤层之一且间距较稳定；煤3位于第Ⅱ旋回的下部，为局部可采煤层，煤层厚度变化较大，不太稳定；煤2下位于第Ⅱ旋回的中部，该层呈透镜体，很不稳定，零星分布且不可采；煤2位于第Ⅱ旋回的上部，为主要可采煤层，煤层厚度较大，分布面广，煤层较稳定，特征明显；煤2上位于第Ⅲ旋回的上部，该层分布较集中不可采；煤1位于第Ⅲ旋回的顶部，煤层薄变化大，多不可采，呈透镜体，沉积特征明显易于对比。

5.2 标志层对比法

5.2.1 煤层顶底板岩性

第Ⅲ旋回的底部的厚层河床相灰白色砂岩、砂砾岩或砾岩，常为煤2的直接或间接顶板；第Ⅰ旋回中煤4顶板的湖相灰黑色砂质泥岩、粉砂岩及浅灰色细粒砂岩的互层和煤4底板河漫滩相得灰黑色含砾粉砂岩、含砾砂质泥岩或浅灰色细粒砂岩，这些层位较稳定，可作为对比标志层。

5.2.2 煤层

主要可采煤层煤2较其它煤层分布面积最广，厚度大，沉积较稳定且结构简单（多为单一结构或1层夹矸）；可采煤层煤4较煤2分布面积较小，沉积较稳定，结构较简单（为单一结构或3～5层夹矸）；局部可采煤层煤3分布面积小，沉积不稳定，煤层厚度变化大。这3层煤煤层特征明显，是本区煤岩层对比的重要手段之一。

5.3 煤层层间距对比法

通过煤岩层间距对比，各煤层层间距普遍比较稳定，如：煤1～煤2上、煤2上～煤2间距平均在20～40m间，煤2～煤3、煤3～煤4间距基本相差不大，一般平均间距在22.95～26.44m间。因此煤层层间距也是煤岩层对比的方法之一。

5.4 测井曲线对比法

区内地球物理测井采用自然电位、视电阻率、自然珈马、密度、声速、井径6条曲线划分钻孔剖面。并详细划分煤系地层剖面，由于含煤地层各岩段煤层的物性特征较为明显，划分的地层岩性准确可靠，以此特征划分含煤段与钻孔地质划分岩层对比基本一致。

从矿区内702和1201号钻孔煤层的曲线特征可以看出：煤1分布范围小，呈透镜状，煤层厚度变化大；煤2较稳定,在全区所有钻孔均有出现,煤层厚度都比较厚，煤层结构比较简单,煤层中都有一层或者多层夹矸,夹矸都比较薄；电阻率曲线幅值较高,呈高异常反映，大部分煤层中电阻率曲线都呈山峰状；密度曲线呈低异常反映，煤层较厚,密度曲线多呈低异常箱状；自然伽马曲线也呈低异常箱状。煤2的测井曲线异常在全区反映非常明显，电阻率、密度曲线以及自然伽马曲线异常值都非常突出。煤3大部分可采，煤层厚度不一，煤层电阻率曲线呈高异常山峰状；密度曲线多呈低异常箱状；自然伽马曲线呈低异常箱状。煤4层较煤2层分布面积小，沉积较稳定，结构较简单（为单一结构或3～5层夹矸），煤4测井曲线反映上有比较明显的煤层特征,即“一高两低”：电阻率值高,密度值低,自然伽马值低。由此可得出矿区内的煤层物性具有中-高电阻率、低放射性、低密度、高时差的曲线特征，这是利用测井曲线解释煤层的主要依据。

5.5 煤层对比可靠程度

通过煤岩层组合特征对比法、标志层对比法、煤层顶底板岩性对比法、煤层层间距对比法、测井曲线对比法等多种方法进行对比，详细查明井田内可采煤层的层数、层位、厚度、结构和可采范围及煤层的稳定程度，能满足勘查和开采的要求。煤2及煤4分布面积较大，煤层层位稳定。对比标志层清楚，物性特征明显，对比可靠。煤3分布面积较集中，煤层层位不稳定，依据物性特征、岩相旋回特征、充分结合地质剖面特征，对比依据较充分，煤层对比可靠。煤1、煤2上、煤4下，煤层层位不稳定，煤层薄而变化大，多不可采，呈透镜状，物性特征明显，对比可靠。