湖南龙潭煤系聚煤特征参数研究

2021-05-21刘海波刘石磊武志伟

中国煤炭地质 2021年4期

刘海波, 刘石磊, 武志伟

(湖南理工职业技术学院,湖南湘潭 411104)

聚煤规律研究对煤田地质勘探、煤矿安全生产布局等都具有十分重要的现实意义。

龙潭煤系是湖南分布最广泛的含煤岩系，除了江南、雪峰等几个古陆外，其它地区均有分布。龙潭煤系还是省内煤炭资源储量最为丰富的含煤岩系，其资源储量超过中生代安源煤系、上石炭统测水煤系等的总量。因为利用价值大，上二叠统龙潭煤系受到了广泛关注和高度重视，无论是煤系地层本身、还是其所含煤层、甚至于煤系气等等都受了深入的研究[1-5]。

采用统计分析结合作图方法研究湖南龙潭煤系聚煤特征的经典技术参数，难以量化分析聚煤作用在层序上的变化特征。层码值被提出并用于统计分析煤层在层序上的分布规律。层码值不仅补充了聚煤规律研究的技术参数，更利于量化分析煤层在层序上的分布和变化特征。

1 地层

湖南龙潭煤系保存在全省上百个各类向斜之中，其中规模较大的、具有一定开发价值且形成矿区的、共有66个(图1)。据统计，开发强度最大的2008年全省共有668对矿井开发龙潭煤系。

图1 龙潭煤系的矿区分布

湖南龙潭煤系厚度变化大。湘东南龙潭煤系厚达数百米，甚至超千米；而湘西北相当于龙潭煤系的吴家坪组辰溪段一般仅有数米厚。矿区平均厚度等值线图(图2)显示，湘东南龙潭煤系厚度大，往西北部逐渐变薄。龙潭煤系所含煤层数亦由东南向西北减少，湘东、湘南龙潭煤系往往含煤10层左右，甚至超20层；而湘西、湘北相当于龙潭煤系的辰溪段仅含煤1层，即8煤。

图2 龙潭煤系沉积厚度及砂泥比值等值线

按沉积物特征，湖南龙潭煤系大致可以分为三个区域[6-11]。

1.1 湘西北桑石、黔叙煤田区

包括桑石、黔叙两个煤田。

湘北桑石煤田内，相当于龙潭煤系的地层为吴家坪组辰溪段。辰溪段与其下伏茅口组之间呈假整合，假整合面凹凸不平。面上即为辰溪段下部，由风化后呈砖红-黄褐色的灰白色、灰绿色铝土质泥岩，或夹杂色泥岩及其上覆的8煤层组成，厚约数米，常不稳定。慈利往东，辰溪段下部相变为硅质、钙质、铝质泥岩互层；更东至澧县，已相变为泥灰岩夹硅质、钙质泥岩、长石石英砂岩。辰溪段上部为灰岩段，由深灰色中—厚层状石灰岩、泥灰岩组成，厚数十米。

湘西黔溆煤田内，辰溪段、茅口组之间呈假整合接触。假整合面上的辰溪段类似湘北桑石煤田，由铝土泥岩及上覆的8煤组成；不同之处是泥岩富含黄铁矿，且部分地段常夹细碎屑岩，底部常含下伏地层的岩溶角砾，从而相变为含砾铝土质泥岩。

1.2 湘中韶山煤田区

包括韶山煤田及涟邵煤田北部。

区内，龙潭煤系与其下伏茅口组之间呈假整合。假整合面上的龙潭煤系由灰色砂岩、细砂岩，以及黑色泥岩夹煤层组成；其底部常含下伏地层的岩溶角砾或古风化壳黏土层。如图2所示，本区南部的龙潭煤系厚约100m，往北减小至20m左右，局部可能薄至10m。沉积物的砂泥比值最低处于本区中部，约0.1。往北增加较慢，如靠近江南古陆的煤炭坝、山口官渡矿区也多为0.2～0.3；但往南、往东增加迅速，至涟源—湘潭—醴陵一线以南，砂泥比值基本上都在1.0以上。

1.3 湘中—湘南区

包括郴耒、资汝煤田及涟邵煤田南部。

本区是省内龙潭煤系最为发育的区域，可将区内龙潭煤系划分为不含煤的下段和含煤的上段。下部不含煤段由灰白色石英砂岩、灰黑色粉砂质泥岩及炭质泥岩组成，厚度在200m左右，主要沉积在数个洼陷区。含煤段由灰白色砂岩、灰色细砂岩，以及黑色泥岩夹煤层组成，但分布较下部不含煤段广泛、且厚度较稳定。区内龙潭煤系厚度一般在200m左右。往东北，厚度增大，如攸县一带超过300m；往西南变薄，如邵阳—常宁一带的西南区域小于100m。本区东、北部的砂泥比值大于1.0，往西南部低于1.0，至新宁—东安一带甚至低于0.5。

2 经典参数分析

含煤系数、煤层厚度[12-16]等经典技术参数的研究表明，湖南龙潭煤系含煤系数由东南向西北逐渐增加；含煤总层数、可采煤总层数自东南向西北逐渐减少；主采煤层厚度和可采煤层累厚也是自东向西变薄的。

2.1 含煤层数

湖南龙潭煤系含煤层数变化较大，总层数在1～24层，可采煤层层数也在1～10层(图3)。

图3 含煤总层数分布

湘西北的桑石、黔溆煤田内，相当于龙潭煤系的吴家坪组辰溪段仅含煤1层，即8煤，为局部可采煤层。

湘中的韶山煤田内，龙潭煤系一般含煤2～8层，可采1～2层。韶山煤田中部的湘潭一带，含煤3层，可采2层。往东至醴陵—浏阳交界及其以东，含煤层数增至5层，可采2层。往北至宁乡一带仅含煤2层，可采1层。往南至株洲、湘潭一带，所含煤层迅速增多，如谭家山矿区，煤层多达8层，可采3层。总之，韶山煤田范围内，龙潭煤系所含煤层总层数、可采层数均是往东南增加，往西北减少。

涟邵煤田一般含煤2～7层，可采1～4层。其规律是靠近龙山隆起带，煤层层数较多，如牛马司矿区多达7层，可采2层；短陂桥矿区含煤6层，可采2层。往南，煤层层数迅速减少到3～4层，可采1～2层。越过龙山隆起带往北，含煤层数亦减少，如斗笠山矿区南部含煤层数多达4层，而该矿区的北部减少至2层，但煤层厚度比南部要稳定。

郴耒—资汝煤田一般含煤5～20层，可采3～10层。东北部的攸县至醴陵一带，含煤10层以上，攸县以东的少数矿区如黄丰桥、界化垅矿区甚至多达到20层以上，可采3～5层，甚至多达10层。往西南，层数减少，至常宁一带多含煤5层，可采3～4层。往东南至耒阳—郴州一带，含煤7层，可采2～5层，更东南至宜章，又增至10层以上，如梅田矿区达到13层，可采4～6层。

总体而言，省内龙潭煤系含煤层数、可采层数均是东南部多，往西北逐渐减少，至湘北桑石煤田、湘西黔溆煤田一带往往只含1层煤。

2.2 含煤系数

本次采用矿区可采含煤系数，即每个矿区全部可采煤层的累厚与龙潭煤系总厚度的比值，来分析湖南龙潭煤系含煤系数的特征。省内龙潭煤系可采含煤系数变化极大为0.4%～25%(图4)。黔溆煤田的沅陵矿区，辰溪段由下部3m左右的铝土泥岩和其上1m左右的8煤组成，其含煤系数高达25%，是省内含煤系数最高值。

图4 含煤系数等值线

桑石、黔溆煤田，相当于龙潭煤系的辰溪段由下部数米厚的铝土泥岩及其上覆的8煤组成，这使得区内含煤系数多达10%以上。但桑石煤田往东，随着辰溪段海相沉积物增多，8煤层变薄，含煤系数逐渐降低。

韶山煤田内，含煤系数为5%～10%。往南，含煤系数逐渐降低，至湘潭以南，已经低于5%；往北，逐渐增高，如宁乡煤炭坝矿区高达13.8%。总之，由北往南,区内含煤系数是逐渐降低的。

涟邵煤田可采含煤系数也是由北往南逐渐降低，且其总体水平是全省最低的。涟邵煤田南部出现了全省仅有的低于1%的两个矿区，即箍脚底矿区的0.9%和三比田矿区的0.4%。

郴耒煤田的含煤系数在2%左右,东部的大多低于2%,而西部的大多高于2%。总体变化趋势是西高东低。

综上所述，湖南龙潭煤系可采含煤系数是东南部低，往西北逐渐增高。

2.3 煤层厚度

桑石和黔溆煤田范围内，相当龙潭煤系的吴家坪组辰溪段只含8煤。8煤属于局部可采煤层，仅在沅陵—辰溪一带、桑植县周边的两个局部地段发育较好，达到可采厚度，但其厚度也多是小于1m的。

韶山煤田范围内，西北部的主采煤层厚度大，往东南方向递减(图5)。但西北部可采煤层的累厚比较大，往东南方向是递增的(图6)。涟邵煤田的北部，无论是主采煤层厚度、还是可采煤层的累厚，都是往东南方向增加的。

图5 主采煤层厚度等值线

涟邵煤田南部，主采煤层厚度、可采煤层累厚都是向南递减的，至新宁—东安一带已经没有可采价值的煤层了。

图6 可采煤层累厚等值线

郴耒煤田中部是本省龙潭煤系主采煤层厚度最大的区域，往东、西两侧都变薄。但可采煤层累厚的最大厚度并非在中心区，而是中心区的周边邻近区域(图6)；周边区域再往东、西两侧又逐渐变薄。

总之，湖南龙潭煤系的主采煤层厚度、可采煤层累厚均不在湘中盆地中心，而是位于盆地中心地带的周边环带形邻近区域，再往周边的古陆靠近，煤层厚度逐渐变薄。

3 层码值分析

层码值是量化地层层序关系的指标,可用于分析聚煤作用在地层层序上的特征。

3.1 层码值的基本概念

层码值是层序号与层数的比值，即地层单元内自下而上编排的岩层层序号与该地层单元内岩层总数的比值。算式如下

(1)

式中：αi为i岩层的层码值；n为i岩层所在地层单元内全部岩层的总层数，n∈N+；i为由下而上编排的i岩层的层序号，i={1,2,3，…，n}(n∈N+)。

层码值是量化岩层在其所在地层单元内层序位置关系的指标值。层码值越小表明该岩层越靠近所在地层单元底部；层码值越大说明该岩层越靠近所在地层单元顶部。

依据层码值量化的对象不同，还可定义

相对层码值：是量化特征岩层在同类岩层中的相对层序位置关系的指标值；是地层单元内自下而上给特征岩层(比如煤层)进行排序后的该岩层层序号与该地层单元内所有该类同类岩层总层数的比值。算式如下

(2)

式中：βj为j特征岩层的相对层码值；m为地层单元内同类特征岩层总层数；j为j层特征岩层在地层单元中的层序号。

层码值是量化地层单元内绝对层序位置的指标、是唯一的。相对层码值则是量化地层单元内同类岩层中的相对层序位置的指标、表征其归属于此类特征岩层中的层序位置属性。地层单元内特征岩层可以存在多种多类，相对层码值也就具有多样多重性。

显然，层码值、相对层码值的全体数值集合都是各自构成等差数列的；其公差为总层数的倒数。层码值、相对层码值的值域在0.0～1.0，且层码值<相对层码值。

3.2 主采煤层层码值分析

1)主采煤层(绝对)层码值。是主采煤层在地层单元内的层序号与所有煤岩层总数的比值；是主采层在整个地层单元内层序位置关系的量化值。算式如下

(3)

式中：αi为主采煤层(绝对)层码值；n为地层单元内全部煤岩层的总层数；i为主采煤层在整个地层单元内自下而上编排的层序号。

依据式(3)，可求得湖南龙潭煤系各矿区主采煤层的层码值，并展绘成主采煤层(绝对)层码值分布图(图7)。

图7 主采煤层层码值分布

湖南龙潭煤系各矿区主采煤层的层码值变化较大，取值范围在0.13～1.0，说明湖南龙潭煤系的主采煤层可分布于地层单元底部至顶部的各个层序地层位置。层码值小于0.5的矿区基本分布在盆地中心区域内，往盆地边缘，层码值逐渐增加，至盆地边缘有4个区域的主采煤层层码值全部是大于0.5的。结果表明，湖南龙潭煤系主采煤层层码值自盆地中心向边缘逐渐增加；说明主采煤层在龙潭煤系中的层序位置由盆地中心向边缘逐渐迁移。

2)主采煤层相对层码值。主采煤层相对层码值是主采煤层在地层单元内的煤层排序号与煤层总数的比值；是主采煤层在所有煤层中的相对层序位置关系的量化值，算式如下

(4)

式中：βj为主采煤层相对层码值；m为地层单元中全部煤层的总层数；i为主采煤层在所有煤层中的排序号。

据式(4)计算结果，可展绘湖南龙潭煤系主采煤层相对层码值分布图(图8)。

图8 主采煤层相对层码值分布

湖南龙潭煤系主采煤层相对层码值类似层码值，其值小于0.5的矿区多分布在盆地中心，自中心向边缘增加。说明主采煤层在龙潭煤系所有煤层的相对层序位置，自盆地中心向边缘逐渐迁移。

主采煤层层码值、相对层码值都表明湖南龙潭煤系沉积环境变迁过程中，最佳聚煤环境由盆地中心向边缘逐渐推进。

3.3 可采煤层平均层码值分析

1)可采煤层平均层码值。可采煤层平均层码值是地层单元内全部可采煤层(含主采煤层)的层码值的平均值，是所有可采煤层在地层单元中的整体层序位置关系的量化值。算式如下

(5)

据式(5)计算结果，展绘成湖南龙潭煤系可采煤层平均层码值分布图(图9)。

图9 可采煤层平均层码值分布

湖南龙潭煤系可采煤层平均层码值为0.13～1.0，变化较大；但盆地中心区域内，各个矿区可采煤层平均层码值都小于0.5，往盆地边缘逐渐增高，至盆地边缘有3个区域的可采煤层平均层码值都是大于0.5的。分别是龙山隆起周边区域、靠近武夷古陆的湘东南区域、靠近江南石陆的湘中东区域。因此，湖南龙潭煤系可采煤层平均层码值自盆地中心向边缘逐渐增高；说明可采煤层在龙潭煤系中的整体层序位置由盆地中心向边缘逐渐迁移。

2)可采煤层的平均相对层码值。是地层单元内全部可采煤层(含主采煤层)的相对层码值的平均值。算式如下

(6)