贺 丹，段中会，叶桢妮，黄美涛，潘 怡

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710026；2.陕西省煤田地质集团有限公司，西安 710026；3.西安科技大学，西安 710054； 4.陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西 宝鸡 721599)

0 引言

矿井地质是在煤田地质勘查的基础上，在矿井建设和生产期间，直接为煤矿建设和生产服务的一项重要技术基础工作[1]，是矿井生产、建设开发中至关重要的组成部分，对地质工作勘探、研究、控制程度的高低，直接影响到煤矿生产发展[2]。目前以板块构造理论为基础的煤盆地构造演化、聚煤特征等诸多研究成果，在我国煤炭资源深部找矿和远景预测工作中发挥了重要作用[3-6]。在矿井地质工作中，井下三维地震勘探、矿井水害、采区小构造综合探测、瓦斯赋存规律及排采等方面的研究成果，应用和指导矿井生产取得了一定的实效[7-10]，但将沉积特征与聚煤规律研究深入到煤矿的很少见。

随着第四代“本安型、智能化、生态化”煤矿的先进理念提出，陕西郭家河煤矿建设创新性打破了中国煤矿传统设计理念，实现了煤矿“产煤不见煤，是矿不像矿”的梦想，颠覆了人们对煤矿的传统认识，探索了一条煤矿实现科学发展、安全发展、和谐发展的新路子[11]。同时安全环保、高产高效的现代化煤矿开采对矿井地质工作也提出了更高的要求。

该矿自投产以来，非常重视矿井地质工作，较为重视工作面采后地质总结以及采前采后对比分析。从已开采的1301、1303、1304、1305工作面来看，实际掘进和生产过程中的实测煤层厚度与采前各类地质资料解释的煤层厚度基本一致，生产过程较顺利。但在1307工作面皮带顺槽掘进过程中，由于煤层缺失变薄带的存在导致实测结果和采前结果相差较大，造成大量的废巷，给矿井工作面接续带来很大压力。为此本文通过收集和对比研究矿井在勘查、建井、生产各阶段的地质资料，开展含煤地层的沉积特征、沉积环境分析，恢复其岩相古地理格局，结合煤层发育及赋存特征，研究其聚煤规律，再对比矿井生产的实测资料，预测和指导后续工作面或盘区的开采，对保障矿井安全、高效开采具有重要意义。

1 矿井基本概况及地质背景

1.1 矿井基本概况

郭家河煤矿位于陕西省宝鸡市麟游县北部，属黄陇侏罗纪煤田永陇矿区麟北区，位于麟游县天堂镇境内。郭家河矿井井田东西长约14.8 km，南北宽约7.8 km，面积约95km2；可采煤层一层，为3号煤，平均煤厚11.57 m，煤层倾角3°～12°。矿井采用斜井、立井混合开拓方式，单水平开采，采用盘区布置，划分为三个盘区，即西部的I盘区、中部的II盘区、东部的III盘区，首采区为一盘区[12]。

1.2 矿井地质

1.2.1 地层

井田内揭露地层由老至新依次为：三叠系中上统延长组(T2-3y)，侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)，新近系(N)及第四系更新统(Qp)、全新统(Qh)[13]。

1.2.2 构造

郭家河煤矿位于阁头寺背斜以北，属彬长坳陷Ⅲ级构造单元。总体构造形态为一走向NE、倾向NW的单斜构造，其上发育次一级宽缓的褶曲构造[14]。含煤地层沿走向、倾向的产状变化不大，发育张性断裂构造，无岩浆活动影响。其成煤初期，多表现为不规则的古隆起地貌，线性特征不明显，煤层底板起伏形态变化较大。总体而言，研究区内地质构造属中等复杂程度。

1.2.3 含煤地层

区内含煤地层为侏罗系中统延安组(J2y)，厚度0～95.58 m，平均47.66 m，依据岩性、岩相、旋回结构及煤层特征等划分为三段，自下而上依次为第一段、第二段和第三段。第一段岩性以灰褐色铝质泥岩、铝质粉砂岩、深灰色泥岩、砂质泥岩为主，夹细砂岩薄层，中部发育厚煤层，具水平层理、波状层理，含褐铁矿与菱铁矿质鲕粒、植物化石。第二段岩性为深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩与各种粒级的砂岩互层，夹炭质泥岩及薄层煤。第三段受后期强烈剥蚀，在东部低洼地段残留，岩性为灰白色中-粗粒砂岩与灰色粉细砂岩夹砂质泥岩，顶部出现玫瑰红色含铝泥岩，偶夹煤线。

1.2.4 煤层及可采煤层

延安组每段各发育1个煤组，共含煤8层，其中第三段含1煤层，第二段含2煤层和2-1煤层，第一段含3、3下、3-1、3-1-1及3-2煤层。2煤层为局部可采煤层，3煤层为大部可采煤层。主采的3号煤厚度0.55～26.83 m，平均11.57 m，结构以简单—较简单为主。煤层厚度与含煤地层的发育厚度呈明显的正相关关系[15]。

2 延安组沉积特征

2.1 各组段沉积特征

研究区内延安组发育和分布特征整体上来看，沿走向方向呈东西向条带状分布，各段沉积特征如下(图1)。

(1)第一段(J2y1)。以泥炭沼泽沉积为主。下部为灰褐色泥岩、铝质泥岩，含褐铁矿与菱铁矿质鲕粒，见植物根系化石；中部为厚煤层(3号煤层)，为区内主要可采煤层；上部为深灰色泥岩、砂质泥岩、夹细砂岩薄层，具水平层理、波状层理，含植物叶部化石。岩层单层厚度较大，层数较少，岩性以泥岩类为主，该段在煤系地层沉积初期，由高位泥炭沼泽向低位沼泽演变，成煤物质沉积与盆地下沉速度比较稳定，形成巨厚煤层。后期由于盆地沉降速度加快，沉积物质以粗碎屑、泥质为主，结束了成煤过程[16]。

(2)第二段(J2y2)。沉积普遍，受后期冲刷剥蚀，在矿井西部地区保存不全，以河漫相沉积为主，岩性岩相变化较大。底部为一层厚度较大的中-粗粒砂岩，与第一段为界，岩性以深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩与各种粒级的砂岩互层，夹炭质泥岩及次要可采煤层(2号煤层)，岩层单层厚度较薄，层数较多，岩性以砂岩类为主。该段为一个完整的中级旋回，包括多个次级小旋回，旋回底部均为中-粗粒砂岩，上部为泥岩、砂质泥岩，局部地段发育炭质泥岩与薄煤层，砂质岩含量最高达68.6%，总体来看呈现自下而上沉积物粒度变细的特点。

(3)第三段(J2y3)。受后期强烈剥蚀，在局部地段残留，仅见于矿井东部低洼地带，以堤岸亚相沉积为主。下部发育砂质岩，上部发育泥质岩，自下而上沉积物粒度变细的特点，含植物化石碎片，发育波状层理、水平层理。砂岩中长石、石英含量较高，分选、磨圆度变差；泥岩中铝质含量增高，特别是顶部紫杂色的出现，标志着成煤环境的结束[17]。

2.2 沉积体系及沉积相

根据永陇矿区以往地质资料研究成果，区内为河流沉积体系的曲流河沉积[18]。发育的沉积相主要为河漫沼泽相沉积、河漫滩沉积以及堤岸沉积[19](图1)。

图1 典型钻孔沉积序列图Figure 1 Typical borehole sedimentary sequence diagram

①河漫沼泽相。岩性以粉砂岩、泥岩为主，夹煤层、煤线及炭质泥岩、铝质泥岩，含植物化石或碎片，含黄铁矿结核，发育水平层理。

②河漫滩相。岩性以细砂岩、粉砂岩为主，底部为中-粗砂岩，上部为泥岩，夹薄煤层或煤线，含植物化石碎片，偶见方解石、菱铁矿，局部钙质、硅质胶结，坚硬，总体呈自下而上粒度变细的特征，发育水平层理、斜层理、波状层理。

③堤岸相。岩性中-粗砂岩、细砂岩、粉砂岩和砂质泥岩，含黄铁矿结核，总体呈自下而上粒度变细的特征，顶部见铝质泥岩，发育波状层理、斜层理。

从垂向上来看，第一段以河漫沼泽相沉积为主，主要发育泥炭沼泽相、沼泽相、河漫滩相，自下而上为沉积粒度呈由细变粗的逆旋回，在该段的中上部形成了较稳定较厚的3号煤；第二段以河漫滩相沉积为主，主要发育河漫滩相、边滩相、沼泽-泥炭沼泽相，自下而上为发育两个沉积粒度由粗变细的次级旋回，局部地段在该中部形成厚度较薄的局部可采2号煤层；第三段以堤岸相沉积为主，主要发育边滩相、河漫滩相，个别地段形成1号煤，该段大部分区域遭受后期强烈剥蚀。

从平面上来看，区内范围较小，因此平面沉积相区配置比较单一。受古地形影响，总体而言矿井中部地区腹水最深，沉积物更厚、更细，沿东西走向，沉积特征及沉积相变不大，而沿南北向，向南向北沉积物变薄变粗，直至古隆起剥蚀区，变化较明显[20]。

3 岩相古地理格局

据以往地质资料及研究成果显示，鄂尔多斯盆地延安组沉积时期为一个大的内陆湖泊，黄陇侏罗纪煤田位于南部湖泊边缘区[21]，而位于煤田南部的永陇矿区延安组的沉积环境为河流相沉积，以曲流河沉积为主[22-24]。

本文在收集矿井的钻孔资料基础上，通过统计延安组地层厚度、砂岩厚度、泥岩厚度、煤层厚度、砂泥岩厚度之比的数据，综合分析并绘制各种单因素数据等值线图，结合单井、连井沉积相展布，勾勒出各古地理单元展布，恢复含煤岩系沉积期的岩相古地理格局[25-27]。

延安组厚度分布在整体上来看，呈东西向条带状分布，南北薄中部厚的特征，最小厚度为0 m，最大厚度为95.58 m，主要沉积中心在矿井中东部地区的二、三盘区内，厚度大于80 m，矿井以南为一近东西向隆起带，北部地区呈环岛状隆起区，受后期剥蚀，上部地层保存不全，见图2。

砂岩厚度在0～44.03 m，砂岩厚度较大的地区主要位于矿井东部地区的三盘区北翼和矿井中部地区二盘区内，砂岩厚度可到达30 m以上。泥岩厚度在0～68.37 m，泥岩厚度较大的地区主要位于矿井中东部地区的一盘区西翼和二盘区内，泥岩厚度可达到50 m以上。砂岩与泥岩的厚度变化趋势和地层厚度变化趋势总体上一致，但砂岩厚区偏东，而泥岩厚区偏西。砂泥岩厚度比值总体来看不大，东部砂泥岩比值比西部略高，最大值为6.31，砂泥比值大于3的区域为于矿井中部一盘区西翼和二盘区内基本呈孤岛状分布，见图3。

通过对延安组厚度、砂岩厚度、泥岩厚度、砂泥厚度比值等因素的综合分析研究了岩相古地理特征，见图4。古隆起区位于矿井南部和北部，南部古隆起呈东西带状分布，北部古隆起呈孤岛状分布，古隆起区未接受延安组沉积；矿井大部分地区为河漫沼泽相沉积，岩性以泥岩、炭质泥岩、铝质泥岩及粉砂岩为主，煤层发育较厚、较稳定，含夹矸少，砂泥比值较小；矿井东部发育河漫滩相沉积，细砂岩、粉砂岩、泥岩互层，发育煤层，煤层上部含夹矸，部分出现分叉现象，砂泥比值较高；中部地区的古洼地水体较深，发育河漫湖泊相沉积，延安组地层沉积厚、煤层发育厚、稳定，基本不含夹矸，砂泥比值最小；在古隆起与河漫沼泽过渡区域发育冲积带沉积，地层沉积较薄，砂岩、泥岩互层，砂泥比值中等，基本不含煤或含煤线。

4 聚煤规律特征

区内延安组共划分为3个含煤段，每段各发育1个煤组，各煤组在平面上均有不同程度的分岔与合并，共含煤8层，其中2煤层为局部可采煤层、3煤层为大部可采煤层。煤层累计总厚度在0.55～29.40 m，平均厚度12.76 m，含煤系数较高，在1.71%～58.94 %，平均达26.31 %。其中3号煤层分布最广、发育最厚，厚度在0.55～26.83 m，平均厚度11.88 m，属特厚煤层，为区内唯一的主要可采煤层。区内含煤性明显受构造及煤层沉积前的古地形控制，煤层厚度与含煤地层的发育厚度呈明显的正相关关系。在古隆起区一般无煤系或煤层发育，靠近隆起部位，煤系沉积一般较薄，煤层亦明显变薄，且一般只发育3号煤层，而煤系较厚区域，多发育两层煤，3煤层也明显增厚。

图2 延安组地层厚度等值线图Figure 2 Isogram of Yan’an Formation strata thickness

图3 延安组砂泥厚度比等值线图Figure 3 Isogram of Yan’an Formation sandstone/mudstone thickness ratio

图4 延安组岩相古地理图Figure 4 Yan’an Formation lithofacies-paleogeographical map

两亭背斜轴部东端伸入郭家河矿井内，其上不发育延安组及煤层，菜子沟-丈八沟向斜部位，煤层厚度在15.20～27.90m，含煤系数在30%～59%，南北两侧含煤性变较差，煤层较薄，厚度多在2～5m。富煤带分布在矿井中部的菜子沟-丈八沟向斜部位。

从岩相古地理格局来看，根据沉积环境变化，沉积相具有沉积环带状特征，划分为三个含煤性地带，分别为富煤带(厚煤区)、稳定聚煤区和含煤过渡带，见图5。富煤带(厚煤区)：主要发育在矿井中部二盘区内的向斜古洼地河漫湖泊区域，煤层最厚，结构简单；稳定聚煤区：分布在矿井大部区域的一盘区、二盘区南部和三盘区西部的河漫沼泽及矿井东部的河漫滩，煤层发育较厚较稳定，结构较单一，且位于矿井东部三盘区的河漫滩部位，煤层有分叉现象；含煤过渡带：位于在古隆起与河漫沼泽的过渡带冲积相区，煤层变薄至不可采，甚至尖灭。

从剖面上来看，矿井中部含煤地层、煤层较厚，向南部古隆起(两亭背斜)方向逐渐变薄至尖灭；向北矿权边界亦有变薄之势，见图6。

图5 延安组聚煤规律图Figure 5 Yan’an Formation coal accumulation pattern

图6 3号煤倾向(N-S)沉积断面示意图Figure 6 Coal No.3 dip (N-S) sedimentary schematic section

图7 矿井一盘区勘探阶段(a)与本次精细解释与古地理综合研究成果(b)对比图Figure 7 Comparison of coalmine panel No.1 in exploration stage (a) and this time fine interpreted and paleogeographical comprehensively studied results (b)

5 采前预测

研究区内整体上来看，含煤过渡带内的煤层厚度最不稳定，煤层薄且变化大、快。在古隆起的“山沟”处，地势梯度小，含煤过渡带内煤层厚度变化小且慢，相对较稳定。在古隆起的“山脊”处，地势梯度大，含煤过渡带周边的煤层厚度变化较大，煤层稳定性、连续性较差，对矿井工作面开采带来较大影响。

郭家河煤矿一盘区1307工作面在巷道掘进过程中，向东行进约1 090m时，煤层变薄至尖灭，对掘进带来很大影响。仅据周边勘探阶段的施工钻孔所揭露煤层厚度来看，钻孔之间的煤层厚度在该处变化不大，而从钻孔地层岩性分析来看，砂泥比值变高；据三维地震的第一次解释成果显示，该处发育背斜，煤层会变薄；而工作面巷道掘进至此处时发现煤层变薄消失；通过本次三维地震的二次解释，结合周边钻孔资料以及巷道掘进地质资料，综合分析认为，该处为古隆起，且与南部大型古隆起相连通，形成无煤区。从古地形来看，其为南部大型古隆起向北东向延伸的“山脊”部位，详见图7。

一盘区1302工作面向西约800m处，据钻孔揭露地质资料及三维地震的第一次解释成果显示， 该处发育背斜，煤层会变薄；经过本次三维地震的二次精细解释，北部古隆起向南延伸，在工作面形成小面积的无煤区；而工作面巷道掘进至此处时确实发现煤层变薄消失，向前继续掘进约200m后，煤层出现且逐渐变厚至稳定。

矿井一盘区与二盘区相邻的北部边界钻孔G6-2处，据钻孔揭露地质资料显示，该孔为无煤孔，亦无含煤岩系沉积，而其以北邻近不到500m的钻孔均为见煤孔，煤厚5.30～6.85m，继续向北为一古隆起。地质勘探阶段时，据钻孔地质资料揭露及三维地震的第一次解释成果综合分析，认为G6-2处的无煤区为一独立的小型古隆起，周边煤层变薄，但与其北部古隆起尚未联通；通过分析这两见煤钻孔含煤岩系岩性，该处砂泥岩比值较高，经过本次三维地震的二次精细解释，综合分析认为G6-2孔处无煤区为其北部古隆起向南延伸的“山脊”部位，致使周边含煤岩系及煤层厚度变化较快。

根据岩相古地理格局及沉积特征，结合矿井实际生产案例综合分析，预测在二盘区南部、北部位于古隆起的“山脊”处的含煤过渡带，煤层薄且变化大，出现类似于一盘区1307工作面无煤区的可能性较大。因此，要重点加强该处的三维地震资料解释以及钻探资料的综合分析，提前为矿井工作面的掘进和生产做好预测预报工作。

6 结论

① 矿井大部分地区为河漫沼泽相沉积；东部发育河漫滩相沉积；中部地区的古洼地水体较深，发育河漫湖泊相沉积；在古隆起与河漫沼泽过渡区域发育冲积带沉积。

② 根据沉积环境变化，沉积相具有沉积环带状特征，划分为三个含煤性地带，分别为富煤带(厚煤区)、稳定聚煤区和含煤过渡带。

③ 预测在二盘区南部、北部位于古隆起的“山脊”处的含煤过渡带，煤层薄且变化大，出现类似于一盘区1307工作面无煤区的可能性较大。因此，要重点加强该处的三维地震资料解释以及钻探资料的综合分析，提前为矿井工作面的掘进和生产做好预测预报工作。