小庄井田煤层地质特征及影响因素研究

刘鹏飞，范静涛，郭晓丹.

(长安大学地质学系，陕西西安 710069)

小庄井田位于陕西省咸阳市彬长矿区中部，煤炭资源丰富[1]。本次研究通过分析延安组沉积特征与成煤环境，揭示其聚煤规律，对彬长矿区及其外围进行勘探和寻找新的含煤地段。本研究对矿区的挖潜、矿井的安全生产都有重要的现实意义，同时也有益于煤层气远景的地质评价[2-5]。

1 矿区区域地质

1.1 矿区构造

含煤地层延安组直接或间接沉积基底为三叠系胡家村组，其顶面起伏形态与上覆地层起伏大致相当，并受其控制。小庄煤矿位于路家—小灵台背斜及七里铺—西坡背斜之间、董家庄短轴背斜轴的东端，地层厚度、产状、煤层厚度及其起伏受此构造的影响而变化。构造总体走向为NEE，向斜两翼宽缓倾角为1°～8°，构造简单[6]。

1.1.1 褶曲

矿区路家—小灵台背斜的东端伸入矿井的南部，轴向 N78°E，南翼倾角1°～3°，北里倾角4°～8°，两翼跨度7～8 km，起伏幅度南翼80 m、北翼150 m，区内轴向延长约4 km。袖部的4-6及224号孔一带缺火延安组。该背斜由2-6、8、194、196、38、54、190、4-6、224及x26号钻孔控制。矿井北部边界受董家庄背斜控制，局部有小隆起(222号孔)和小凹陷(186号孔)，二者三叠系顶面标高相差182 m。矿井南部背斜区至北部边界小凹陷、小隆起区之间为一宽缓的向斜区(孟村向斜)，南北两翼宽约2 km，轴向长3 km，倾角1°，倾向NW，为本区的聚煤中心[7]。

1.1.2 小断层

煤矿地表及钻探过程中未见断层。在路家—小灵台背斜北翼的煤层底板等高线密集带，受区域应力场作用，分析可能有2～5 m的正断层，断层走向与区域走向一致(NE向)[8]，如图1所示。

1.2 矿区地层

小庄煤矿大部分地区被第四系黄土及新近系红土所覆盖，在泾河沿岸及红崖河等较大沟谷内出露有白垩系下统洛河组，红崖河沟内出露华池组。依据钻孔揭露及地质填图资料，地层由老至新依次有：三叠系上统胡家村组(T3h)、侏罗系下统富县组(J1f)、中统延安组(J2y)、直罗组(J2z)、安定组(J2a)、白垩系下统宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、华池组(K1h)、新近系(N)及第四系中更新统(Q2)、上更新统(Q3)、全新统(Q4)[9-11]。

表1 彬长矿区地层表Table 1 The stratigraphic scale of Bingchang mining area

1.3 含煤地层

本区含煤地层为侏罗系中统延安组，根据沉积旋回及煤岩组合特征，将其划分为3段，自下而上依次为一至三段，第一段含4号煤层，第二段含4上煤层，第三段含煤1、2、3号煤层，见表2。

中侏罗统延安组(J2y)为含煤地层，区内无出露，与富县组或三叠系胡家村组假整合接触。钻孔揭露厚度为 0～100.83 m(23号孔)，其岩性以河沼相砂泥岩沉积为主，含煤4层，底部4煤为主要可采煤层。延安组底部为铝质泥岩、褐灰色泥岩、砂质泥岩及4煤；中部为灰色中—粗粒砂岩、粉砂岩及薄层泥岩，底含细砾[12]，顶含1～2 层薄煤或煤线；上部地层缺失，紧邻文家坡煤矿边界小范围上部为灰色砂泥岩互层，且含3号煤。延安组厚度与构造沉积环境关系密切，南东至北西方向地层逐渐变厚。一般背斜部位薄或缺失(5-4、224、4-6 号孔)，厚 0～20 m；向斜区沉积较厚，1-1、1-2、2-1、2-2、2-3、2-4、3-1、3-2、28、191、4-1、4-2、4-3、5-1、5-2、39、221号孔一带厚60～80 m，区内平均厚58.08 m[13-16]。(图2)

表2 含煤地层及煤层编号Table 2 Coal-bearing stratum and the number of coal seams

图2 矿区延安组砂岩百分比Fig.2 The percentage of Yan＇an formation of the mining area

1.4 沉积古地理

矿区延安组沉积时期，古地形地貌发育特征明显，受三叠系末期的剥蚀作用控制[10]。研究区整体地势平坦，局部地区发育的古隆起形成了无煤区。延一段地层是在富县组地形填平补齐的基础上沉积的。中下侏罗统地层沉积早期，地壳因长期夷平，在低洼地区形成广阔的湿地沼泽，为4号煤沉积提供了良好的聚煤场所。整体来看，在南部大佛寺矿区与北部雅店矿区煤层厚度较大，在由东南至东北方向，由于古河道的下切冲刷作用或沉降幅度发生变化引起成煤条件变差，煤层发生分岔、变薄或尖灭[17-18]。

延二段沉积时期，由于地形起伏差异逐渐变小，岩相古地形环境以河沼相为主，河床相、河漫相及沼泽相交替出现，形成了该段地层以沉积河流体系的河道、河漫滩沉积为主的中粗粒砂岩。零星分布的薄煤层形成于短暂而不稳定的泥炭沼泽相，煤层薄，且厚度极不稳定。

延三段沉积时，区域地形趋于平坦，主干河流已经远离成煤区，从而形成了湖沼化冲积平原，岩相古地理环境以湖沼相为主。煤层形成于滨湖泥炭沼泽。随后，地壳整体抬升，成煤作用结束[19-20]。

2 煤层特征

2.1 可采煤层纵向赋存规律

本煤矿延安组含有煤层1～9层(1、2、3、4上-1、4上-2、4上、4-1、4、4下)，具有对比意义的煤层2层(4煤、4-1煤)，主要可采煤层1层(4煤)，局部可采煤层1层(4-1煤)，有零星可采点的不可采煤层4层(1、3、4上煤及4下)[21]。

2.21 煤层赋存的剖面特征

延安组按沉积特点及含煤性分为3段。

最下面的第一段含有主要可采煤层4号煤，含局部可采煤层 4-1号煤及零星可采的不可采煤层4下煤。4上煤与4煤距离很近，平均只有1.59 m。4上煤及4下煤为4煤的分叉煤层。4煤厚度较大，主采区平均为18.38 m，结构简单，只有1～2层薄夹矸；4-1煤厚度小，平均为1.86 m，结构简单，一般只有1层夹矸。

中段 4上煤不可采、不稳定，与各层的间距变化大。上段在本区大部缺失。

上部第三段仅23号孔含1、3号煤层，煤层厚度都不大，厚度为1.85～3.24 m。1号煤层结构较复杂，含3层夹矸；3号煤层结构简单，含1层夹矸。

从剖面上看，自上而下含煤性变好，含煤系数、煤层厚度、可采厚度均向下变大。可采煤层在延安组第一段最发育[22-23]。(表3)

表3 延安组剖面上含煤性变化特征Table 3 Coal-bearing variation characteristics in Yan＇an formation

2.2 可采煤层赋存平面特征

煤层在平面上明显地呈现出南北不同的特征。北部煤层厚度大，含煤性好；南部煤层厚度小，含煤性差。厚煤区位于先期开采地段内，向东、东南逐渐变薄，向西及北变化小。煤系地层与煤层厚度有直接的相关关系，当煤系厚度在50～80 m之间时，煤层发育，厚度大；当煤系厚度小于40 m(近背斜区)、大于80 m(近古河道区)时，煤层不甚发育。但各个煤层又呈现出不同的特点，本区1、3号煤层仅在23号孔揭露到，1号煤层在文家坡煤矿连片可采，属文家坡煤矿1、3号煤层延伸，因此在本区属局部可采煤层。4上煤层见煤点4个(6-2、223、194、125 号孔)，煤厚1.30～3.33 m，平均为2.07 m，属零星可采的不可采煤层。4-1煤层主要集中在先期开采地段内，能连片成一定的区域，属局部可采煤层。4号煤层基本全区分布，只有钻孔4-6、224五层，为大部可采的稳定煤层。(图3)

3 聚煤规律的影响因素分析

3.1 聚煤沉积环境的控煤作用

延安组沉积期，鄂尔多斯盆地总体处于相对稳定和缓慢下沉阶段，盆地中部为汇水区，沉积中心与沉降中心基本一致。研究区内地势趋于平坦，沉积物以细碎屑为主，物源来自南部，以西南方向的普化一带为主，是典型的曲流河沉积。结合测井曲线和基准面旋回对比分析，识别出研究区发育河道亚相、河岸亚相、河漫亚相和局限湖泊亚相。河道亚相可分为河道滞留沉积和边滩微相，河道滞留沉积在延安组第一段的底部可见，沉积物为含砾粗砂岩，对下覆的地层形成明显的冲刷。河岸亚相可划分为堤岸和决口扇微相，堤岸微相的岩性特征为细砂岩、粉砂岩与泥岩互层，体现洪水期与贫水期的交替；决口扇受洪水作用，沉积物为中粗砂岩。河漫亚相可分为河漫滩和河漫沼泽微相，河漫滩沉积以细碎屑为主，河漫沼泽为泥岩，炭质泥岩及煤层。垂向上是河漫滩在适宜的环境下演变为河漫沼泽、炭质泥岩及煤层，在测井曲线上具有明显的突变特征。气候条件不仅控制着大气降水，同时也控制着地表水的蒸发、陆表风化作用以及植被发育等情况，从而控制着沉积环境演化及煤层发育特征。彬长矿区生长多种古植物，其中银杏类约占33.8%，松柏类约占18.5%，结合古地磁资料，总体反映了亚热带、暖温带气候条件。此外，研究Classopollis花粉分布面积较大反映了在气候湿润的条件下，富含Classopollis花粉的母体植物生活在泥炭沼泽环境中，并参与了成煤作用，形成了延安组一段沉积时期的富煤带。延安组晚期，古湿气流减弱，气候向干燥化方向发展，成煤作用下降至结束[24]。

图3 小庄煤矿4号煤层厚度平面分布Fig.3 The thickness planar graph of 4# coal seams in Xiaozhuang field

根据延安组砂岩百分含量图得出，从钻孔28、197到钻孔6-1、221，砂岩百分含量是增大的，其他钻孔向钻孔3-3、4-3、4-2增大。砂岩含量大，水动力强，聚煤作用较弱(图3)。但钻孔6-1、221、3-3、4-3、4-2平均煤厚20 m左右，所以聚煤模式以河流沼泽相为主。

本区含煤地层延安组，依据岩性及煤层特征，自下而上划分为3段：

(1)延安组第一段(J2y1)：沼泽是指陆地上植物丛生，可有泥炭堆积的低洼潮湿地段。沼泽相的特点是以黑色或灰色泥岩为主，其次为粉砂岩，砂岩很少，沉积物中炭屑较多，含有植物化石夹有煤层。呈块状且无方向性，有少量的水平层理。

因为4煤底部为褐灰色铝质泥岩、泥质粉砂岩与细砂岩，呈块状，含植物根化石，上部为深水相灰色～深灰色泥岩、砂质泥岩夹浅灰色粉细砂岩与薄层炭质泥岩，具水平层理，含丰富的植物叶部化石；所以，区内延安组第一段已具备沼泽的特征，在中下侏罗纪早期，地壳因长期夷平在低洼区形成广阔的沼泽，为矿区4煤的沉积提供了良好的聚煤场所。4煤形成于长期发育的泥岩沼泽中，煤层巨厚。

(2)延安组第二段(J2y2)：曲流河沉积以陆源碎屑为主，岸后沼泽和废弃河道充填沼泽是最有利的成煤场所。岸后沼泽环境有利于形成煤层，主要是因为反复出现洪泛，由此产生天然堤的垂向增高，对洪泛盆地和岸后泥炭沼泽起着障壁作用，因此堤的外侧直至洪泛盆地内部就成为成煤最重要的场所。主要有砾岩、砂岩、泥岩，岩性变化频繁，极不稳定。沉积构造向上变小，交错层理由大型变小型，中间夹有水平层理，向上出现波状层理。常见植物印痕和植物根，可能有煤和泥炭。另外，河道沉积，河道边缘地带的沼泽化，按照与地下水位的关系可分为泄水好的沼泽和泄水差的沼泽，它们往往沿河道外侧成带分布。泄水好的不利于煤的形成，因为沼泽内的氧化分解作用强。而泄水差的沼泽位于洪泛盆地的低洼处，多位于远离河道的低洼地带，停滞水占据优势，这样有利于煤层形成。以砂质沉积为主，具向上逐渐变细的层序特征(二元结构)。

因为下部为灰色、灰白色、灰黑色厚层状含砾粗砂岩，成分以石英长石为主，次棱角～次圆状，钙泥质胶结，分选差，块状；中部为富含植物化石的灰黑色砂质泥岩，具水平层理的灰色细砂岩及4上煤层；上部为灰色粉细砂岩，具波状及水平纹理，夹镜煤条带及煤线，顶部富含黄铁矿结核。所以区内延安组第二段已初具曲流河沉积特征，河床滞留相厚度小、连续性差，岩性主要为砾岩、含砾粗砂岩等粗粒碎屑沉积物，砾石形态复杂，分选磨圆差，底部常具冲刷结构主要以河沼相为主，河床相、河漫相及沼泽相交替出现，形成了该段地层以冲积相沉积为主的多旋回性。次级旋回结构与曲流河沉积垂向沉积层序相一致，即河床沉积—边滩沉积—泛滥盆地沉积，在泛滥盆地沉积中常出现一些结构复杂、厚度不稳定的泥炭沼泽相煤层沉积[25]。

3.2 古地形对聚煤的影响分析

早、中侏罗世时，我国东部古太平洋在地球动力体系作用下进一步隆升，并在隆起背景上局部引张形成小型内陆拗陷或断陷盆地，西部则形成鄂尔多斯大型内陆拗陷内陆湖盆。

延一段地层是在富县组地形填平补齐的基础上沉积的。中下侏罗统地层沉积早期，地壳因长期夷平，给4煤沉积提供了良好的聚煤场所，煤层巨厚，最厚为33.25 m。该段沉积晚期，由于盆地下沉速度加快，聚煤作用结束。沉积厚度变化受聚煤期地形起伏和不同地段沉降差异的控制，一般沉降幅度小和基地隆起区沉积变薄尖灭，4-6及224孔附近基底隆起，导致附近成无煤区，沉隆幅度大，基底凹陷区沉积加厚。

延二段沉积时期，由于地形起伏差异逐渐变小。岩相古地理环境以河沼相为主，河床相、河漫相及沼泽相交替出现，形成了该段地层以冲积相沉积为主的多旋回性。次级旋回结构与曲流河沉积垂向沉积层序相一致，即河床沉积—边滩沉积—泛滥盆地沉积，在泛滥盆地沉积中常出现一些结构复杂、厚度不稳定的泥炭沼泽相煤层沉积，零星分布的薄煤层形成于短暂而不稳定的泥炭沼泽相，煤层薄且厚度极不稳定。

延三段沉积时，区域地形趋于平坦，形成泛滥盆地，地层由于基底抬高，遭到后期剥蚀而缺失岩相，古地理环境以河沼相为主。煤层形成于河漫泥炭沼泽，岩性由有机质慢慢转变为无机质，延安组成煤环境消失[26]。

3.3 同沉积构造对聚煤的影响分析

根据地质资料绘制出断面图，利用4-1、4-2、4-3，4-4、4-5钻孔号绘制一幅断面图。再利用1-2、2-4、4-4、5-3、6-3钻孔绘制另一幅断面图。根据断面图(如图4所示4号勘探线断面图)可以判断出煤厚的变化，以及对煤厚的控制因素进行分析。

图4 小庄井田4号勘探线断面Fig.4 Section drawing of exploration line, 4# in Xiaozhuang field

三叠纪末，受印支运动的影响，鄂尔多斯盆地普遍抬升，形成了北西高、南东低的起伏不平的古地貌环境。进入侏罗纪、白垩纪后，由于燕山运动构造幕的影响，鄂尔多斯盆地的形成与演化具有明显的阶段性。煤系的现代展布及赋存状态主要受聚煤期后地质构造的控制。鄂尔多斯盆地属于发育在克拉通之上，经印支运动不同程度改造而形成的前陆盆地，为沉积和聚煤作用提供了良好的场所。彬长地区煤系地层沉积后，主要经历燕山期挤压逆冲，抬升剥蚀，以及喜山早期逆冲挤压和晚期伸展断陷作用。延安组煤系沉积后，地壳仍然处于稳定状态，该区在煤系沉积基础上，接受连续沉积。在侏罗纪末期，燕山运动强烈作用。延安组煤系经历了第一次强烈的构造运动，同时产生了许多褶皱和断裂，煤系上覆地层遭受严重剥蚀，煤的演化停止。早白垩世时期，地壳相对稳定，研究区以持续沉降为主，延安组煤层几乎均发生变质演化。到早白垩世末期，燕山运动使地壳全面隆升，晚白垩世和古近纪几乎没有接受沉积，煤的演化生气处于终止状态[15-17]。彬长矿区侏罗系地层整体以持续沉降和抬升剥蚀为主，断层很少发育，矿区内部自北向南发育七里铺西坡背斜、雅店背斜和孟村向斜等褶皱构造，这些褶皱均形成于印支期，且在燕山期构造层具有一定的继承性。主采煤层表现为向斜区厚、背斜区薄，其含气量则呈向斜或两背斜之间区域高、背斜区偏低的特征。彬长矿区延安组沉积时期，古地形地貌发育特征明显，受三叠系末期的剥蚀作用控制。研究区整体地势平坦，局部地区发育的古隆起形成了无煤区。同沉积隆起和洼陷，实际上是盆地基底不均衡沉降的表现，主要通过沉积厚度和岩性岩相的差异而反映出来。同沉积隆起和洼陷常相邻伴生，在补偿沉积盆地的条件下，沉积物厚度向同沉积隆起脊部显著变薄，向洼陷槽部增厚，这种变化反映了沉降幅度的变化。泥炭沼泽基底不平导致煤层增厚、变薄和尖灭是常见的地质现象。当泥炭沼泽发育在古侵蚀基准面上时，首先在低洼处生长和堆积了植物质形成的泥炭层相互隔离；随着区域性沉降或地下水位抬升，隔离的泥炭沼泽逐渐连成一体，泥炭层才在盆地范围内堆积。

从图4可以得出，4-1、4-2到4-3钻孔煤层增厚，4-3到4-4、4-5、4-6钻孔煤层变薄；所以4-3钻孔煤层最厚，4-6钻孔无煤层沉积，即4-3钻孔附近为低洼地区，且为聚煤中心，4-6 钻孔附近为古隆起区。从 A-A′断面图(图5)中可以得出，1-2、2-4、4-4到5-3煤层增厚，5-3到6-3煤层变薄；所以5-3钻孔煤层最厚，1-2钻孔煤层较薄，即5-3钻孔附近为低洼地区，且为聚煤中心，1-2钻孔靠近古隆起区。

图5 小庄井田A-A′断面Fig.5 Section drawing of exploration line, A-A′in Xiaozhuang field

总之研究区延安组4煤形成于长期发育的泥岩沼泽中，从北向南煤层厚度在逐渐地变薄，从东向西煤层厚度逐渐变厚。而且煤层底板或基底岩层界面呈不规则起伏，而煤层顶板界面较平整，即“顶平底不平”。通常位于含煤岩系的底部和下部，低洼处煤层增厚，向凸起部位边薄或尖灭。煤层分层或层理被下伏基底岩层界面所截，上下分层呈超覆关系。研究区内由于受到古地理的影响，煤层底板基底岩性不平整，顶板比较平整，所以造成煤层“顶平底不平”。研究区内底部为褐灰色铝质泥岩、泥质粉砂岩与细砂岩，呈块状，含植物根化石，为4煤底板。中部为特厚煤层，即4煤层。上部为深水相灰色、深灰色泥岩、砂质泥岩夹浅灰色粉细砂岩与薄层炭质泥岩，具水平层理，含丰富的植叶部化石。4煤形成于长期发育的泥岩沼泽中，煤层巨厚。沉积厚度变化受聚煤期地形起伏和不同地段沉降差异的控制，一般沉降幅度小和基地隆起区沉积变薄尖灭，4-6及224孔附近基底隆起，第一段缺失，沉隆幅度大，基地凹陷区沉积加厚。

煤层的简单分岔，通常是泥炭沼泽中同沉积其河流或湖泊发育的结果，有机质的堆积暂时被碎屑沉积所替代，碎屑注入一旦停止，植被将重新繁殖，泥炭再次堆积。复杂结构煤层的煤分层和夹石层常常通过煤层分岔的离散点延续至相应的分煤层。图中4号勘探线断面从 4-1、4-4 钻孔号向4-2、4-3钻孔号发生4-1煤的分岔和消失。A-A′勘探线断面从4-4、6-3钻孔号向5-3钻孔号发生4-1煤的分岔和消失。

然后，岩相古地理环境以河沼相为主，这使洼陷区填平，和古隆起区地势几乎一样高。由于地形起伏差异逐渐变小，导致煤层薄且厚度极不稳定；因此，该段煤层只发生简单物的分岔，或是消失。最后，区域地形趋于平坦，从而形成了河沼化冲积平原，煤层形成于河流泥炭沼泽。随后，地壳整体抬升，成煤作用结束。地层由于基底抬高，遭到后期剥蚀。煤层形成于河漫泥炭沼泽，无机物增多，导致延安组成煤环境消失[27-28]。

4 结论

本文在前人研究成果的基础上，综合分析了小庄井田延安组的聚煤规律，得出以下认识与结论：

(1)小庄井田内主要的含煤地层为延安组，延安组主要有4煤、4-1煤及少量的3煤，其中4煤为主采煤层。

(2)煤层整体上从213钻孔附近向四周逐渐变薄，煤层最厚为35.22 m，西北的煤层平均厚度比东南高，而在4-6、224钻孔附近为无煤区。

(3)小庄井田延安组主要以曲流河沉积环境为主，聚煤模式以河流沼泽相为主。

(4)小庄井田延安组由于4-6及224孔附近基底隆起，无煤层沉积，而在213钻孔附近低洼地区有机物堆积，是因为受到古地形和同沉积构造的影响。在隆起区无煤层沉积且周边的煤层也很薄，而低洼地区为煤提供了良好的沉积场所和较大的沉积空间，因此能形成较厚的煤层。因此213钻孔附近为小庄井田的聚煤中心。

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