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        湖南龍?zhí)睹合稻勖禾卣鲄?shù)研究

        2021-05-21 05:58:04劉海波劉石磊武志偉
        中國煤炭地質(zhì) 2021年4期

        劉海波, 劉石磊, 武志偉

        (湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南湘潭 411104)

        聚煤規(guī)律研究對煤田地質(zhì)勘探、煤礦安全生產(chǎn)布局等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        龍?zhí)睹合凳呛戏植甲顝V泛的含煤巖系,除了江南、雪峰等幾個古陸外,其它地區(qū)均有分布。龍?zhí)睹合颠€是省內(nèi)煤炭資源儲量最為豐富的含煤巖系,其資源儲量超過中生代安源煤系、上石炭統(tǒng)測水煤系等的總量。因為利用價值大,上二疊統(tǒng)龍?zhí)睹合凳艿搅藦V泛關(guān)注和高度重視,無論是煤系地層本身、還是其所含煤層、甚至于煤系氣等等都受了深入的研究[1-5]。

        采用統(tǒng)計分析結(jié)合作圖方法研究湖南龍?zhí)睹合稻勖禾卣鞯慕?jīng)典技術(shù)參數(shù),難以量化分析聚煤作用在層序上的變化特征。層碼值被提出并用于統(tǒng)計分析煤層在層序上的分布規(guī)律。層碼值不僅補(bǔ)充了聚煤規(guī)律研究的技術(shù)參數(shù),更利于量化分析煤層在層序上的分布和變化特征。

        1 地層

        湖南龍?zhí)睹合当4嬖谌∩习賯€各類向斜之中,其中規(guī)模較大的、具有一定開發(fā)價值且形成礦區(qū)的、共有66個(圖1)。據(jù)統(tǒng)計,開發(fā)強(qiáng)度最大的2008年全省共有668對礦井開發(fā)龍?zhí)睹合怠?/p>

        圖1 龍?zhí)睹合档牡V區(qū)分布

        湖南龍?zhí)睹合岛穸茸兓?。湘東南龍?zhí)睹合岛襁_(dá)數(shù)百米,甚至超千米;而湘西北相當(dāng)于龍?zhí)睹合档膮羌移航M辰溪段一般僅有數(shù)米厚。礦區(qū)平均厚度等值線圖(圖2)顯示,湘東南龍?zhí)睹合岛穸却?,往西北部逐漸變薄。龍?zhí)睹合邓簩訑?shù)亦由東南向西北減少,湘東、湘南龍?zhí)睹合低?0層左右,甚至超20層;而湘西、湘北相當(dāng)于龍?zhí)睹合档某较蝺H含煤1層,即8煤。

        圖2 龍?zhí)睹合党练e厚度及砂泥比值等值線

        按沉積物特征,湖南龍?zhí)睹合荡笾驴梢苑譃槿齻€區(qū)域[6-11]。

        1.1 湘西北桑石、黔敘煤田區(qū)

        包括桑石、黔敘兩個煤田。

        湘北桑石煤田內(nèi),相當(dāng)于龍?zhí)睹合档牡貙訛閰羌移航M辰溪段。辰溪段與其下伏茅口組之間呈假整合,假整合面凹凸不平。面上即為辰溪段下部,由風(fēng)化后呈磚紅-黃褐色的灰白色、灰綠色鋁土質(zhì)泥巖,或夾雜色泥巖及其上覆的8煤層組成,厚約數(shù)米,常不穩(wěn)定。慈利往東,辰溪段下部相變?yōu)楣栀|(zhì)、鈣質(zhì)、鋁質(zhì)泥巖互層;更東至澧縣,已相變?yōu)槟嗷規(guī)r夾硅質(zhì)、鈣質(zhì)泥巖、長石石英砂巖。辰溪段上部為灰?guī)r段,由深灰色中—厚層狀石灰?guī)r、泥灰?guī)r組成,厚數(shù)十米。

        湘西黔溆煤田內(nèi),辰溪段、茅口組之間呈假整合接觸。假整合面上的辰溪段類似湘北桑石煤田,由鋁土泥巖及上覆的8煤組成;不同之處是泥巖富含黃鐵礦,且部分地段常夾細(xì)碎屑巖,底部常含下伏地層的巖溶角礫,從而相變?yōu)楹[鋁土質(zhì)泥巖。

        1.2 湘中韶山煤田區(qū)

        包括韶山煤田及漣邵煤田北部。

        區(qū)內(nèi),龍?zhí)睹合蹬c其下伏茅口組之間呈假整合。假整合面上的龍?zhí)睹合涤苫疑皫r、細(xì)砂巖,以及黑色泥巖夾煤層組成;其底部常含下伏地層的巖溶角礫或古風(fēng)化殼黏土層。如圖2所示,本區(qū)南部的龍?zhí)睹合岛窦s100m,往北減小至20m左右,局部可能薄至10m。沉積物的砂泥比值最低處于本區(qū)中部,約0.1。往北增加較慢,如靠近江南古陸的煤炭壩、山口官渡礦區(qū)也多為0.2~0.3;但往南、往東增加迅速,至漣源—湘潭—醴陵一線以南,砂泥比值基本上都在1.0以上。

        1.3 湘中—湘南區(qū)

        包括郴耒、資汝煤田及漣邵煤田南部。

        本區(qū)是省內(nèi)龍?zhí)睹合底顬榘l(fā)育的區(qū)域,可將區(qū)內(nèi)龍?zhí)睹合祫澐譃椴缓旱南露魏秃旱纳隙?。下部不含煤段由灰白色石英砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖組成,厚度在200m左右,主要沉積在數(shù)個洼陷區(qū)。含煤段由灰白色砂巖、灰色細(xì)砂巖,以及黑色泥巖夾煤層組成,但分布較下部不含煤段廣泛、且厚度較穩(wěn)定。區(qū)內(nèi)龍?zhí)睹合岛穸纫话阍?00m左右。往東北,厚度增大,如攸縣一帶超過300m;往西南變薄,如邵陽—常寧一帶的西南區(qū)域小于100m。本區(qū)東、北部的砂泥比值大于1.0,往西南部低于1.0,至新寧—東安一帶甚至低于0.5。

        2 經(jīng)典參數(shù)分析

        含煤系數(shù)、煤層厚度[12-16]等經(jīng)典技術(shù)參數(shù)的研究表明,湖南龍?zhí)睹合岛合禂?shù)由東南向西北逐漸增加;含煤總層數(shù)、可采煤總層數(shù)自東南向西北逐漸減少;主采煤層厚度和可采煤層累厚也是自東向西變薄的。

        2.1 含煤層數(shù)

        湖南龍?zhí)睹合岛簩訑?shù)變化較大,總層數(shù)在1~24層,可采煤層層數(shù)也在1~10層(圖3)。

        圖3 含煤總層數(shù)分布

        湘西北的桑石、黔溆煤田內(nèi),相當(dāng)于龍?zhí)睹合档膮羌移航M辰溪段僅含煤1層,即8煤,為局部可采煤層。

        湘中的韶山煤田內(nèi),龍?zhí)睹合狄话愫?~8層,可采1~2層。韶山煤田中部的湘潭一帶,含煤3層,可采2層。往東至醴陵—瀏陽交界及其以東,含煤層數(shù)增至5層,可采2層。往北至寧鄉(xiāng)一帶僅含煤2層,可采1層。往南至株洲、湘潭一帶,所含煤層迅速增多,如譚家山礦區(qū),煤層多達(dá)8層,可采3層??傊厣矫禾锓秶鷥?nèi),龍?zhí)睹合邓簩涌倢訑?shù)、可采層數(shù)均是往東南增加,往西北減少。

        漣邵煤田一般含煤2~7層,可采1~4層。其規(guī)律是靠近龍山隆起帶,煤層層數(shù)較多,如牛馬司礦區(qū)多達(dá)7層,可采2層;短陂橋礦區(qū)含煤6層,可采2層。往南,煤層層數(shù)迅速減少到3~4層,可采1~2層。越過龍山隆起帶往北,含煤層數(shù)亦減少,如斗笠山礦區(qū)南部含煤層數(shù)多達(dá)4層,而該礦區(qū)的北部減少至2層,但煤層厚度比南部要穩(wěn)定。

        郴耒—資汝煤田一般含煤5~20層,可采3~10層。東北部的攸縣至醴陵一帶,含煤10層以上,攸縣以東的少數(shù)礦區(qū)如黃豐橋、界化垅礦區(qū)甚至多達(dá)到20層以上,可采3~5層,甚至多達(dá)10層。往西南,層數(shù)減少,至常寧一帶多含煤5層,可采3~4層。往東南至耒陽—郴州一帶,含煤7層,可采2~5層,更東南至宜章,又增至10層以上,如梅田礦區(qū)達(dá)到13層,可采4~6層。

        總體而言,省內(nèi)龍?zhí)睹合岛簩訑?shù)、可采層數(shù)均是東南部多,往西北逐漸減少,至湘北桑石煤田、湘西黔溆煤田一帶往往只含1層煤。

        2.2 含煤系數(shù)

        本次采用礦區(qū)可采含煤系數(shù),即每個礦區(qū)全部可采煤層的累厚與龍?zhí)睹合悼偤穸鹊谋戎?,來分析湖南龍?zhí)睹合岛合禂?shù)的特征。省內(nèi)龍?zhí)睹合悼刹珊合禂?shù)變化極大為0.4%~25%(圖4)。黔溆煤田的沅陵礦區(qū),辰溪段由下部3m左右的鋁土泥巖和其上1m左右的8煤組成,其含煤系數(shù)高達(dá)25%,是省內(nèi)含煤系數(shù)最高值。

        圖4 含煤系數(shù)等值線

        桑石、黔溆煤田,相當(dāng)于龍?zhí)睹合档某较斡上虏繑?shù)米厚的鋁土泥巖及其上覆的8煤組成,這使得區(qū)內(nèi)含煤系數(shù)多達(dá)10%以上。但桑石煤田往東,隨著辰溪段海相沉積物增多,8煤層變薄,含煤系數(shù)逐漸降低。

        韶山煤田內(nèi),含煤系數(shù)為5%~10%。往南,含煤系數(shù)逐漸降低,至湘潭以南,已經(jīng)低于5%;往北,逐漸增高,如寧鄉(xiāng)煤炭壩礦區(qū)高達(dá)13.8%??傊杀蓖?區(qū)內(nèi)含煤系數(shù)是逐漸降低的。

        漣邵煤田可采含煤系數(shù)也是由北往南逐漸降低,且其總體水平是全省最低的。漣邵煤田南部出現(xiàn)了全省僅有的低于1%的兩個礦區(qū),即箍腳底礦區(qū)的0.9%和三比田礦區(qū)的0.4%。

        郴耒煤田的含煤系數(shù)在2%左右,東部的大多低于2%,而西部的大多高于2%。總體變化趨勢是西高東低。

        綜上所述,湖南龍?zhí)睹合悼刹珊合禂?shù)是東南部低,往西北逐漸增高。

        2.3 煤層厚度

        桑石和黔溆煤田范圍內(nèi),相當(dāng)龍?zhí)睹合档膮羌移航M辰溪段只含8煤。8煤屬于局部可采煤層,僅在沅陵—辰溪一帶、桑植縣周邊的兩個局部地段發(fā)育較好,達(dá)到可采厚度,但其厚度也多是小于1m的。

        韶山煤田范圍內(nèi),西北部的主采煤層厚度大,往東南方向遞減(圖5)。但西北部可采煤層的累厚比較大,往東南方向是遞增的(圖6)。漣邵煤田的北部,無論是主采煤層厚度、還是可采煤層的累厚,都是往東南方向增加的。

        圖5 主采煤層厚度等值線

        漣邵煤田南部,主采煤層厚度、可采煤層累厚都是向南遞減的,至新寧—東安一帶已經(jīng)沒有可采價值的煤層了。

        圖6 可采煤層累厚等值線

        郴耒煤田中部是本省龍?zhí)睹合抵鞑擅簩雍穸茸畲蟮膮^(qū)域,往東、西兩側(cè)都變薄。但可采煤層累厚的最大厚度并非在中心區(qū),而是中心區(qū)的周邊鄰近區(qū)域(圖6);周邊區(qū)域再往東、西兩側(cè)又逐漸變薄。

        總之,湖南龍?zhí)睹合档闹鞑擅簩雍穸取⒖刹擅簩永酆窬辉谙嬷信璧刂行?,而是位于盆地中心地帶的周邊環(huán)帶形鄰近區(qū)域,再往周邊的古陸靠近,煤層厚度逐漸變薄。

        3 層碼值分析

        層碼值是量化地層層序關(guān)系的指標(biāo),可用于分析聚煤作用在地層層序上的特征。

        3.1 層碼值的基本概念

        層碼值是層序號與層數(shù)的比值,即地層單元內(nèi)自下而上編排的巖層層序號與該地層單元內(nèi)巖層總數(shù)的比值。算式如下

        (1)

        式中:αi為i巖層的層碼值;n為i巖層所在地層單元內(nèi)全部巖層的總層數(shù),n∈N+;i為由下而上編排的i巖層的層序號,i={1,2,3,…,n}(n∈N+)。

        層碼值是量化巖層在其所在地層單元內(nèi)層序位置關(guān)系的指標(biāo)值。層碼值越小表明該巖層越靠近所在地層單元底部;層碼值越大說明該巖層越靠近所在地層單元頂部。

        依據(jù)層碼值量化的對象不同,還可定義

        相對層碼值:是量化特征巖層在同類巖層中的相對層序位置關(guān)系的指標(biāo)值;是地層單元內(nèi)自下而上給特征巖層(比如煤層)進(jìn)行排序后的該巖層層序號與該地層單元內(nèi)所有該類同類巖層總層數(shù)的比值。算式如下

        (2)

        式中:βj為j特征巖層的相對層碼值;m為地層單元內(nèi)同類特征巖層總層數(shù);j為j層特征巖層在地層單元中的層序號。

        層碼值是量化地層單元內(nèi)絕對層序位置的指標(biāo)、是唯一的。相對層碼值則是量化地層單元內(nèi)同類巖層中的相對層序位置的指標(biāo)、表征其歸屬于此類特征巖層中的層序位置屬性。地層單元內(nèi)特征巖層可以存在多種多類,相對層碼值也就具有多樣多重性。

        顯然,層碼值、相對層碼值的全體數(shù)值集合都是各自構(gòu)成等差數(shù)列的;其公差為總層數(shù)的倒數(shù)。層碼值、相對層碼值的值域在0.0~1.0,且層碼值<相對層碼值。

        3.2 主采煤層層碼值分析

        1)主采煤層(絕對)層碼值。是主采煤層在地層單元內(nèi)的層序號與所有煤巖層總數(shù)的比值;是主采層在整個地層單元內(nèi)層序位置關(guān)系的量化值。算式如下

        (3)

        式中:αi為主采煤層(絕對)層碼值;n為地層單元內(nèi)全部煤巖層的總層數(shù);i為主采煤層在整個地層單元內(nèi)自下而上編排的層序號。

        依據(jù)式(3),可求得湖南龍?zhí)睹合蹈鞯V區(qū)主采煤層的層碼值,并展繪成主采煤層(絕對)層碼值分布圖(圖7)。

        圖7 主采煤層層碼值分布

        湖南龍?zhí)睹合蹈鞯V區(qū)主采煤層的層碼值變化較大,取值范圍在0.13~1.0,說明湖南龍?zhí)睹合档闹鞑擅簩涌煞植加诘貙訂卧撞恐另敳康母鱾€層序地層位置。層碼值小于0.5的礦區(qū)基本分布在盆地中心區(qū)域內(nèi),往盆地邊緣,層碼值逐漸增加,至盆地邊緣有4個區(qū)域的主采煤層層碼值全部是大于0.5的。結(jié)果表明,湖南龍?zhí)睹合抵鞑擅簩訉哟a值自盆地中心向邊緣逐漸增加;說明主采煤層在龍?zhí)睹合抵械膶有蛭恢糜膳璧刂行南蜻吘壷饾u遷移。

        2)主采煤層相對層碼值。主采煤層相對層碼值是主采煤層在地層單元內(nèi)的煤層排序號與煤層總數(shù)的比值;是主采煤層在所有煤層中的相對層序位置關(guān)系的量化值,算式如下

        (4)

        式中:βj為主采煤層相對層碼值;m為地層單元中全部煤層的總層數(shù);i為主采煤層在所有煤層中的排序號。

        據(jù)式(4)計算結(jié)果,可展繪湖南龍?zhí)睹合抵鞑擅簩酉鄬哟a值分布圖(圖8)。

        圖8 主采煤層相對層碼值分布

        湖南龍?zhí)睹合抵鞑擅簩酉鄬哟a值類似層碼值,其值小于0.5的礦區(qū)多分布在盆地中心,自中心向邊緣增加。說明主采煤層在龍?zhí)睹合邓忻簩拥南鄬有蛭恢茫耘璧刂行南蜻吘壷饾u遷移。

        主采煤層層碼值、相對層碼值都表明湖南龍?zhí)睹合党练e環(huán)境變遷過程中,最佳聚煤環(huán)境由盆地中心向邊緣逐漸推進(jìn)。

        3.3 可采煤層平均層碼值分析

        1)可采煤層平均層碼值??刹擅簩悠骄鶎哟a值是地層單元內(nèi)全部可采煤層(含主采煤層)的層碼值的平均值,是所有可采煤層在地層單元中的整體層序位置關(guān)系的量化值。算式如下

        (5)

        據(jù)式(5)計算結(jié)果,展繪成湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鶎哟a值分布圖(圖9)。

        圖9 可采煤層平均層碼值分布

        湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鶎哟a值為0.13~1.0,變化較大;但盆地中心區(qū)域內(nèi),各個礦區(qū)可采煤層平均層碼值都小于0.5,往盆地邊緣逐漸增高,至盆地邊緣有3個區(qū)域的可采煤層平均層碼值都是大于0.5的。分別是龍山隆起周邊區(qū)域、靠近武夷古陸的湘東南區(qū)域、靠近江南石陸的湘中東區(qū)域。因此,湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鶎哟a值自盆地中心向邊緣逐漸增高;說明可采煤層在龍?zhí)睹合抵械恼w層序位置由盆地中心向邊緣逐漸遷移。

        2)可采煤層的平均相對層碼值。是地層單元內(nèi)全部可采煤層(含主采煤層)的相對層碼值的平均值。算式如下

        (6)

        據(jù)式(6)計算結(jié)果,展繪成湖南龍?zhí)睹合悼刹擅簩悠骄鄬哟a值分布圖(圖10)。

        圖10 可采煤層平均相對層碼值分布

        可采煤層的平均相對層碼值自盆地中心向邊緣是逐漸增高的,說明可采煤層相對于所有煤層的整體層序位置,由盆地中心向邊緣是逐漸向上遷移的。

        可采煤層平均層碼值、平均相對層碼值都表明湖南龍?zhí)睹合党练e環(huán)境的變遷過程中,可采煤層的整體聚煤環(huán)境由盆地中心向邊緣逐漸推進(jìn)。

        4 結(jié)論

        經(jīng)典參數(shù)、輔以層碼值對湖南龍?zhí)睹合稻勖禾卣鞯姆治?,獲得以下主要認(rèn)識:

        1)湖南境內(nèi),龍?zhí)睹合悼刹珊合禂?shù)是由東南向西北逐漸增加;含煤總層數(shù)、可采總層數(shù)是自東南向西北逐漸減少;主采煤層厚度、可采煤層累厚自東向西變薄。

        2)湖南龍?zhí)睹合稻勖号璧刂行膮^(qū)域的主采煤層層碼值、相對層碼值,以及可采煤層平均層碼值、平均相對層碼值多低于0.5,但這些參數(shù)值均往盆地邊緣增高,靠近邊緣有3、4個區(qū)域的這些層碼值高于0.5。

        3)通過主采煤層層碼值、相對層碼值,以及可采煤層平均層碼值、平均相對層碼值的分析,證實(shí)湖南龍?zhí)睹合档木勖鹤罴循h(huán)境是由盆地中央向邊緣逐漸遷移的。

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