陕西黄陵二号煤矿203工作面煤层底板沉积微相与瓦斯展布规律研究

孙四清，曲少东，陈冬冬，马公社

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054；2.陕西地建土地工程技术研究院，西安 710075；3.陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西延安 727300）

陕西黄陵二号煤矿203工作面煤层底板沉积微相与瓦斯展布规律研究

孙四清1，曲少东2，陈冬冬1，马公社3

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054；2.陕西地建土地工程技术研究院，西安 710075；3.陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西延安 727300）

针对陕西黄陵黄陵矿业有限公司二号煤矿203工作面煤层煤矿底板瓦斯异常涌出现象，在该工作面实施了井下取心钻探。通过分析和观测目标层的岩性及瓦斯涌出资料，结合前人研究成果，对工作面煤层底板50 m范围进行地层对比、划分和沉积微相分析，认为该工作面底板发育三种沉积微相：三角洲前缘亚相的远砂坝微相、河口砂坝微相及三角洲平原的沼泽微相。

瓦斯；地层特征；沉积微相；圈闭

鄂尔多斯盆地是在中生代三叠纪晚期形成的坳陷盆地[1]，盆地边缘构造变形较强，但是内部构造变形很弱[2]。陕西黄陵矿业有限公司二号煤矿（以下简称二号煤矿）位于鄂尔多斯盆地南部，陕西黄陵县城西约55 km，近年来在煤矿开采过程中，203工作面底板50 m范围内瓦斯异常涌出明显，对煤矿的生产造成一定安全隐患，不利于矿区的有利发展。

地层的对比与划分是地质研究工作的基础，通过地层的划分与对比，可以实现对地层时空分布情况的了解，而沉积相的研究则对解释瓦斯的形成和赋存规律具有非常重要的意义[3，4]。在矿区范围内，中生代瓦斯赋存大部分属于岩性和构造双重控制，其储层的发育和分布明显受沉积环境和砂体展布的影响[5，6]。因此本文拟对二号煤矿203工作面煤层底板50 m范围内的地层对比、划分及沉积相的研究意义和重要性尤为明显。

1 203工作面简介

203工作面位于井田二盘区东北部，西部紧邻201工作面，东部为未开采的205工作面，巷道走向方位为339°，所处构造位置为一小型背斜构造，走向为北西—南东，倾伏方向为西北，根据三维地震勘探结果显示，该区域内无较大断层存在。

为了精细的研究203工作面底板下50 m的岩性、构造及瓦斯涌出等情况，在203工作面布置了5口井下取心研究钻孔，分别为HLJX-10、HLJX-11、HLJX-12、HLJX-13和20304（图1）。笔者通过对203工作面底板下50 m范围内地层进行精细研究，对其地层进行对比与划分，并对沉积环境和沉积相进行研究（沉积相划分到微相），这有利于加深对底板地层对比与划分和沉积相展布特征的认识，并弥补目前对矿区范围内沉积相研究相对薄弱的现状，为今后的安全开采提供更多的理论指导和依据。

图1 203工作面钻孔位置图Figure 1 Working face No.203 borehole layout

2 地层对比与划分

203工作面研究范围小，钻孔密级，结合周边钻孔及测井曲线资料，可以对底板地层进行对比和划分，并充分借鉴前人的划分结果，以确保分层的科学准确性。

2.1 单孔分析

对203工作面所有钻孔进行详细观测与描述，选取20304钻孔进行详细描述。该钻孔较深，且取心率高，伴随有瓦斯涌出，因此作为代表孔详细分析。

20304钻孔位于203工作面6连巷以内36 m处，距巷口2260 m，终孔深度为70.84 m，钻孔倾角45°，垂深50.09 m。从上自下钻遇地层为延安组底部、富县组及瓦窑堡组，瓦斯涌出现象明显，初次观测到涌出的深度为6.5 m左右。延安组：二煤以下延安组厚度为1.02 m，岩性为厚层状灰色、灰黑色泥岩，与下伏富县组呈平行不整合接触。富县组：厚度为26.02 m，上部岩性为巨厚层状灰绿色、灰白色粉砂岩和细粒砂岩互层，该层用便携式瓦斯检测仪检测到瓦斯涌出；下部为红褐色、灰绿色巨厚层状泥岩（“花斑泥岩”）夹多层巨厚层状灰绿色、灰白色细粒砂岩（图2），砂岩表面含油渍，与下伏瓦窑堡组呈平行不整合接触。瓦窑堡组：钻遇厚度为20.39 m，未见底，顶部为巨厚层状灰黑色细粒砂岩、粉砂岩，砂岩中碳质含量高，表面渗油（图3）。下部为巨厚层状灰黑色泥岩夹灰色巨厚层状粉砂岩。

图2 富县组上部巨厚层砂岩Figure 2 Extra thick sandstone in upper part of Fuxian Formation

图3 瓦窑堡组顶部砂岩层中油渍Figure 3 Indication of oil in Wayaobu Formation top sandstone

2.2 标志层的选取

煤层下部的宝塔山砂岩为鄂尔多斯盆地较好的标志层，但在203工作面范围内分布有限，因此不宜作为标志层。富县组上部的杂色泥岩（俗称“花斑泥岩”）在203工作面内分布较广，每口取心钻孔都有揭露，且可以作为地层成因识别的很好沉积环境标志，它的出现表明了河流泛滥的间歇期，代表了曲流河沉积环境，反映老的沉积旋廻结束，新的沉积旋廻开始[7]。因此，“花斑泥岩”成为地层等时划分良好的对比标志。

2.3古剥蚀面

鄂尔多斯盆地在晚三叠世受印支运动的影响，受区域性挤压整体抬升，瓦窑堡组顶部地层遭受不同程度的剥蚀，之后在早侏罗世有整体逐渐下降，富县组就沉积在该剥蚀面之上[8]，因此鄂尔多斯盆地在三叠系和侏罗系直接发育有一个古剥蚀面。在二号煤矿范围内，三叠系瓦窑堡组和侏罗系富县组之间的接触面表现为含砾砂岩。延安组和富县组的在井田范围内呈平行不整合接触，其判断标准是颜色的突变，延安组底部呈灰色、灰黑色泥岩或粉砂岩，富县组顶部呈灰绿色、红褐色泥岩或粉砂岩。

2.4 沉积分析

沉积分析，主要指利用沉积旋廻、岩性组合、地层厚度、标高的特征对地层划分对比综合分析[9-11]。二号煤矿煤层底板构造活动微弱，地层平缓，各层岩性变化不大，因此可以结合地层厚度、标高等参数进行对比划分。

2.5 划分与对比结果

通过上述的划分对比标志，对203工作面底板50 m范围内的地层进行了精细对比划分，做出了203工作面井下取心孔连井剖面图（图4）。划分结果显示，203工作面从巷口向内，呈下坡趋势，煤层以下延安组的厚度略有增大，岩性由粉砂岩渐变到泥岩，富县组厚度从25.8 m增加到38.7 m，整体岩性也有变细趋势，瓦窑堡组揭露较少，总体呈粉砂岩和泥岩互层。

图4 203工作面煤层底板地层对比与沉积微相分析Figure 4 Working face No.203 coal floor strata correlation and sedimentary microfacies analysis

3 沉积微相分析

沉积微相分析必须依靠大量的岩心资料及测井曲线，在识别大相、亚相的前提下逐级进行。岩心是地质研究中最直接、最全面、最详细的第一手资料，也是地下沉积相研究最重要的信息。

203工作面取心孔均匀布置在整个巷道，在取心井单井微相分析时，通过细致的岩心观察与描述，结合后期实验分析资料，从颜色、结构、构造、岩性、旋廻性、自生矿物及古生物化石等多方面进行沉积特征的全面、系统、详细分析，并结合区域沉积背景，根据岩石剖面结构和沉积环境演化规律，确定研究区目的层段的亚相、微相类型、岩石相类型进行单机相分析。

经过大量分析，认为研究区富县组及瓦窑堡组顶部属于三角洲前缘亚相沉积，延安组底部属于三角洲平原亚相，确定研究区内三种沉积微相：三角洲前缘亚相的远砂坝微相、河口砂坝微相及三角洲平原的沼泽微相（图4）。

203工作面垂向演化特征表现为多种沉积微相组合特征。自下而上为远砂坝微相-河口砂坝微相-沼泽微相，由于剖面范围小，垂深较浅，沉积相序并不完整，微相变化反映了三角洲平原-前缘亚相特征，有向滨浅湖亚相变化的趋势，但不同时期三角洲前积体发育程度和前积范围有一定差异。

203连井剖面与矿区构造线斜交，总体上来说各岩层相互连通性呈中等，砂体较不连续，多处砂体出现尖灭，表现为向巷道内水体变深的趋势，在瓦窑堡组沉积末期-富县组早期，表现为远砂坝沉积，水体较深，岩性较细，主要为泥岩-粉砂岩互层；富县组上部表现为河口砂坝沉积，水体相对较浅，局部沉积红褐色、灰绿色泥岩；煤层下部延安组发育沼泽微相。因此，203工作面从巷口向内，水体逐渐变深（图4），表现为典型的三角洲平原-前缘亚相沉积。

4 瓦斯赋存主控因素及展布规律分析

4.1 瓦斯赋存主控因素分析

根据203工作面现有5个取心孔气测录井资料显示，瓦斯主要赋存于富县组顶部的砂岩层中，由于富县组较薄，且下部岩性以紫杂色泥岩(“花斑泥岩”)为主，有机质含量较低，不具备生烃条件。鄂尔多斯盆地富县组砂岩层中瓦斯主要来自于下部延长组[12-15]。瓦斯运移通道包括但不仅限于侏罗系和三叠系之间的不整合面和巨厚砂体[16]。203工作面总体为一缓坡，瓦斯富集于工作面中部的斜坡上，属于构造斜坡带成藏。同时，富县组上部的砂岩储层发育河口砂坝微相沉积，砂岩孔隙率较高，可以作为很好的储层，在砂岩的上倾尖灭方向，瓦斯大量赋存，砂体上部覆盖的厚层延安组泥岩，对运移来的油气起良好的阻挡作用，因此具有岩性圈闭气藏特征（图5）。综合分析认为，203工作面煤层底板瓦斯赋存主要受构造和岩性控制，为典型的构造-岩性圈闭气藏。

图5 203工作面井下取心孔连井剖面Figure 5 Working face No.203 underground coring drilling crossborehole section

4.2 瓦斯展布规律预测

做好瓦斯展布规律的预测，对于煤矿安全生产有重要意义。黄陵二号煤矿整个井田范围内，整体沉积物粒度较细，但在发育有细粒砂岩的区域，由于相对物性较好，瓦斯比较容易聚集，特别是在构造高点，即砂岩的上倾尖灭端，瓦斯极易大量聚集。因此，研究认为，在有细粒砂岩发育的部位，同时位于砂岩上倾尖灭端的部位，为瓦斯的有利赋存部位，在煤矿的后续开采过程中，应尤为注意。

5 结论

（1）203工作面自下而上为远砂坝微相-河口砂坝微相-沼泽微相，由于剖面范围小，垂深较浅，沉积相序并不完整，微相变化反映了三角洲平原-前缘亚相特征，有向滨浅湖亚相变化的趋势，但不同时期三角洲前积体发育程度和前积范围有一定差异。

（2）203工作面煤层底板瓦斯储集于工作面中部的斜坡部位的富县组上部，储层岩性以细粒砂岩为主，并在砂岩的上倾尖灭部位大量富集，说明瓦斯聚集主要受构造和岩性影响，为一典型的构造-岩性圈闭气藏。同时，细粒砂岩的上倾尖灭端也可以作为预测瓦斯富集的一项重要指标。

（3）井下取心作为一种低成本、高效率的工作方法，可以快速有效的判断煤层底板沉积微相，分析储层展布及构造规律，可以精确地查找和预测瓦斯赋存部位，为煤矿后续的安全生产提供保障。

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Working Face No.203 Coal Floor Sedimentary Microfacies and Gas Distribution Pattern Study in Huangling No.2 Coalmine,Shaanxi

Sun Siqing1,Qu Shaodong2,Chen Dongdong1and Ma Gongshe3
(1.Xian Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xian,Shaanxi 710054; 2.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Research Institute,Xi'an,Shaanxi 710075; 3.Huangling Mining Group,Shaanxi Coal Industry Co.Ltd.,Yan'an,Shaanxi 727300)

In allusion to working face No.203 floor gas abnormal emission phenomenon in Huangling No.2 coalmine,carried out underground coring drilling in the working face.Through analysis and observation of target layer lithology and gas emission information,combined with previous research results,carried out strata correlation,division and sedimentary microfacies analysis within 50m range under working face floor.From the results can see three sedimentary microfacies have developed on the floor:namely distal bar microfacies and river mouth bar of delta front subfacies,and delta plain swamp microfacies.

gas;strata features;sedimentary microfacies;trap

P618.11；P618.13

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.07

1674-1803(2017)01-0031-04

国家自然科学基金项目（41202122）；国家科技重大专项(2008ZX05040-002)

孙四清（1977—），男，河南信阳人，副研究员、博士研究生，主要从事矿井地质与煤矿瓦斯综合防治的研究工作。

2016-08-10

责任编辑：宋博辇