沁水煤田寿阳县羊头崖详查区煤系地层对比及聚煤环境分析

黄述森

(山西地宝能源有限公司，太原 030045)

0 引言

煤田勘查过程中对比是关键，煤层对比的准确与否直接影响到勘查方法的选择、勘查工程的布置、勘查成果的提交，甚至勘查工作的成败；也是正确认识煤层分布、变化规律和研究煤层煤质的重要方法之一。

寿阳县羊头崖详查区位于沁水煤田东翼北段，行政区划属寿阳县景尚乡、松塔镇、尹灵芝镇、马首乡管辖，面积99.015km2，含石炭、二叠系煤层。区内普查及详查阶段共施工钻孔19个，仅2个钻孔全取心，其余为煤系取心，所有钻孔均进行了多参数数字测井。

为了确保煤层对比的可靠性，在野外工作前就对以往的地质资料进行收集整理，并认真分析以往资料，掌握已有的对比标志层特征；勘查中详细观测编录钻孔岩心，每竣工一个钻孔，及时将资料绘制成图与附近钻孔、测井资料以及煤质资料进行分析对比，发现问题及时复查岩心，补充收集相关资料，落实对比层位。报告编制中，统计了大量岩煤层数据，编制了多种分析图件，对煤的沉积特征、发育规律和聚煤环境有了比较清晰的认识。

1 地层

详查区位于沁水煤田的东北部边缘。区内大面积为新生界掩盖，东部河谷中有刘家沟组出露。综合钻探、测井等勘查资料，区内发育地层自下而上由老到新依序为：早古生界奥陶系中统上马家沟组(O2s)及峰峰组(O2f),和平行不整合其上的晚古生界石炭系上统本溪组(C2b)、太原组(C2t)、二叠系下统山西组(P1s)、二叠系下统下石盒子组(P1x)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、二叠系上统石千峰组(P2sh)、中生界三叠系下统刘家沟组(T1l)，角度不整合上覆新生界新近系(N)、第四系(Q)。其中石炭系上统本溪组、太原组、二叠系下统山西组为含煤地层。

(1)石炭系上统本溪组(C2b)。厚度31.20～ 56.20m，平均41.19m。主要为浅灰色泥岩、砂质泥岩、细砂岩，一般夹1～2层石灰岩和2～3层煤线组成，底部含一层浅灰色铝质泥岩,与下伏峰峰组呈平行不整合接触(图1)。

图1 羊头崖详查区NEE向沉积剖面图Figure 1 Yangtouya general exploration areaNEE sedimentary section

(2)石炭系上统太原组(C2t)。为本区主要含煤地层之一，厚度112.30～ 150.95m，平均为132.30m。按岩性特征划分为三段。

①下段(C2t1)K1砂岩底至K2灰岩底，厚度45.30～70.30m，平均为59.09m。由黑色、灰黑色泥岩、砂质泥岩，灰色、灰黑色细砂岩、粉砂岩，深灰色石灰岩及15、15下号煤层组成。其底部K1为细粒砂岩，成分以石英长石为主，具硅质胶结，脉状层理，厚度1.10～3.45m，平均2.30m。

②中段(C2t2)K2灰岩底至K4灰岩顶，厚度16.30～37.40m，平均26.97m。由黑色、灰黑色泥岩、砂质泥岩，灰黑色粉砂岩，深灰色石灰岩及11、12、13号煤层组成。

③上段(C2t3)K4灰岩顶至K8砂岩底，厚度30.43～59.00m，平均为46.24m。由黑色、灰黑色泥岩、砂质泥岩，灰色、灰白色中粗砂岩、细砂岩，及8号煤层组成。

(3)二叠系下统山西组(P1s)。厚度35.40～ 60.95m，平均为44.35m。下部主要为黑色泥岩，含植物碎屑化石。上部主要由黑灰色、灰黑色泥岩、粉砂岩组成，富含植物化石碎片，间夹2～ 3层浅灰色细粒砂岩和2、3、4、5号煤层。

2 含煤地层煤、岩层对比

2.1 对比方法

羊头崖详查区位于华北聚煤盆地中北部，含煤地层沉积稳定，岩性组合及地球物理特征具有一定的规律，煤层、标志层特征明显，为煤层对比提供了可靠的依据。详查在已有资料的基础上，沿用已有的煤层编号，在充分研究区内煤层发育特征，尝试各种对比手段的基础上，选择从地层宏观结构特征到煤层组合特征、再到煤层本身特征，从明显到复杂、从已知到未知层层递进的对比方法。先采用煤层组合宏观结构对比法划分煤组，然后以厚度较大、特征明显、区域稳定的K2石灰岩底板作为对比基线，用标志层法、标志层及煤层间距对比法、测井曲线特征对比法、煤层结构对比法、旋回对比法、岩性组合对比法等各种综合手段进行层层对比。多种手段相互验证，以提高煤层对比的可靠性。

(1)宏观结构对比。煤层组合宏观结构对比，能够从煤系整体上掌握煤层发育特征，然后从煤组到煤层组再到煤层逐层对比，避免了局部对比出现的偏差，提高了对比的容易程度和可靠程度。本区根据含煤旋回组合的相似性特征，可明显将整个煤系划分为三个煤组。上煤组位于煤系上部，包括3、4、5、8号煤层；中煤组位于煤系中下部，包括11、12、13号煤层；下煤组位于煤系下部，包括15、15下等煤层(图1)。

(2)分层对比。在层组对比的基础上，再进行分煤层对比。对比依据是根据煤层所在位置，采用标志层、层间距、煤层自身特征(厚度、结构、硫分、煤岩组合特征)、砂体、顶底板特征、结核和测井煤、岩层物性参数特征等，对各煤层进行综合对比。

2.2 对比依据

2.2.1 标志层

本区含煤地层中发育有几层层位较稳定、发育较好、特征明显的标志层。

K1砂岩：位于太原组底部，为灰—灰白色细粒岩屑石英砂岩，含少量泥质及星散状黄铁矿，硅质胶结，分选性较好。厚1.10～3.45m，平均2.30m。

K2下灰岩为15号煤层顶板：深灰色，厚层状生物屑泥晶灰岩，致密坚硬，上部质纯，含有燧石条带，底部含较多的泥质、有机质及星散状黄铁矿。靠下部常夹有薄层钙质泥岩。含小泽蜓、似纺锤蜓及腕足类等动物化石,全区稳定，厚1.70～5.90m，平均3.05m。

K2灰岩位于太原组下部，为深灰色，厚层状生物屑泥晶灰岩，含有燧石条带，含小泽蜓、似纺锤蜓及腕足类等动物化石,厚1.60～2.95m，平均2.21m。下距K2下灰岩15.00m左右。

K3灰岩：为13号煤顶板，灰-深灰色，厚层状生物屑泥晶灰岩，致密坚硬，性脆，夹少量燧石条带，含腕足类及蜓类等动物化石。除个别地段缺失外区内大面积层位稳定，厚0～7.60m，平均3.13m。

K4灰岩：为11号煤层顶板，深灰色生物屑泥晶灰岩，含泥质较多，除个别地段缺失外区内大面积层位稳定。厚度0～4.30m，平均2.13m。

K7砂岩：灰色、深灰色细—中粒砂岩，富含煤粒及暗色矿物，缓波状层理、脉状层理，夹泥质包裹体，局部为粗粒砂岩、粉砂岩。厚0.40～9.20m，平均3.82m。

2.2.2 层间距

区内各煤层层间距大多比较稳定，且多数是近距离煤层。

太原组K2下、K2、K3、K4石灰岩全区发育，且间距和厚度均稳定，均为煤层顶板，易于识别；15下煤层位于15号煤层下约9m左右，也很稳定；8号煤层位于上组煤底部，上距K7砂岩0.40～9.20m，平均3.82m，下距K4灰岩19.70～ 49.80m，平均36.53m，变化不大。

山西组内砂岩标志层稳定性较差，且岩性特征不明显，在对比中可追踪砂岩的变化规律作为一般性标志，但下石盒子组底部K8砂岩厚度较大，特征明显，可作为山西组煤层较重要的对比标志。3号煤层距K8砂岩一般为30m左右，间距稳定，对比可靠。

2.2.3 煤层自身特征

①煤层物性特征 。3号煤层一般夹一层夹矸，在长源距伽马伽马曲线上为二齿状开裂高异常，视电阻率为叠檐状高异常，自然伽马为双笋状低异常；4号煤层多为单层结构，上分层大多相变为炭质泥岩和泥岩，在长源距伽马伽马曲线和视电阻率曲线上为单峰高异常，但其上明显的突起也反映了上分层的存在；5号煤层也多为单层结构，单峰异常；8号煤层为中厚煤层，夹矸少见，在长源距伽马伽马曲线上为顶端开裂的带状高异常；下部开裂的宽幅高异常，视电阻率为上低下高的叠檐状高异常，自然伽马则为反向叠檐状低异常；11、12、13号煤层，均为单层结构，在长源距伽马伽马曲线上为针叶状高异常反映，电阻率为中低阻，自然伽马曲线呈低异常反映；15号煤层为全区稳定的厚煤层，夹0～ 3层、一般为1层薄矸，三条曲线均表现为自下而上异常值逐渐明显的趋势，反映煤质由下而上变好的趋势，在长源距伽马伽马曲线上为中部开裂的宽幅高异常反映，电阻率为多齿状分离的中高阻，自然伽马曲线呈低异常反映；15下煤层煤质变化较大，在长源距伽马伽马曲线上为顶端尖齿状开裂高异常，视电阻率为丛齿状高异常，自然伽马为低异常。

②煤质特征。由于沉积环境、形成过程、埋藏保存条件不同，本区各煤层煤质也存在一定的变化。

特别是原煤全硫(St.d)含量在垂向上变化较为明显。如3号煤层属低-特低硫煤；4号煤层以低-特低硫煤为主，局部有中硫煤；8号煤层以中硫煤为主；15号煤层属中高-高硫煤，以高硫煤为主；15下煤层属低高-高硫煤，以中硫煤为主。各煤层的硫份差异显著，可作为对比依据。

以上方法相互配合、交叉使用、互有验证，使3、4、8、15、15下等可采煤层达到对比可靠的程度。

3 煤层沉积特征及聚煤环境分析

本区主要含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。山西组厚度平均44.35m，共含煤4层，编号为2、3、4、5号，煤层平均总厚2.63m，含煤系数5.93%；其中3号煤层赋煤区稳定可采煤层，4号煤层不稳定局部可采煤层，总厚2.30m,可采含煤系数5.19%；太原组厚度平均132.30m，共含煤7层，编号为8、11、12、13、15、15下、16号煤层平均总厚8.83m，含煤系数6.67%，平均可采总厚7.75m,可采含煤系数5.86%。其中8、15、15下号煤层为稳定可采煤层，其它煤层为不稳定不可采煤层。

3.1 15下煤层

位于太原组下部，下距K1砂岩平均24.38m。煤层厚度0.35～ 2.35m，平均1.30m，西部较厚，最厚点位于西北部X1302号孔，由西南部向东北部煤层变薄(图2)，为泥炭沼泽发育期间，东北部同生潮汐水流间断性侵入所致。煤层结构简单，无夹矸，属稳定大部可采煤层。

图2 15下煤煤层厚度、原煤灰分(Ad)、全硫(St,d)等值线及分区图Figure 2 Isogram and partition map of coal No.15L thickness,raw coal ash (Ad), total sulfur (St,d)

煤层底板为灰-深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含有黄铁矿小晶粒和大量植物根化石，系废弃的潮上泥坪沉积；

煤层顶板多为深-灰黑色泥岩、砂质泥岩，含黄铁矿结核， 见少量植物茎叶化石，系潟湖海湾沉积；东北部为灰色粉砂岩，薄-微层状，水平纹理，透镜状层理，系潮坪沉积。

15下煤层原煤灰分质量分数(Ad) 9.82%～31.84%， 平均20.24%，中高灰分位于东北部，与煤层变薄带基本吻合，为东北部同生潮汐水流携带的细碎屑物质间断性侵入到泥炭沼泽，增加了附近的灰分；

原煤全硫(St,d)质量分数0.36%～2.89%，平均0.85%，中高硫煤位于北东部，与煤层变薄带基本吻合，为同生潮汐水流间断性侵入到泥炭沼泽，携带的硫元素也渗入到泥炭之中增加了煤中硫分。

3.2 15号煤层

位于太原组下部，下距15下煤层平均8.47m。煤层厚度3.20～5.00m，平均4.05m，东北部较厚，最厚点位于X502号孔附近，南部煤层较薄(图3)，与顶板K2下石灰岩的厚度呈负相关关系，为南部泥炭沼泽过早被海水淹没，终止发育、煤层变薄。煤层结构较简单，含1～2层夹矸，属全区稳定的可采煤层。

煤层底板为深灰-灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含有黄铁矿和大量植物化石，系废弃的潟湖潮坪沉积；

煤层顶板为深灰色石灰岩，含蜓、腕足等动物化石及其碎屑，系开阔台地沉积；

图3 15号煤煤层厚度、原煤灰分(Ad)、全硫(St,d)等值线及分区图Figure 3 Isogram and partition map of coal No.15 thickness,raw coal ash (Ad), total sulfur (St,d)

15号煤层原煤灰分质量分数(Ad) 9.82%～28.51%，平均18.76%，属中灰分煤，中高灰分位于北部厚煤区域，呈带状分布，为南部泥炭沼泽被海水淹没期间，海浪或风暴潮携带的碎屑物质溢泛到北部尚在发育的泥炭沼泽之中，增加了潮流附近的灰分；原煤全硫(St,d)质量分数0.70%～6.39%，平均2.38%，高硫煤较多，为后期海水淹没，海水携带的硫元素下渗到泥炭之中增加了煤中硫分；

3.3 8号煤层

位于太原组下部，下距15号煤层平均82.09m。煤层厚度0.65～3.55m，平均2.40m，北部、西部较厚，最厚点位于西北部X1301号孔，中部、南部煤层较薄，最薄点位于西南部1102号孔(图4)，与煤层底板砂体相吻合(参见图1)，为泥炭沼泽发育早期，该部为同生碎屑河流；煤层结构简单，无夹矸，属稳定大部可采煤层。

煤层底板为灰-深灰色泥岩、砂质泥岩，含有菱铁矿结核和植物根化石，系废弃的间湖沉积；

煤层顶板多为深-灰黑色泥岩、砂质泥岩，夹植物茎叶化石，系前三角洲或三角洲前缘沉积；

图4 8号煤煤层厚度、原煤灰分(Ad)、全硫(St,d)等值线及分区图Figure 4 Isogram and partition map of coal No.8 thickness,raw coal ash (Ad), total sulfur (St,d)

8号煤层原煤灰分质量分数(Ad) 7.60%～30.12%，平均18.88%，属中灰分煤，中高灰分主要位于南部，与南部碎屑河流发育有关；

原煤全硫(St,d)质量分数0.23%～2.37%，平均0.97%，中硫煤位于西北和东南部。

3.4 3号煤层

位于山西组中上部，下距8号煤层平均26.73m。煤层厚度0～2.45m，平均1.59m(图2)。西部煤层较厚，最厚点位于西北部1501号钻孔，北东部遭受后期河流冲刷变薄或缺失(X501号孔)。煤层结构简单，有时含1层夹矸，为赋煤区稳定大部可采煤层；

图5 3号煤层厚度、原煤灰分(Ad)、全硫(St,d)等值线及分区图Figure 5 Isogram and partition map of coal No.3 thickness,raw coal ash (Ad), total sulfur (St,d)

煤层底板为深灰色泥岩、砂质泥岩，含较多植物根化石，系废弃的三角洲前缘沉积；

煤层顶板主要为深-灰黑色泥岩、砂质泥岩，见少量植物茎叶化石，系前三角洲或三角洲前缘沉积；东北部为浅灰色中细粒砂岩，脉状层理，层面含大量植物碎屑，正粒序，系三角洲分流河道沉积。

3号煤层原煤灰分质量分数(Ad) 9.45%～35.16%，平均23.67%，中高灰分位于详查区中部，呈带状分布，与X903孔等煤厚变薄点相吻合，为泥炭沼泽发育其间同生的沼泽河流携带的细碎屑物质溢泛或渗流到泥炭沼泽之中，增加了附近的灰分；

原煤全硫(St,d)质量分数0.28%～1.22%，平均0.49%，中硫煤位于北东部，与后期河流冲刷变薄缺失带相吻合，为后期三角洲分流河道下切冲刷泥炭的同时，携带的硫元素也渗入到泥炭之中增加了煤中硫分。

4 结论

1)羊头崖详查区位于华北聚煤盆地中北部，含优质的石炭二叠纪煤层。

2)该区含煤层数多，上部煤层变化较大。我们从煤层宏观组合结构入手，到煤组、层组、煤层，利用标志层、间距、煤质特征等进行了详细对比。各种方法相互配合、交叉使用、互有验证，达到了最佳的对比效果。

3)通过煤层厚度、煤中灰分硫分以及煤层顶底板沉积特征分析了聚煤环境及煤层、煤质变化的影响因素。可采煤层是在废弃碎屑环境之上的动态泥炭沼泽发育而成的。动态泥炭沼泽限制了基底和同生的碎屑环境，长期稳定发育形成可采煤层—动态聚煤模式。同生碎屑沉积导致煤层分叉变薄、煤中灰分、硫分增高；成煤期后，局部河流下切冲刷对泥炭层的破坏显著；海水过早淹没泥炭沼泽会导致煤层变薄，及附近灰分硫分增高，成煤期后海侵下渗导致煤中硫分增高。