才尔贡玛煤矿地球物理特征及综合勘查方法研究

2023-01-11李文成马忠英刘志华马玉成

能源与环保 2022年12期

李文成，马忠英，刘志华，马玉成

(1.青海省第一地质勘查院，青海海东 810699； 2.青海省第四地质勘查院，青海西宁 810000)

研究区位于祁连山腹地，行政区划隶属青海省天峻县苏里乡管辖。工作范围西起日木才尔贡玛沟西侧，东至才尔贡玛东侧，最北达才尔贡玛沟脑，南至疏勒曲北岸，呈一不规则的四边形，其东西平均长约5 km，南北宽约6 km，面积约27.68 km2。为了解区内煤系地层的分布、含煤情况及埋深，寻找有工业价值的可采煤层，了解普查区地质构造特征，本文分析了才尔贡玛煤矿地球物理特征及综合勘查方法。研究可为后期具体煤层勘探提供技术支持。

1 研究区地质

1.1 地层

研究区位于瓦乎寺断陷盆地中，疏勒山小区地层出露不全。仅有三叠纪(T)、侏罗纪(J)、古—新近纪(N)和第四纪(Q)，从老至新特征分述如下。

(1)三叠纪地层。①中三叠世切尔玛沟组(Tq)。分布在研究区的最北部，地层展布与区域构造方向线一致。主要岩性为长石砂岩、石英砂岩、粉砂岩、页岩夹灰岩、生物灰岩等。据区域资料和瓦乎寺PD2剖面厚度大于710 m。与古—中新统白杨河组(ENb)和晚三叠世阿塔寺—尕勒得寺并组(Ta-g)均为断层接触。②晚三叠世阿塔寺—尕勒得寺并组(Ta-g)。分布在研究区的东部。主要岩性为长石砂岩、长石石英砂岩、页岩夹石英砂岩、粉砂岩、灰岩。据区域资料，瓦乎寺PD2剖面厚度大于2 014 m。与侏罗纪地层断层接触，与古—中新统白杨河组(ENb)角度不整合接触。

(2)侏罗纪地层。沿断裂带零星分布，范围较小。从区域上看应是瓦乎寺煤矿早—中侏罗统窑街组(J1-2y)的东延及残留。地层倾向沿走向变化较大，倾角45°～75°，局部产状直立，按沉积相特征及含煤情况分为中下侏罗统窑街组(J1-2y)和上侏罗统享堂组(J3x)。①中下侏罗统窑街组(J1-2y)。以沼泽相细颗粒沉积为特征，岩性为中细粒砂岩、细砂岩、煤层，见植物化石碎片及雨痕化石，如图1所示。ZK005、006、401、TC1、TC2、TC3均见到该地层，从0线和4线剖面对比，向东该地层有变薄的趋势；ZK006孔揭露较全，厚度131.56 m，为主含煤段。②上侏罗统享堂组(J3x)。主要为河床相粗颗粒沉积，岩性为粗砂岩、中砂岩，厚度181.42 m，为不含煤段。ZK005、006、401均见到该地层，从0线和4线剖面对比，向东该地层有变薄的趋势；ZK006孔揭露较全，厚度205.53 m，为不含煤段。与上覆地层古—新近系的古—中新世白杨河组(ENb)多为不整合接触，局部断层接触。

图1 TC2中岩性概况Fig.1 General Lithology in TC2

(3)古—新近纪地层。研究区广泛被古—新近系的古—中新世白杨河组(ENb)所覆盖，其岩性为土红色—红色细砾岩、石英砂岩、粉砂岩夹泥岩、泥灰岩等。ZK003揭露全为红层，厚度大于453.87 m，未见底。

(4)第四纪地层。研究区南部滩地及较大水系两侧台地，均为全新统冲洪积(Qhpal)砂砾层和冲积(Qhal)砂砾石层，在全新统冲洪积(Qhpal)物下面ZK002孔揭露出更新统湖积(Qpl)细砂层、粉砂层、粉砂质泥岩层、泥质粉砂岩层，岩层呈半固结，富含螺壳碎片化石。厚度大于664.23m。

1.2 构造

研究区内的中下侏罗统窑街组(J1-2y)以一个整体断裂构造带存在，根据施工的钻孔及探槽，结合综合研究认为研究区断裂构造有F1、 F2、F3、F4、F5、F6、F7七条，主要有F3、F4、F5、F6、F7五条。

(1)F1。相当于区域断裂构造F4，展布于研究区东北角，总体走向315°，倾角45°～70°，出露长3.5 km，区内仅零星展布。部分地段扭曲成波状，沿断层岩石破碎，有断层泥、构造角砾岩，破碎带宽度50～100 m，为压性逆断层。

(2)F2。相当于区域断裂构造F5分布于研究区东北角，与F1大体平行，向西北延入F1断层，出露长5.5 km，区内仅零星展布。呈向南西突出的弧形，局部晚三叠世阿塔寺—尕勒得寺并组(Ta-g)逆冲于古—新近系的古—中新世白杨河组(ENb)之上，沿断层岩石破碎，有擦痕，为逆断层。

(3)F3。相当于区域断裂构造F6，横贯才尔贡玛研究区北部，断层走向285°，倾向北东，东部被F5所切，区内出露长度近5 km，是中三叠世切尔玛沟组(Tq)逆冲于之上的接触断层，它控制着研究区侏罗系含煤地层的北界。

(4)F4。位于研究区中部北侧，走向近东西向，0线以西向北翘;至5线附近日木才尔休玛沟被F7平推断层切割;推测长度约4 km;在0线剖面上看，ZK005自91.25～262.04 m为侏罗系享堂组地层，岩性为灰绿色砂岩、粉砂岩及构造角砾岩，而ZK004孔所揭露的地层为侏罗系窑街组，属侏罗系窑街组地层逆冲于侏罗系享堂组地层之上;倾向北东，倾角60°～80°。

(5)F5。位于研究区中部北侧，可采煤层以南，走向近东西向，0线以西向北翘;至5线附近日木才尔休玛沟被F7平推断层切割;推测长度约4.2 km;该断层与煤层方向一致，是煤层的南部边界。

(6)F6。位于研究区中部F5南侧，走向近东西向，0线以西向北翘;至5线附近日木才尔休玛沟被F7平推断层切割;出露长度约4 .8 km。ZK006、ZK401、TC2、TC3、TC7工程中揭露出该断层；在0、4线剖面上看，ZK006孔366.26～715.42 m所揭露的地层为侏罗系窑街组，岩性为灰黑色粉砂岩、泥岩及炭质泥岩，ZK006自715.42～740.06 m为古—新近系白杨河组地层，岩性为紫红色石英砂砾岩；属中下侏罗统窑街组(J1-2y)逆冲于古—新近系的古—中新世白杨河组(ENb)之上。ZK401孔161.45～254.59 m所揭露的地层为侏罗系享堂组，为侏罗系享堂组地层，岩性为灰绿色砂岩、粉砂岩及构造角砾岩；自254.59～280.15 m为古—新近系白杨河组地层，岩性为紫红色石英砂砾岩；属侏罗系享堂组地层逆冲于古—新近系白杨河组地层之上;倾向北东，倾角65°～80°。TC2中显示的煤层与断层的接触关系如图2所示。

图2 TC2中显示的煤层与断层的接触关系Fig.2 Coal seam-fault contact relationship shown in TC2

(7)F7。分布于研究区5线附近日木才尔休玛沟，走向30°，倾向北东；延伸2 km，属推测平移断层，具有东盘南移，西盘北移的左旋特征。推测理由：①F7以东大面积覆盖有古—新近系红层，ZK003孔453.87m以下仍未见底，属凹陷盆地，F7以西经地表探槽揭露(TC4)出露地层有三叠系阿塔寺—尕勒得寺并组，可采煤层被错断；②从0线和5线剖面对比来看，F7以西中下侏罗统窑街组(J1-2y)地层有变厚的趋势，地层层序正常。③从地貌上看，存在明显的负地形。

2 地球物理特征

2.1 可控源音频大地电磁测电测深物性特征

区内砂岩标本测定的电阻率变化范围在6.6～254 Ω·m，表现为低阻特征，且砂岩的粒级由粗变细，其电阻率由大变小，粗砂岩>中砂岩>细砂岩>粉砂岩>泥岩。红层的电阻率变化范围为31.1～318 Ω·m，具低—中等电阻率特征；煤的电阻率变化范围为228～2 969 Ω·m，平均818.6 Ω·m，表现为中—高电阻率特征，是砂岩的2～3倍(说明：标本测定结果较露头小四极测定结果小)，见表1。

表1 岩矿石电性参数测定及统计结果Tab.1 Determination and statistical results of electrical parameters of rock and ore

2.2 可控源电测深剖面异常特征

(1)1线可控源剖面。1线剖面长2 680 m，对1线可控源剖面进行了卡尼亚视电阻率二维圆滑反演，从反演断面图上可以看出，断面低阻异常分带明显，中部有一向南倾斜的低阻带，并在剖面北端有转折现象，而转折部位深部表现为中等视电阻率异常，对比3条剖面，在北部均表现为基本相同的特征。根据断面视电阻率异常形态并结合该区地层分布和岩石的电性特征，推测该区存在一背斜构造，明显的低阻异常由古—新近系红层(ENb)引起，200—220点深部的中阻异常推测由侏罗系(Jy)引起。100—170点之间的中—高阻异常推测由其他高阻地层引起，并且与古—新系红层为断层接触，才尔贡玛1线可控源反演及推测断面如图3所示。

(2)2线可控源剖面。2线剖面长4 000 m，对2线可控源剖面进行了卡尼亚视电阻率二维圆滑反演，从反演断面图上可以看出，断面以小于100 Ω·m的低阻异常为主，分布在剖面南北两端，中间180—240点间为一中阻异常带，该中阻异常带与其他2条断面相吻合。根据该剖面的视电阻率异常特征并结合区内岩石的电性特征，推测剖面南北两端的低阻异常由古—新近系红层(ENb)引起，而中间向下延伸的中阻异常推测由侏罗系(Jy)地层引起，如图4所示。

图3 才尔贡玛1线可控源反演及推测断面Fig.3 Controlled source inversion and inferred cross section of Caiergongma Line 1

图4 才尔贡玛2线可控源反演及推测断面Fig.4 Controlled source inversion and inferred cross-section of Caiergongma Line 2

(3)3线可控源剖面。3线剖面长3 000 m，对3线可控源剖面进行了卡尼亚视电阻率二维圆滑反演，从反演断面图上可以看出，断面仍以低阻异常为主，剖面南端100—210点主要为低阻区，剖面北端210—250点主要为中—高阻区，根据该剖面的视电阻率异常特征并结合区内岩石的电性特征，推测剖面南端的低阻异常由古—新近系红层(ENb)引起，而北端的中阻异常推测由侏罗系(Jy)地层引起，如图5所示。

图5 才尔贡玛3线可控源反演及推测断面Fig.5 Controlled source inversion and inferred cross section of Caiergongma Line 3

根据可控源电磁测深剖面研究，解译资料显示在0线下伏有侏罗系含煤地层存在，构造形态为一背斜，在解译和对比分析基础上，施工ZK002、ZK003、ZK004、ZK005、ZK006进行验证，其中南侧ZK002、ZK003均未见到侏罗系煤系地层和煤层，北侧施工的ZK004、ZK005、ZK006揭露出侏罗系窑街组、享堂组地层，地层产状陡，倾角多在60°～80°，仅在ZK005孔中见到煤层，但比较薄；同时在5线施工ZK501孔，见到侏罗系煤系地层，但未见煤层。根据剖面对比，不存在背斜构造，仅是多组断裂组成的单斜构造。

3 综合勘查法

3.1 勘查方法及工程布置

本区为全新统覆盖区，根据章节2，选择分析了钻探、地球物理测井以及探槽紧密配合的综合勘查方法，在充分吸收前人研究成果的基础上，总结研究区成煤规律及特征，为研究区的远景评价提供依据。本次研究手段依据电测深剖面、西邻瓦乎寺煤矿的地层层位对比、研究区含煤岩系地层和断裂构造的新认识，以钻探和槽探为主要手段选择最佳孔位(ZK005、ZK006、ZK401)逐步探索验证，同时将“三边”研究放在突出位置，强化综合研究，提高指导作用，力求最大限度的提高每一个钻孔的地质勘查效果。

(1)工程点测量。各工程点均采用GPS进行测量定位，各钻孔为独立坐标系统。研究初期，利用1/5万上日木策尔幅地形图在工区范围内最高控制点4 164 m处用GPS麦哲伦和集思宝三者进行了校对，三者X、Y值均吻合，高程GPS集思宝误差-146 m，并进行了校正。最后统一用GPS集思宝对2008—2010年度的工程进行了定测；通过使用前和使用后的检查，其精度满足研究阶段的要求，误差≤±4 m。

(2)钻孔布设、定位测量及精度评定。钻孔的布设，根据设计钻孔的理论坐标和煤勘所提供的坐标数据，用GPS到实地确定孔位，钻孔完工后进行二次复测，平面复测误差满足普查阶段的要求。其定测和复测后的孔位坐标差值见表2。

表2 钻孔定测和复测后的误差Tab.2 Errors after borehole measurement and remeasurement

(3)探槽布设、定位测量及精度评定。探槽的布设按设计在实地结合煤层、地层及断层的走向按25°方向布设，槽头两端用木桩做标记，并用GPS到实地确定位置，完工后进行二次定测，槽头坐标以二次定测南端为准。

3.2 钻探工程

3.2.1 研究方法

本次所使用的机型为XY-5型。开孔口径为130 mm，穿过第四系覆盖层后根据地层情况换110、98 mm口径分级钻进，终孔口径均为94 mm，钻孔结构按设计和规范要求执行；最后用测井测斜成果；孔深校正严格按设计要求，每50 m孔深测量一次。该区用钻探研究方法是行之有效的，工艺比较先进；采取率很高；打煤质量较好；进尺平均每天为15～20 m；对破碎带的堵漏和取芯有很好的经验。以上特点为项目资料的取得提供了可靠依据。

3.2.2 钻探质量

对所竣工的3个钻孔均按煤炭工业部2007年颁布的《煤田勘探钻孔工程质量标准》进行了认真验收，综合评定ZK006ZK401为甲级；ZK005为乙级。完成钻探研究量1 805.91 m。其中，ZK401孔为85°斜孔；ZK005和ZK401孔均打到可采煤层1层，煤线2层；ZK006孔没有打到煤层，但施工的3个孔均控制了F5断层和含煤地层及古新近纪地层，达到了施工的目的。

3.2.3 岩煤层采取质量

(1)岩煤层采取率。完成的3个钻孔全孔岩芯采取率全在80%以上，煤层采取率85%以上，煤层顶底板采取率在80%以上，符合质量标准要求。煤、岩芯采取率见表3。

表3 煤、岩芯采取率Tab.3 Coal and core recovery rate

(2)钻孔煤层质量。质量评述中煤层厚度均按真厚度为准，最低可采厚度为0.60 m(BN煤)。3个孔中共见煤6层，其中评级2层，未评级4层，主要是煤层太薄，以煤线为主，钻探见煤，测井为炭质泥岩，煤质分析为不粘煤。煤层倾角的确定是实测倾角减去相应孔段的天顶角。钻探打煤质量较好，煤层是可靠的；测井未测出的煤线主要原因为测井曲线灵敏度>0.10 m时才能解译。在最终成果利用时仍用测井成果。

3.3 地球物理测井

(1)采用的方法技术。根据DT/T 0080—2010《煤田地球物理测井规范》以及本次项目的研究需要，本次测井研究对3个孔进行了电阻率、自然伽马、密度、自然电位、井径、井斜等6个参数的测量。

(2)使用的仪器与性能。本次地球物理测井研究所使用仪器及设备配备情况见表4。

JGS-3智能工程测井系统的主要技术指标为：深度测量误差≤0.4‰，测井速度0.5～30 m/min可调，研究温度范围-10～+50 ℃。

(3)解释原则。在测井曲线上，若同时具有高电阻、低自然伽马、高伽马—伽马特征的层位，并且井径正常的情况下，即可定性为煤层(图6)。根据以往测井经验，在井径扩大段，可以显示为似煤反应，是对泥浆的一种测量反应，因此在解释煤层的过程中需要考虑该种情况。本矿区煤层段未发现井径扩大的情况。根据以往测井成果，对于结构简单煤层，长短源距、自然伽马、电阻率、自然电位等测井参数均有较好反映，对煤层界面反映均较清楚，此时，长短源距、自然伽马、电位电阻率、自然电位均可作为煤层定性解释参数。对复杂结构煤层，尤其当井径不正常时，煤层解释依靠参数选择为长短源距，自然伽马、电位电阻率。自然电位解释时作为参考参数，在煤层部位，自然电位显示负异常。根据钻孔资料，该区煤系地层中见有炭质泥岩，因此，钻孔内见有炭质泥岩的部位要认真研究测井资料，寻找可能存在的煤层。

表4 测井使用仪器设备情况Tab.4 Well logging instruments and equipment

图6 ZK401号钻孔煤层特征反映曲线Fig.6 Coal seam characteristic reflection curve of ZK401 borehole

(4)煤层定厚解释原则。定厚解释主要确定煤层结构、详细划分煤层及夹矸厚度。根据该矿区以往测井经验，此次地球物理测井研究煤层定厚解释原确定见表5。煤层及夹矸的定厚解释在1/50曲线上进行。定厚解释时，先在1/50曲线上按照每种参数的解释原则分别求出每种参数所反映的煤层顶、底板深度及厚度，最后采用的煤层顶、底板深度及厚度为几种测井参数所求得的深度及厚度的平均值。本次研究我们采用长源距伽马—伽马、三侧向电阻率及自然伽马3种对煤层反应明显的参数确定单一参数的定厚解释点，然后三参数进行平均得到最终的煤层深度及厚度。

表5 煤层定厚解释原则Tab.5 Coal seam thickness determination principle

(5)夹矸解释原则。煤层中夹矸划分的基本解释原则是在伽马—伽马曲线上，煤层中曲线显示幅度小于该煤层全幅值2/3者可定为夹矸，大于2/3以上者则按煤层对待，不划分夹矸，这种似夹矸异常反映，只是这个部位的煤层含灰分略高而造成的变化。对于小于源距的薄层夹矸，其伽马—伽马曲线显示可能大于煤层幅值的2/3，但视电阻率、自然伽马参数有明显反映时也可确定为夹矸。在井径正常地段，夹矸部位同时具有低电阻、高自然伽马。

(6)炭质泥岩解释原则。炭质泥岩是煤、劣质煤与泥岩之间相互过渡岩层，其物性特征介于煤与泥岩之间，其灰分超过40%，含炭量在60%以下。对于碳含量较低的泥岩，其物性与泥岩差异很小不易区分。一般情况下，炭质泥岩主要物性特点是：伽马—伽马参数在整个含煤岩系剖面上显示为仅次于煤层的高幅值(井径扩大假异常除外)，视电阻率参数也有区别于上下岩层的显示，自然伽马参数也有层位显示。其定性定厚的主要参数为伽马—伽马参数，同时还要参考其他参数，定厚解释原则是其幅值小于本孔主要煤层最高幅值的60%可定为炭质泥岩，高于60%的则为煤，其量值视仪器灵敏度而定。

(7)其他岩性的解释原则。不同岩性由于其粒度的大小不同，在各种参数曲线上的反映也不同。粒度越大，自然伽马参数的数值越小，视电阻率参数值越大。其余参数也有不同程度的显示。区内岩石以泥岩的自然伽马值最大，粗砂岩的自然伽马值最小，其余岩性介于两者之间。以自然伽马参数为主，参考三侧向电阻率参数可以对不同粒度的岩性进行划分。另外，由于影响岩石自然伽马参数的因素较多，在不同程度上会影响岩层的解释精度。所以，对岩层进行定性、定厚解释时，同时参照钻探成果进行准确定性。钻孔破碎带地球物理特征曲线如图7所示。

图7 钻孔破碎带地球物理特征曲线Fig.7 Geophysical characteristic curve of borehole fracture zone

(8)质量评述。本区测井研究严格按照中华人民共和国地质矿产部制定的《煤田地球物理测井规范》执行，所使用仪器设备性能良好，各参数方法选择合理，结果准确可靠，地质效果明显。数字原始资料质量评级执行标准为DZ/T 0080—93《煤田地球物理测井规范》，成果质量评级执行标准为中华人民共和国煤炭工业部制定的《煤田勘探钻孔工程质量标准》中测井成果质量标准，根据原始资料及成果资料评级情况，测井原始资料质量甲级孔3个，全孔质量等级甲级孔3个。地球物理测井研究量及质量情况见表6。

3.4 探槽研究

探槽工程以揭露区内煤层露头和F7断层为目的。360型挖机共施工8条探槽，其规格以实地施工条件和确保安全为原则，其边坡安全角为60°，施工至槽底基岩0.3～0.5 m能看清产状为原则，探槽

表6 地球物理测井研究量及质量情况Tab.6 Research quantity and quality of geophysical logging

施工后，由地质编录人员及时进行了编录。编录格式严格按QB/C7.5—K01—2001A/0固体矿产勘查地质研究细则操作，编录质量符合要求；编录完后，全部进行了回填；经过自互检后着墨，编录整齐、准确、及时，内容齐全。

探槽工程总长度934.77 m，总研究量7 339.40 m3，平均7.86 m3/m；施工深度平均达2 m，特别是TC1、TC2、TC3局部地段深度达6 m以上，口宽平均达2 m、底宽平均达1.8 m。其中3条见煤并采取了煤样，采集探槽煤样7件；2条因第四系覆盖厚而未揭露至基岩面，3条未见煤但揭露和控制了F5、F6断层。

地表槽探煤层最小厚度0.10 m，最大厚度0.60 m，平均厚0.35 m，不够可采厚度；施工钻孔2个，见可采煤层的钻孔2个，ZK005厚度0.76 m，ZK401厚度0.82 m，平均厚0.79 m。从地表至中深部煤层厚度反映出由薄变厚的趋势。由于构造对煤层的影响，煤层厚度沿走向和倾向在3线(D2电测深剖面)附近变化较大，煤层变薄，煤质灰分超标；可采煤层在平面上延伸长度达1.529 km，煤层产状为10°～25°∠60°～78°。煤层结构较简单，含夹矸1层，煤层稳定性属较稳定类型。

对达到设计目的的探槽均进行了素描。本次探槽工程布置合理，施工规范，达到了设计目的。