山西省朔州市平朔矿区井工三矿沉积环境及聚煤规律

2019-03-30石彦强

中国煤炭地质 2019年12期

石彦强

(北京大地高科煤层气工程技术研究院，北京 100073)

0 引言

平朔井工三矿位于华北聚煤盆地北端，行政区属朔州市平鲁区，井田面积18km2，含石炭、二叠纪煤层，太原组和晋祠组4、9、11号煤层可采，煤层厚度大、变化也大，均有分叉合并，角砾岩较为发育，破坏了煤层的连续性和稳定性。本次及以往共施工钻孔285个，钻孔间距大多在200～500m,本世纪以来的钻孔均进行了数字测井。我们对以往钻孔和矿井揭露的地质资料进行了认真分析，对钻孔全部进行了重新对比；补勘中详细观测编录钻孔岩心，与测井、煤质等资料进行对比分析，对西部物源区进行了定点踏勘，收集了部分区域资料，分析井田煤系沉积环境演化和煤层沉积规律。

1 含煤地层沉积特征

本井田含煤地层为石炭系上统太原组、晋祠组，二叠系下统太原组、山西组。纵观整个煤系可分为早期充填、初始动态聚煤、转换期充填、继承性动态聚煤、中期充填、中期动态聚煤、后期充填等7个阶段，其中规模宏大的动态聚煤集中在晋祠组和太原组中(图1、图2)，现分述如下：

1.1 本溪组(C2b)

厚23.00～53.00m，平均45.77m，与下伏奥陶系平行不整合接触。下部以铝质泥岩及粉砂岩为主，含黄铁矿结核；含1～3层深灰色石灰岩，仅中下部一层石灰岩(K1)较为稳定；上部灰色、深灰色、灰黑色砂岩、砂质泥岩及泥岩组成，夹薄煤1～2层，不稳定，厚度一般小于0.50m。本组系澙湖潮坪为主的早期充填。

1.2 晋祠组(C2j)

1.2.1 继承早期充填

(1)晋祠砂岩(K2)厚0.55～16.20m，平均3.89m。主要为中细粒砂岩，钙质胶结，夹粉砂岩、砂质泥岩条带，条带中含少量腕足类和双壳类化石，具水平层理和潮汐层理，砂体为片状，系面状水流冲洗形成广泛的潮坪沉积；局部为粗粒砂岩、砂砾岩，正粒序/全粒序，发育槽状交错层理、脉状层理、缓波状层理，砂体厚度变化较大，增厚与变薄部位均表现出一定宽度的条带性。砂砾岩自北西向东南递减，系潮道及障壁沙坝沉积。

图2 煤系东西向沉积剖面图Figure 2 Coal measures EW sedimentation section

(2)K2顶～11煤底，主要为深灰色泥岩、粉砂岩，含黄铁矿、菱铁矿结核，局部夹铝质泥岩、薄煤或碳质泥岩，为澙湖/海湾沉积；顶部中细粒砂岩，具脉状层理，大多为逆粒序，为三角洲前缘河口坝沉积。

1.2.2 初始动态聚煤

11号煤层组成，累计储量厚度0～6.05m，平均2.97m，厚煤带与薄煤带相间，呈南东向展布，南部较厚，与西北物源区碎屑侵入有关，煤层中含有较多的浸染状、莓球状和杆状等黄铁矿；含0～4层夹矸，一般为1层，在井田中部夹矸增厚，11号煤层分叉为11-1号煤层和11-2号煤层。其中：

(1)11-2煤层，储量厚度0～3.57m，平均1.08m，厚煤层分布在西南、西北、东部区域，煤层变薄区位于井田北部和西部，呈南东向的带状、串珠状延入井田内，与11-2～11-1煤层间距基本对应，说明西北物源区碎屑侵入及同生碎屑河流发育限制了成煤泥炭沼泽的范围及连续叠加发育，后生河流下切冲刷也导致了11-2煤层变薄甚至缺失。不可采区位于中部和西部。

(2)11-2煤顶～11-1煤底，厚度0～11.25m，平均2.22m，北部较厚，由中北部呈交叉的带状延入本区；西南也有一东西向间距增大带。岩性主要为深灰～黑灰色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，水平纹理发育，含大量植物化石，系间湖沉积；局部夹细粒砂岩、中粒砂岩，多显正粒序，系网结河流沉积，河流下切冲刷11-2煤层，导致煤层变薄，甚至缺失；还有物源冲积扇角砾岩的侵入对煤层也产生一定的破坏作用。

(3)11-1煤层，储量厚度0～5.03m，平均1.79m，厚煤层分布于井田西部，中部、西北角为变薄不可采带，东部为薄-中厚煤层，变薄带与同生碎屑河流相吻合，局部为后期冲刷缺失。

1.2.3 转换期充填

11-1煤顶～9号煤底，厚度6.28～26.20m，平均12.81m，总体西北厚，向东变薄，与西北物源区发育有关。主要岩性有：含砾粗粒砂岩或粗砂岩、中～细粒砂岩、粉砂岩、泥岩或炭质泥岩和泥灰岩，含10号煤层。

(1)11号煤层顶板常见一层深灰色生物碎屑微晶灰岩、泥灰岩(L1)，厚度0～3.50m，平均0.63m，东部较厚、西部靠近物源区较薄，遭受后来冲刷条带状缺失(图3)。灰岩含蜓、腕足类等动物化石，狭盐度与广盐度生物混杂，几乎全为破碎介壳，大小混杂，层面有大量爬行迹，泥质含量也相对较高，沉积组合属于双粒度双模式，应为封闭的淡化泻湖环境沉积。因泥炭沼泽植物限制了物源碎屑输入，即使极浅的水体也清澈透明，动植物得以大量繁衍生息，形成生物碎屑灰岩沉积，由于海水作用能量强，致使大量介壳呈破碎状堆积。

(2)L1顶～10号煤底，厚度2.40～16.76m，平均7.31m，为深～黑灰色泥岩、粉砂岩，夹中细粒砂岩、粗粒砂岩，分选较好，钙质胶结，大型交错层理、潮汐层理，全粒序，系澙湖、潮坪及障壁沙坝沉积。

图3 L1灰岩厚度等值线图Figure 3 Isopach map of limestone L1

(3)10号煤层，纯煤厚度0～2.69m，平均0.61m。西北物源碎屑侵入导致煤层变薄、东南部煤层较厚，系废弃潮坪基础上发育的泥炭沼泽。

(4)10号煤顶～9号煤底，厚度1.75～12.29m，平均4.56m。10号煤顶板多为深灰色泥岩，含透镜状黄铁矿结核，偶见钙质泥岩，系澙湖沉积；局部钙质胶结细粒砂岩，交错层理、脉状层理，系潮砂脊。中部为深灰色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，具水平纹理，含植物化石，系三角洲前缘沉积；上部夹中细粒砂岩，局部粗粒砂岩，波状层理、脉状层理、大型交错层理，多逆粒序，系三角洲前缘河口坝沉积。

(5)9号煤底板为深-黑灰色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、灰白色细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩，局部为碳质泥岩，含大量不完整植物化石，为废弃的三角洲前缘沉积。

1.2.4 继承性动态聚煤

9号煤层除272-121孔被角砾岩冲刷全部缺失外，其余储量厚度4.84～14.66m，平均10.64m。为全区稳定的巨厚煤层，平面上依然是中部存在一片NNE向的变薄带，西边也薄(图4)；垂向上煤层下部煤质较差、夹矸较多，煤质自下而上呈逐渐变好的趋势，表现在视电阻率曲线上为倒杉树形(参见图1)；煤岩类型以半亮型煤为主，半暗型煤次之，具条带状和线理状结构，煤中偶夹结核状黄铁矿，系废弃潮坪基础上发育的动态泥炭沼泽。

1.3 太原组(P1t)

1.3.1 中期充填

9号煤顶～6号煤底板，厚21.59～53.69m，平均32.33m，总体呈南厚北薄的趋势，厚度较大的区域呈弯曲的带状分布，为三角洲充填不均匀及后期差异压实所致。

(1)9号煤顶～8号煤底，主要为黑灰色泥岩、炭质泥岩，局部为砂质泥岩、粉砂岩，具水平纹理，含植物化石，一般厚度小于0.8m，只在中部同生碎屑河流附近厚度有所增加，水2孔最大为3.85m(炭质泥岩)，系间湖及同生河流洪泛沉积；局部细粒砂岩、角砾岩,系决口扇沉积。

(2)8号煤层厚度0～1.10m，一般小于0.8m。

图4 9号煤层储量厚度等值线图Figure 4 Isogram of coal No.9 reserve thicknesses

(3)8号煤顶板主要为灰黑色泥岩，局部为深灰色砂质泥岩、粉砂岩，黑色碳质泥岩，含菱铁矿结核，具水平纹理，含植物叶、茎化石，系间湖、三角洲间湾沉积；中部大多为细～粗粒砂岩，显正粒序，含植物碎屑化石，系三角洲分流河道沉积，分流河道砂岩冲刷8、9号煤层直至9号煤中部。

(4)8号煤顶板～7号煤底，自下而上依次由深灰色泥岩、粉砂岩，浅灰色细粒砂岩组成向上变粗的逆粒序，含不完整植物化石，系三角洲前缘沉积；上部为正粒序的中粗粒砂岩，含菱铁矿鲕粒及包体，钙质胶结，均匀层理、大型交错层理，系三角洲分流河道沉积，分流河道下切冲刷直至9号煤中部，砂岩中夹大量煤包体。

(5)7号煤底板为深灰色砂质泥岩、粉砂岩、泥岩，含植物根化石，局部为中细粒砂岩，系废弃的下三角洲平原沉积。

(6)7号煤层厚度0～1.50m，一般小于0.7m，为极不稳定的零星可采煤层，形成于废弃的下三角洲平原上发育的泥炭沼泽，泥炭沼泽发育时间短，并遭受后来分流河道的强烈冲刷。

(7)7号煤顶～6号煤底板，以浅灰色-灰白色中粗粒砂岩为主，含菱铁矿结核，大型交错层理，夹煤纹，正粒序，系上三角洲平原分流河道沉积，河道下切冲刷三角洲前缘、7号煤层。

(8)6号煤底板主要为灰-深灰色泥岩、砂质泥岩，局部为灰色粉砂岩，含植物根化石，偶为中细粒砂岩，系废弃的上三角洲洪泛平原沉积。

1.3.2 中期动态聚煤

包括6、5、4-2、4-1等煤层，累计储量厚度3.15～15.90m，平均8.73m，为东部厚，向西北变薄，依然是受西北物源区碎屑侵入所致。

(1)6号煤层储量厚度0～4.56m，平均1.10m，为东厚西薄，北部也薄，煤层由东向西分叉为3～4个分层，总厚度明显变薄(图5)。系废弃的上三角洲洪泛平原上发育的泥炭沼泽，西北部靠近物源区，碎屑间断侵入导致煤层分叉变薄，后来三角洲分流河道下切冲刷导致煤层变薄缺失。

(2)6煤顶～4煤底，厚度0～33.99m，平均9.17m，受西北物源区影响呈明显的西厚东薄(图6)。西部仍以灰白色-浅灰色中粗粒砂岩为主，大型交错层理，砂泥水平互层层理，夹不完整植物化石及煤纹，正粒序，系上三角洲平原支叉河道沉积，河道下切冲刷，导致西部6号煤层缺失；向东远离物源区间距减小，粒度变细，以浅灰-深灰色粉砂岩、泥岩为主，含植物化石、菱铁矿结核，韵律层理、水平纹理，系上三角洲洪泛平原、间湖沉积。局部为冲积扇角砾岩。东部间距小于0.80m，6号煤层与4号煤层合并估算储量。

图5 井田6号煤层储量厚度等值线图Figure 5 Isogram of minefield coal No.6 reserve thicknesses

图6 井田4～6号煤层间距等值线图Figure 6 Isogram of intervals between minefield coal seams Nos.4 and 6

(3)4-2煤层储量厚度0～8.70m，平均4.33m，除疏排9孔被冲刷缺失外，其余均大于1.20m，东南较厚，向西北条带状变薄、夹矸增多，也是受西北物源区碎屑影响所致(图7)。

(4)4-2煤顶～4-1煤底，厚度0～6.87m，平均0.95m，间距较大的区域位于井田中部和西部，呈SSE向转SE及EW向支叉分布(图8)。主要为黑灰色泥岩、炭质泥岩，局部为深灰色砂质泥岩、粉砂岩，近北边界附近疏排21、OX-37钻孔为细粒砂岩，系沼泽湖、湖泊沉积，间或受西北物源区碎屑侵入影响。东部、中西部等间距小于0.80m的区域，4-1煤层与4-2煤层合并估算储量。

(5)4-1煤层储量厚度0～7.00m，平均3.16m，除240-116孔相变为3.42m的炭质泥岩外，其余均大于1m，东北较厚，向西南变薄，煤层变薄区呈SE向的带状、环带状、支叉状分布，也是与西北物源区碎屑影响有关(图9)。

(6)4-1煤层顶板主要为黑灰～深灰色砂质泥岩、泥岩、高岭质泥岩、炭质泥岩、粉砂岩，具水平纹理、水平互层层理，含植物化石、菱铁矿结核，系三角洲分流间湾及远端坝沉积；部分区域为浅灰色～灰白色细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩，正粒序，均匀层理、大型交错层理，系后来三角洲分流河道下切冲刷沉积；偶见决口扇角砾岩。

1.4 山西组(P1s)

厚度50.40～82.84m，平均厚69.18m，岩性主要由灰色、灰白色砂岩，灰黑色、灰色砂质泥岩、泥岩组成，砂岩中大型交错层理发育、见较多煤包体，泥岩中砂质含量较高、含菱铁矿结核，含较多不完整植物化石，含0～3层薄煤层，编号为1、2、3号，全部为极不稳定煤层，系上三角洲平原-辫状河沉积为主的后期充填，难以形成可采煤层。

图7 井田4-2号煤层储量厚度等值线图Figure 7 Isogram of minefield coal No.4-2 reserve thicknesses

图8 井田4-2～4-1号煤层间距等值线图Figure 8 Isogram of intervals between minefield coal seams Nos.4-2 and 4-1

图9 井田4-1号煤层储量厚度等值线图Figure 9 Isogram of minefield coal No.4-1 reserve thicknesses

2 沉积环境演化及聚煤规律分析

(1)本区位于华北石炭二叠纪聚煤盆地的北端。4.4亿年前的晚奥陶世开始的加里东运动，将华北板块整体抬升成陆，遭受长达约1.5亿年的风化剥蚀，古地貌早已准平原化，并残集了大量的铁、铝物质。

中石炭世本溪期开始，华北板块才再次缓慢沉降，海水由东侧逐渐侵入，形成了广阔的陆表海环境，大量的铁、铝物质带入海水中，又分别先后沉积于低凹的澙湖中，成为石炭纪最先的沉积，形成了山西式铁矿、黄铁矿和铝土矿；其上为澙湖潮坪沉积。

古地磁分析，华北板块当时平均古纬度在北纬10°左右；蕨类、石松类等植物化石指示了温暖潮湿的气候；产出的类、腕足类、珊瑚等生物化石组成了热带浅海生物群落；灰岩的碳氧同位素研究结果指示当时古海水温为20℃左右。因此，当时本区处于赤道热带的湿润气候下的海陆交互环境。

(2)晚石炭世太原期：华北聚煤盆地“翘板”式变动，由南高北低向北高南低转化，东北海水退出，南部海水尚未来临，在废弃的三角洲前缘上初始动态聚煤，形成11号煤层。11号煤层在平朔矿区普遍发育，井工三矿位于平朔矿区西北部，距陆缘较近，受物源碎屑影响11号煤层常分叉为2～4个分层，其中11-1、11-2为大部可采煤层；

(3)11号成煤泥炭沼泽发育后期，开始转换期充填。海侵来临，淹没并终止泥炭沼泽发育，形成澙湖相L1泥灰岩沉积。L1泥灰岩在平朔矿区发育比较稳定，而南部的宁武孟家窑井田和北部的大同李家窑井田均不曾见到，说明该海侵规模有限，是因为动态泥炭沼泽限制了物源碎屑的输入，使滨岸极浅的海水也清澈见底，海洋生物繁盛，形成碳酸盐岩沉积；海水下渗，黄铁矿析出，11-1煤层硫分增高；

在澙湖基础上，物源碎屑短暂发育，在废弃潮坪基础上发育泥炭沼泽，形成10号煤层，泥炭沼泽发育不久就被物源碎屑终止，因此东南部远离物源区10号煤层可采；

9～10号煤间扇三角洲沉积，遭到了动态泥炭沼泽植被的强烈限制，于井田南部外就骤然变薄，平朔矿区南部9、10号煤层合并估算资源储量；

(4)在废弃扇三角洲沉积基础上，继承性动态聚煤开始。鳞木、科达、真蕨、节蕨类等植物组合，大规模地向物源区挺进，孕育了广袤的原始森林和泥炭沼泽，限制了碎屑侵入，动态泥炭沼泽得以长期、广泛发育，形成厚度大、区域稳定的9号煤层(本区的9号煤层向南可追索到太原西山煤田的8+9号煤层、沁水煤田的15号煤层、河南禹州煤田的一1号煤层)。井田紧临物源区，动态泥炭沼泽发育期间井田内同生3条碎屑河流，因泥沼植被限制，水体低能化、细流化，偶然性的碎屑侵入也导致了煤层夹矸条带状、串珠状增厚，但宽度有限；角砾岩的突然侵入显著破坏了动态泥炭沼泽。动态泥炭沼泽发育后期井田中部外源碎屑不断侵入，导致8～9号煤间夹矸增厚，煤层分叉变薄，后来三角洲分流河道下切冲刷导致井田中部煤层条带状变薄。

(5)8号煤层形成后期物源碎屑活跃，开始中期充填，形成扇三角洲沉积，在废弃的三角洲平原上发育泥炭沼泽，泥炭沼泽发育不久就被后来分流河道的强烈冲刷，形成极不稳定不可采的7号煤层；7号煤层形成后，物源碎屑输入继续增强，三角洲分流河道发育，下切冲刷三角洲前缘，形成厚度大的粗碎屑沉积。

(6)三角洲发育后期，物源碎屑减弱，在废弃的上三角洲洪泛平原上发育泥炭沼泽，开始中期动态聚煤，形成6号煤层，受西北物源区影响呈明显的东厚西薄。

6～4号煤间的上三角洲平原支叉河道沉积，同样遭到了动态泥炭沼泽植被的强烈限制，于井田东部骤然变薄，间距小于0.80m；

中期动态聚煤其间，石松类、科达、芦木等高乔木森林植被再次覆盖了整个盆地及物源区，限制了碎屑侵入，动态泥炭沼泽长期发育，形成4号煤层。动态泥炭沼泽发育期间，紧临物源区的中部和西部，呈南南东向转南东及东西向支叉分布网结河流或间湖，导致4号煤间夹矸增厚，煤层分叉变薄，后来三角洲分流河道下切冲刷也导致井田中部煤层条带状变薄。

(7)中期动态聚煤以后，海水向南退去，本区演化成上三角洲平原～辫状河流等环境为主的粗碎屑后期充填，于洪泛平原上形成3、2、1号等薄煤层，扇三角洲粗碎屑河流频繁改道，泥炭发育发育时间短并遭受频繁冲蚀，因此煤层薄且极不稳定、不可采；之后物源碎屑侵入再次发育，破坏了泥炭沼泽连续发育的条件，从此再无聚煤作用发生。

总之，通过以上分析，推断物源区在井田西北部，距井田很近，井田内煤系以扇三角洲粗碎屑沉积为主，在废弃碎屑沉积基础上发育动态泥炭沼泽，

动态泥炭沼泽发育期间，植物及其形成的植被、泥炭沼泽限制了基底碎屑活动、调节了环境水文。成煤植物广泛发育，向陆扩展，限制了物源碎屑的剥蚀量、促使地表水细流化，搬运能力大大降低，水流清澈，碎屑输入大大减少；向海由类似红树林的海岸植物交织发育，发达的根系、茂密的丛冠等具有很好的固沙沉淤作用，加之沼泽河流及潮汐搬运的植物残骸漂浮聚集在海岸附近，压伏了海浪及潮汐对海岸植被及泥炭的冲蚀能力；植物规模化发育形成的森林、湿地、泥炭沼泽也改善了区域气候，植物繁茂，成煤物质丰富，沉积补偿作用均衡，泥炭沼泽以自我发育占主导地位。形成厚度较大的可采煤层。灾变期间，物源碎屑偶然侵入泥炭沼泽，导致煤中灰分增高，煤层厚度有规律地向西北物源区变薄和分叉。