甘肃省白银市王家山煤矿含煤地层古地理环镜及煤层对比浅析

马思弼

（甘肃煤田地质局133队，甘肃白银730913）

甘肃省白银市王家山煤矿位于白银市的东北端，隶属甘肃靖远煤电股份有限公司，是甘肃省的主要煤炭生产基地之一。该矿于20世纪70年代中期建成投产，现在已形成300×104t/a的煤炭产能，为甘肃省的经济建设做出了重要贡献。经过40年的开采，现保有煤炭资源量2.4×108t。矿区东西长约8km，南北宽1.0～3.0km，面积8.34km2。中侏罗统窑街组（J2y）和新河组（J2x）地层是王家煤矿含煤地层。具有煤层层数多、煤层厚度大、分布面积大、沉积相序发育较全等特点。本文以煤矿勘查地质资料为基础，通过含煤层地层的岩性特征，来分析总结煤矿煤层沉积过程中岩相古地理沉积环境特征，并且应用综合的煤岩层对比方法对矿区煤层进行对比，为煤矿开采及和矿区外围煤炭勘探提供理论指导。

1 含煤地层及岩性特征

研究区地层区划属祁连地层区，北祁连地层分区，靖远—西吉小区。王家山煤矿含煤地层主要为中侏罗统窑街组（J2y）地层，其次为中侏罗统新河组（J2x）地层[1-2]。

1.1 窑街组地层及岩性特征

中侏罗统窑街组（J2y）地层，为矿区主要含煤地层，含煤层5层，其中可采煤层4层，不可采煤层1层。窑街组（J2y）地层主要由灰白色中、粗粒砂岩，灰、深灰、灰黑色粉砂岩、砂质泥岩及煤层组成。植物化石含量丰富。属温暖气候条件下的河湖、沼泽相沉积。与下伏地层呈角度不整合接触。厚度10～154m，平均116m。其总的变化趋势是由东向西、由北向南逐渐变薄。

1.2 新河组地层特征

中侏罗统新河组（J2x）地层，含煤2层。按岩性又分为上、下2段，新河组下段又称草黄色砂岩段，含薄煤层，新河组上段又称油页岩段，不含煤层。

（1）新河组下段（J2x1）：上部主要为草黄色中粗粒砂岩、细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩互层，中夹紫红、灰绿、深灰色泥岩及粉砂岩；下部主要为灰白色砾岩、砂砾岩及中粗粒砂岩夹灰色砂质泥岩及黄绿色粉、细砂岩，局部含薄层煤2层。含介形类、轮藻及植物化石。属河湖沼泽相沉积。与下呈平行不整合接触。平均厚度464m。

（2）新河组上段（J2x2）：由灰绿色页岩、粉砂岩及深灰、褐灰色页岩组成，夹薄层灰绿色细砂岩及暗紫红色泥岩，发育细水平层理及缓波状层理。含丰富的动植物化石及轮藻化石。属湿热气候条件下的湖泊沉积。与下呈整合接触。平均厚度114m。

2 含煤性

王家山煤矿煤系地层平均厚度为180.90m，煤层总厚度为33.06m，总含煤系数为18.3%，总可采含煤系数为22.2%。窑街组（J2y）平均地层厚度为116.9m，含煤5层（编号为煤2、煤2下、煤3、煤4、煤4下），平均煤层厚度29.95m，含煤系数25.6%。新河组（J2x）平均地层厚度为64m，含煤2层（编号为煤1、煤2上），平均总厚3.11m，含煤系数4.7%。上述煤层中，煤2和煤4为全区可采煤层，厚度大，较稳定，且分布面积广；煤3和煤4下为大部可采不稳定煤层，分布面积较大，厚度较大，变化亦较大，煤1、煤2上、煤4下煤层为大部分可采，不稳定，多呈透镜体状；煤2下为不可采煤层，呈透镜体状分布[4]（见表1）。

表1 王家山煤矿煤系地层含煤情况表

3 含煤地层岩相特征

本区的侏罗系含煤地层自下而上可划分为3个大旋回，均以河床相开始，经河漫相、沼泽相、泥炭沼泽相，以湖相告终。其中窑街组地层划分为第Ⅰ旋回和第Ⅱ旋回，新河组地层划分为第Ⅲ旋回。在这3个旋回中，由下向上旋回厚度由小变大，岩石粒度由粗变细，含煤性由好变差。也反映出在地壳沉降过程中，由早期到晚期，沉降幅度由小变大，沉降速度由慢变快，旋回结构清楚，比较稳定（见图1）。

图1 岩相旋回柱状剖面示意图

3.1 窑街组地层岩相特征

第Ⅰ旋回位于侏罗系窑街组底部，由河床相砾岩、砂砾岩或粗砂岩开始，经河漫相、沼泽相、泥炭沼泽相，至煤4顶板湖相粉砂岩及砂质泥岩告终。下部河流相沉积中发育了几个小旋回，可能系古河道迁移形成，局部有由牛轭湖演变而成的泥炭沼泽，形成煤层透镜体，偶亦达可采煤层以上，但很不稳定。该旋回在向斜北翼比较稳定，向南相变急剧，几乎全部为河床相沉积所取代，4层煤向南也逐渐分叉、变薄以至尖灭（图2）。煤4顶板湖相沉积有时亦相变为河漫相沉积，甚至被后来的河流冲刷掉，代之以河床相的粗碎屑沉积物。旋回厚度变化西薄都厚，厚21～86m，平均约50m。

Ⅱ旋回位于侏罗系窑街组中上部，由煤2底板河床相砂岩开始，经河漫相、沼泽相、泥炭沼泽相开始，经沼泽相、泥炭沼泽相，又以河床相或河漫相告终的小旋回，形成不稳定的煤2下及煤3。顶部湖相沉积往往由于后期冲刷而保存不全或缺失，或相变为河漫滩相。旋回厚度变化西薄东厚，厚23～83m，平均约56m[1]。

3.2 新河组地层岩相特征

新河组地层划分为第Ⅲ旋回，以河床相为主，次为河漫相，偶有沼泽相或泥炭沼泽相，形成不稳定的薄煤层1层煤和2上层煤，顶部出现湖沼相沉积，组成一个以河流相开始，以湖相告终死亡完整沉积旋回，该旋回厚度约464m（图1）。

4 含煤地层的沉积的古地理环境

侏罗纪初期，王家山煤矿为一南北被变质岩所限的谷地，西部为逐渐高起的由三叠统地层组成的山地，谷中地形高低不平，流过湍急的河流，起着削高填平的作用，沉积了侏罗系底部的河流相碎屑岩。由于河道变迁，偶有残留的河床被阻塞牛轭湖，进而演变成沼泽和泥炭沼泽，形成不稳定的薄煤层或煤层透镜体。随着时间的推移，高低不平的地形被夷平成开阔的平地，这时，南部沉降速度极快，河流侧蚀作用较强，主要发育河流相沉积物，北部则为一片河漫滩沼泽。由于气候湿热，植物生长茂密，沼泽被死亡植物填塞成泥炭沼泽。在地壳下降缓慢并与植物堆积速度一致的条件下，形成了巨厚的泥炭层。后来地壳下降速度加快，泥炭沼泽成为湖泊，泥炭层被沙泥物质迅速掩埋，经成煤作用形成4层煤。到侏罗系中期，地壳缓缓上升，王家山又形成了河流，此时地形高差不大，河流以侵蚀为主，沉积了4层煤上部的河流相碎屑岩。在西部离河床较远的河漫滩低凹地带，积水形成沼泽，在适宜的条件下变成泥炭沼泽，形成大部分可采的3层煤。有的地方则由于河流改道，遗弃的河床可演变成沼泽、泥炭沼泽，形成不稳定的2下层煤。之后，地形更为平坦、开阔，地壳又一次微微下降，潜水面变浅，造成更加广阔的沼泽地带，在植物堆积速度与地壳下降速度一致的有利条件下，形成了分布广且厚度大的2层煤。随着地壳下降速度加快，再次成为湖泊环境，沉积了2层煤顶板的湖相细碎屑岩。地壳继续上升，可能上升幅度较大，河流湍急，下蚀作用较强，沉积了一套较粗的河流相沉积物，局部的牛轭湖演变成泥炭沼泽后形成了不稳定的2上层煤。地壳第三次下降，这一时期下降速度大于植物堆积速度，形成了含煤性差的湖沼相沉积物，即1层煤层位[3]。

5 煤层对比

王家山煤矿地层为一套陆相碎屑岩含煤建造。岩性、岩相变化较大，含煤地层具有韵律性，旋回结构变化明显，煤层与围岩岩相及旋回结构有着内在联系，各煤层的物性特征明显，煤层与围岩物性差异较大。本区在勘查过程中采用综合方法进行煤岩层对比，主要为煤岩层组合特征对比法、标志层对比法、煤层顶底板岩性对比法、煤层层间距对比法、测井曲线对比法。选用煤2为对比基线，煤2在可采煤层中可采面积最大，厚度较大，与煤4间距较稳定，便于对比[4]。

5.1 煤岩层组合特征对比法

按沉积旋回及各煤岩层的特征，煤4位于第Ⅰ旋回的上部，为主要可采煤层之一且间距较稳定；煤3位于第Ⅱ旋回的下部，为局部可采煤层，煤层厚度变化较大，不太稳定；煤2下位于第Ⅱ旋回的中部，该层呈透镜体，很不稳定，零星分布且不可采；煤2位于第Ⅱ旋回的上部，为主要可采煤层，煤层厚度较大，分布面广，煤层较稳定，特征明显；煤2上位于第Ⅲ旋回的上部，该层分布较集中不可采；煤1位于第Ⅲ旋回的顶部，煤层薄变化大，多不可采，呈透镜体，沉积特征明显易于对比。

5.2 标志层对比法

5.2.1 煤层顶底板岩性

第Ⅲ旋回的底部的厚层河床相灰白色砂岩、砂砾岩或砾岩，常为煤2的直接或间接顶板；第Ⅰ旋回中煤4顶板的湖相灰黑色砂质泥岩、粉砂岩及浅灰色细粒砂岩的互层和煤4底板河漫滩相得灰黑色含砾粉砂岩、含砾砂质泥岩或浅灰色细粒砂岩，这些层位较稳定，可作为对比标志层。

5.2.2 煤层

主要可采煤层煤2较其它煤层分布面积最广，厚度大，沉积较稳定且结构简单（多为单一结构或1层夹矸）；可采煤层煤4较煤2分布面积较小，沉积较稳定，结构较简单（为单一结构或3～5层夹矸）；局部可采煤层煤3分布面积小，沉积不稳定，煤层厚度变化大。这3层煤煤层特征明显，是本区煤岩层对比的重要手段之一。

5.3 煤层层间距对比法

通过煤岩层间距对比，各煤层层间距普遍比较稳定，如：煤1～煤2上、煤2上～煤2间距平均在20～40m间，煤2～煤3、煤3～煤4间距基本相差不大，一般平均间距在22.95～26.44m间。因此煤层层间距也是煤岩层对比的方法之一。

5.4 测井曲线对比法

区内地球物理测井采用自然电位、视电阻率、自然珈马、密度、声速、井径6条曲线划分钻孔剖面。并详细划分煤系地层剖面，由于含煤地层各岩段煤层的物性特征较为明显，划分的地层岩性准确可靠，以此特征划分含煤段与钻孔地质划分岩层对比基本一致。

从矿区内702和1201号钻孔煤层的曲线特征可以看出：煤1分布范围小，呈透镜状，煤层厚度变化大；煤2较稳定,在全区所有钻孔均有出现,煤层厚度都比较厚，煤层结构比较简单,煤层中都有一层或者多层夹矸,夹矸都比较薄；电阻率曲线幅值较高,呈高异常反映，大部分煤层中电阻率曲线都呈山峰状；密度曲线呈低异常反映，煤层较厚,密度曲线多呈低异常箱状；自然伽马曲线也呈低异常箱状。煤2的测井曲线异常在全区反映非常明显，电阻率、密度曲线以及自然伽马曲线异常值都非常突出。煤3大部分可采，煤层厚度不一，煤层电阻率曲线呈高异常山峰状；密度曲线多呈低异常箱状；自然伽马曲线呈低异常箱状。煤4层较煤2层分布面积小，沉积较稳定，结构较简单（为单一结构或3～5层夹矸），煤4测井曲线反映上有比较明显的煤层特征,即“一高两低”：电阻率值高,密度值低,自然伽马值低。由此可得出矿区内的煤层物性具有中-高电阻率、低放射性、低密度、高时差的曲线特征，这是利用测井曲线解释煤层的主要依据。

5.5 煤层对比可靠程度

通过煤岩层组合特征对比法、标志层对比法、煤层顶底板岩性对比法、煤层层间距对比法、测井曲线对比法等多种方法进行对比，详细查明井田内可采煤层的层数、层位、厚度、结构和可采范围及煤层的稳定程度，能满足勘查和开采的要求。煤2及煤4分布面积较大，煤层层位稳定。对比标志层清楚，物性特征明显，对比可靠。煤3分布面积较集中，煤层层位不稳定，依据物性特征、岩相旋回特征、充分结合地质剖面特征，对比依据较充分，煤层对比可靠。煤1、煤2上、煤4下，煤层层位不稳定，煤层薄而变化大，多不可采，呈透镜状，物性特征明显，对比可靠。

6 结论

（1）王家山煤矿含煤地层主要为中侏罗统窑街组（J2y）地层，其次为中侏罗统新河组（J2x）地层。

（2）王家山煤矿含煤沉积因其独特古地理环境和古气候条件，而形成了含煤地层厚度大、含煤层数多、煤层厚度大、沉积相序发育较全、沉积物由粗变细的特征。

（3）本文通过煤岩层组合特征对比法、标志层对比法、煤层顶底板岩性对比法、煤层层间距对比法、测井曲线对比法等多种方法进行对比，认为主要可采煤层煤2及煤4分布面积较大，煤层层位稳定，对比标志层清楚，对比可靠。

（4）通过对王家山煤矿含煤地层岩相古地层环境特征的研究，推测王家山煤矿深部（850m水平以下）中侏罗统窑街组地层赋存可采煤层。预计煤层埋藏深度在1300～1500m。只是受到当时勘查技术和开采技术条件的限制而未进行正式勘查施工。可能找到数量比较可观的煤炭资源量，为王家山煤矿可持续发展具有指导意义。

[1]彭开瀚.靖远煤田王家山矿区地质勘探总体（普、详、精）最终报告[R].甘肃煤田地质局一三三队,1981.

[2]马思弼.甘肃省靖远煤田王家山煤矿补充勘探报告[R].甘肃煤田地质局一三三队,2013.

[3]甘肃省靖远煤田地质说明书（1：50000）[R].甘肃省煤田地质勘探公司一三三队,1982.

[4]马思弼.甘肃省白银市王家山煤矿煤炭资源储量核实报告[R].甘肃煤田地质局一三三队,2017.

[5]韦欣，王玲，许孝万.新疆沙尔湖煤田煤层特征及对比[J].中国煤炭地,2010,22（9）.

[6]张百禄.靖远煤田中侏罗统龙凤山组沉积环境及赋煤规律研究[J].中国煤炭地质,2016,28（9）.