淮北孙疃煤矿下石盒子组主采煤层沉积环境与聚煤特征

2018-11-15任泽强何金先董守华吴泓辰张晓丽王爱宽周逃涛

中国煤炭地质 2018年10期

任泽强，何金先，董守华，吴泓辰，张晓丽，王爱宽，周逃涛，师帅，3

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；3.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008)

0 引言

孙疃煤矿位于淮北煤田中部，主要开采二叠系山西组与下石盒子组煤层。其中下石盒子组主采煤层由于受沉积环境影响，其煤层变化较大，给煤矿的高效生产带来了极大的挑战。本文在研究区矿井资料以及前人研究的基础上，通过对研究区内下石盒子组主采煤层含煤段岩相特征分析、测井曲线形态特征分析、砂岩粒度分析等识别其沉积模式，总结并归纳其主要聚煤特征。

1 研究区概况

孙疃煤矿隶属于安徽省淮北煤田濉溪县境内，距宿州市约23km(图1)。其构造位于淮北煤田童亭背斜东翼，整体上为南北走向、向东倾斜的单斜构造。孙疃煤矿主要含煤地层为石炭系、二叠系，其中石炭系煤层为太原组，其煤层厚度较薄因而不可采；二叠系煤层以下石盒子组为最优、山西组次之。孙疃煤矿下石盒子组厚度为206.7～264.4m，灰白色厚层铝土质泥岩为山西组与其的分界线，顶部则以灰白色厚层砂岩(K3)与上石盒子组为界。岩性以砂岩、粉砂岩、泥岩、铝质泥岩及煤层组成，含4、5、6、7、8五个煤层(组)，其中72、82煤层为下石盒子组主采煤层，82煤层距铝质泥岩平均约为23m，平均厚度为1.76m，72煤层距铝质泥岩55m左右，平均厚度约1.53m。整体孙疃煤矿下石盒子组煤层厚度变化较大，其中沉积环境扮演了至关重要的角色。

图1 淮北煤田孙疃煤矿地理位置图Figure 1 Geographical location of Suntuan coalmine,Huaibei coalfield

2 沉积相分析

沉积相不仅决定着研究区岩石的类型、组构以及空间分布，同时也决定着煤层的发育和分布，因此，沉积相的研究对于煤矿生产至关重要。本文主要在原有地质资料的基础上，通过钻孔岩心分析七、八含煤段岩相特征、测井特征、沉积构造以及砂岩粒度特征综合判断研究区的沉积环境以及沉积相。

2.1 岩相特征

岩心作为沉积相研究的基础资料，其成分、颜色、结构、构造等蕴含着丰富的沉积相信息。通过对研究区钻孔的宏观以及镜下观察，其主要岩石类型为：砂岩、粉砂岩、泥岩、铝质泥岩、炭质泥岩及煤层(图2)。

(1)砂岩。灰白色或灰黑色，薄至中厚层为主，整体分选、磨圆一般，矿物以石英、长石为主，岩屑含量较高。粒度在0.1～0.5mm，为中细粒砂岩。岩石类型主要为长石石英砂岩、长石岩屑石英砂岩，发育于7、8煤层之间，以交错层理、波状层理为主。总体石英在单偏光下呈现黄白色，表面不洁净，在正交偏光下为波状消光；长石表面发生蚀变，整体为杂基支撑，孔隙式或基底式胶结，常与泥岩、粉砂岩互层，并夹有煤线，整体主要为分流河道相沉积物。

(a)7、8煤层间石英砂岩，钻孔2017-4,556 ～561m。(b)铝质泥岩，钻孔2017-4，588 ～591m。(c)7煤，钻孔2017-4,536.5 ～537m 。(d)岩屑长石石英细砂岩，钻孔2017-10,308m。(e)岩屑长石石英细砂岩，钻孔2017-10,308m，正交偏光，40倍。(f)交错层理，钻孔2017-10，317m。(g)粉砂岩，钻孔2017-10,328m。(h)粉砂岩，单偏光，40倍。(i)炭质泥岩，钻孔2017-10,326.2m。图2 孙疃煤矿下石盒子组岩相特征Figure 2 Xiashihezi Formation lithofacies features in Suntuan coalmine

(2)粉砂岩。孙疃煤矿下石盒子组含煤岩段地层中，粉砂岩广泛分布,并常与泥岩，炭质泥岩互层。粉砂岩颜色主要为灰白色，成分以石英为主，岩屑含量较高，可达30%。沉积构造以水平层理或缓波状层理为主，形成于水动力较为稳定的沉积环境。

(3)泥岩。灰黑色，块状层理或水平层理，含煤岩系普遍存在，常为煤层直接顶底板。含碳量高可变为炭质泥岩，有大量生物遗迹构造。

(4)铝质泥岩。下石盒子组底部的铝质泥岩在淮北地区广泛分布，为全区标志层。颜色为灰白色或乳白色，具有紫色花斑，铝质含量较高，层面常含鲕粒，厚度可达5m。根据前人的研究成果，其主要为三角洲平原的陆相沉积产物[15]。

2.2 测井相标志

利用测井曲线的幅度、形态、厚度等特征进行评价或解释沉积相是研究沉积环境常用的方法[14]。通过对孙疃煤矿下石盒子组测井曲线形态进行综合归纳，该区测井曲线形态主要包括中-高幅钟形、中幅箱形、中幅-指形、低幅-平直形、齿形等。

(1)中-高幅钟形：如图3a所示，该曲线在岩性上表现为下粗上细的正粒序结构，底部砂岩与泥岩呈突变接触，顶部渐变为泥岩。因而测井曲线形态常表现为底部突然变高，曲线由下向上幅度降低回归基线，反映出沉积环境从低能突变为高能，然后水动力逐渐减弱的特征(图3a)。

(2)中幅箱形：测井曲线形态呈箱状，岩性以砂岩为主，顶、底与泥岩、粉砂岩呈突变接触，测井曲线整体幅度变化不大，部分曲线为齿化箱形、反应了一种物源丰富且水动力较为稳定的沉积环境(图3b)。

(3)低幅平直形-齿形：曲线形态平直，幅度变化不大，岩性以泥岩，粉砂岩为主，自然伽马曲线为高值，视电阻率曲线为低值，水平层理或块状层理较为发育，反应了水动力条件较弱，稳定的沉积环境(图3c)。

(4)中幅指形：曲线形态呈指状，曲线幅度为中-高形，岩性多为砂岩、粉砂岩，砂体顶底部与泥岩呈突变接触，反应了水体能量突然增大后又迅速恢复(图3d)。

(a)中-高幅钟形(b)中幅箱形(c)低幅平直形-齿形(d)中幅指形图3 研究区下石盒子组主要测井曲线图Figure 3 Study area Xiashihezi Formation main well logging traces

2.3 粒度分析

矿物碎屑和岩屑组成沉积岩的基本颗粒，其大小、形态、组构、来源等是大地构造环境、气候和水动力因素相互作用的结果。其中沉积物颗粒大小是水动力条件的直接反映，同时也是气候干旱和潮湿的指示剂[4]。通过选取合适的钻孔中的样品，利用薄片粒度法进行测量统计。结果表明：孙疃煤矿下石盒子组含煤岩系砂岩粒度主要以细砂以及粉砂岩为主，根据概率累计曲线的形态可分为三类，具体特征如下。

(1)“一段式”。“一段式”粒度概率曲线特点是：岩石粒度以细砂岩，粉砂岩为主，分选相对较差(图4a)。概率累计曲线整体呈45°左右，悬浮次总体占粒度分布的大部分，滚动成分较少且AB混合度较高，该类型反映了高密度负载的较强水动力，流速突然减弱的沉积环境，如三角洲平原泛滥盆地沉积。

(2)“二段式”。“二段式”粒度概率曲线为研究区下石盒子组砂岩主要粒度特征，岩石以中砂岩、细砂岩组成，分选一般(图4b)。概率曲线主要由跳跃次总体和悬浮次总体组成，其中跳跃次总体倾斜度较大在60°左右，占总体含量占80%左右。悬浮成分总体分选较差，含量较低，悬浮次总体倾斜多在30 °，约占总体含量小于20%；整体概率曲线混合度较低，细截点主要集中在2.5～3Φ，代表了一种强水动力沉积环境，如三角洲平原分流河道沉积环境。

(a) “一段式”粒度概率曲线2017-4钻孔7煤底部砂岩(544.9m)；(b)“二段式”粒度概率曲线2017-4钻孔8煤顶部细砂岩(548m)；(c)“三段式”粒度概率曲线2017-10钻孔8煤顶部粉砂岩 (318.62m)图4 孙疃煤矿下石盒子组砂岩概率粒度曲线Figure 4 Probability grain-size curve of Xiashihezi Formation sandstone in Suntuan coalmine

(3)“三段式”。“三段式”粒度概率曲线包括滚动次总体、跳跃次总体以及悬浮次总体三种基本形式(图4c)。曲线形态以三段型为主，其中部分跳跃次总体分为两段，变为四段型。该类型岩石滚动次总体以粗砂岩为主，倾斜度在45°左右，粗截点为2～2.5Φ，分选性适中；跳跃次总体以细砂岩为主，整体含量60%,曲线倾斜度为45°～50°，细截点为3.5～4Φ，分选性较好；与前两者相比悬浮次总体含量最低，曲线接近水平，分选较差且混合度较高。整体“三段式”粒度概率曲线符合双向水流的特征，反映了研究区以河流作用为主，局部同时受一定的波浪潮汐影响。

2.4 沉积环境及其特征

通过对孙疃煤矿下石盒子组含煤岩系岩性、测井曲线、粒度分析研究，笔者认为其主要以三角洲沉积环境为主，形成于高速度建设型的三角洲平原环境，且受河水以及海水的共同作用，其沉积微相主要为分流河道、分流间湾、泥炭沼泽、天然堤等沉积微相(表1，图5),并在此基础上。

图5 研究区沉积模式图(修改自文献[13])Figure 5 Study area sedimentary model(afetr reference [13], modified)

(1)分流河道。三角洲平原分流河道沉积特征与河流体系河道沉积相似，主要由浅灰色、灰色、灰白色细-中砂岩组成，也含有一定的粉砂岩，分流河道砂体在横剖面上呈透镜状,为向上变细的正旋回序列。砂岩内部发育的沉积构造包括块状层理、平行层理、交错层理等。测井曲线常表现为箱形和钟形。

(2)分流间湾。三角洲平原分流间湾主要由深灰色、灰黑色泥岩及泥岩等细粒沉积物组成，局部根土岩发育。向上常沼泽化形成泥炭沼泽。其发育的沉积构造包括块状层理和水平层理，测井曲线表现为平直状。

(3)天然堤。天然堤是高水位期或洪水期河道水漫溢河床形成的,是分流河道两侧的天然堤坝。其岩性主要由灰—浅灰色粉砂岩组成，也含有一定的薄层细砂岩。测井曲线上受砂质含量的影响可表现为平直形或钟形。

(4)泥炭沼泽。泥炭沼泽常形成于分流间湾之上，沼泽中水动力条件微弱，植物繁茂，沉积环境稳定，为较强的还原性环境，主要由富含有机质黑色泥岩、炭质泥岩以及煤层组成，植物化石丰富，常见植物、根、茎、叶。由于煤层较薄且具有高电阻率和低伽马的特征，因此测井曲线常表现为指状。

表1 孙疃煤矿下石盒子组沉积体系

(5)泛滥盆地。泛滥盆地作为三角洲平原洪水时期的产物，其沉积物以泥岩、粉砂岩为主，水平层理或缓波状构造常见。测井曲线为中低幅指状或微齿状，常见植物根部以及叶片化石。由于其为洪水时期的沉积产物，多与决口扇、分流间湾等沉积环境相连，为泥炭沼泽提供充足养分。

3 聚煤特征

华北地区在奥陶纪时期经历了长期剥蚀、夷平和准平原化，本溪期海水从东北方向侵入,形成太原组海相的沉积环境[10]。早二叠世晚期，华北地区逐渐变为北高南低的格局，发生大规模海退。海水以向南退却为主,出现了进积作用强的浅水三角洲沉积,故淮北地区下石盒子组以三角洲平原为主。大量陆源区的碎屑物随着河流进入三角洲平原，为植物的生长带来了充足的养分，有利于煤层的形成。

孙疃煤矿下石盒子组主采煤层形成于高建设的三角洲沉积环境，其中分流河道的广泛发育，对煤层的发育以及赋存起到了关键作用、通过对孙疃煤矿钻孔资料的对比，其主要的岩相组合为五种类型如图6所示。由于沉积物的快速堆积，导致短暂的陆相铝质泥岩的形成。河水作用的增强在区域范围内形成广阔的泛滥盆地，故在铝质泥岩顶部多以泛滥盆地沉积为主。随着水流的减弱逐步转变为不同的沉积微相，但通常只有泛滥盆地、分流间湾和废弃的分流河道有利于泥炭的聚集，从而形成大规模稳定的煤层。7、8煤层主要发育于相对稳定的分流间湾泥炭沼泽上，在此沉积环境下，水动力较弱，沉积速率相对稳定，利于煤层的聚集。此外，河流的不断变迁冲蚀作用在一定程度上造成7、8煤层在不同区域的缺失。