斜沟煤矿煤层缺失区古地理成因解析

王长征

(山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602)

引 言

斜沟煤矿18511工作面设计在15采区8#煤层中，设计可采走向长3 570.4 m，倾斜长247.1 m～279.7 m，面积993 228.5 m2，预计可采储量约463万t。18511材料巷盲巷掘进期间“有掘必探”钻探共施工113个探测钻孔，其中有38个钻孔打通疑似小窑空巷，根据钻探结果圈出5处异常区域，4处位于18511材料巷盲巷东侧约15.7 m～22.6 m，上帮钻孔无水，1处位于18511材料巷盲巷反掘方向，距离18511材料巷盲巷最近约2 m，钻孔有少量出水(单孔初始水量最大约5 m3/h)，现已均无水流出，后对该异常区施工了探巷验证，但未发现采空异常情况并及时对该探巷进行封堵。为确保安全生产，将18511材料巷往西平移20 m，重新施工18511材料巷，不仅造成报废巷道及封堵工程费用浪费，还对安全生产留下隐患。更改设计后18511材料巷现已掘进992 m，掘进过程中顶板有淋水现象，所施工钻孔仅个别顶板孔出水，最大出水量为28 m3/h，经水质化验结果对比本矿区水质类型，判断为砂岩裂隙水，巷道掘进至925 m处遇地质及水文地质异常现象，巷道在煤层缺失区掘进。

1 区域构造及煤岩特征

该地区大地构造位置处于鄂尔多斯断块东缘，兴县石楼南北向褶皱带的北部，鄂尔多斯盆地在天山-阴山、昆仑-秦岭纬向构造和贺兰山-吕梁山-太行山山字型经向构造的控制范围内。斜沟井田位于吕梁山隆起北部之西翼与鄂尔多斯盆地东部边缘的交接部位，属于鄂尔多斯盆地沉积边缘的一部分，总体为一走向近南北倾向西的单斜构造，倾角6°～16°，局部为20°，断裂少见，在区域的西部有九元坪-杨家塔背斜和九元坪向斜。区域地层由老至新为:古生界奥陶系中统，石炭系中统、上统，二叠系下统、上统；中生界三叠系下统、中统；新生界第三系、第四系。15采区位于斜沟井田东北部，18511材料巷在15采区区二叠系下统山西组(P1s)下部中掘进，根据已有煤岩层资料预计：设计范围内煤层总厚0.80 m～4.06 m，平均煤厚3.91 m，煤层倾角7.4°～8.6°平均7.9°；直接顶为泥岩，厚度7.58 m～10.49 m，平均9.01 m；老顶为粗粒砂岩，厚度12.30 m～14.83 m，平均13.98 m；直接底为砂质泥岩，厚度0 m～1.57 m，平均0.53 m；老底为中细粒砂岩，厚度1.20 m～10.88 m，平均6.19 m。工作面地表为黄土梁、峁，地形起伏较大，山坡较陡，被巨厚层黄土覆盖。工作面盖山厚度：41 m～205 m。

2 巷道揭露煤岩层观测

18511材料巷开口至925 m段煤层稳定，煤层总厚4.0 m～5.3 m，自南向北整体呈递减趋势，局部稍有逆向变化。

22#点北21 m全煤厚3.0 m,顶板下沉，巷道割顶板灰黄色泥岩1.5 m。22#点北27 m全煤厚1.85 m,巷高3.7 m,自上而下为：①0.9 m灰色含砾粗砂岩，泥质胶结、砂砾棱角分明、偶见煤岩碎屑、受风化疏松易碎；②0.5 m黑灰色泥炭与泥质条带互层，层理清晰，松软；③0.4 m黑色煤层，含植物根茎化石；0.2 m灰色泥岩，泥质结构；④1.25 m黑色煤层，偶见植物根茎化石；⑤0.45 m灰色泥质粉砂岩，泥质结构。

22#点北43 m上帮煤厚0.3 m,下帮煤厚1.0 m，巷高3.9 m,自上而下为：①1.5 m黑灰色泥炭与泥质条带互层，层理清晰，松软；②0.3 m黑色煤层，煤质较差，呈泥炭状，含植物根茎化石；③0.5 m灰色泥岩，泥质结构；④1.6 m灰黑色泥岩，质软；

22#点北53 m煤厚0.3 m，巷高4.0 m,自上而下为：①1.5 m黑灰色泥炭煤与泥质条带互层，层理清晰，松软；②0.3 m黑色煤层，煤质较差，呈煤泥状；③0.6 m灰色泥岩，泥质结构；④1.6 m灰黑色泥岩；下覆0.4 m灰色粉砂岩(探测)；

3 古地理成因解析论证

18511材料巷盲巷钻孔打通疑似小窑空巷后对该异常区施工了探巷验证，但未发现采空异常至今不明的原因：18511材料巷盲巷东侧可能存在类似的煤层缺失带，沉积泥岩层质软疏松，钻机钻进过程中所需给进压力极小导致误判空穿；若18511材料巷盲巷东侧存在采空区，采空区距大气降水补给区较近必会储水，西侧我矿巷道未掘进前属实煤区除顶底板砂岩层孔隙泄水外不具备泄水条件，钻孔打通采空区无水的可能性很小，且水质类型定有明显变化。但与现揭露的煤层缺失带是否相连并不确定。

钻孔有少量出水(单孔初始水量最大约5 m3/h)，现已均无水流出的原因：18511材料巷盲巷掘进前该区含水层均未揭露，掘进期间巷道顶板淋水属正常现象，单孔水量5 m3/h仅为钻孔少半孔的出水量，初步可判断为砂岩含水层水，砂岩裂隙孔隙水以静储量为主，待钻孔疏放完毕后仅为影响范围内的正常补给水量，不会形成水流。

煤层缺失的成因：

奥陶系中统上马家沟组O2s、峰峰组O2f主要岩性为白云质灰岩、泥灰岩和灰白色白云质灰岩、泥晶灰岩，根据所沉积岩层可推断奥陶纪时期该区为深海环境，所沉积岩层均为生物化学沉积；石炭系中统本溪组C2b与下覆奥陶系中统峰峰组O2f呈假整合接触，存在长时期沉积间断，奥陶纪晚期海水退去地壳上升为陆地，本溪组C2b主要岩性为粉砂岩、粘土岩泥岩、灰岩、铝土矿、煤线，根据所沉积岩层可推断该时期该区为滨浅海过渡相静水环境，所沉积岩层均为远离陆源区的泥质沉积；石炭系上统太原组C3t主要岩性为砂岩、泥岩、粘土岩、灰岩、煤层，根据所沉积岩层可推断该时期该区为滨海相环境，海侵海退轮回，成煤时期为滨海环境，灰岩沉积时期为浅海环境；二叠系下统山西组P1s主要岩性为砂岩、砂质泥岩、粘土岩、灰岩、煤层，根据所沉积岩层可推断该时期该区为海陆过渡环境。18511材料巷在二叠系下统山西组(P1s)下部8#煤层中掘进，8#煤层沉积时期为海陆交替环境。纵观上述地质历史整体为海洋衰退陆地增生的过程[1]。

工作面揭露的泥炭层内细层、纹层层理清晰，砂纹层理、压扁层理构造，表明物质沉积过程中水动力条件差，基本处于静水状态，推断沉积环境属水体封闭的湖湾、潟湖等古地理环境；

泥炭层下覆底板同8#煤层正常区段底板相近可进行对比，较煤层正常区段底板砂岩粒径小，表明底部沉积时该段同全区沉积环境基本相同，水动力条件较全区稍差，直到煤层沉积时期才同全区出现差异；

灰-灰黑色泥炭层较薄而全区煤层较厚表明同时期地壳拗陷过程中所补偿的沉积物不同，推测成煤沉积区的物源为木本植物森林沼泽，泥炭层沉积区的物源为草本植物芦苇沼泽，同时地壳不均匀拗陷继续接受补偿时，草本植物芦苇遗体补偿泥炭层沉积区的物质填充，待上覆顶板岩层沉积后，沉积层重重叠覆，同等厚度的沉积物质受上覆岩层的压力成煤过程中木本植物森林压缩量小而草本植物芦苇压缩量大，形成较厚的煤层和较薄的泥炭层[2]。

22#点北20 m全煤厚4.4 m,22#点北21 m全煤厚3.0 m,顶板下沉，巷道割顶板灰黄色泥岩1.5 m，22#点北27 m全煤厚1.85 m,22#点北43 m上帮煤厚0.3 m,下帮煤厚1.0 m，0.3 m黑色煤层，煤质较差，呈泥炭状，含植物根茎化石，22#点北53 m煤厚0.3 m，0.3 m黑色煤层，煤质较差，呈煤泥状的渐变过程，表明该段33 m为沉积环境过渡区，近煤层沉积区木本植物森林占据物源的主导，近泥炭层沉积区草本植物芦苇占据物源的主导，导致煤厚呈现出由厚变薄的渐变特征，而上帮煤较下帮薄表明两种沉积环境边缘的走向大致呈北-北西向。

仔细分析22#点北27 m全煤厚1.85 m，煤层上覆0.9 m灰色含砾粗砂岩，泥质胶结、砂砾棱角分明、偶见煤岩碎屑、受风化疏松易碎；该层粗砂岩代表泥炭层沉积区的一次复水，滨海区遇丰水期水流泛滥搬运至此沉积下来，丰水期水流泛滥过后含砾粗砂物质出露地表遭受风化，随着后期的沉积盖层超覆保留下来形成受风化疏松易碎的含砾粗砂岩。此处盖山厚度约80 m，基岩盖层厚40 m以上，而我国北方地区基岩风化深度一般为20 m～30 m，故该层含砾粗砂岩并非二叠纪以后风化所致。

观测点13-观测点15段灰黑色泥炭层中相间赋存的灰色泥质条带可与煤层中夹矸相对比，成岩过程中该区段泥质物源与草本植物芦苇遗体接触压实的过程中得到的碳含量远不及煤层沉积区泥质物源与木本植物森林遗体接触压实的过程中得到的碳含量，故泥炭层中泥质条带呈灰色而煤层中夹矸呈灰黑色，同时也说明沉积时间同步而补偿物质来源不同[3-4]。

灰色泥炭中夹深灰色碎块状薄层似透镜体泥岩，表明泥炭层沉积区水源补给欠佳，水平面下降后泥质沉积物露水面脱水干化形成泥裂，待水平面上升淹没后续沉积物超覆赋存下来，3层深灰色碎块状薄层似透镜体泥岩表明泥炭层沉积区水平面上下升降至少3次，这样的水源不足沉积区很难维持高大的乔灌木、科达等木本植物森林生长需求，只适合草本植物芦苇等生长，故推断为复水芦苇沼泽环境。

泥炭层上覆黄灰白色软泥为黏土岩，上覆砂岩含水层靠近露头区，受大气降水和地表水补给孔隙水顺岩层倾向渗流至黏土岩层，黏土岩遇水软化膨胀含水性，饱水性好，长期渗透补给下覆泥炭层致使工作面泥炭层显潮湿渗水现象。

4 结论

根据观测点煤岩层对比分析，多重推测论证古地理解析，反演古地理沉积环境，推断18511材料巷煤层缺失区段古地理沉积环境为陆地边缘潟湖复水芦苇沼泽环境，西侧边界大致呈北-北西向。建议沿西侧边界采用钻探取芯圈定法查明本区煤层缺失范围供采掘设计作依据。