孙疃煤矿82采区下石盒子组主采煤层厚度变化特征及地质控制因素

任泽强，何金先,2，董守华，吴泓辰，张晓丽，周逃涛，王爱宽，师 帅

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，徐州 221116； 2.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074)

0 引言

孙疃煤矿位于安徽省濉溪县境内，距离宿州市22km。面积约40km2，主要可采煤层有72、82、10等3层，可采煤层总厚5.99m。目前全区山西组10煤层已开采完毕，北部82采区下石盒子组72、82煤层为下阶段主要开采对象，但72煤层和82煤层的煤层厚度变化较大，煤层的稳定性较差，这不仅影响了采区工作面的部署，加大了开采煤层难度，同时也给煤矿的安全生产带来隐患。因此本文在原有矿井地质资料的基础上，分析72、82煤层厚度在采区的变化特征；并结合孙疃煤矿构造演化史，从沉积环境、古河流冲刷、构造变动、岩浆作用等4个方面综合探究其煤层变化的控制因素，从而为煤矿开采部署、生产建设提供理论依据。

1 煤田地质

1.1 研究区地质构造

孙疃煤矿位于淮北煤田临涣矿区南部童亭背斜东翼，其构造较为简单，整体为一个走向近于南北、向东倾斜 的单斜构造，地层倾角10°～20°，平均16°。整体地层沿走向和倾向变化不大，根据以往勘探以及三维地震研究成果，孙疃煤矿主要以高角度断层为主，共发育大小断层347条，其中正断层346条，逆断层仅为1条, 断层走向主要为NE向，其次为NW向，断层倾角主要为50°～70°。其中界沟断层和杨柳断层为孙疃煤矿的南北边界(图1)。

研究区82采区位于 F5断层以南，西部以沉积缺失带为主，南部以F7与F9为界。三条断层为区内主要控制断层，东部边界主要为82煤层-800m，采区面积约6km。整体82采区共发育大、小断层40条，其中主要断层8条，小型断层32条。采区断层均为正断层，逆断层不发育。断层走向以 NE向为主，NW向及 NNE向次之。

1.2 含煤岩系与煤质

孙疃煤矿含煤地层除新生界松散地层以外，其由老到新分别发育有二叠系的石千峰组、上石盒子组、下石盒子组和山西组；石炭系的太原组、本溪组；奥陶系的老虎山组-马家沟组，含煤地层为太原组、山西组、下石盒子组，其中下石盒子组厚度206.7～264.4m，平均231.3m。岩性由砂岩、粉砂岩、泥岩、铝质泥岩及煤层组成，下石盒子组共含4、5、6、7、8等五个煤层(组)，其中72、82两层为全区较稳定煤层，为主要开采煤层。

82煤层赋存于下石盒子组下部，下距下石盒子组底部标志层铝质泥岩14～43m，平均23m左右。72煤层位于82煤层上部，距铝质泥岩平均55m。72、82煤层整体呈深黑色，条痕深棕黑色。玻璃光泽，阶梯状断口。条带状结构，粉末状及粒状构造为主，块状、鳞片状构造少见。宏观煤岩成分以亮煤为主，镜煤暗煤次之。孙疃煤72与82煤镜质组平均最大反射率均为0.94，主要为气煤-肥煤，但有部分煤层受燕山期岩浆侵入影响，变为天然焦，降低了煤的开采价值。此外72、82煤层原煤灰分含量平均含量为22%，原煤全硫含量为0.4%，属于中灰、低硫煤。

2 煤厚特征

2.1 煤层稳定性评价

利用煤矿钻井资料对82采区以及邻近采区108个钻孔72、82煤层进行煤层厚度统计，其结果如表1所示。82煤层不可采(含无煤孔)钻孔数为22个，占总钻孔数的20.4%。中厚以及厚煤层达到了68%，可采煤层以中厚煤层为主，整体上为中厚煤层。依据煤矿地质工作规定，其煤层变异系数为81%，可采指数为0.80,综合上述指标，82煤层主要为不稳定煤层。相比之下72煤层不可采(含无煤孔)钻孔数占总钻孔数的41.7%。薄煤层以及不可采煤层占总钻孔数的66.5%，可采煤层以中厚煤层为主，整体为薄煤层。其可采指数为0.58，煤层变异系数为88%，整体为极不稳定煤层。

图1 淮北孙疃煤矿构造地质图Figure 1 Tectonic geological map of Suntuan coalmine in Huaibei

煤层类型划分依据/m孔数/个(82煤层)比例/%(82煤层)孔数/个(72煤层)比例/%(72煤层)不可采煤层(含无煤孔)0～0.82220.4%4541.7%薄煤层0.8～1.31211.1%1614.8%中厚煤层1.3～3.57064.8%4440.7%厚煤层≥3.543.7%32.8%

2.2 煤层厚度变化特征

根据孙疃煤矿地质构造以及钻孔数据，绘制了82、72煤层厚度等值线图(图2a，图2b)。结合其煤层厚度统计以及煤层的稳定性，其煤层厚度变化特征如下：

(1)本区下石盒子组82煤与72煤层总体上呈条带状分布，部分煤层呈鸡窝状分布。研究区煤层受构造作用，其南北边界出现煤层区缺失，东部边界为童亭背斜核部地区，地层后期遭受剥蚀出现无煤带。中部地区为区域性的无煤带以及薄煤带，并将82采区分为南北两个赋煤区域。南北赋煤区域均为中间厚两边薄的趋势，但北部煤层相较于南部煤层，其煤层缺失较少，煤层更为稳定。此外，整体上82煤与72煤层相比，其煤层的稳定性较好，中厚煤层的分布更广。

(2)研究区82煤层厚度为0～4.31m，平均厚度为1.7m。72煤层厚度为0～3.62m，平均厚度为1.14m。整体上82煤层、72煤层可采煤层均为中厚煤层，煤层厚度极值点远离平均值，煤层厚度变化幅度大。

(3)研究区82煤层见夹矸钻孔数为22个，夹矸层数普遍为1-2层，单层夹矸厚度多为0.1～0.2m，岩性主要为泥岩、炭质泥岩为主。72煤层一般不含夹矸，研究区见夹矸6个，以单层夹矸为主，岩性以泥岩为主。总体上研究区煤层夹矸层数较少，但82煤层相较于72煤层其煤层夹矸数较多。

(4)此外根据钻孔资料统计82煤层受岩浆影响的钻孔数为13个，部分煤层变质为天然焦。72煤层受岩浆岩影响较大，共有34个钻孔受到岩浆作用，煤层受岩浆作用较为强烈，致使部分煤层缺失。

3 煤层厚度变化的控制因素

煤层厚度的变化受控于诸多因素，一般根据地质因素的作用时间与煤层形成时期将煤层厚度分为原生变化和后生变化两大类[1]。引起煤层原生变化的因素主要包括沉积环境及泥炭沼泽基底不平、同生冲蚀和地壳不均匀沉降，后生变化的影响因素主要包括后生冲蚀、构造变动以及岩浆作用。通过对研究区煤层厚度特征分析，并结合区域地质背景，将82采区煤层厚度主要受控因素归纳为沉积环境、河流冲刷、 构造变动以及岩浆侵入。其中煤层厚度变化的整体控制因素为沉积环境，而后期构造、同生冲蚀、岩浆作用仅引起局部煤层厚度变化。

3.1 沉积环境的影响

煤层厚度又取决于可容空间增长速率与泥炭聚集速率之间的相对平衡， 只有相对稳定的沉积环境才能形成厚度较大的煤层， 因此煤层的厚度变化受控于沉积环境。淮北煤田位于华北盆地南部，晚石炭世至晚二叠世，华北盆地由海相为主的成煤环境逐渐被陆相为主的成煤环境所取代[11，14-16]。早二叠世晚期，在大规模海退背景下，淮北地区为地势起伏不大的陆表海环境，广泛发育浅水三角洲沉积体系。山西组形成于三角洲低速度与高速度建设的转换阶段，下石盒子组形成于高速度建设型的三角洲平原环境。三角洲沉积环境有多个沉积亚环境组成，但通常只有泛滥盆地、分流间湾和废弃的分流河道有利于泥炭的聚集，从而形成大规模稳定的煤层、通过对研究区沉积环境研究分析，82采区二叠系下石盒子组含煤岩系形成于三角洲平原环境，其沉积微相主要为分流河道、分流间湾、河口沙坝等，其中82、72煤层主要发育于相对稳定的分流间湾泥炭沼泽上。在此沉积环境下，水动力较弱，沉积速率相对稳定，利于煤层的聚集。

a.82煤层 b.72煤层图2 研究区煤层厚度等值线图Figure 2 Isogram of coal seam thickness in study area

a.82煤层 b.72煤层图3 研究区煤层顶板岩性分布图Figure 3 Coal roof lithologic distribution in study area

3.2 古河流冲刷的影响

古河流对煤层的冲刷作用于泥炭形成过程或者沉积覆盖以后的煤层，前者为同生冲蚀，后者为后生冲蚀。古河流冲蚀致使煤层变薄、缺失成为不可采或者无煤带。根据研究区沉积环境以及煤层顶底板岩性(图3a,图3b)，煤层受河流作用主要为同生冲蚀。研究区河流冲蚀物主要为砂岩，由于同期河流弯弯曲曲，支流较多，致使煤层冲刷带呈条带状分布。研究区中部煤层受同期河流影响较为严重，整体为薄煤带或者无煤带，且靠近冲刷带附近的煤层灰分含量较高，光泽暗淡，质量较差。与72煤层相比，82煤层总体上受到河流的冲蚀作用更强，影响面积更大。

3.3 构造变动对煤层厚度的影响

构造变动不仅可以改变煤层的原始产状，还可以改变煤层的厚度以及形态。孙疃煤矿主要受到两期构造作用。在早燕山期受到NWW-SEE水平方向挤压形成孙疃煤矿地层走向南北，向东倾斜的单斜构造，并在此基础上发育走向为NE和NW的两组共轭小断层[21]。晚燕山期受到NNE-SSW水平方向挤压，在早期NE向断层的基础上形成了大量的走向为NE的张性正断层，构成煤矿边界以及内部控制断层。研究区F5和F9就形成于该时期。孙疃煤矿向东倾斜的单斜构造造成了研究区西部边界煤层后期沉积缺失，而研究区内部断裂构造对煤层的影响主要为两个方面。(1)断裂构造致使断层带内煤层缺失，并造成断层两盘煤层发生错动，破坏煤层的完整性，例如F5、F9断层造成两侧煤层落差达到200m(图4，图5)。此外研究区主要为张性正断层，在断层两侧，由于引张拖拽作用致使断层两侧出现狭窄的厚度减薄带。(2)在地层断裂形成过程中，岩层间存在相对滑动，由于煤层顶板常为砂、粉砂岩，与煤层存在岩石力学强弱差异，容易产生层滑构造。顶板断裂时，在层间滑动剪切力的作用下，煤层发生塑性流变，从而导致煤层厚度发生变化，产生分叉、变薄、增厚，在空间上常呈条带状、透镜状、串珠状等。

图4 F9断层示意图Figure 4 A schematic diagram of fault F9

图5 F5断层示意图 Figure 5 A schematic diagram of fault F5

a.82煤层 b.72煤层图6 研究区煤层岩浆厚度等值线图Figure 6 Isogram of coal seam magmatic intrusion thickness in study area

3.4 岩浆作用对煤层厚度的影响

研究区除了受到构造变动本身的影响以外，还受到岩浆侵入等影响[7,12]。岩浆岩主要为燕山中期，以岩床的形式由宿北断裂经杨柳煤矿向南顺层侵入。岩浆侵入煤层后，不仅吞蚀部分煤层致使煤层变薄，其本身的热量还会引起煤层的变质，从而丧失煤层的工业价值。研究区82、72煤层均受到岩浆岩侵入影响，致使煤层厚度减薄、煤级增大，煤层结构出现岩浆岩夹矸(图6a,图6b)。整体上82煤层受到岩浆作用影响较小，岩浆岩主要呈串珠状分散在F5断层带附近，相对而言72煤层受到岩浆岩作用面积更大，主要分布于采区西部、F9断层以及采区东北部。与古河流冲刷相比，采区岩浆作用规模，影响范围均小于河流冲刷。

4 结论

(1)研究区82采区下石盒子组82煤与72煤层总体上呈条带状分布。以中部不可采区域为界，研究区可分为南北两个赋煤区域。南北赋煤区域均为中间厚两边薄的趋势，但北部煤层相较于南部煤层，其煤层缺失较少，煤层更为稳定。

(2)研究区82煤层厚度为0～4.31m，平均厚度为1.7m。72煤层厚度为0～3.62m，平均厚度为1.14m。整体上82煤层与72煤层可采煤层均为中厚煤层，煤层厚度变化幅度大。82煤层相较于72煤层更加稳定，为不稳定煤层，72煤层为极不稳定煤层，但一般不含夹矸。

(3)研究区煤层厚度变化的控制因素为沉积环境、古河道冲刷、构造变动以及岩浆作用。其中沉积环境控制着研究区聚煤作用，为整体控制因素；古河流冲刷主要为同生冲蚀，其中对82煤层作用较大；除了东部边界煤层沉积缺失，构造变动还使断层带煤层缺失以及发生层滑作用；岩浆作用主要使局部煤层厚度变薄，对72煤层影响范围大于82煤层。整体上研究区煤厚厚度变化的控制因素作用大小为：沉积环境>古河道冲刷>构造变动>岩浆作用。

《煤矿岩溶水精细探测、防治技术理论与实践》方向清编著

本书于2018年6月8日由《中国学术期刊(光盘版)》电子杂志社有限公司出版。本书系统研究了华北型煤田岩溶地下水与煤炭的相互关系，提出了岩溶地下水系统模式、煤矿充水模式、岩溶水勘查模式、煤矿突(涌)水模式及治理模式等系列理论。根据作者30多年的实践，总结了地下水成因分析及评价方法，特别是建立了煤矿静涌水量、动涌水量计算方法，以及基于单位面积静涌水量的煤矿顶板危险性评价方法。本书是研究华北型煤田岩溶水非常实用的参考书。http://bianke.cnki.net/Home/Corpus/16611.html