任澤強(qiáng)，何金先,2，董守華，吳泓辰，張曉麗，周逃濤，王愛寬，師 帥

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州 221116； 2.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074)

0 引言

孫疃煤礦位于安徽省濉溪縣境內(nèi)，距離宿州市22km。面積約40km2，主要可采煤層有72、82、10等3層，可采煤層總厚5.99m。目前全區(qū)山西組10煤層已開采完畢，北部82采區(qū)下石盒子組72、82煤層為下階段主要開采對象，但72煤層和82煤層的煤層厚度變化較大，煤層的穩(wěn)定性較差，這不僅影響了采區(qū)工作面的部署，加大了開采煤層難度，同時也給煤礦的安全生產(chǎn)帶來隱患。因此本文在原有礦井地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，分析72、82煤層厚度在采區(qū)的變化特征；并結(jié)合孫疃煤礦構(gòu)造演化史，從沉積環(huán)境、古河流沖刷、構(gòu)造變動、巖漿作用等4個方面綜合探究其煤層變化的控制因素，從而為煤礦開采部署、生產(chǎn)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 煤田地質(zhì)

1.1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

孫疃煤礦位于淮北煤田臨渙礦區(qū)南部童亭背斜東翼，其構(gòu)造較為簡單，整體為一個走向近于南北、向東傾斜 的單斜構(gòu)造，地層傾角10°～20°，平均16°。整體地層沿走向和傾向變化不大，根據(jù)以往勘探以及三維地震研究成果，孫疃煤礦主要以高角度斷層為主，共發(fā)育大小斷層347條，其中正斷層346條，逆斷層僅為1條, 斷層走向主要為NE向，其次為NW向，斷層傾角主要為50°～70°。其中界溝斷層和楊柳斷層為孫疃煤礦的南北邊界(圖1)。

研究區(qū)82采區(qū)位于 F5斷層以南，西部以沉積缺失帶為主，南部以F7與F9為界。三條斷層為區(qū)內(nèi)主要控制斷層，東部邊界主要為82煤層-800m，采區(qū)面積約6km。整體82采區(qū)共發(fā)育大、小斷層40條，其中主要斷層8條，小型斷層32條。采區(qū)斷層均為正斷層，逆斷層不發(fā)育。斷層走向以 NE向為主，NW向及 NNE向次之。

1.2 含煤巖系與煤質(zhì)

孫疃煤礦含煤地層除新生界松散地層以外，其由老到新分別發(fā)育有二疊系的石千峰組、上石盒子組、下石盒子組和山西組；石炭系的太原組、本溪組；奧陶系的老虎山組-馬家溝組，含煤地層為太原組、山西組、下石盒子組，其中下石盒子組厚度206.7～264.4m，平均231.3m。巖性由砂巖、粉砂巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖及煤層組成，下石盒子組共含4、5、6、7、8等五個煤層(組)，其中72、82兩層為全區(qū)較穩(wěn)定煤層，為主要開采煤層。

82煤層賦存于下石盒子組下部，下距下石盒子組底部標(biāo)志層鋁質(zhì)泥巖14～43m，平均23m左右。72煤層位于82煤層上部，距鋁質(zhì)泥巖平均55m。72、82煤層整體呈深黑色，條痕深棕黑色。玻璃光澤，階梯狀斷口。條帶狀結(jié)構(gòu)，粉末狀及粒狀構(gòu)造為主，塊狀、鱗片狀構(gòu)造少見。宏觀煤巖成分以亮煤為主，鏡煤暗煤次之。孫疃煤72與82煤鏡質(zhì)組平均最大反射率均為0.94，主要為氣煤-肥煤，但有部分煤層受燕山期巖漿侵入影響，變?yōu)樘烊唤?，降低了煤的開采價值。此外72、82煤層原煤灰分含量平均含量為22%，原煤全硫含量為0.4%，屬于中灰、低硫煤。

2 煤厚特征

2.1 煤層穩(wěn)定性評價

利用煤礦鉆井資料對82采區(qū)以及鄰近采區(qū)108個鉆孔72、82煤層進(jìn)行煤層厚度統(tǒng)計，其結(jié)果如表1所示。82煤層不可采(含無煤孔)鉆孔數(shù)為22個，占總鉆孔數(shù)的20.4%。中厚以及厚煤層達(dá)到了68%，可采煤層以中厚煤層為主，整體上為中厚煤層。依據(jù)煤礦地質(zhì)工作規(guī)定，其煤層變異系數(shù)為81%，可采指數(shù)為0.80,綜合上述指標(biāo)，82煤層主要為不穩(wěn)定煤層。相比之下72煤層不可采(含無煤孔)鉆孔數(shù)占總鉆孔數(shù)的41.7%。薄煤層以及不可采煤層占總鉆孔數(shù)的66.5%，可采煤層以中厚煤層為主，整體為薄煤層。其可采指數(shù)為0.58，煤層變異系數(shù)為88%，整體為極不穩(wěn)定煤層。

圖1 淮北孫疃煤礦構(gòu)造地質(zhì)圖Figure 1 Tectonic geological map of Suntuan coalmine in Huaibei

煤層類型劃分依據(jù)/m孔數(shù)/個(82煤層)比例/%(82煤層)孔數(shù)/個(72煤層)比例/%(72煤層)不可采煤層(含無煤孔)0～0.82220.4%4541.7%薄煤層0.8～1.31211.1%1614.8%中厚煤層1.3～3.57064.8%4440.7%厚煤層≥3.543.7%32.8%

2.2 煤層厚度變化特征

根據(jù)孫疃煤礦地質(zhì)構(gòu)造以及鉆孔數(shù)據(jù)，繪制了82、72煤層厚度等值線圖(圖2a，圖2b)。結(jié)合其煤層厚度統(tǒng)計以及煤層的穩(wěn)定性，其煤層厚度變化特征如下：

(1)本區(qū)下石盒子組82煤與72煤層總體上呈條帶狀分布，部分煤層呈雞窩狀分布。研究區(qū)煤層受構(gòu)造作用，其南北邊界出現(xiàn)煤層區(qū)缺失，東部邊界為童亭背斜核部地區(qū)，地層后期遭受剝蝕出現(xiàn)無煤帶。中部地區(qū)為區(qū)域性的無煤帶以及薄煤帶，并將82采區(qū)分為南北兩個賦煤區(qū)域。南北賦煤區(qū)域均為中間厚兩邊薄的趨勢，但北部煤層相較于南部煤層，其煤層缺失較少，煤層更為穩(wěn)定。此外，整體上82煤與72煤層相比，其煤層的穩(wěn)定性較好，中厚煤層的分布更廣。

(2)研究區(qū)82煤層厚度為0～4.31m，平均厚度為1.7m。72煤層厚度為0～3.62m，平均厚度為1.14m。整體上82煤層、72煤層可采煤層均為中厚煤層，煤層厚度極值點遠(yuǎn)離平均值，煤層厚度變化幅度大。

(3)研究區(qū)82煤層見夾矸鉆孔數(shù)為22個，夾矸層數(shù)普遍為1-2層，單層夾矸厚度多為0.1～0.2m，巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖為主。72煤層一般不含夾矸，研究區(qū)見夾矸6個，以單層夾矸為主，巖性以泥巖為主?？傮w上研究區(qū)煤層夾矸層數(shù)較少，但82煤層相較于72煤層其煤層夾矸數(shù)較多。

(4)此外根據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計82煤層受巖漿影響的鉆孔數(shù)為13個，部分煤層變質(zhì)為天然焦。72煤層受巖漿巖影響較大，共有34個鉆孔受到巖漿作用，煤層受巖漿作用較為強(qiáng)烈，致使部分煤層缺失。

3 煤層厚度變化的控制因素

煤層厚度的變化受控于諸多因素，一般根據(jù)地質(zhì)因素的作用時間與煤層形成時期將煤層厚度分為原生變化和后生變化兩大類[1]。引起煤層原生變化的因素主要包括沉積環(huán)境及泥炭沼澤基底不平、同生沖蝕和地殼不均勻沉降，后生變化的影響因素主要包括后生沖蝕、構(gòu)造變動以及巖漿作用。通過對研究區(qū)煤層厚度特征分析，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，將82采區(qū)煤層厚度主要受控因素歸納為沉積環(huán)境、河流沖刷、 構(gòu)造變動以及巖漿侵入。其中煤層厚度變化的整體控制因素為沉積環(huán)境，而后期構(gòu)造、同生沖蝕、巖漿作用僅引起局部煤層厚度變化。

3.1 沉積環(huán)境的影響

煤層厚度又取決于可容空間增長速率與泥炭聚集速率之間的相對平衡， 只有相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境才能形成厚度較大的煤層， 因此煤層的厚度變化受控于沉積環(huán)境?；幢泵禾镂挥谌A北盆地南部，晚石炭世至晚二疊世，華北盆地由海相為主的成煤環(huán)境逐漸被陸相為主的成煤環(huán)境所取代[11，14-16]。早二疊世晚期，在大規(guī)模海退背景下，淮北地區(qū)為地勢起伏不大的陸表海環(huán)境，廣泛發(fā)育淺水三角洲沉積體系。山西組形成于三角洲低速度與高速度建設(shè)的轉(zhuǎn)換階段，下石盒子組形成于高速度建設(shè)型的三角洲平原環(huán)境。三角洲沉積環(huán)境有多個沉積亞環(huán)境組成，但通常只有泛濫盆地、分流間灣和廢棄的分流河道有利于泥炭的聚集，從而形成大規(guī)模穩(wěn)定的煤層、通過對研究區(qū)沉積環(huán)境研究分析，82采區(qū)二疊系下石盒子組含煤巖系形成于三角洲平原環(huán)境，其沉積微相主要為分流河道、分流間灣、河口沙壩等，其中82、72煤層主要發(fā)育于相對穩(wěn)定的分流間灣泥炭沼澤上。在此沉積環(huán)境下，水動力較弱，沉積速率相對穩(wěn)定，利于煤層的聚集。

a.82煤層 b.72煤層圖2 研究區(qū)煤層厚度等值線圖Figure 2 Isogram of coal seam thickness in study area

a.82煤層 b.72煤層圖3 研究區(qū)煤層頂板巖性分布圖Figure 3 Coal roof lithologic distribution in study area

3.2 古河流沖刷的影響

古河流對煤層的沖刷作用于泥炭形成過程或者沉積覆蓋以后的煤層，前者為同生沖蝕，后者為后生沖蝕。古河流沖蝕致使煤層變薄、缺失成為不可采或者無煤帶。根據(jù)研究區(qū)沉積環(huán)境以及煤層頂?shù)装鍘r性(圖3a,圖3b)，煤層受河流作用主要為同生沖蝕。研究區(qū)河流沖蝕物主要為砂巖，由于同期河流彎彎曲曲，支流較多，致使煤層沖刷帶呈條帶狀分布。研究區(qū)中部煤層受同期河流影響較為嚴(yán)重，整體為薄煤帶或者無煤帶，且靠近沖刷帶附近的煤層灰分含量較高，光澤暗淡，質(zhì)量較差。與72煤層相比，82煤層總體上受到河流的沖蝕作用更強(qiáng)，影響面積更大。

3.3 構(gòu)造變動對煤層厚度的影響

構(gòu)造變動不僅可以改變煤層的原始產(chǎn)狀，還可以改變煤層的厚度以及形態(tài)。孫疃煤礦主要受到兩期構(gòu)造作用。在早燕山期受到NWW-SEE水平方向擠壓形成孫疃煤礦地層走向南北，向東傾斜的單斜構(gòu)造，并在此基礎(chǔ)上發(fā)育走向為NE和NW的兩組共軛小斷層[21]。晚燕山期受到NNE-SSW水平方向擠壓，在早期NE向斷層的基礎(chǔ)上形成了大量的走向為NE的張性正斷層，構(gòu)成煤礦邊界以及內(nèi)部控制斷層。研究區(qū)F5和F9就形成于該時期。孫疃煤礦向東傾斜的單斜構(gòu)造造成了研究區(qū)西部邊界煤層后期沉積缺失，而研究區(qū)內(nèi)部斷裂構(gòu)造對煤層的影響主要為兩個方面。(1)斷裂構(gòu)造致使斷層帶內(nèi)煤層缺失，并造成斷層兩盤煤層發(fā)生錯動，破壞煤層的完整性，例如F5、F9斷層造成兩側(cè)煤層落差達(dá)到200m(圖4，圖5)。此外研究區(qū)主要為張性正斷層，在斷層兩側(cè)，由于引張拖拽作用致使斷層兩側(cè)出現(xiàn)狹窄的厚度減薄帶。(2)在地層斷裂形成過程中，巖層間存在相對滑動，由于煤層頂板常為砂、粉砂巖，與煤層存在巖石力學(xué)強(qiáng)弱差異，容易產(chǎn)生層滑構(gòu)造。頂板斷裂時，在層間滑動剪切力的作用下，煤層發(fā)生塑性流變，從而導(dǎo)致煤層厚度發(fā)生變化，產(chǎn)生分叉、變薄、增厚，在空間上常呈條帶狀、透鏡狀、串珠狀等。

圖4 F9斷層示意圖Figure 4 A schematic diagram of fault F9

圖5 F5斷層示意圖 Figure 5 A schematic diagram of fault F5

a.82煤層 b.72煤層圖6 研究區(qū)煤層巖漿厚度等值線圖Figure 6 Isogram of coal seam magmatic intrusion thickness in study area

3.4 巖漿作用對煤層厚度的影響

研究區(qū)除了受到構(gòu)造變動本身的影響以外，還受到巖漿侵入等影響[7,12]。巖漿巖主要為燕山中期，以巖床的形式由宿北斷裂經(jīng)楊柳煤礦向南順層侵入。巖漿侵入煤層后，不僅吞蝕部分煤層致使煤層變薄，其本身的熱量還會引起煤層的變質(zhì)，從而喪失煤層的工業(yè)價值。研究區(qū)82、72煤層均受到巖漿巖侵入影響，致使煤層厚度減薄、煤級增大，煤層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)巖漿巖夾矸(圖6a,圖6b)。整體上82煤層受到巖漿作用影響較小，巖漿巖主要呈串珠狀分散在F5斷層帶附近，相對而言72煤層受到巖漿巖作用面積更大，主要分布于采區(qū)西部、F9斷層以及采區(qū)東北部。與古河流沖刷相比，采區(qū)巖漿作用規(guī)模，影響范圍均小于河流沖刷。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)82采區(qū)下石盒子組82煤與72煤層總體上呈條帶狀分布。以中部不可采區(qū)域為界，研究區(qū)可分為南北兩個賦煤區(qū)域。南北賦煤區(qū)域均為中間厚兩邊薄的趨勢，但北部煤層相較于南部煤層，其煤層缺失較少，煤層更為穩(wěn)定。

(2)研究區(qū)82煤層厚度為0～4.31m，平均厚度為1.7m。72煤層厚度為0～3.62m，平均厚度為1.14m。整體上82煤層與72煤層可采煤層均為中厚煤層，煤層厚度變化幅度大。82煤層相較于72煤層更加穩(wěn)定，為不穩(wěn)定煤層，72煤層為極不穩(wěn)定煤層，但一般不含夾矸。

(3)研究區(qū)煤層厚度變化的控制因素為沉積環(huán)境、古河道沖刷、構(gòu)造變動以及巖漿作用。其中沉積環(huán)境控制著研究區(qū)聚煤作用，為整體控制因素；古河流沖刷主要為同生沖蝕，其中對82煤層作用較大；除了東部邊界煤層沉積缺失，構(gòu)造變動還使斷層帶煤層缺失以及發(fā)生層滑作用；巖漿作用主要使局部煤層厚度變薄，對72煤層影響范圍大于82煤層。整體上研究區(qū)煤厚厚度變化的控制因素作用大小為：沉積環(huán)境>古河道沖刷>構(gòu)造變動>巖漿作用。

《煤礦巖溶水精細(xì)探測、防治技術(shù)理論與實踐》方向清編著

本書于2018年6月8日由《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》電子雜志社有限公司出版。本書系統(tǒng)研究了華北型煤田巖溶地下水與煤炭的相互關(guān)系，提出了巖溶地下水系統(tǒng)模式、煤礦充水模式、巖溶水勘查模式、煤礦突(涌)水模式及治理模式等系列理論。根據(jù)作者30多年的實踐，總結(jié)了地下水成因分析及評價方法，特別是建立了煤礦靜涌水量、動涌水量計算方法，以及基于單位面積靜涌水量的煤礦頂板危險性評價方法。本書是研究華北型煤田巖溶水非常實用的參考書。http://bianke.cnki.net/Home/Corpus/16611.html