郭家滩井田侏罗组沉积特征及控煤因素

张东峰，赵金花

(陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林 719000)

0 引言

郭家滩井田位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区三期规划区的南部，是榆神矿区的重点建设矿井，行政区划隶属榆林市榆阳区孟家湾镇及神木县大保当镇管辖。井田东南距榆林市区直距约30 km，东西宽9.4 km，南北长21.0 km，面积197.85 km2。井田地处鄂尔多斯盆地中部次级构造单元陕北斜坡中北部。本区构造简单，整体为一向北西缓倾、平均倾角小于1°的单斜构造，其上发育有小型宽缓的波状起伏，未发现岩浆活动。本勘查区构造复杂程度属简单构造类型，关于该类型的煤炭勘探，前人已有众多研究手段可供借鉴[1-4]。

1 勘查区含煤地层概况

勘查区含煤地层主要为侏罗系中统延安组地层，其次在侏罗系下统富县组顶部也发现f-1煤层[1]。侏罗系中统延安组为本区的主要含煤地层，根据沉积旋回、岩煤组合特征及物性特征[5-6]，将其划分为5段，自下而上编为一至五段，各段在垂向上层序清晰，每段各含一个煤组，自上而下依次为1～5#煤组。延安组各段的分界，是在各岩段主要聚煤作用结束之处，主要煤层位于旋回顶部。各段特征自下而上分述如下。

1.1 延安组第一段

该段自延安组底部至5-2煤层顶面，含5#煤组。段厚49.31～99.84 m，平均厚度70.17 m。在GK11-1孔一带沉积厚度最大，厚度总体变化趋势为南薄北厚。与下伏地层呈平行不整合接触。下部岩性多以灰-灰白色中粒长石石英砂岩为主，其次为粗粒、细粒长石砂岩，局部夹粉砂岩。具交错层理、块状层理。中部岩性以灰色粉砂岩为主，夹细粒砂岩、泥岩及薄煤层，上部灰色粉砂岩、砂质泥岩及灰白色中细粒砂岩的互层为主，含菱铁矿结核，局部夹厚层-中层状灰白色中、粗粒长石石英砂岩。

1.2 延安组第二段

本段自5-2煤层顶板至4-1煤层顶面，含4#煤组，段厚42.02～86.33 m，平均67.25 m。在GK4-1孔一带沉积厚度最大，厚度总体变化趋势由东北向西南逐渐减薄。本段可划分为C、D、E等3个亚段，C亚段下部岩性以厚层状灰白色中细粒长石砂岩为主，次为灰色粉砂岩，具交错层理、均匀层理。上部岩性主要以深灰色粉砂岩及泥岩为主，夹薄层细粒砂岩及炭质泥岩和薄煤层，4-4煤层赋存于该亚段顶部；D亚段中下部以灰白色中细粒长石砂岩为主，局部地段以深灰色粉砂岩为主夹泥岩。上部以深灰色粉砂岩及泥岩为主，夹浅灰色细粒长石砂岩及薄层炭质泥岩，4-3煤层赋存于该亚段顶部；E亚段底部岩性以深灰色粉砂岩、泥岩为主，夹薄煤、炭质泥岩及泥灰岩透镜体，含菱铁矿结核。中部及下部以厚层状灰白色中-细粒长石砂岩为主。上部以深灰色粉砂岩、泥岩为主，夹较多煤线，发育微波状层理、小型交错层理、均匀层理。4-2煤层赋存于该亚段上部，4-1煤层位于其顶部。

1.3 延安组第三段

该段自4-1煤层顶板至3-1煤层顶面，含3#煤组。段厚21.94～54.88 m，平均厚度35.62 m。在北部的GK5-1号孔附近沉积厚度较大，厚度总体由北向西南厚度逐渐变薄。岩性以灰色、深灰色粉砂岩和细粒长石砂岩为主，局部夹泥岩、泥灰岩透镜体、炭质泥岩及薄煤层，含菱铁矿结核，发育微波状层理、小型交错层理及水平层理，是延安组中最稳定的一段。3-1煤层位于其顶端。在3-1煤层下5 m左右有一层位稳定、厚约0.2～0.35 m的薄煤层与之相伴，是3-1煤层对比的辅助标志层。

1.4 延安组第四段

该段自3-1煤层顶板至2-2煤层顶面，含2#煤组。段厚39.33～66.61 m，平均厚度46.36 m。井田西南部受同期小型河道冲刷剥蚀顶部小部分地层缺失，在南部的JB14号孔附近沉积厚度较大，厚度总体由中部向四周逐渐变厚。本段为单一旋回结构，下部岩性主要以灰色、深灰色粉砂岩、砂质泥岩为主；中部以厚层状灰白色细粒、中粒或粗粒长石石英砂岩为主；上部主要为灰色、深灰色粉砂岩及泥岩。发育有波状层理、小型交错层理、水平层理及均匀层理。

1.5 延安组第五段

该段自2-2煤层顶板至煤系地层顶界。段厚0.62～90.54 m，平均厚度47.63 m。因遭受直罗河不同程度冲刷，厚度变化较大，该段地层在区内西部受冲刷到西南仅存不到1 m厚度，厚度总体变化趋势由东北向西南逐渐变薄。岩性复杂，规律性不明显。下部以灰色粉砂岩为主，次为灰白色中、细粒长石石英砂岩，局部为粗粒长石石英砂岩，中部以灰白色长石杂砂岩为主，具交错层理；上部灰白色中细粒及中粗粒长石石英砂岩为主，次为灰色粉砂岩、砾岩及深色泥岩，局部夹煤线，1#煤组。

2 沉积环境分析

通过对勘查区野外地质剖面和岩心进行沉积学分析，在勘查区延安组一至五段沉积体系为前积型湖泊三角洲相沉积、浅水湖湾相沉积、浅水三角洲相沉积、三角洲前缘或湖湾相沉积、三角洲前积相沉积、三角洲前缘与平原过渡相沉积、河流三角洲平原相，如图1所示。

图1 勘查区沉积相柱状图

2.1 前积型湖泊三角洲相沉积、浅水湖湾相沉积

延安组第一段与下伏富县组地层呈平行不整合接触，属于前积型浅湖三角洲相沉积、浅水湖湾相沉积。自下而上可划分为3个亚旋回Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3。

Ⅰ1、Ⅰ2旋回为典型前积型湖泊三角洲沉积，岩性总体呈下粗上细正粒序，具交错层理、块状层理。上部具波状层理及小型交错层理，5-3煤层、5-4煤层赋存于各自旋回的顶部；Ⅰ3旋回为浅水湖湾沉积，在部分地段发育有总体呈先反后正的复合粒序，含菱铁矿结核，5-2煤层赋存于该旋回顶部。

在富县组沉积后期，经过短暂的地面抬升遭受剥蚀，延安组第一段继承了富县组的沉积格局，此后经历了3次沼泽化成煤阶段，在勘查区内形成了5-2、5-3、5-4煤。煤岩类型5-2煤层以半暗煤为主，次为半亮煤，5-3、5-4煤层以暗淡煤为主，部分半亮煤和半暗煤。条痕褐黑色，弱沥青-沥青光泽，贝壳状、阶梯状、参差状断口；内生裂隙不甚发育，裂隙被方解石脉或黄铁矿薄膜填充。

2.2 浅水三角洲相沉积

延安组第二段属于浅水三角洲相沉积，该段分为4个亚旋回Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4。本段厚42.02～86.33 m，平均67.25 m。在GK4-1孔一带沉积厚度最大，厚度总体变化趋势由东北向西南逐渐减薄。本段各亚层呈先反后正的复合粒序，显示浅水三角洲沉积特征。煤岩类型多为半亮煤、半暗煤。受湖水波浪作用影响小，没有明显的滨湖沉积物，通常为具有微波状层理。在各旋回的顶部发育赋存有4#煤组4-1、4-2、4-3、4-4。

2.3 三角洲前缘或湖湾相沉积

延安组第三段属于三角洲前缘或湖湾相沉积，该段自4-1煤层顶板至3-1煤层顶面，含3#煤组。段厚21.94～54.88 m，平均厚度35.62 m。在北部的GK5-1号孔附近沉积厚度较大，厚度总体由北向西南厚度逐渐变薄。本段为单一旋回结构，为三角洲前缘或湖湾沉积，岩性以灰色、深灰色粉砂岩和细粒长石砂岩为主，局部夹泥岩、泥灰岩透镜体、炭质泥岩及薄煤层，含菱铁矿结核，发育微波状层理、小型交错层理及水平层理，是延安组中最稳定的一段。3-1煤层位于其顶端。在3-1煤层下5 m左右有一层位稳定、厚约0.2～0.35 m的薄煤层与之相伴，是3-1煤层对比的辅助标志层。

2.4 三角洲前积相沉积

该段自3-1煤层顶板至2-2层顶面，含2#煤组。段厚39.33～66.61 m，平均厚度46.36 m。井田西南部受同期小型河道冲刷剥蚀顶部小部分地层缺失，在南部的JB14号孔附近沉积厚度较大，厚度总体由中部向四周逐渐变厚。本段为单一旋回结构，属典型三角洲前积相序，下部岩性主要以灰色、深灰色粉砂岩、砂质泥岩为主；中部以厚层状灰白色细粒、中粒或粗粒长石石英砂岩为主；上部主要为灰色、深灰色粉砂岩及泥岩。发育有波状层理、小型交错层理、水平层理及均匀层理。顶部所含的2-2、2-2中及2-2下煤层为主要可采煤层。在井田西南部因泥炭田中发育有同期小型河道冲刷剥蚀使煤层变薄至缺失。

2.5 延安组第五段

该段自2-2煤层顶板至煤系地层顶界。段厚0.62～90.54 m，平均厚度47.63 m。因遭受直罗河不同程度冲刷，厚度变化较大，该段地层在区内西部受冲刷到西南仅存不到1 m厚度，厚度总体变化趋势由东北向西南逐渐变薄。本段处于三角洲前缘与平原过渡地带，岩性复杂，规律性不明显。下部以灰色粉砂岩为主，次为灰白色中、细粒长石石英砂岩，局部为粗粒长石石英砂岩，表现出三角洲口坝的沉积特点，中部以灰白色长石杂砂岩为主，具交错层理；上部为三角洲平原沉积，以分流河道中形成的灰白色中细粒及中粗粒长石石英砂岩为主，次为灰色粉砂岩、砾岩及深色泥岩，局部夹煤线。含1#煤组，1-2和1-1煤层位于其中上部。

3 主要煤层发育特征及控制因素分析

3.1 主要煤层发育特征

通过对郭家滩勘查区延安组沉积环境的分析，5#煤组形成于前积型湖泊三角洲相沉积、浅水湖湾相沉积体系，为全区可采煤层，其中5-4煤层局部可采，层位不稳定；5-3煤层全区可采，层位稳定；5-2煤层大部可采，层位稳定。4#煤组形成于浅水三角洲相沉积体系，4-2煤层大部可采，层位稳定；4-3煤层全区可采，层位稳定；4-4煤层大部可采，层位不稳定。3#煤组形成于三角洲前缘或湖湾相沉积体系，全区可采，层位稳定。2#煤组形成于三角洲前积相沉积体系，形成分岔煤层，2-2煤层在分岔区缺失，在复合区层位稳定，大部可采；2-2中、2-2下在分岔区全区可采层位稳定。勘查区内可采及局部可采煤层特征见表1。

表1 可采及局部可采煤层特征

主要煤层的形成除了受沉积环境影响外，还受到后期构造因素和冲刷作用等因素的影响。其中5-4煤层还受到构造因素的影响，受富县组填平补齐作用的影响。2-2煤层还明显受到直罗期河流冲刷作用的影响及不均匀沉降影响严重，在分岔区剥蚀殆尽。

3.2 煤层厚度控制因素分析

沉积因素对煤层的影响：①5-4煤层结构简单，不含夹矸。该煤层厚度变化情况是：沿煤层沿走向长条形展布于勘查区东北部，沿煤层倾向厚度由厚变薄，最厚处位于K2-1孔，如图2所示，煤层主要受沉积因素影响，可采边界不规则，可采区东北部厚，南部薄，规律较明显。而煤层沉积厚度相对较薄的地段，底板标高值大，显示煤层是在富县组填平补齐的基础上，煤层厚度与底板岩石标高存在互为消长的关系，属原生沉积所致；②5-3煤层层位稳定，在5-4煤沉积形成后，勘查区发生大面积的水位上升，形成了高水位沉积，此后形成全区可采的5-3煤层，该煤层厚度变化较小，可采区总体呈由北向南、由东向西逐渐增厚，规律较明显以中厚煤层为主，次为薄煤层，局部厚煤层；一般不含矸，局部含1层，个别含3层(图3)；③5-2煤层厚度变化较小，可采区总体呈由南向北、由西向东逐渐增厚，规律明显。属薄-中厚煤层，以中厚煤层为主；厚度变化较小，变化规律明显，结构简单-较复杂；煤类单一，为不粘煤，煤质变化小，大部可采，属稳定型煤层(图4)；④4-4煤层勘查区赋存(图5)，可采区位于井田中部偏西南，不规则状，大部分含1层夹矸，个别含2层夹矸，该煤层厚度变化较小，可采边界不规则，可采区总体南部薄，北部厚，规律较明显。厚度变化较小，变化规律较明显，结构较简单；煤类单一，以不粘煤为主，次为长焰煤基，煤质变化小，大部可采，属较稳定型煤层；⑤4-3煤层全区可采，结构简单，该煤层厚度变化较小，属薄-中厚煤层，以中厚煤层为主，属稳定型煤层。总体呈由南向北、由西向东逐渐增厚，规律明显(图6)；⑥4-2煤层除井田东北角外其余地段均赋存，可采区位于井田中部偏东北部，属薄-中厚煤层以薄煤层为主，一般不含夹矸，局部含1层夹矸，煤层厚度变化较小，总体呈由西向东逐渐增厚，规律明显。大部可采，属稳定型煤层(图7)；⑦3-1煤层为井田内主要可采煤层之一，全区可采，中厚煤层；局部含1层夹矸，个别含2层夹矸，结构简单；该煤层厚度变化较小，全区可采，总体呈由西向东逐渐增厚，规律明显，属稳定型煤层(图8)；⑧2-2煤层在井田西南部因受同期河道冲刷剥蚀使煤层不可采至缺失。可采区位于井田北部，可采厚度变化较大，总体呈由西向东、由南向北逐渐变厚，规律明显(图9)。可采边界不规则，属薄-厚煤层，以厚煤层为主，由于煤层分岔、遭受同期河流冲刷剥蚀厚度变化较大，但变化规律明显，结构简单，煤类单一，以不粘煤为主，次为长焰煤，煤质变化小，大部可采，属稳定型煤层。2-2中煤层是2-2煤层的分岔煤层，可采区位于井田中部偏北，呈条带状，该煤层在赋存区以南因沉积变薄至不可采，厚度有一定的变化，但规律明显，总体呈由东北向西南变薄的趋势，属稳定型煤层(图10)。2-2下煤层是2-2煤层的下分层，赋存区大部分可采，可采区厚度变化较小，总体呈由西向东、由南向北逐渐变厚，规律较明显，大部可采，属稳定型煤层(图11)。

图2 5-4煤层厚度等值线图

图3 5-3煤层厚度等值线图

图4 5-2煤层厚度等值线图

图5 4-4煤层厚度等值线图

图6 4-3煤层厚度等值线图

图7 4-2煤层厚度等值线图

图8 3-1煤层厚度等值线图

图9 2-2煤层厚度等值线图

图10 2-2中煤层厚度等值线图

图11 2-2下煤层厚度等值线图

构造因素对煤层的影响：勘查区地处鄂尔多斯盆地中部次级构造单元陕北斜坡中北部本区构造简单，整体为一向北西缓倾、平均倾角小于1°的单斜构造。其上发育有小型宽缓的波状起伏，未发现岩浆活动，本区属简单构造类型。各煤层底板总体呈由北西向南东逐渐增高的趋势，平均倾角0.5°，煤层较平缓。各煤层底板等高线图中均有波状起伏的构造形态，说明了该构造形态与含煤地层沉积基底密切相关。

4 结语

郭家滩勘查区延安组一至五段沉积体系为前积型湖泊三角洲相沉积、浅水湖湾相沉积、浅水三角洲相沉积、三角洲前缘或湖湾相沉积、三角洲前积相沉积、三角洲前缘与平原过渡相沉积、河流三角洲平原相。其中5#煤组形成于前积型湖泊三角洲相沉积、浅水湖湾相沉积体系；4#煤组形成于浅水三角洲相沉积体系；3#煤层三角洲前缘或湖湾相沉积体系；2#煤组形成于三角洲前积相沉积体系；1#煤组形成于三角洲前缘与平原过渡相沉积、河流三角洲平原沉积体系。

各煤组煤层不仅受沉积环境的影响，还受到后期构造和砂体冲刷的影响，其中2#煤组受到不均匀沉降及直罗期古河流冲刷作用，煤层分叉，剥蚀严重，勘查区西部基本上2-2煤层全部剥蚀殆尽，同时各煤层底板均为走向北北东，倾向北西西，显示了自富县组填平补齐的继承性沉积，反映了湖泊水位上升下降，水位的进退的结果。