金能煤业2#煤层厚度变化原因分析

王洪斌

(霍州煤电集团 云厦建筑工程有限公司, 山西 霍州 031400)

煤层形态和厚度的变化是多种多样的,但就其成因来说,与聚煤期和聚煤期后的地质运动关系密切,有些属于泥炭堆积初期,如沼泽基底不平,沼泽内部不均衡沉降,河水或海水对泥炭层的冲蚀等形成的煤层形态和厚度的变化;有些属于成煤期之后,受区域构造运动和长期地质作用,对原生煤层进行改造,如受褶皱、断裂、岩浆侵入、河流冲刷等造成的形态和厚度的变化[1].

霍州煤电集团金能煤业开采2#煤层平均厚度5.41 m,首采面顺槽在掘进过程中煤层厚度变化大,变化频率高,且多处出现薄煤及无煤区段,给2#煤开采带来了较大的困难。为此,通过对煤层沉积环境、后期构造发育规律及应力变化等进行研究,分析该工作面构造层间滑动机理,以查清2#煤层厚度变化现状及规律,有效指导合理开采。

1 矿井概况

霍州煤电集团金能煤业位于山西省静乐县城东北泉北村—曹峪村一带,矿井生产能力为120万t/a. 井田南北长约9.366 km,东西宽约7.178 km,呈不规则形,面积20.4 km2,批采2#—5#煤层,开采深度450～1 300 m,现开采2#煤层,属于二叠系下统山西组,位于山西组底部,距山西组底界K3砂岩0～11.10 m,平均4.22 m. 2#煤种主要为1/3焦煤,煤层厚度0～16.04 m,平均5.41 m,倾角12°. 矿井为一单斜构造,地层总体走向北东向,倾向北西,倾角7°～41°. 井田内落差大于20 m的断层2条。矿井全井田带压,地质类型简单、水文地质类型中等。从现首采面2-1021工作面揭露情况来看,煤层厚度变化较大,在较小的范围内煤层急剧增厚、变薄、局部尖灭,但在其分布范围内,煤层大部可采,为极不稳定的大部可采煤层。

2 2-1201工作面揭露煤层厚度及顶底板现状

2-1201工作面为金能煤业2#煤层首采工作面,其中运输顺槽掘进1 150 m,回风顺槽掘进980 m,在巷道掘进过程中,为准确掌握工作面煤层厚度变化情况,对巷道地层实际揭露情况及煤层厚度变化进行了实际测量统计,并通过该工作面及附近地质钻孔及超前钻探数据资料,对工作面煤层厚度进行了分析,绘制巷道掘进距离与煤层厚度变化曲线图,见图1,2.

图1 2-1201运输顺槽掘进距离与煤层厚度变化曲线图

图2 2-1201回风顺槽掘进距离与煤层厚度变化曲线图

由图1,2可以看出,运输顺槽煤层厚度变化幅度相对较小,但变化频次较高,变化区间在0～10.7 m,其中在掘进距离280～420 m、560～580 m,710～850 m 3个区段煤层厚度明显变薄,局部煤层尖灭。回风顺槽煤层变化幅度相对较大,但变化频率较低,变化区间在0～16 m,其中在560～620 m、840～920 m两个区段煤层厚度变化较大,局部煤层也存在尖灭。煤层薄(无)煤区域工作面内部延伸方向为N70°E分布,为工作面正常回采以及后续设计变更带来了较大的困难,对未来一采区东南部采掘工作面布置有较大的影响。

工作面煤层顶板岩性多为泥岩、砂质泥岩等河漫相沉积,没有出现较大范围的砂岩、砾岩等河床相沉积。煤层底板岩性多为泥岩、砂质泥岩,局部粉砂岩,且底板较为平整,没有明显的高低起伏现象。

通过对巷道地层实际揭露情况进行统计,并对工作面附近地质钻孔探查情况进行分析,结合煤层顶底板岩性鉴定,综合分析煤层沉积环境及构造影响因素,该工作面煤层厚度起伏变化大,局部存在尖灭现象,但底板较为平整,顶板没有出现较大范围的砂岩、砾岩等河床相沉积现象,由此可作为构造煤的一个重要依据。

3 井田及工作面构造发育情况

井田总体呈一单斜构造形态,次级褶曲发育,井田内落差≥20 m的断层有2条,均为走向SN,倾向E的正断层,倾角60°～74°,最大落差30 m,延伸长度大于1 000 m. 井田大中型断层情况见表1.

表1 金能煤业井田大中型断层表

井田内软岩层中小型紧密褶皱构造十分发育,如在泵房通道施工过程20 m范围内连续揭露6个紧密的小型向背斜(图3),2-1201工作面顺槽施工过程中煤层起伏变化也十分明显,巷道施工过程中追煤困难,这种地质现象在华北型煤田各矿井中很少出现。

图3 泵房通道揭露紧密褶皱构造图

在2-1201工作面两顺槽掘进过程中,运输顺槽在215 m和526 m处揭露F20和F29两条断层(见图4,5),副巷未揭露较为明显的较大落差断层,但微小型断层十分发育,在煤层顶底板中可见明显的呈叠瓦状排列的密集微小型断层(图6),落差10～50 cm,在叠瓦状排列的微小型断层密集发育地段,发育密度达3条/m.

图4 F20断层剖面图

图5 F29断层剖面图

图6 顶板密集叠瓦状构造图

在揭露的整个煤层中,微小型揉皱、层间滑动面密集发育(图6). 受构造影响,整个煤层糜棱化严重,呈粉末状,煤层变的暗淡、松软,煤层原生沉积结构(条带状、微薄层状)全部破坏。煤层的无结构性以及普遍存在的煤层层间滑动,使2#煤呈现明显构造煤迹象。

4 2-1201工作面煤层厚度变化机理分析

4.1 聚煤坳陷基底沉降影响

金能煤业位于宁武煤田南部,盆地本溪组至下石盒子组从下到上发育潮坪湖—三角洲—河流相沉积序列,整体为海退背景。二叠纪,地壳缓慢上升,山西组以碎屑岩沉积为主,主要发育有河床相、河漫滩相、湖泊相、沼泽相和泥炭沼泽相[2],为内陆准平原的成煤环境。成煤沼泽面积广,煤层沉积厚,成煤环境较好。金能煤业2#煤层即形成于中潮海岸障壁后潮坪、潮道沉积物形成的滨海平原上,沉积基底起伏变化不大,在此基础上生成的泥炭层厚度不可能有剧烈的变化。

泥炭生成煤的过程中,在上覆沉积层的压力作用下脱水、固结、成岩,厚度大幅缩小,据观测研究,约10 m厚的泥炭层,最终可形成1 m的煤层。根据2-1201工作面顺槽揭露的煤厚变化情况,在50 m的范围内煤厚可由10 m急剧减到1 m,若还原到原始沉积的泥炭厚度即为：在50 m的范围内泥炭层厚度可由100 m急剧减到10 m,由这种剧烈的泥炭沉积层厚度变化而映射到沉积基地的剧烈变化在华北型煤田沉积基底中是不存在的,而在巷道掘进过程中揭露的煤层底板岩性多为泥岩、砂质泥岩,局部粉砂岩,且底板较为平整,没有明显的高低起伏现象。这些充分说明了工作面煤层厚度的变化不是由原始沉积形成的,不受聚煤坳陷基底沉降影响。

4.2 煤层的冲蚀影响

通过对井田成煤环境的分析,井田山西组上部展现为曲流河沉积环境,物源供给充足,发育多期叠置的厚层河道砂体-中薄层分流间泥岩的沉积相序组合,水动力条件强,泥炭堆积速率远大于可容纳空间增长速率,且河道的频繁冲刷迁移,对泥炭的堆积具有一定的影响,局部地段煤层厚度变化较大,其煤层厚度变化与河道流向相关[3].

河流对煤层的冲蚀分为同生冲蚀和后生冲蚀。同生冲蚀主要发生在泥炭形成的后期,网状曲流河河床对泥炭层进行冲蚀,致使河床地段泥炭层厚度遭冲蚀变薄。成煤后主要表现为冲蚀变薄带煤层厚度由冲蚀带边缘到中心均匀减小,且变化幅度较小,对煤层原生结构不产生破坏。冲蚀范围内表现为河床相中粗粒砂岩沉积,且与两侧的泥岩顶板呈逐渐的过渡关系,煤层与顶板交接面较平整,没有明显的凹凸起伏;后生冲蚀主要发生在成煤后期或泥炭层被上覆一定厚度的细粒沉积物(河漫相沉积)覆盖后,由更后期河床的冲蚀,将煤层上覆的细粒沉积连同部分煤层或泥炭层一起冲蚀,致使成煤后煤层厚度变薄。后生冲蚀带内煤层厚度变薄较为明显,顶板砂岩体反映了原始的河床断面特征,砂岩沉积体与两侧泥岩顶板突变,且参差交接,煤层中往往夹有砂岩捕虏体。

根据2-1201工作面两顺槽掘进过程中揭露的煤层顶板岩性资料,煤层顶板岩性多为泥岩、砂质泥岩等河漫相沉积,没有出现较大范围的砂岩、砾岩等河床相沉积,煤体也没有受到冲刷痕迹,由此判定2-1201工作面煤层厚度变薄不受古河床冲蚀影响。

4.3 构造作用对煤层厚度变化的影响

在区域构造位置上,金能井田位于宁武向斜东翼南部。东翼产状以35°、17°、13°和 4°向西倾斜,产状变化大,反映了该翼强烈的挤压作用[4]. 井田又处于该翼东部倾角较大的区域内,以次级褶皱构造为主,断裂构造不发育,地层走向为北北东—南南西向与构造线方向基本一致。受印支期、燕山期、喜山期等多期构造长期的构造应力伸展—挤压作用,地层褶曲形态发育,尤其在软弱岩层及煤层中,揉褶现象普遍存在。煤层形态松软破碎,无结构性,属构造挤压改造煤层。

从2-1201工作面顺槽揭露情况来看,煤层及其顶、底板中叠瓦状构造普遍发育,煤层中微小型揉皱、层间滑动面密集发育。在煤层顶底板中可见明显的密集微小型断层落差10～50 cm,发育密度达3条/m. 受构造影响,整个煤层糜棱化严重,呈粉末状,煤层变的暗淡、松软,煤层原生沉积结构(条带状、微薄层状)全部破坏。副巷虽未揭露较为明显的较大落差断层,但微小型断层十分发育,煤层的无结构性以及普遍存在的煤层层间滑动,使2#煤呈现明显构造煤迹象。

煤层做为一种生物化学沉积岩,在长期的构造应力伸展—挤压作用下很容易增厚、变薄,在小的褶曲轴部受挤压增厚,翼部受拉伸变薄。有些地段煤层在长期高温、高压作用下,经过复杂的物理、化学变化,煤中有机质大部流失,致使整个煤层缺失,仅保留煤层层位。在该矿井2#煤层位上明显可见被严重糜棱化的极薄层及煤线,呈现构造煤迹象[5].

由上述分析可知,金能井田2#煤层厚度变化主要受构造作用影响,且煤层的增厚及变薄区的分布范围受构造作用控制,其延伸方向、范围与构造延伸的方向、范围有着密切的相关性。

5 结 论

通过对煤层形态和厚度变化的综合成因分析,排除了聚煤期由于聚煤坳陷基底沉降影响而引起的煤层厚度变化,也排除了成煤后期由于煤层受到冲蚀的影响而造成的煤层厚度变化。通过对已揭露煤层的厚度变化特点及煤岩层中展现的构造特征综合分析,结合区域构造发育规律,分析解释了井田内2#煤层厚度变化主要受构造作用影响,且煤层的增厚及变薄区的分布范围受构造作用控制。