新疆准东盆地芨芨湖西矿区地质特征及开采地质条件研究

李永高

（中国煤炭地质总局 第一勘探局，河北 邯郸 056004）

0 引 言

新疆准东煤田是新疆煤炭资源蕴藏量最为丰富的地区之一，蕴藏着3 900亿t左右的煤炭储量，且煤质优良，煤层厚度大，埋深浅，延伸稳定，是建设大型、超大型煤矿山的理想基地。随着芨芨矿区煤炭资源勘探程度的不断提高，煤炭资源的开发利用将逐步开展，本文在收集以往资料的基础上，重点对矿区煤层地质特征、水文地质、工程地质和环境地质及其开采地质条件的变化规律进行研究，对未来矿井设计、开发和建设具有重要借鉴意义。

1 地质背景

研究区为新疆维吾尔自治区准东煤田西黑山矿区总体规划区，位于奇台县城北东57 km，芨芨湖边检站以北5～20 km的荒漠戈壁，行政区划属奇台县管辖。研究区为北西—南东向长约18 km，南西—北东向宽约5 km，面积89.7 km2，规划生产能力15 Mt/a。处于准噶尔盆地东缘，地势为较平坦的戈壁和低矮的沙丘地，海拔高度650～730 m，相对高差30～50 m，地势总体呈南东高北西低态势。

矿区地层区划属北疆—兴安地层大区（Ⅰ），北疆地层区（Ⅰ1），南准噶尔—北天山地层分区（Ⅰ13），将军庙地层小区（Ⅰ13-4），出露的地层主要有，古生界的石炭系、二迭系，中生界的三迭系、侏罗系，新生界的第三系、第四系。

区域大地构造位置位于准噶尔地台（Ⅰ2）东部，北与东准噶尔优地槽褶皱带毗邻，属准噶尔槽—台过渡带（Ⅱ2）的一部分，属于大井—将军庙拗陷（Ⅲ4），双井子—西黑山凸起（Ⅳ4）。研究区构造位于双井子—西黑山凸起的西黑山背斜和北山煤窑向斜的西倾伏端，中部呈宽缓向斜，为北山煤窑向斜，倾角5°～7°；南部为侏罗系隐蔽露头区，北部发育为次级的褶皱称之为西黑山背斜，倾角3°～5°。

2 煤层地质特征

2.1 岩性组合及含煤特征

研究区地层主要为地表覆盖的第四系、第三系上新统独山子组，其下为侏罗系中—上统石树沟群，中统西山窑组，下统三工河组、八道湾组，三迭系中—上统小泉沟群，下统上仓房沟群，其地层岩性特征详见表1。

表1 研究区地层简表Table 1 The stratigraphic table of the study area

研究区煤层主要赋存于侏罗系中统西山窑组，且含煤层数多，煤层厚度大，地层厚103.80～329.87 m，平均254.22 m，总体呈南厚北薄的变化规律。岩性以湖沼相为主夹河流三角洲相沉积的灰色—浅灰色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、中细砂岩夹粗砂岩、炭质泥岩和煤层组成，底部一般为砾岩、含砾粗砂岩。含0.3 m以上的煤层36层，平均煤层总厚64.24 m，含煤系数为25%。其中可采煤层10层，平均可采总厚61.43 m，平均夹矸总厚2.1 m，含矸率3.31%。依据其岩性组合、含煤性、化石等赋存规律分为上下2段。可采煤层在垂向上具有组合分布特征，按煤层之间的分岔、合并关系可分为4大组合，B6组合；B5、B4＇、B4组合；B3＇、B3组合；B2、B1、B1＇、B0煤层组合（图1）。

图1 研究区煤层组合图Fig.1 Coal seam combination diagram of the study area

（1）上含煤段（J2x2）含煤特征。

上含煤段地层中大于0.30 m以上的煤层（线）20层，煤层平均总厚18.62 m，该段地层平均厚度116.95 m，含煤系数为16%。其中含可采煤层6层为B6、B5、B4'、B4、B3'、B3，可采总厚19.08 m。

①上层组合：由B6可采煤层及其上、下不可采煤层组成，其组合特点是以B6煤层为主单独成一体系，B6煤层大部可采，没有分岔、合并现象，组合地层厚1～12 m，平均6 m，厚度相对稳定，以薄煤层为主，极少含夹矸。

②上中层组合：由B5、B4＇、B4三层全区—局部可采煤层以及数层不可采煤层组成，组合地层厚40～60 m，平均55 m。其组合特征是B5、B4＇、B4三层煤之间常有分岔、合并现象，向研究区北西向延伸趋于合并，合并后煤层厚度增大为特厚煤层。B5煤层相对稳定，全区可采。B4＇、B4煤层分岔后大致平行相伴。

③中层组合：由B3＇、B3两层全区—大部可采煤层及其数层薄煤组成，组合地层厚10～20 m，平均16 m。其组合的主要特征是，B3＇、B3层煤之间常有分岔、合并现象，B3＇为B3煤层的分岔，于研究区西南部合并为特厚煤层。

④下层组合：由B2、B1、B1＇、B0可采煤层及其数层薄煤层组成，组合地层厚80～110 m，平均100 m。其组合特点是B2煤层相对稳定，全区可采。B1煤层向下分岔出B1＇煤层，再分岔出B0煤层。B2煤层与B1煤层大致平行分布，在研究区东南部B2煤层有向B1煤层靠近的趋势，偶见合并点。B1、B1＇、B0煤层关系更为密切，在研究区中部和北部有合并区域，合并后以巨厚煤层为主。

（2）下含煤段（J2x1）含煤特征。

下含煤段地层中大于0.30 m以上的煤层（线）16层，煤层平均总厚45.62 m，地层平均厚度137.27 m，含煤系数为33%。含可采煤层B2、B1、B1'、B0四层，煤层可采总厚42.35 m。在垂向上具有组合分布特征，按煤层之间的分岔、合并关系可分为1大组合。

2.2 聚煤规律

研究区是准东大型盆地一部分，在中侏罗世是以湖泊、沼泽、三角洲相为主的沉积环境，温暖潮湿气候为主，植被生长发育，为成煤物质大量堆积创造有利条件，随着盆地表现出较为缓慢的沉降，使成煤物资堆积速度与聚煤盆地沉降速度相平衡。西山窑组沉积时期的聚煤作用时间长，强度大，分布广，早期地势平坦，覆水浅而广阔，河控三角洲发育，在广阔的湖缘，泛滥平原，发育较稳定的泥炭沼泽，形成层数多、厚度大、稳定的煤层。

西山窑组在研究区沉积初期，发育辫状河三角洲相和湖泊相，湖平面处于低位，辫状河三角洲相河道间河漫沼泽发育，形成局部可采B0煤层或煤线。进入湖侵期湖平面缓慢推进抬高，三角洲逐渐过渡形成滨湖，以研究区中北部为中心，形成大面积滨湖泥炭沼泽，形成B2、B1、B1'特厚煤层。成煤中后期湖平面缓慢下降进入湖退期，湖平面在反复下降上升的震荡期，形成以研究区北部为中心的滨湖泥炭沼泽，沉积形成B5、B4'、B4、B3、B3'中厚或厚煤层。西山窑组沉积末期，湖平面退却速度加快，但仍处于浅湖和沼泽的交替环境，在湖平面由下降到上升的转折期，以研究区中部为中心形成大面积滨湖泥炭沼泽，形成B6煤层。由于河道冲刷作用，B6煤层稳定性差、厚度较小。之后随着湖平面快速上升，成煤作用终止，成煤期结束，形成以泥岩沉积为主的浅湖相沉积。

研究区中侏罗世存在多期次有利成煤环境和聚煤作用，历经多次湖进湖退，盆地沉降速度具有不均等周期性。西山窑组沉积时期，区内基本处于浅湖和沼泽交替环境，形成多煤层形式。因各时期湖水深浅不一，淤浅沼泽化时间不同，造成煤层赋存部位差异，形成煤层层数多、厚度不均、层间距不稳定、有分叉合并特点。

2.3 煤质特征

2.3.1 煤岩特征

西山窑组煤层黑色，块状，条痕一般呈灰黑—黑褐色，暗淡—沥青光泽，贝壳状—参差状断口，节理一般不发育，条带状结构，层状构造。煤岩组份多以暗煤、丝炭为主，亮煤较少。煤岩类型为半暗煤—暗淡型煤。其显微组份有机质占92.16%，以惰质体为主，镜质体次之，壳质体少量。无机质占7.54%，以粘土类矿物占绝对优势，呈浸染状或薄层状分布。

煤的显微组份有机质含量较高，煤层顶底板中含大量的炭化植物化石碎片，成煤原始物质多为高等植物，成因类型为腐殖煤类。

2.3.2 煤的化学性质

煤层原煤水分平均8.07%，浮煤水分平均6.61%，以中水分煤为主。原煤干燥基灰分平均为13.15%，浮煤干燥基灰分平均为5.19%，以低灰煤为主。原煤干燥无灰基挥发分平均35.00%，浮煤挥发份平均34.26%，均属中高挥发份煤。

煤层原煤干燥无灰基碳元素含量平均80.29%，浮煤干燥无灰基碳元素含量平均78.53%；原煤氢元素含量平均4.48%，浮煤氢元素含量平均4.54%；原煤氮元素含量平均1.15%，浮煤氮元素含量平均1.20%；原煤氧元素含量平均14.90%，浮煤氧元素含量平均16.20%；煤中元素含量变化幅度较小，含量较稳定。

煤层干燥基全硫含量0.21%～0.41%，平均0.31%，属于特低硫煤，浮煤全硫含量平均为0.15%，原煤全硫，以有机硫为主，其次为硫化铁硫，硫酸盐硫甚少。原煤磷含量平均0.034%，浮煤磷含量平均0.019%，属特低磷煤。煤中氯含量平均0.048%，属特低氯煤。原煤中砷含量平均2.079×10-6，浮煤砷含量平均1.39×10-6，为一级含砷煤。

煤层发热量较高，原煤干燥基高位发热量平均为26.19 MJ/kg，浮煤发热量平均29.24 MJ/kg，均为高热值煤。

3 开采地质条件研究

3.1 水文地质条件

研究区位于准噶尔盆地东南缘，地势为较平坦的戈壁，海拔高度为650～730 m，相对高差30～50 m，地势总体呈南高北低、东高西低宽缓戈壁平地，构造类型为简单型。区内无常年性地表水流，除融雪和暴雨季节外，无地表水补给。

矿床充水含水层为第三系上新统独山子组弱含水层、侏罗系中上统石树沟群裂隙孔隙弱含水层、侏罗系中统西山窑组裂隙孔隙弱含水层。

（1）第三系上新统独山子组弱含水层。

区域内广为分布，不整合于中上侏罗统石树沟群之上。由紫红色、砖红色的泥岩、含砾泥岩、底部砾岩等岩性组成，厚度3.07～172.82 m，水位0.85～10 m，单位涌水量0.008 1～0.039 9 L/s·m，渗透系数0.029 8～0.119 0 m/d。

（2）侏罗系中上统石树沟群裂隙孔隙弱含水层。

区内局部出露，与下伏西山窑组平行不整合接触。以灰色、灰绿色为主体夹灰褐色、紫红色、紫褐色的杂色河湖相沉积，岩性有砂岩、泥岩、粉砂岩，含硅化木，底部为砾岩、砂砾岩。厚14.39～274.61 m，水位0.95～50 m，单位涌水量0.029 9～0.039 9 L/s·m，渗透系数0.082 7～0.119 0 m/d。

（3）侏罗系中统西山窑组裂隙孔隙弱含水层。

西山窑组是研究区的主要含煤地层，岩性多为灰色、浅灰色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩夹中、粗粒砂岩、炭质泥岩和煤层，底部多为含砾粗砂岩—砾岩。厚度103.80～329.87 m。单位涌水量0.008 1～0.039 9 L/s·m，渗透系数0.029 8～0.119 0 m/d。水化学类型为Cl·SO4-Na，矿化度3.19～15.0 g/L（表2）。

表2 研究区地下水水化学特征Table 2 Hydrochemical characteristics of groundwater in the study area

井田地层富水性较弱，岩石透水性差，地下水径流不畅。预测+200 m水平矿井涌水量为4 700 m3/d，最大涌水量为5 900 m3/d。水文地质条件简单，水文地质勘探类型为二类一型。

3.2 工程地质条件

3.2.1 工程岩组

（1）松散岩组。主要是第四系松散层，厚度0.85～79.31 m，以松散中粗砂土及砾石为主，无胶结，散体结构，属极不稳固型。

（2）软岩组。由第三系半胶结状态的粉砂岩、粉砂质泥岩、砾岩等组成，厚度3.07～160.43 m，均不同程度的风化，岩石结构松散，散体结构（Ⅳ），以Ⅱ、Ⅲ级结构面为主，属极不稳固型。

（3）风化岩组。为侏罗系浅部风化层，深度25～30 m，局部达50 m。岩石风化程度严重，多呈碎块状、短柱状，近散体结构（Ⅳ），属不稳固型。

（4）无煤岩组。未风化的侏罗系中上统石树沟群、三工河组地层为无煤岩组，碎裂结构（Ⅲ），Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级结构面发育。结构体多为碎屑及形态不同的岩块。结构面摩擦系数0.20～0.40，属不稳固型。

（5）含煤岩组。未风化的西山窑组，以灰白—暗灰色、浅黄绿色粉砂岩、泥岩夹中细粒砂岩、砾岩为主，泥质或粉砂质胶结。薄层—中厚层状结构，块状、楔状。Ⅳ、Ⅴ级结构面为主，结构面摩擦系数小于0.20。岩石易软化，坍塌、滑移、压缩变形均可发生。

岩体完整性一般为中等完整-完整性差-破碎，岩石质量等级Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ（表3）。

表3 岩体质量(M)分级表Table 3 Rock mass quality(M)classification

3.2.2 岩石稳固性

在倾向上各煤层顶底板岩性多为粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩，中粒砂岩及粗粒砂岩少见。其饱和状态下单轴抗压强度0.6～22.0 MPa，大部分为极软岩石，少部分为次软岩石；软化系数0.04～0.67，属易软化的岩石；抗拉强度0.1～4.0 MPa，强度低，结构面发育；内摩擦角26.1°～40.5°，凝聚力0.99～8.81 MPa，抗剪能力偏低。

在走向上各煤层顶底板岩石相变不大，饱和状态下的抗压强度1.03～28.8 MPa，为极软—次软岩石，软化系数0.16～0.54，极易软化。抗拉强度0.14～2.0 MPa，强度低，结构面发育（表4）。

表4 岩石物理力学试验成果Table 4 Rock physical and mechanical test results

研究区内各煤层的顶底板岩石饱和状态下抗压强度及其它力学指标均较差，顶底板岩石稳固性属差，工程地质类型为三类二型。

3.3 环境地质条件

研究区属大陆干旱荒漠气候，年温差和昼夜温差较大，夏季气候炎热，白天气温常在40℃左右，冬季气候严寒，绝对最低气温达-49.8℃。无常年性地表水流，亦无泉点出露，降水量较小，年平均降水量192 mm，最大暴雨量43.4 mm，全年日照3 053 h，年蒸发量1 595.2～2 410.4 mm，但各季节降水量分布不均，夏季偶发暴雨，可形成洪水。冬季积雪稀少，最大积雪深度39 cm，冰冻期5个半月，冻土最大深度1.36 m，一般冻土深度1.07 m。区内常年多风，风力一般4～5级，最大可达10级，并伴有强沙尘暴天气。

区内煤层采后露天堆放时可发生飞尘和扬尘污染大气，受雨水淋溶后有害物质会污染土壤及地下水。地下水中SO42-含量630.2～1 661.8 mg/L，Clˉ含量631.0～1 630.7 mg/L，其含量已超第Ⅴ类水标准。未来应对矿井水进行处理后循环使用，减少排放量，避免对地质环境造成影响。

研究区地温正常，无热害，煤岩层亦无放射性异常，矿山环境地质类型为第二类质量中等。

3.4 其他地质条件

3.4.1 瓦 斯

研究区主要煤层煤中瓦斯含量为0.051～0.93 mL/g，平均为0.351 mL/g，成分以氮气为主，含量81.55～96.32%，平均89.31%，甲烷含量0.0～9.69%，平均6.18%、二氧化碳含量很低为3.68～5.87%，平均4.51%。大部分属于二氧化碳—氮气带、氮气—沼气带。

3.4.2 煤尘爆炸性

各煤层的火焰长度在100～＞400 mm，扑灭火焰所需的岩粉量在78.75%～83.75%，煤尘均具有爆炸性。

3.4.3 煤的自燃倾向

各煤层自燃倾向性测定，研究区内各煤层煤的吸氧量分别为0.44～0.64 cm3/g。自燃倾向性分类等级均为Ⅱ级自燃。

4 结 论

（1）研究区煤层主要发育于侏罗系中统西山窑组，且含煤层数多，煤层厚度大，含0.3 m以上的煤层36层，可采煤层10层，平均可采总厚61.43 m。依据其赋存规律分上下2段，按煤层之间的沉积关系分4个组合。

（2）煤类属特低—低灰、特低硫、特低—中磷、31号不粘煤，零星有41号长焰煤。具有高热值、含油、气化指标较好。

（3）水文地质条件简单，工程地质条件差，环境地质条件中等，煤层瓦斯含量低，具有爆炸性，易燃。