康苏煤矿M7煤层煤厚变化特征及其控制因素分析

2022-12-06汪师逵

煤 2022年12期

白冰，牛然，汪师逵

(1.郑州煤电股份有限公司芦沟煤矿，河南郑州 452373;2.河南省煤炭地质勘察研究总院，河南郑州 450052;3. 山西羊头岭集团红旗煤业有限公司，山西长治 047100)

煤矿智能化开采是我国煤炭工业化发展的必由之路，准确预测和分析煤层厚度变化有利于实现煤矿智能化精准开采。原生变化和后生变化对影响煤层厚度变化起着关键作用[1]。其中，原生变化主要包括地壳不均衡沉降、沉积环境、古地理条件等因素造成的煤层分叉、变薄[2-3]。后生变化主要指煤层形成后，古河流对煤层的冲刷、剥蚀，褶皱、断裂及层滑构造引起的煤层增厚或减薄，岩浆侵入对煤层厚度的影响等[4-6]。不同地区影响煤层厚度变化的因素不同，可能由一种或多种因素综合作用。

康苏煤矿位于新疆维吾尔自治区乌恰县康苏镇内，井田南北长3.1 km，东西宽2.6 km，主采煤层为M7煤层，煤矿生产规模为11 万t/a，主要利用走向长臂一次全高综合采煤法[7]。矿区经历了加里东期、海西期和喜山期共3次构造运动，井田地质条件复杂，煤层厚度变化较大。本次研究通过分析康苏煤矿M7煤层赋存变化规律，查明其煤层厚度、结构、形态、稳定性及其影响煤层厚度变化因素，对于煤炭高效清洁利用及煤矿安全生产具有重要的实际指导意义。

1 康苏煤矿M7煤层煤厚变化规律

1.1 M7煤层煤厚变化特征

康苏煤矿M7煤层位于侏罗系下统康苏组顶部，为全区可采煤层，厚度为0.70～5.01 m，平均2.01 m，属于中厚煤层，局部含夹矸1～2层，结构较简单，见图1.该煤层共有18个钻孔控制点，赋煤面积约为1.52×106m2，可采性指数为0.96，煤厚变异系数为55.2%，煤层厚度变化较大。煤层整体形态呈现为一宽缓向斜，向斜轴向南西倾伏，西翼走向300°、倾向180°、倾角25°；东翼走向160°、倾向225°、倾角40°.

图1 M7煤层厚度直方图

本次研究共收集18个见煤钻孔点相关资料，据此绘制出M7煤层厚度等值线图，见图2.

图2 M7煤层厚度等值线图

由图2可看出，M7煤层整体在矿区呈现南部和北部较薄，中间厚度大的趋势。其中，M7煤层厚度最大的钻孔V/ZK2位于F5断层上盘，厚度达到5.01 m.

1.2 煤层结构特征

在煤矿开采过程中经常遇到夹矸对煤炭开采的影响，主要对中厚煤层影响较明显。煤层中的夹矸厚度及发育程度常引起煤层发生分叉或叠置等特征现象，煤层结构复杂，易对工作面回采带来一定的困扰。若在煤层回采工作面中发育煤层夹矸，会导致煤层大片冒顶、生产支架无法正常拉移等现象。另外，随着煤层夹矸厚度的增加，破碎矸石的难度逐渐加剧。

根据煤层夹矸成因不同，煤层夹矸可分为原生夹矸和后生夹矸。原生夹矸主要指在煤层沉积时，沉积环境发生短暂的变化。不同夹矸岩性对已沉积煤层造成不同影响，一般情况下，当夹矸岩性为砂岩时，下部煤层容易变薄，而泥岩夹矸对煤层厚度影响相对较小。后生夹矸主要由于构造运动导致煤层顶底板进入煤层中，其影响范围受构造作用控制。煤层夹矸厚度并不会直接影响煤层厚度，煤层夹矸在沉积后，部分沉积区域重新恢复沼泽环境，进一步进行泥炭的堆积和成煤作用，而此时的成煤环境及顶板岩性决定了煤层的厚度[8]。

康苏煤矿M7煤层结构较简单，根据18个勘探见煤钻孔资料，发现13个钻孔含有夹矸，一般含1～2层，其中V/ZK1钻孔中钻遇4层夹矸，夹矸累计厚度为0.15～2.22 m，平均厚度为0.86 m.根据井下现场实地观察，M7煤层上部为光亮型煤，下部稍暗，为半亮-光亮型煤；上部多为均一结构和条带状结构，下部多为条带状和线理-条带状结构，总体上条带清晰明显；煤体手试强度较高，硬度较大，用手难以掰开，断口参差阶状等，属于I类或I～II类结构煤。基于统计学和插值原理，根据13个钻孔控制点绘制出M7煤层夹矸厚度等值线图，见图3.由图3可知，研究区西北部和东部夹矸厚度较大，而在中部夹矸厚度较小，其中，有7个钻孔夹矸为泥岩，6个钻孔夹矸为砂岩，泥岩夹矸区域主要集中在井田中部，变化主要受沉积环境和地质构造综合作用影响。同时，将不同类型的夹矸及其对应的煤层厚度绘制散点图，见图4.由图4可看出，煤层厚度与夹矸的岩性及厚度并没有明显的规律性，表明研究区M7煤层厚度受夹矸影响较小，但从区域上反映出煤层厚度大的位置夹矸薄的特点。

图3 M7煤层夹矸厚度等值线图

图4 不同类型夹矸与煤厚关系图

2 影响煤厚变化控制因素分析

由于康苏矿区M7煤层沉积时，古植物和古气候条件相对稳定，因此，影响煤厚变化的因素主要从沉积环境和后期构造作用两个方面进行分析和探讨。

2.1 沉积环境对煤厚变化的影响

康苏煤矿M7煤层所处的下侏罗统康苏组上段主要发育滨、浅湖和泥炭沼泽两种沉积相。滨、浅湖相主要发育粉砂岩，与中、粗粒砂岩交互出现；泥炭沼泽相主要发育泥岩、粉砂岩。沉积环境对煤层沉积的影响能够通过煤层顶底板岩性直观地表现出来，当煤层顶板是砂岩或砾岩时，表明煤层受到了冲蚀的作用。同时，砂体的厚度、粒度反映了古冲刷体的能量强度、持续时间、物源供应等[9]。一般情况下，砂体粒度越大冲蚀越强烈，煤层厚度越小；反之，煤层厚度越大。当煤层顶板是泥岩或粉砂岩时，表明煤层在成煤后快速被静态水覆盖，煤层保存相对完整，形成的煤层厚度较大。

煤层底板对煤层影响相对较小，决定了成煤期的初始古地理条件。当煤层底板为泥岩时，容易变形，形成高低不平的沉积基底，煤层沉积厚度会有较大变化；当煤层底板为砂岩时，不易变形，能够给煤层提供平整的沉积基底。初始古地理条件与成煤时的古构造条件有关，如成煤时的构造应力场、构造运动类型及应力集中的区域都会对沉积基底的形态产生影响。由此可见，研究底板对煤层的影响在实际应用中具有较大的局限性[9-10]。因此，本次研究把煤层顶板岩性作为沉积环境对煤层厚度变化的影响的唯一条件。

本次收集了康苏煤矿18个见煤钻孔资料，其中，有5个勘探钻孔的煤层顶板岩性是砂岩，据此绘制出古河流冲刷煤层的示意图，见图5.由图5可知，在古河流冲刷区域煤层厚度呈现时大时小的特点，规律性不明显。因此，沉积环境对康苏煤矿区M7煤层厚度变化影响较小。

图5 古河流冲刷区域示意

2.2 构造对煤层厚度的影响

构造作用是影响煤系形成、形变和赋存的关键地质因素，一般情况下，构造作用容易引起煤层增厚或减薄，具有突变性特征[11]。煤岩力学性质不同是导致煤层变形行为和变形结果差异的内在因素。煤层与其它岩层相比，具有密度小、孔隙多、强度低的特点，根据构造变形的最小耗能原理，煤层变形是释放煤系中积累的应变能的重要方式[12]。因此，煤层不仅能够与其它岩层在构造作用下发生褶皱或断裂，而且煤层本身会在顶、底板岩层之间产生各种滑动变形。煤层厚度的次生变化，实质上是煤层在应力降作用下，由高应力区向低应力区发生流变迁移的过程。

康苏煤矿区整体上呈现一个不完整向斜构造，在向斜轴部西侧发育本区最大的一条断层——F5逆断层，煤层流变十分明显，煤层的原生结构已无法有效识别和分辨。在F5逆断层下盘，11706探巷和12701巷道揭露的煤层均为碎粒煤，层理消失，且发育大量的小褶曲。由M7煤层厚度等值线图(图2)中可以看出，厚煤层主要分部在F5逆断层和向斜的轴部，且断层上盘煤层较厚。由此可知，构造作用是造成研究区煤层厚度变化的主要原因。

康苏矿区的控煤构造只有F5逆断层和其附近的向斜，查明二者形成的先后顺序和成因机制对进一步研究本区煤层厚度变化规律尤为关键。F5逆断层为南北向断裂代表，规模大，切过所有煤层。断层延伸长约1 600 m，向北东延出露头，向西南深部尖灭于勘探线5～7之间。断层落差约30～150 m.断层产状倾向西南，倾角75°左右。在煤层勘探阶段，仅有勘探线5穿过断层，且沿着此勘探线在地表有探槽揭露。由5-5'剖面(图6和图7)可知，断层附近上下盘煤岩层产状几乎没有变化，向斜轴部在断层下盘距离断层面300 m处，向斜另外一翼产状变化巨大，因此，该向斜不是断层牵引所造成的，而是在向斜形成过程中，应力在向斜轴部附近集中，产生断裂，形成了F5断层。

图6 5勘探线位置示意

图7 5勘探线剖面图

研究区向斜轴部煤层厚度明显高于两翼，是在纵弯褶皱作用下形成的。煤层初始属于单斜构造形态，之后受到喜山期水平挤压应力作用，煤层产生顺层流动变形，煤层向向斜轴部聚集。随着挤压应力的持续作用，煤岩层产生的形变也越来越大，直到超过煤岩层的极限应力状态，煤岩层中的硬岩层先发生破裂，形成F5断层，应力在断层面处得到释放，而煤层在层间剪切应力的作用下会继续发生顺层流动，在断层面处聚集，造成了本研究区煤层在断层附近厚度最大、向斜轴部煤层厚度居中、两翼煤层厚度最小的煤层厚度变化规律。