甘肃灵台矿区多煤层对比研究

李文鑫，张子祥，徐兰兰

(1.甘肃煤田地质局一四九队，甘肃 兰州 730000；2.甘肃煤炭地质勘查院，甘肃 兰州 730000；3.国网甘肃营销服务中心，甘肃 兰州 730000)

0 引言

甘肃省鄂尔多斯盆地的煤炭资源主要分布在陇东地区庆阳市宁县、正宁县、环县、合水县，平凉市区及灵台县、泾川县境内，煤炭资源预测资源量占全省预测资源量的96%，现有华亭矿区、宁正矿区、沙井子矿区、灵台矿区、泾川矿区、合水南矿区6大矿区，预计全部开发后，设计开采能力可超过1.4亿t[1]。国务院办公厅国办发〔2010〕29号文《关于进一步支持甘肃经济社会发展的若干意见》中指出：“加强煤炭资源勘探和开发利用”，中共中央、国务院《关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》中指出“优化煤炭生产与消费结构，推动煤炭清洁生产与智能高效开放，积极推进煤炭分级分质梯级利用”，甘肃省政府历年政府报告中也提到“加快推进陇东煤炭生产基地建设”，从政策上凸显了加快陇东煤炭资源高质量开发利用的重要性。

煤层对比是煤炭资源勘查报告中的技术难点之一，影响着后期的煤炭资源开发利用。在实践中，煤炭勘探队伍都形成了自己的煤层对比方法[2-4]。舒建生等[5]针对西部分布最为广泛的侏罗中统延安组陆相含煤沉积建造存在的多煤层对比方式组合模式进行了讨论，形成了7类12项方法组合的架构体系，对本文形成有益的指导。灵台矿区是陇东煤炭生产基地建设重要组成部分，由泾川县高平北部勘查区、泾川县高平南部勘查区、灵台县灵北井田、灵台县安家庄井田、唐家河井田、南川河井田、灵台县邵寨井田7个勘查区或井田构成，在进行矿区综合汇编工作时，各勘查区和井田的勘查进度不同，探煤钻孔众多，工作范围大，给多煤层对比工作带来了巨大的难度。技术工作者对灵台矿区的煤质、地下水、甲烷及开采条件进行了讨论[6-10]，但未见多煤层对比的相关报道。文中通过岩相旋回对比、标志层对比、煤质特征对比、就近钻孔对比、自身特征对比、测井曲线对比6种方法进行了灵台矿区的多煤层对比，对于灵台矿区乃至陇东地区的煤炭资源高质量开发利用具有一定的实践意义。

1 矿区概况

甘肃灵台矿区位于甘肃省平凉市东南部，矿区东、南均以陕西、甘肃两省省界为界，并分别与相邻的麟游矿区、彬长矿区做到无缝连接，北部以泾河为界，西部基本以现有勘查区边界为界。矿区东西宽10～29 km，南北长约60 km，总面积约877.77 km2，已勘查的面积为819.19 km2，区内有788个煤田勘探钻孔，地质资料详实。

矿区大部区域被第四系全部覆盖，仅在沟谷中零星出露下白垩统志丹群，出露面积小。据钻孔揭露和地质填图，矿区发育的地层自下而上有：上三叠统延长群(T3yn)，下侏罗统富县组(J1f)，中侏罗统延安组(J2y)，直罗组(J2z)，安定组(J2a)，下白垩统志丹群宜君组(K1y)，洛河组(K1l)，环河组(K1h)，第四系(Q)。

矿区煤系地层为中侏罗统延安组，古构造控制的基底古地形，是造成沉积中心和局部沉积厚度以及煤层厚度变化的主要因素之一。聚煤期区域内地壳的小型振荡运动对旋回结构以及煤系地层的沉积条件有较为突出的影响。后期构造演化对含煤建造、煤系地层以及煤层赋存面貌有一定的影响，但无明显的破坏。煤系地层的沉积条件、聚煤环境因时而异现象比较突出，前期含煤建造发育程度受控于古地形条件，后期则受制于同沉积构造和后期构造运动的改造。矿区共有编号煤层14层，自上而下编为煤1-2、煤2-1、煤2-2、煤5-1、煤5-2、煤5-3、煤6-1、煤6-2、煤8-1、煤8-2、煤8-3、煤9-1、煤9-2、煤9-4，其中：煤5-1、煤5-2、煤8-2层为大部分可采煤层；煤2-2、煤6-1、煤6-2、煤8-1层分布较稳定，为局部可采煤层；其余煤层为不可采煤层。延安组初期由于古地形复杂，成煤环境差，只在局部山间盆地沉积了煤9组，延安组中期盆地大部被夷平，盆地扩大，成煤环境变好，广泛沉积了煤8组，延安组晚期盆地有所收缩，成煤环境逐渐变差，煤层逐渐变薄，范围缩小，部分地段的煤系地层还被后期的直罗组冲刷剥蚀，造成煤5-1层及煤2-2以上地层缺失。

2 煤层对比方法

矿区煤岩层对比工作，首先进行了地层对比，确定含煤地层为侏罗系延安组，在地层对比的基础上又进行了详细的煤层对比。本矿区属超大型内陆盆地型含煤沉积，井田相变复杂，岩性、岩相变化较大，稳定的标志层较少，煤层对比较困难，所以从多方面进行综合对比。本矿区报告由全矿区内7个井田(勘查区)组成，在各个井田(勘查区)之间选择以南北为主线、东西相贯穿的剖面进行煤层对比，具体采用的对比方法是以相旋回对比为基础，结合标志层、煤质、煤层自身特征、标高追索、测井曲线及煤层的平面分布规律等多种方法进行对比，以全区普遍发育、厚度相对较大的煤8-2层底板为对比基线，沿煤层走向与倾向4个方向分别进行对比，并使煤层、地层界线在每个钻孔的4个方向上都互不交叉，从而保证了对比的可靠性。

2.1 岩相旋回对比

含煤地层延安组属内陆河流-泛滥平原-湖泊三角洲、泥炭沼泽相的沉积，由于河流的多次大规模侧向迁移，从下至上形成了7个结构明显的沉积旋回，各煤层皆有规律地赋存在这些旋回结构中，这种“规律”对单孔煤层层位的确定及进一步为全区的煤层对比奠定了可靠的理论基础和实践依据。

延安组第1段(J2y1)：沉积环境为洪泛平原和岸后湖泊，间有分流河道或湖泊三角洲相沉积，由三个旋回组成，第1旋回、第2旋回只在有煤9组沉积的区域分布，没有煤9组沉积的区域则只发育第3旋回，其中，第3旋回则普遍含煤。第1旋回多存在于古地形低洼区，是在富县组的风化壳上快速形成并发展起来的，由河流相的砂岩开始，向上依次沉积了湖泊相的粉砂岩、沼泽相的炭质泥岩及煤9-4，以浅湖相的粉砂岩结束，煤9-4成煤环境较差，该旋回的特征是砂岩较厚，在少量钻孔中发育煤9-4。第2旋回在古地形较高处也是在富县组的风化壳上快速形成并发展起来的，由河流相的砂岩开始，向上依次沉积了湖泊相的粉砂岩、沼泽相的炭质泥岩及煤9-3，以浅湖相的粉砂岩结束；在地形较低处则是在第1旋回的基础上沉积的，由河流相的砂岩开始，向上依次沉积了湖泊相的粉砂岩、沼泽相的炭质泥岩及煤9-3，以浅湖相的粉砂岩结束，个别钻孔中第2旋回还有亚旋回，零星沉积了煤9-2及煤9-1层。第3旋回全区钻孔中都能见到，大多为一个完整旋回，即由河流相的砂岩、个别为含砾砂岩开始，向上依次过渡为湖泊三角洲相的粉砂岩、泥炭沼泽相的炭质泥岩和煤层，以浅湖相的粉砂岩结束。煤8-3层、煤8-2层、煤8-1层赋存于该旋回的中上部。

延安组第2段(J2y2)：在矿区内大多以二个旋回构成，即第4旋回和第5旋回，部分地段由3个旋回构成。相序为河床相—河漫相—沼泽相—泥炭沼泽相。煤6-1层、煤6-2层、煤6-3层一般赋存于第4旋回的顶部，煤5-2层、煤5-1层一般赋存于第5旋回的中部或顶部。

延安组第3段(J2y3)：在矿区内大多以一个旋回构成，即第6旋回，部分地段钻孔中还有第7旋回。相序为河床相—河漫相—沼泽相—泥炭沼泽相。煤2-1层、煤2-2层一般赋存于第6旋回的顶部，煤1-2层一般赋存于第7旋回的中部或顶部。该段部分地段被剥蚀，地层的中上部在背斜处多被直罗组底部的粗粒沉积物冲刷代替，造成部分钻孔煤5-1层以上地层被冲刷殆尽，没有发育煤2组和煤1组。

2.2 标志层对比

本区含煤地层延安组属陆相沉积，内部差异较大，所以全区稳定的标志层难以找到，但存在的一些辅助标志层对煤层及延安组段的划分有指导意义。直罗组底部的厚层粗砂岩是判定延安组和直罗组分界的一个重要的辅助标志层。延安组煤8组底部大多区域发育似鲕状-鲕状结构的泥岩或粉、细砂岩，为本区的第1辅助标志层，该层以下一般不含煤层，是判定延安组底部地层的标志层。延安组下层的富县组杂色泥岩是判定延安组底界的一个重要地层标志，该层是延安组和富县组划分的一个可靠标志层。另外，经过岩性、岩相及沉积环境分析，发现各旋回底部的厚层状粗、中粒砂岩具有厚度较大、层位稳定、横向上普遍赋存、垂向上岩性突出、易于对比的特点，可作为划分延安组中各段、各旋回、各煤组的辅助标志。

2.3 煤质特征对比

综合井田煤岩特征表明，本区主要煤层(煤8-2)形成于覆水程度较浅，氧化作用较强的介质环境中，煤岩类型以暗淡型为主，煤中丝质组含量相对较高，有机质凝胶化程度低，结构体发育，无机沉积作用弱，矿物质、灰分和硫分含量低。煤5-1、煤5-2沉积时，沼泽覆水相对较深，属弱还原环境，肉眼鉴定煤岩类型多为光亮煤和半亮煤，煤中镜质组含量相对高，矿物质和硫分含量一般高于煤8-2层。

2.4 就近钻孔对比

本次煤层对比分别沿勘查线(基本垂直煤层走向)和垂直勘查线(沿煤层走向)进行了独立分析对比，在此基础上沿不同方向进行交叉对比，做到每个孔的各个煤层编号在4个方向上都能和其周边钻孔的煤层编号统一和谐起来，这样就有效地解决了相邻煤层层间距较小或由于煤层分叉合并造成的煤层编号难以确定的问题。矿区内延安组含煤地层产状平缓，地层倾角在6°～10°之间，各煤层标高相对稳定。虽然地层沿走向有微波状起伏，但变化不大。另外，利用其煤层标高沿走向及倾向变化相对较小的特征对煤层进行了辅助对比。

2.5 自身特征-层间距结合平面分布规律对比

2.5.1 主采煤层平面分布、厚度及结构特点对比

煤5-1层为全区分布的中厚煤层，赋煤区内厚0.00～4.62 m，平均1.83 m。个别孔和煤5-2层合并为一层，含夹矸1～2层，单孔煤层结构简单-较简单，结构总体属较简单。煤5-2层为全区分布的薄-中厚煤层，赋煤区内厚0～6.04 m，平均1.71 m，含夹矸1～2层，单孔煤层结构简单-较简单，个别孔有分叉现象，结构总体属较简单。煤8-1层为局部分布的中厚煤层，赋煤区内厚0～6.65 m，平均厚2.13 m，煤层结构简单-复杂，总体属较简单，含夹矸1～2层。煤8-2层全区分布的中厚-厚煤层，厚度变化较大，赋煤区内煤层厚0～17.56 m，平均厚3.97 m。单孔煤层结构简单-复杂，含夹矸0～5层，多数为1～4层夹矸，煤层结构总体上属复杂。由于该层厚度大，全区分布，层位上位于延安组第1段，从而区别于其他煤层。

2.5.2 主采煤层间距对比

一般是同一旋回内相邻煤层的间距小，不同旋回间的相邻煤层间距大。因此层间距也是本井田进行煤层对比、确定各煤层层位及编号的辅助手段之一。煤5-1层与煤5-2层处于同一旋回，层间距相对较小。煤5-2层与煤6-1层处于不同旋回内，层间距相对较大，多在18.00 m左右。煤8-1层与煤8-2层处于同旋回内，层间距小，多在5.00 m左右。煤8-2层与煤9-3层处于不同旋回内，层间距相对较大，一般在20.00 m左右。井田内不同地段的煤层层间距变化也有规律可循，由于受同沉积构造的控制，在井田负向构造地带，随着延安组沉积厚度的加大，各煤层层间距也在增大；在井田正向构造的隆起地带随着延安组地层沉积厚度的变小，各煤层层间距也随之减小。这种规律对本井田不同部位煤层间距的研究及煤层对比上具有普遍的指导意义。

2.6 测井曲线对比

2.6.1 煤8-1层、煤8-2层对比

煤8-1位于延安组中下部，大部分布，层位较稳定。煤8-1层与煤8-2间距较小，电阻率曲线幅值明显低于煤8-1层，曲线形态为“单峰状”或“双峰状”高异常反映；密度曲线多呈“鱼嘴状”或“锲状”低异常反映；自然伽马曲线幅值相对高于下部煤8-2层，曲线形态呈“倒单峰”低异常。各物性曲线组合特征明显。煤8-2位于延安组中下部，总体为湖沼型沉积段，沉积稳定，全区可采，结构大多较稳定，在井田西北部边缘地带部分钻孔煤8-2层厚度稍变薄，全区煤层厚度变化不大，结构较简单。在物性曲线上电阻率曲线幅值明显高于区内其它煤层，特性标志明显，曲线形态为“双峰状”或“三尖两刃状”高异常反映；密度曲线多呈“箱式锯齿状”低异常反映；自然伽马曲线呈“谷状”低异常。各物性曲线形态特征异常明显,如图1所示。

图1 煤8-1、煤8-2测井曲线特征Fig.1 Logging curve characteristics of coal seam 8-1 and 8-2

2.6.2 煤5-1层、煤5-2层对比

煤5-1层位于煤系地层中上部，为较稳定的大部可采煤层，结构较简单。在电阻率曲线上多以“犬牙状单峰”高异常显现。在密度曲线上呈“箱状”低异常；在自然伽马曲线上表现多为“谷状”低异常。各物性曲线形态特征较为明显。煤5-2层位于煤系地层中上部，结构较为简单，沉积较稳定，大部可采。曲线物性在电阻率曲线上多呈不规则“燕尾状”高异常反映。在密度曲线上多以低值“谷状”显现；在自然伽马曲线上表现为“V字状” 低异常反映。各物性曲线形态特征较为明显，如图2所示。

图2 煤5-1、煤5-2测井曲线特征Fig.2 Logging curve characteristics of coal seam 5-1 and 5-2

3 煤层对比可靠性评价

依据以上6种方法对比，井田内的煤层层数及相互关系基本厘定。垂向及水平2个方向上煤9-3、煤8-2、煤8-1、煤6-2、煤6-1、煤5-2、煤5-1、煤2-2对比关系可靠，依据较充分。煤2层(组)属不稳定的局部可采煤层，本身特征不甚明显，对比主要依据岩性岩相旋回及它们所在地层段的位置确定，对比结果基本可靠。煤5层(组)属大范围较稳定的可采煤层，对比主要依据煤层组合特征、岩性岩相旋回及它们所在地层段的位置确定。煤5层(组)的3个分层，位于同一沉积旋回，主要依据煤层厚度、煤层间距等进行对比，对比结果可靠。主要可采煤8层(组)在区内大部分地段层位较稳定，煤层特征和物性特征比较明显，且煤8-2分层底板均发育有似鲕状-鲕状结构的砂岩或泥岩，标志层清楚，对比依据较充分，同时煤8组的3个分层，位于同一沉积旋回，只是微沉积环境存在的差异，因此在可采区垂向及水平2个方向上对比结果可靠。

4 结论

灵台矿区共有编号煤层14层，其中，煤5-1、煤5-2、煤8-2层为大部分可采煤层。通过岩相旋回对比、标志层对比、煤质特征对比、就近钻孔对比、自身特征对比、测井曲线对比6种方法进行了灵台矿区的多煤层对比，对比关系可靠，依据较充分。