彬长矿区南缘蒋家河煤矿构造演化及控煤因素分析

郑孝儒，刘会彬,2，梁则虎，苗 峥

(1.彬县煤炭有限责任公司，陕西 咸阳 712046;2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

0 引言

彬长矿区是国家规划的13个煤炭基地—黄陇基地的主力矿区之一，位于陕西省关中西北部长武和彬县境内，已建成火石咀、亭南、大佛寺、蒋家河和小庄等10对矿井。随着彬长矿区的不断开发，各项研究也取得了很大的进展，特别是张培河等针对工作面回采瓦斯治理[1]，伍永平、刘会彬等对矿压显现和巷道变形治理[2-3]，郭云、陈晓智、王双明、贺丹等关于矿区构造演化和成煤因素[4-8]等方面的探讨研究较多，但是矿区边缘区域相关领域的探讨较少，因此针对矿区南缘开发前景较好的蒋家河矿进行系统分析，研究井田构造演化、控煤因素、煤层发育特点等，探讨煤炭资源开发的技术条件，为矿井主采4#煤层的安全高效开采工作提供科学依据和参考。

1 区域地质特征

1.1 地层及含煤性

彬长矿区依据钻孔揭露地层由老至新依次有：三叠系上统胡家村组(T3h)，侏罗系下统富县组(J1f)，中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)，白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)，上第三系(N)及第四系下、中更新统(Q1+2)、上更新统马兰组(Q3)、全新统(Q4)。

本井田延安组含煤4层，具有对比意义的煤层3层。其中主要可采煤层1层：4#煤；局部可采煤层2层：4-1上、4-2上煤；不可采的煤层1层：3#煤。4#煤层全井田发育，厚0.15～11.05 m，平均4.73 m。煤层赋存于赵坡向斜，轴部变厚，向两翼逐渐变薄或尖灭，其它煤层均不可采。

1.2 区域构造特征

从南到北发育一系列宽缓褶皱，总体走向北东东，倾向西北，倾角5°～10°。含煤地区被一组近东西的宽缓褶曲控制，从南向北依次为彬县背斜、大佛寺向斜、路家-小灵台背斜、孟村向斜、十里铺—西坡背斜，研究区位于彬县背斜南翼(图1)。褶曲长度10～30 km，幅度60～80 m。背斜南缓北陡，向斜则相反，对煤系、煤层厚度变化有控制作用，煤层有东西两翼增厚、南北变薄趋势。

图1 彬长矿区构造纲要图

断层地表未发现，在矿区东南部的水帘矿、火石咀矿、下沟矿、蒋家河矿、雅店、高家堡等生产的矿井中见少量断距在1.2～6 m的小断层，矿区地质特征为简单型。

2 地质构造演化

2.1 区域构造演化

鄂尔多斯盆地经历了4个构造演化阶段，早侏罗世—中侏罗世早期、中侏罗世、晚侏罗世和早白垩世 4 个阶段，早侏罗世—中侏罗世早期形成了丰富的煤炭资源。第一阶段坳陷方向为北东35°， 第二阶段坳陷方向为北东25°，第三、四阶段坳陷方向均为南北向。聚煤期受控于大地构造背景转折过程，早中侏罗世煤炭资源就是在印支运动到燕山运动的转折过程中形成的[7]。

2.2 井田构造发育特征

可采煤层分布：从煤层平面分布及构造发育特征来看，主采4#煤层在井田中部呈北北东—南南西向展布，可采煤厚1.05～10.85 m，平均5.29 m，属厚煤层，可采面积15.27 km2可采煤层主要分布于赵坡向斜轴部及两翼，井田北部为彬县背斜的轴部，与大佛寺井田相邻(图1)。

褶皱：一采区首采工作面巷道掘进剖面揭露，工作面煤层主要表现为一宽缓向斜褶皱构造(图2)，向斜的轴部距回风巷口约1 210 m左右，运输巷的1 113.5 m左右(以一采区回风巷口为起点)，其中工作面切眼长度140 m，走向56°，由式(1)得出巷道转折点连线与顺槽巷道的夹角为55°25′，可以得到该工作面通过的褶皱走向为0°35′。

(1)

首采工作面运输顺槽与回风顺槽转折端高程差为+3.77 m，两转折端距离约140 m，所以倾伏角为北倾1°16′18.24″，巷道掘进揭露的构造特征表明蒋家河矿区主控构造为一个枢纽近SN向的向北缓倾的向斜构造，即赵坡向斜。

图2 一采区首采工作面顺槽巷道实测示意图

断层：蒋家河煤矿二采区首采工作面回风顺槽掘进至172 m处遇到断距约3 m的北倾正断层，断距约2.6 m，断层带宽度约0.5 m，断面处煤岩破碎，瓦斯涌出增大，淋水量增大。运输顺槽掘进至83.5 m处遇到断距约3.5 m的北倾正断层(和回顺为同一断层)，断层处均有顶板破碎，顶板淋水，瓦斯浓度升高的特点。

2.3 矿区构造演化

蒋家河井田煤层先后经历了3个阶段以上构造演化，第一阶段构造演化受东西向展布的彬县背斜控制，与鄂尔多斯第一阶段的印支期与第二阶段燕山期演化基本一致，第二阶段为井田中部的近南北向赵坡向斜发育，而且在平面上煤层基本围绕其赋存，形成具有轴部煤层厚度大，两翼逐渐减薄并尖灭的煤层发育特点，可能与鄂尔多斯盆地第三阶段早白垩世早期盆地西缘的逆冲—推覆动力体系的远程效应有关，第三阶段为北倾正断层的发育是受燕山和喜马拉雅期构造运动的改造结果。因此彬长矿区南缘的蒋家河井田构造演化和鄂尔多斯盆地构造演化具有一致性和同步性。

3 控煤因素及聚煤规律分析

3.1 基底地层发育控煤分析

黄陇侏罗纪煤田的基底为三叠系上统胡家村组(T3h)岩性为深灰色、黑灰色泥岩与浅灰绿色中-细粒砂岩。泥岩质地细腻，具水平纹理，风化后呈薄片状，含植叶片化石(新芦木等)；砂岩以长石石英为主，颗粒均匀，具垂直裂隙，为方解石细脉或薄膜充填。该组地层为煤田基底，其顶面起伏不平，经下侏罗统富县组地层填平补齐后，为延安组沉积巨厚煤层创造了有利条件。总之，鄂尔多斯盆地南缘三叠系基底古地形的发育控制了主采煤层区域上的分布范围，同时为侏罗系巨厚煤岩层沉积提供了稳定可靠的可容空间。

3.2 沉积环境控煤分析

侏罗纪系统富县组井田内10个钻孔有沉积，占41.7%，且沉积厚度、岩性、沉积类型变化较大，以残积相沉积为特征。沉降区沉积厚，隆起区变薄或尖灭。一般沉积厚度大，煤层厚度也随着增厚，如4-1孔，地层厚度11.20 m，煤层厚度11.05 m(该井田最大厚度)，若沉积厚度小，煤层厚度相对变薄，如5-1孔，地层厚度3.04 m，煤层厚度仅2.05 m(4#煤)。由此得知，富县地层增厚，煤层有增厚之趋势。

含煤地层延安组，钻孔揭露普遍沉积，最大厚度114.33 m(4-2孔)，最小厚度15.02 m(2-3孔)，平均厚度57.60 m。岩性以河沼相砂泥岩沉积为主，含煤1～6层(编号3#、4-1上、4-2上、4-1、4-2、4#)，其中4#煤为主要可采煤层。延安组下部为铝质泥岩，褐灰色泥岩、砂质泥岩及4#煤；中部为灰色中-粗粒砂岩，粉砂岩及薄层泥岩，底含细砾石，中夹薄煤或中厚煤层(4-1上、4-2上煤)；上部为灰色砂质泥岩互层，含3#煤层。与富县组或三叠系胡家村组假整合接触。井田内向斜区域延安组地层最厚，向两翼逐渐变薄(图3)。

图3 延安组等厚线图

3.3 构造控煤分析

蒋家河矿区的北边界为彬县背斜，矿区内煤岩层分布受赵坡向斜控制。含煤地层为侏罗系中统延安组，根据岩性、岩相、沉积旋回及煤岩组合特征，将其划分为三段，自下而上依次为第一段、第二段、第三段，第一段含4#煤，第二段含4-2上、4-1上煤，第三段含3#煤。延安组第一段(J2y1)为主要含煤段(4#煤)，在井田内沉积普遍，最大厚度37.18 m(2-5孔)，最小厚度3.67 m(5-2孔)，平均厚度15.92 m。沉积厚度薄厚不等，向斜轴部较厚，30.31 m(4-3孔)、26.11m(4-2孔)，向斜两翼逐渐变薄，西南角1-2号孔厚15.57 m；西北角12号孔厚7.08 m。4#煤沉积分布规律和赋存厚度与该段发育程度基本吻合，受赵坡向斜的控制，向斜轴部煤层较厚，向两翼煤层变薄(图4)。

图4 4#煤可采厚度等值线图

4 开采条件

4.1 资源赋存情况

全井田西部和中部煤层厚度大，含煤性好；东部煤层厚度小，含煤性差。4#煤层全井田发育，可采煤厚1.05～10.85 m，平均5.29 m，属厚煤层，可采面积15.27 km2，局部含一层夹矸，结构简单。煤层赋存于赵坡向斜，轴部变厚，向两翼逐渐变薄或尖灭(图4)。主采4#煤层厚度为0.8～10.85 m，平均厚度5.29 m，属厚煤层，地质储量89.97 Mt，可采储量50.23 Mt。煤层埋深约354.5～646.5 m，大部分煤层埋深在600 m以下。煤层埋深大，矿山压力相应较大，对巷道的破坏影响就更加显著，易产生底臌和片帮及帮臌等变形，需要3～4个月才能稳定。

4.2 水文地质特征

井田水文地质勘探类型属以裂隙充水为主，水文地质条件简单类型，即“二类一型”。首采工作面两顺槽及切眼巷道在掘进期间，顶板均有淋水现象，淋水量约为4～5 m3/h。工作面回采时支架的顶部及后部出现较大淋水，淋水量约10～60 m3/h不等。二采区首采工作面回风顺槽淋水量约30 m3/h，均为顶板淋水，运顺情况与回顺基本相似，采取了抽排、预先探测等措施保障了安全生产，整个矿井回采工作面和掘进巷道涌水总量约100～120 m3/h，表明该矿井水文地质类型为简单型。

4.3 工程地质特征

根据矿井地质勘探成果，4#煤层底板主要为泥岩、页岩，岩石物理力学性质试验结果，岩层单轴干燥抗压强度27.1～48.44 MPa，坚固系数集中在0.9～1.2之间，RQD值35.67～47.70，软化系数为0～0.35，泥岩的泥化比为1.51～3.35，整体而言，4#煤层底板岩层属于稳定性很差，易膨胀软化，坚固性差，强度低的岩层。4#煤伪顶为炭质泥岩、泥岩，厚度薄，稳定性差，随煤层开采而冒落，属不稳定岩体。井田工程地质勘探类型为层状岩类、工程地质条件中等类型，即三类中等型。矿井在工作面掘进和回采期间淋涌水导致底板铝土质泥岩膨胀软化，底板强度大大降低，支护强度弱化严重，巷道底板和帮部均出现较大的变形。

4.4 瓦斯特征

蒋家河矿4#煤自然瓦斯成分主为甲烷及氮气。有效控制深度503.76～625.85 m，甲烷成分最高值48.49%，最高含量3.13 mL/g·daf。瓦斯成分及分带的平面特征为：井田4#煤层可采范围内大面积样点以氮气、沼气为主，甲烷浓度高，含量大，形成N2—CH4带，其东、西周边属瓦斯风化带范畴，形成CO2—N2带。4#煤层瓦斯含量的基本规律：煤层埋深每增加85.50 m，瓦斯含量相应增加1 mL/g·daf，甲烷含量随其浓度的增高而增加。4#煤层顶板采样分析结果表明，顶板瓦斯含量与该煤层瓦斯含量基本相同。经鉴定为高瓦斯矿井，回采面瓦斯涌出量高达28.5 m3/min左右，造成上隅角瓦斯浓度经常超限，严重威胁着矿井的安全生产，采取预抽等措施后，瓦斯浓度大大降低，保障了安全生产[4]。

5 结论

(1)彬长矿区南缘蒋家河井田自三叠系以来经历了3个阶段的构造演化，第一阶段东西向展布的宽缓褶皱形成，第二阶段为煤系地层形成后受鄂尔多斯盆地西缘逆冲推覆作用远程效应产生的南北向发育的赵坡向斜控制了区内煤层的空间展布形态，后期发育的断裂构造属于第三阶段演化，其演化历史与鄂尔多斯盆地构造演化基本同步。

(2)彬长矿区南缘主采4#煤层发育受三叠系基底古地形发育，侏罗系河-湖相沉积环境及区域构造发育等因素的影响，三叠系稳定的基底古地形为煤系地层连续堆积沉降提供了充足时间和空间，河-湖相沉积环境为煤田的形成提供了丰富的物质基础，东西向发育的彬县背斜和近南北向发育的赵坡向斜控制了煤层的空间展布，基本厚煤区位于彬县背斜以南和赵坡向斜的轴部。

(3)彬长矿区南缘主采4#煤层资源丰富，煤质优良，开采条件良好，具有很好的开采价值和经济效益。在掘进和回采过程中遇到瓦斯超限、淋水底板鼓起等问题，经过实践证明采取措施后可以实现安全开采。