永城市顺和西井田构造复杂程度及煤层评价研究

姬彩飞，叶 建

(河南省资源环境调查二院，河南 洛阳 471900)

“河南省永城市顺和西煤勘探”项目区位于河南省永城市西，方位310°，直距20 km，中心点坐标：X=3 769 213.77，Y=39 428 414.25(2000国家大地坐标)。项目区范围由勘查许可证核准的12个拐点圈定，平面呈不规则形状。项目区南北长2.7～20.6 km，东西宽1.1～9.4 km，面积87.403 4 km2。为了满足顺和西井田探矿权转采矿权需要，本文对永城市顺和西井田构造复杂程度及煤层进行了评价。研究为矿井建设可行性研究和初步设计提供地质依据。

1 研究区区域概况

矿区在大地构造位置位于中朝淮地台鲁西台隆西缘的永城断陷褶皱带西北部。顺和西(井田)煤勘探区处于永城矿区永城复背斜西翼的西延地带。

2 井田构造复杂程度评价

2.1 构造

井田后期受到北东向、北西向的挤压力影响，使煤系地层起伏形态发生变化，形成了不同方向的褶曲和断裂构造。

2.1.1 褶曲

(1)孙关庄背斜。孙关庄背斜发育于井田中部北西边界前板桥村—洪范堂—孙关庄一带(L27 线附近)，总体处于酂阳—张洼—樊集向斜南西翼半包围中。背斜轴走向北西，背斜轴东端止于DF15断层东北端，背斜西端延至井田外。北东翼延接酂阳—张洼—樊集向斜北端南西翼，地层整体走向北西向，倾向南东，倾角5°～13°。南西翼延接酂阳—张洼—樊集向斜南端西北翼，煤层赋存整体走向北西向，倾向南西，倾角7°～14°，从孙关庄背斜轴部由东北向西南方向逐渐加深。孙关庄背斜在时间剖面上的显示如图1所示。

图1 孙关庄背斜在时间剖面上的显示Fig.1 Display of Sunguanzhuang anticline on time profile

(2)酂阳—张洼—樊集向斜。原为详查中的酂阳向斜、张洼向斜、樊集向斜，认为是同一条向斜。向斜发育于井田中北部，沿李庄—张菜园—凡集—刘庄—蔡楼—西李楼—王庄—丁庄—李酒店一带，向斜轴部平面形态近似鞍状，轴走向NE-N-NNW，倾向SE-E-NE，在井田北段南西翼延接孙关庄背斜北东翼，东北翼延接周庄背斜。中段在张洼一带延出井田，往南西延展段再入井田及勘查许可证范围，至酂阳镇李酒店交于DF16断层。双两翼地层走向与井田整体走向基本一致，地层倾角10°左右，二维地震D04线时间剖面上的显示(图2)。

图2 樊集向斜在D04线时间剖面上的显示Fig.2 Display of Fanji syncline on time profile of D04 line

(3)周庄背斜。发育于井田东北部张牌坊村—母大庄—赵庄一线，南端交于DF9断层，区内延展约2 100 m。轴向北西向，背斜北东翼地层走向北西，倾向北东，煤层埋深由南西向北东方向逐渐加深，地层倾角6°左右；南西翼延接酂阳—张洼—樊集向斜，地层走向北西，倾向南西，煤层埋深由东北向南西方向逐渐加深，地层倾角6°左右。

(4)前翟楼成楼背斜。轴部位于DF8断层以东的前翟楼—单阁—成楼一线，北端从前翟楼村延入井田约650 m。是由东翼接的李窑向斜形成的褶曲构造，李窑向斜西翼即为前翟楼成楼背斜东翼。背斜西翼地层走向北西，倾向南西，东翼地层走向北东，倾向南东，地层倾角10°左右。

2.1.2 断层

井田发育落差≥20 m的断层有16条，井田主要断层发育情况见表1。本文仅对DF7断层和DF8断层进行描述。

表1 井田主要断层发育情况Tab.1 Development of main faults in the minefield

(1)DF7断层。位于井田南西部前武楼—李楼—陈楼一带，走向NE，倾向SE，正断层，倾角60～70°，井田内落差在0～45 m，从井田西南延展出，落差最大达350 m。区内断层延展长度7.2 km，西端在区外交汇于DF4断层，东端尖灭于0403孔西。二维地震主测线D05、D06 A级断点2个、D25、D26、D40 B级断点3个及联络线L39 C级断点1个控制；三维地震按40 m×80 m网格剖面统计，控制断点48个。其中，A级断点30个，B级断点10个，C级断点8个，解释最大落差45 m。04-02、0402两孔之间二2煤层等高线不连续，等高距落差最大约45 m；04-01孔在995.50 m处揭见该断层，山西组地层缺失厚度约25 m。物探与钻探解释基本吻合，断层已查明(图3)。

图3 DF7断层在联井时间剖面上的显示Fig.3 Display of the DF7 fault ontime profile of joint wells

(2)DF8断层。位于井田南部边界附近翟楼村—陈保楼村一带，走向340°～360°，倾向250°～270°，正断层，倾角60°～70°，落差0～55 m。断层在井田内延展约2 230 m，从ZK0305孔与0301之间往北西端延伸，尖灭于0301孔西附近，南端延伸出井田南部边界。二维地震主测线D03、D40及L39、L5＇A级断点4个、L21 B级断点1个控制，在先期开采地段内三维地震按40 m×80 m网格剖面统计，控制该断层的断点32个，其中A级点20个，B级点10个，C级点2个。区内延展长度2.7 km，中部落差大，从02-2勘探线剖面分析，二2煤层底板最大落差43 m，与三维地震解释断层最大落差55 m，基本吻合。断层已查明(图4)。

图4 DF8断层在联井时间剖面上的显示Fig.4 Display of the DF8 fault on time profile of joint wells

2.1.3 小构造发育程度评述

通过三维地震勘探，井田先期开采地段发现小断层258条(含仅错断三2煤的有69条)。其中，落差10～20 m的断层12条，落差5～10 m的断层21条，落差<5 m的断层225条。先期开采地段小断层密度平均约22条/km2，说明先期开采地段的小构造较发育，并且绝大部分小构造错断了可采煤层。小断层展布以近NNE、SN为主，其次为EW向，少数为NW向。

从此次勘探钻孔揭露地层对比情况看，三维地震稀释部分断层落差误差相当大，如SF1、SF2三维震解释落差最大135 m，经钻探验证最大落差分别为55、35 m；部分解释的小构造是不存在或位置偏移。如SF7断层在03-02孔错断二2煤层顶板，经03-02孔验证，孔内揭露地层正常没有缺失，岩心完整，表明三维地震此断层位置有偏移，或小断层不存在。再如SF124断失煤层，经02-02孔验证，孔内揭露煤层没有断失，岩心完整，表明此断层不存在。小断层难以逐个钻探验证，有等今后矿床开采过程中验证的。上述钻孔验证情况表明，整体上落差5～20 m的断层是可靠或较可靠的，落差<5 m小断层可靠性不高，矿床开发过程中可以参考。从此次调查周边的城郊煤矿、陈四楼煤矿、顺和煤矿、薛湖煤矿等矿山揭露地质情况分析，各个井田内小断层是较发育的，对各矿井的采煤工作面布置及工作面回采工作有一定影响，局部小断层还存在削弱底板隔水层隔水功能，易引起底板出水。建议在今后矿床开发过程中多留意小断层，避免因误揭小断层引发矿井安全事故。

2.2 岩浆岩

据区内75个钻孔揭露统计，73个钻孔在煤系地层中发现顺层侵入岩脉127层次岩浆岩。具体岩浆岩侵入层位统计情况见表2。需要说明的是，①辉绿(长)岩类合计96层次，侵入三4煤层中或顶底的27层次，侵入三2煤层中或顶底的18层次，侵入二2煤层中或顶底的10层次；②云煌岩类合计4层次；③闪长(玢)岩类合计27层次，侵入三2煤层中或煤层顶底的有4层次，侵入二2煤层中或顶底的6层次，侵入二1煤层中或顶底的1层次。

表2 各类岩浆岩侵入层位情况Tab.2 Various types of magmatic rock intrusions

据钻孔揭露及邻近煤矿生产揭露情况看，岩浆岩多沿煤层及其上下或其他软弱层位顺层侵入，呈岩席状或似层状。在井田北部、西部分布范围较多。在岩浆岩体侵入的部位及其周围，煤层均被吞蚀或烤变为天然焦、半天然焦。可见，天然焦的分布范围与岩浆岩体的分布范围关系密切。煤的焦化程度与岩浆岩的厚度也密切相关，岩浆侵入的煤层，有的全层焦化，有的半煤半焦，有的岩体居中、上下为天然焦。根据对比分析，岩体及其上、下天然焦均为煤层位置，可以认为岩体吞蚀了煤的一部分，使残留的顶、底煤或岩体间的夹煤变为天然焦。例如ZK0606孔二2煤焦变为0.62 m的天然焦，顶部6.26 m辉绿岩代替了原来的煤层顶板，可能部分吞蚀煤层。由此说明，由于岩浆热接触变质作用使贴近岩体处的煤被吞蚀或变质为天然焦，略远处则影响较小，岩浆体的范围与天然焦的范围大体相当。据三维地震勘探分析，在井田西部、先期开采地段西北岩浆岩、天然焦分布基本一致。

2.3 井田构造复杂程度评价

井田构造总体形态通过全区二维地震及钻孔控制落差≥30 m的断层，断层产状已详细查明；在先期开采地段还通过三维地震详细查明落差≥20 m的断层，断层产状已详细查明，控制断层位置在合理范围内；初步控制先期开采地段内落差≥5 m的断层位置及产状，初步查明先期开采地段二2煤层等高距为5 m的等板等高线形态。井田构造形态总体为一复式背向斜构造。受成煤后期北东向、北西向的挤压力影响，井田使煤系起伏形态发生变化，发育4条主要褶曲，从北到南背向斜相间排列。地层走向总体上为北西南东向，局部有一定的变化，倾角总体较平缓，一般在5 °～11°，局部地段大于15°。井田断层较发育，发育落差大于20 m的正断层有16条。在先期开采地段通过三维地震查明≥5～20 m断层发育33条，结合周边煤矿生产情况分析，小断层对矿井采区布置影响有限，可能对采矿工作面及工作面采矿有一定影响。局部受岩浆岩侵入影响。依据《矿产地质勘查规范 煤》(DZ/T0215—2020)[1-5]，综合确定井田构造复杂程度类别为二类(中等构造)。

3 煤层评价

3.1 含煤性

该井田含煤地层自下而上为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组、下石盒子组，中统上石盒子组。含煤地层平均总厚度1 030.86 m，含煤段为一、二、三、四、五、六、七等7个煤段。共含煤20层，煤层平均总厚度5.57 m，含煤系数为0.54%。其中，赋存于山西组的二2煤层为全区大部分可采煤层，是主要可采煤层，三2、三4煤层为局部可采煤层。可采煤层总厚度3.67 m，可采含煤系数0.36%。

3.2 煤层特征对比

3.2.1 物理特征对比

二2煤呈黑色，中上部多呈块状，下部多呈粒状及粉状，半亮型为主，块状煤常具棱角状或参差状断口，裂隙不太发育，煤脆度小，易碎，局部质硬。天然焦钢灰色，块状构造，致密坚硬，暗淡无光泽。三2及三4煤呈黑色，钢灰色，粒状结构，块状构造，微观煤岩组分主要由暗煤组成，属半暗型煤，灰分偏高。

3.2.2 煤层厚度、结构及顶底板特征对比

二2煤层位于山西组中部，上距K4鲕状铝质泥岩平均52.48 m，下距K3生物碎屑灰岩平均49.57 m。二2煤层为中厚煤层，结构单一，偶含1～2层夹矸，局部受沉积环境及岩浆岩影响致使煤层发叉。顶板多为泥岩、砂质泥岩或较稳定的“豆腐渣”砂岩，底板为厚层条带状砂岩，层面含炭质及植物化石碎片，局部为泥岩或砂质泥岩。个别地段顶底板被岩浆岩代替。三煤段中部煤层多，常含三1—三7煤。其中，三2煤层局部可采，层位比较稳定，下距K4标志层平均23.55 m，上据K5标志层49.28 m，以薄煤层为主，结构一般简单，局部复杂，偶含1～2层夹矸，局部地段受后期岩浆岩侵入影响致使煤层结构复杂，煤层底板和顶板多为泥岩、砂质泥岩。三4煤层层位比较稳定，下距K4标志层平均35.76 m，上距K5标志层平均37.28 m，以薄煤层为主，局部含有1～3层夹矸，煤层局部相变为炭质泥岩或沉积缺失。三4煤层距三2煤层间距平均11.50 m，比较稳定，个别点岩浆岩侵入时间距增大，岩性多为泥岩或砂质泥岩，少量为细砂岩或砂岩泥岩夹层，煤段及煤层易于对比和与二2煤层区别。

3.2.3 煤质特征

三4、三2、二2煤层均分布有贫煤、无烟煤和天然焦。二2煤层灰分产率10.06%～38.74%，以低灰煤为主，发热量19.08～31.38 MJ/kg，以特高—高热量煤为主；天然焦灰分产率17.81%～39.24%，以中灰为主，发热量116.65～26.54 MJ/kg，以中低发热量为主。三2煤层灰分产率10.81～34.35%，以中灰煤为主，发热量22.58～30.34 MJ/kg，以中发高热量煤为主；天然焦灰分产率28.35%～40.66%，以高灰为主，发热量16.84～23.17 MJ/kg，以中低发热量为主。三4煤层灰分产率13.50%～29.38%，以中灰煤为主，发热量22.58～30.34 MJ/kg，以高发热量煤为主；天然焦灰分产率36.34%～41.70%，以高灰为主，发热量17.54～19.80 MJ/kg，以中低发热量为主。

3.2.4 物性特征对比法

各主要标志层及煤层的物性特征见表3。

表3 主要标志层及煤层物性特征Tab.3 Main marker layer and coal seam physical characteristics

3.2.4.1 岩层物性特征

(1)奥陶系中统(O2)。由浅灰色厚层状白云质灰岩、豹皮状灰岩、泥灰岩、白云岩、结晶灰岩等组成。主要物性特征为特高阻(可高达6 000 Ω·m)，低伽马—伽马值(高密度)，低自然伽马值。在高裂隙溶洞发育处，侧向电阻率呈尖锐的楔形低谷形状，该组岩性及物性特征非常明显，对比可靠。

(2)石炭系上统本溪组(C2b)。由浅灰绿色铝质泥岩和豆状、鲕状铝质泥岩及深灰色泥岩组成，底部含赤铁矿及黄铁矿团块，称“铁铝层”(K1标志层)。

(3)石炭系上统太原组(C2t)。由致密稳定的层状灰岩、泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩组成，煤层均不可采。含灰岩9～11层，其中L2(K2)、L11(K3)层位稳定，为区内标志层。①K2标志层：L2灰岩在侧向电阻率曲线上呈明显的上部低阻下部较高阻值异常，低阻异常数量与岩溶发育富水性强相吻合，其曲线特征与上下岩性曲线特征明显区别，灰岩底部常含几层炭质泥岩或薄煤层。②K3标志层：L11灰岩在侧向电阻率曲线上为突出的”单高峰”异常，低伽马—伽马值(高密度)为其特点，灰岩底部含薄煤层时，伽马—伽马曲线有高幅值(低密度)异常，物性特征明显，是划分石炭系与二叠系地层的良好物性标志层。

(4)二叠系下统山西组(P1s)。①组合物性特征。在侧向电阻率上呈高阻值、低伽马—伽马(高密度)的砂岩与低阻、高伽马—伽马(低密度)的泥岩、砂质泥岩交替出现，自K3顶向上至二2煤层底，侧向电阻率逐渐增大，即有泥岩过渡砂质泥岩变为砂岩；二2煤层顶向上至K4底电阻率有变小趋势，即砂岩向泥岩转变。②二2煤层物性特征。在侧向电阻率上呈“单高峰锯齿状”，在煤层出现夹矸时侧向电阻率上呈“双高峰”，顶底层界面清晰，煤层侧向电阻率幅值为100～2 300 Ω·m；在伽马—伽马曲线上，二2煤为特高异常，伽马—伽马值为1 300～7 900 cps，所有煤层中其幅值最大；自然伽马为低值，在0.32～1.44 pA/kg，矩形异常；自然电位为负值。二2煤层在侧向电阻率与伽马—伽马曲线上的幅度为区内诸多煤层幅度之最高者，物性特征明显，是区内很好的物性标志层。

(5)二叠系下统下石盒子组(P1x)。由深灰色、灰色泥岩、砂质泥岩和浅灰色砂岩、鲕状铝质泥岩及煤层组成，是区内又一主要的含煤段，含煤6层，其中三2、三4煤层局部可采。K4鲕状铝质泥岩为灰—浅灰色，局部含大量菱铁质鲕粒。①物性特征。侧向电阻率幅值为20～320 Ω·m，自然伽马幅值为0.59～5.85 pA/kg，高峰一般发育在鲕粒较多部位，与侧向电阻率高阻值相对应，自然伽马异常厚度在2 m左右，特点明显，为区内的主要物性标志层。②组合物性特征。在侧向电阻率曲线上下部呈低阻，中部为高阻砂岩夹6层高阻煤层，伽马—伽马曲线在中部集中呈现多个高幅值，以多个煤层集中发育为特点。

(6)新生界(Cz)。区内新生界为第四系及新近系黏土—细粒松散沉积物组成。组合物性特征：以大段的低阻黏土层与厚层高阻的砂层相间出现，砂层在侧向电阻率呈中高阻(3～60 Ω·m)反映，与伽马伽马曲线的“箱状”异常相对应，自然电位呈负异常(-190～64 mV)，电阻率的幅值有随砂层粒度增大而增高的趋势。

3.2.4.2 煤段及煤层物性特征

主要煤段为二叠系下统的山西组(二煤段)及下石盒子组(三煤段)。

(1)二煤段物性特征。由泥岩、砂质泥岩、砂岩及煤层组成，为主要含煤段，一般发育1～4层煤，即二0、二1、二2、二3煤层，二2煤大部可采，其他煤层均不可采。二煤段(层)物性特征：在侧向电阻率和伽马—伽马曲线上呈中高阻、低伽马—伽马值(高密度)的砂岩与低阻、高伽马—伽马值(低密度)的泥岩、砂质泥岩交替出现。

(2)三煤段物性特征。由深灰色、灰色泥岩、砂质泥岩和浅灰色砂岩、铝质泥岩和煤层组成，是区内主要含煤地层。物性特征：三煤段各煤层呈高阻、高伽马—伽马值(低密度)、低伽马值异常，其中三2、三4煤层为局部可采煤层，在侧向电阻率与伽马—伽马曲线上的物性特点是：三1煤以单层或双层结构为主，三2煤为上厚下薄的双层结构和单峰异常，三4煤是上薄下厚的双层结构或单峰异常，在侧向电阻率幅值上有部分三2煤幅值高于其他层。

(3)煤层物性特征。①煤层。侧向电阻率为80～2 500 Ω·m，而作为围岩的泥岩、粉砂岩电阻率值为7～280 Ω·m，所以在曲线上煤层的异常特征反映明显，界面反映清晰。在煤系地层中，煤层密度相对最小，伽马—伽马值相对较大，一般在3 600～14 500 cps，围岩的伽马—伽马值为700～7 600 cps，煤层在伽马—伽马曲线上出现低密度高幅值异常。由于围岩的密度比煤层大得多，所以曲线上煤层与围岩的界面反映清晰。煤层相对其他岩层的自然放射性物质含量少，曲线反映为低异常，在本区的钻孔中，厚煤层的异常相对幅度比较明显，与围岩的界面反映清晰。研究区具有高电阻率、高伽马—伽马值(低密度)、低放射性规律的均可确定为煤层，用这3种参数对煤层定性是可靠的。②天然焦。其物性特征为低阻、高伽马—伽马值(低密度)、低放射性。一般天然焦的侧向电阻率在0～3 Ω·m，伽马—伽马值在1 000～6 800 cps，自然电位有明显的正异常。③煤及天然焦。煤受侵入岩浆的烘烤，其物性发生变化，且变质程度不同，变质程度高时为天然焦，变质程度低时为低电阻率煤，仅有几到几十Ω·m，但其密度仍然很低(伽马—伽马值很高)，自然电位有明显的正异常。

3.2.4.3 煤层地震反射波对比

二维(三维)地震勘探所追踪的目的层反射波为新生界底界面形成的反射波T0波、二2煤形成的反射波T2波、三2煤形成的反射波T3波和L8灰岩形成的反射波TL波。T0波具有能量时强时弱、连续性中等之特点，单纯就T0波本身而言不易追踪，但由于T0波与其下基岩地层反射波具有明显的交角，依据这种不整合关系很容易对T0波进行识别。T3波常与其上、下距离较近的三1、三4、三5等煤层反射波混为一体表现为由1～3个相位组成的复合反射波，加之井田内这些煤层结构较复杂，且三2、三4，三5煤沉积缺失或被岩浆侵蚀或变为天然焦等，使该区T3波变得更为复杂和不稳定，相位增加或减少、强相位突然消失以及强相位转换等经常出现。T2波结构简单，能量强，波形稳定，连续性好，常由1～2个相位组成，特征明显，全区较容易连续对比追踪，如图5所示。

图5 时间剖面上各主要目的层反射波Fig.5 Reflected waves of each main targetlayer on time profile

3.3 对比结果评价

(1)煤(组)段对比结果评价。根据区内各煤(组)段独有的标志层、煤岩层岩性特征、煤质、物性差异等特征，能够很好识别对比，故各煤(组)段对比结果可靠。

(2)煤层对比结果评价。①二2煤层：该煤层位于山西组中下部，其下部的条带砂岩、太原组L11灰岩(K3)和其上部的“豆腐渣砂岩”、下石盒子组底部的铝质泥岩(K4)等，是对比二2煤层的良好标志层；结合山西组中部测井曲线组合特征非常明显，二2煤层全区大部分可采，厚度是各煤层之最等特征，因而二2煤层的对比可靠。②三2、三4煤层：该煤层位于下石盒子组中部，下石盒子组底部的铝质泥岩(K4)和上部的三、四煤段分界砂岩(K5)等，是对比该煤层的良好标志层，其岩性组合、测井曲线特征明显，因此煤层对比较可靠。③其他不可采煤层在煤段(组)内煤层特征明显，层位不稳定，零星见煤，对比结果基本可靠。

4 结论

(1)本文研究了井田构造以及断层，依据《矿产地质勘查规范 煤》(DZ/T 0215—2020)，综合确定井田构造复杂程度类别为二类(中等构造)。

(2)根据区内各煤(组)段独有的标志层、煤岩层岩性特征、煤质、物性差异等特征，能够很好地识别对比，故各煤(组)段对比结果可靠。二2煤层全区大部分可采，厚度是各煤层之最等特征。因而二2煤层的对比可靠；三2、三4煤层位于下石盒子组中部，下石盒子组底部的铝质泥岩(K4)和上部的三、四煤段分界砂岩(K5)等，是对比该煤层的良好标志层，其岩性组合、测井曲线特征明显，因此煤层对比较可靠；其他不可采煤层在煤段(组)内煤层特征明显，层位不稳定，零星见煤，对比结果基本可靠。