陜北侏羅紀煤田三角洲平原沉積環境及其巖石力學特征

王海軍，馬 良

?

陜北侏羅紀煤田三角洲平原沉積環境及其巖石力學特征

王海軍1,2,3，馬 良1

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 西北大學地質學系，陜西 西安 710069；3. 西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

三角洲平原沉積環境是陜北侏羅紀煤田煤炭資源的主要形成環境之一，為獲得不同環境煤層頂板巖石力學參數特征，進一步探究沉積環境與巖石力學特征之間的關系，首先從區域沉積環境分析入手，然后運用巖心精細描述、沉積構造分析、地球物理測井分析等技術，識別微相、劃分頂板沉積微相類型及其組合特征；之后對不同沉積環境中不同位置、不同巖性的巖石進行系統地分層采樣和測試分析；最后綜合分析煤層頂板各沉積微相的巖石力學特征。結果表明，煤層直接頂板以泥巖、粉砂質泥巖為主，形成于三角洲平原亞相中的沼澤、湖泊沉積微相，局部見粉砂巖、細粒砂巖形成于分流河道和天然堤微相；基本頂主要以中–細粒砂巖為主，形成于分流河道沉積微相；沉積環境不僅控制煤層頂板巖性分布而且控制巖石力學參數及其含水層富水性的分布，其中，湖泊、沼澤相泥巖頂板區是頂板支護的重點部位，多期分流河道砂巖疊置頂板區是未來礦井防治水以及探放水的重點區域。

煤層頂板；巖石力學特征；巖心測試；工程地質編錄；沉積環境；陜北侏羅紀煤田

陜北侏羅紀煤田作為我國重要的煤炭資源供應基地，其主要形成于三角洲平原沉積環境中的泥炭沼澤和湖泊沉積環境[1-8]，而煤層頂板多為多期分流河道、分流間灣等沉積微相中形成的粉砂巖、細粒砂巖及泥巖的疊置組合體。經過多年的地質勘探鉆孔取心、井下煤層頂底板巖石力學測試及分析發現，在陜北侏羅紀煤田相對簡單煤層頂板巖性單一的情況下，同一種巖性的巖石力學參數相差較大，而巖石力學特征是進行煤層頂底板穩定性評價、礦井開拓設計、井巷圍巖支護的重要依據。研究表明，巖石力學特征決定煤層頂板的穩定性，而巖石力學特征受巖石巖性、成分、膠結物、填充物等多種因素影響[9-12]。巖石力學特征中巖石的抗壓強度與煤層頂板的質量取決于各種巖石類型的內在聯系、沉積早期的壓實作用、同沉積構造和后期構造特征等因素，其中頂板主要特征與沉積作用或早期壓實過程有關，后期的構造運動起著強化早期特征的作用[6-9]。因此，究其根本，煤層頂板巖石力學特征受沉積環境的影響。筆者以陜北侏羅紀煤田某礦井3號煤層為例，從煤層頂板各沉積微相巖石力學特征入手進行研究，對煤層頂板不同沉積環境、不同巖性、不同位置的巖石進行系統的樣品采集和室內測試分析，以期為陜北侏羅紀煤田同類沉積環境下形成的煤層頂板穩定性評價、礦井設計、井巷圍巖支護等提供參考。

1 地質概況

研究區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡構造單元，總體為西傾單斜，局部發育一系列鼻狀構造，屬于榆橫礦區侏羅紀煤田范疇。煤系為侏羅系延安組，地層發育有侏羅系延安組、直羅組、安定組、白堊系洛河組、第四系黃土、風積沙及薩拉烏蘇組；目前礦區內主力煤層延安組四段的2、3號煤組，煤層厚度1.1~8.90 m，平均2.56 m。礦井直接充水含水層為煤層頂板砂巖含水層，在2號煤層和3號煤層厚度較大的區域導水裂隙帶高度波及直羅組底部的七里鎮砂巖含水層，頂板砂巖含水層單位涌水量0.068~0.43 L/(s·m)，屬于弱—中等富水性含水層。延安組四段和直羅組底部七里鎮孔隙裂隙型砂巖含水層是目前礦區內威脅礦井安全生產的主要充水水源。區內延安組屬于河流–三角洲沉積環境，延安組四段屬于三角洲平原亞相沉積環境[8]。

2 煤層頂板沉積環境特征

煤層直接頂板巖性以泥巖為主，厚度0.54~12.77 m，平均3.02 m(圖1e)，薄層—中厚層狀粉砂巖次之，局部地段發育層狀粉砂巖與泥巖互層以及塊狀細粒砂巖(圖1c)；基本頂以厚層—巨厚層狀中粗粒砂巖為主，細粒砂巖、粉砂巖次之，局部地段發育的煤層與基本頂巨厚層狀中、粗粒砂巖直接接觸(圖1a、圖1b)。根據區域沉積環境背景，結合研究區鉆孔地質鉆探、地球物理測井、沉積旋回性、巖心沉積構造特征等，從“點–線–面”三位一體的沉積環境多資料綜合研究分析表明，3號煤層頂板主要由3個正旋回構成，按照煤層頂板3個旋回和3號煤層形成進行沉積環境及其演化分析，研究區經歷了成煤期的湖泊–泥炭沼澤沉積環境，成煤后頂板由分流河道沉積為主體向分流河道、天然堤、分流間灣三分鼎立的沉積景觀演化(圖2)。

圖1 煤層頂板沉積組合典型特征

圖2 煤層頂板沉積環境演化過程及其微相分布特征

冒落帶及導水裂隙帶發育高度與采厚、頂板巖石力學性質、采煤方法、工作面形狀和規模等因素密切相關。通過分析研究區地層、煤層特征及頂板巖石力學特征，按照MT/T 1091—2008《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》附錄D公式2進行計算。經計算冒落帶高度為7.52~12.20 m，平均10.19 m，冒落帶范圍內含水層厚度為0~11.40 m，平均6.54 m；導水裂隙帶最大高度為31.58~47.64 m，平均40.99 m；穿過含水層厚度為8.24~42.98 m，平均27.56 m。

3 煤層頂板巖石力學特征

根據地層對比劃分結果，對煤層頂板各個旋回中的不同沉積環境中的巖石按照巖性在頂部、中部、底部3個位置采集巖石力學樣品并測試。根據測試結果分析能夠反映煤層頂底板穩定性的關鍵參數，按照不同巖性、不同沉積環境、相同沉積環境下形成的不同巖性以及同一種巖性巖石在相同沉積環境下在不同部位(頂部、中部、底部)的巖石力學特征分類統計。

在巖心取出巖心管后進行巖石力學樣品的采集，同時進行巖性、沉積構造的描述、照相和包裹(防止風化、失水)，每組采集10~12塊樣品，每塊心長大于等于10 cm，共計61組670塊。及時送入室內進行巖石力學測試，同時對區內21個鉆孔進行了工程地質編錄。

3.1 煤層頂板巖石力學特征

為了系統地分析煤層頂板巖石力學特征，按照巖性統計泥巖、粉砂巖質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖和中粗粒砂巖5類巖石力學特征(表1、圖3)。

②頂板巖石質量(RQD)總體上為中等—好，巖體完整性中等—較完整，具有細粒砂巖>粉砂巖>中、粗粒砂巖>粉砂質泥巖>泥巖的特征。

3.2 不同沉積環境巖石力學特征

按照區內主要沉積微相分類，統計湖泊、沼澤、天然堤和分流河道4種環境形成的巖石力學特征，結果顯示(表2、圖4)如下。

①在4類沉積微相環境中形成的煤層頂板，其巖石力學參數中，飽和抗壓強度、抗剪強度、強度指數和巖石密度具有天然堤>分流河道>沼澤>湖泊的特征；彈性模量、巖石的孔隙度具有：分流河道>天然堤>沼澤>湖泊的特征，而巖石的內摩擦角、泊松比相差不大，相比之下泥巖最大、粉砂巖最小。

表1 巖心巖石力學測試成果表

注：表中分數線上部數據表示最小~最大值，分數線下部表示平均值，表2—表4中相同。

表2 煤層直接頂板主要沉積微相巖石力學參數表

圖3 不同巖性巖石力學參數特征

圖4 不同沉積環境巖石力學特征

②分流河道微相以中粗粒砂巖為主，少量細砂巖、粉砂巖；天然堤微相以細砂巖為主，少量粉砂巖，沼澤以泥巖、粉砂質泥巖為主，而湖泊以泥巖、煤層等細粒巖性為主。由河道中心向河道兩側水動力條件由強逐漸變弱，沉積物顆粒物由粗變細，礦物成分石英含量由多變少而泥質含量由少逐漸變多，導致巖石的膠結程度逐漸變差。

3.3 相同巖性不同沉積環境下的巖石力學特征

統計分析研究區內不同沉積環境形成的相同巖性的巖石力學特征，結果顯示(表3、圖5—圖7)：

①沼澤微相泥巖的飽和抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、巖石密度、強度指數等參數優于湖泊微相，而內摩擦角湖泊相大于沼澤相。

圖5 不同沉積環境下泥巖巖石力學特征

表3 煤層直接頂板不同沉積環境同一巖性巖石力學特征

②粉砂巖的飽和抗壓強度、內摩擦角、抗剪強度、彈性模量、強度指數、孔隙度等參數，其分流河道微相>天然堤微相，泊松比、巖石密度則相反。

③細粒砂巖飽和抗壓強度、內摩擦角、抗剪強度、彈性模量、強度指數、巖石密度等參數，其天然堤沉積微相>分流河道沉積，而孔隙度、泊松比則相反。

綱要在調研基礎上，對全省水利旅游資源、經濟社會發展、水源水工程建設、水文化歷史傳承、水利風景區建設現狀等進行了深入對比分析；研究提出了“十二五”全省水利風景區建設的指導思想、基本原則、目標任務、建設總體構想，突出區域特點明確了11個市（區）建設發展重點；按水利風景區建設任務估算投資19億元，研究明確了資金籌措辦法；從6個方面明確了保障措施。

3.4 相同沉積環境不同位置同一巖性的巖石力學特征

按沉積微相統計同一巖性在頂部、中部、底部3個不同層位泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖、中、粗粒砂巖的巖石力學特征，結果顯示(表4、圖8)如下。

① 在湖泊、沼澤、天然堤沉積微相環境中形成的各類巖石，總體上具有由底部到頂部其巖石力學性質逐漸變強的特征。這是由于同一水動力環境中，底部沉積的泥巖顆粒細，泥質含量多，砂質含量少，因此，巖石膠結性差，巖石力學性質較差；向上泥質顆粒逐漸變粗，泥質含量變少，砂質含量增多，泥巖中見粉砂巖薄層，透鏡體增多，故巖石力學性質變強。

②分流河道中形成的粉砂巖，底部巖石力學特征優于頂部，這是由于在分流河道沉積環境下，整體上沉積序列為正旋回位置，底部沉積顆粒較粗，向上逐步變細。在該區粉砂巖巖層中底部顆粒較頂部粗，泥質含量較頂部少，因此，巖石力學特征優于頂部。

圖6 不同沉積環境下細粒砂巖巖石力學參數特征

圖7 不同沉積環境下粉砂巖巖石力學特征

表4 相同沉積環境不同位置相同巖性巖石力學特征

圖8 同一沉積環境下不同位置同一巖性巖石力學參數特征

③分流河道沉積微相中形成的中粗粒砂巖，中部巖石力學特征最好，底部次之，頂部最差。這是由于在河道的中部水動力條件最強，底部次之而頂部相對較弱。在河流底部大多沉積粗粒巖石，且一般形成于上一期河道頂部較細粒巖層之上，往往可見泥礫物質，由于底部河床摩擦作用導致水動力條件變弱，巖石力學特征變弱；中部河流多為層流，水流速度最快，水動力條件最強，因此，形成的巖石成分相對單一，巖石力學特征較強，區內河道砂體中部發育的石英砂巖得以印證這一觀點。

4 綜合評價

通過對不同沉積環境、不同巖性、不同位置巖層巖石力學特征分析，結合礦井開采設計、煤層開采形成的冒落帶、導水裂隙帶高度計算，將3個旋回的沉積相圖從下向上依次疊置，按照不同沉積環境疊置區進行分區綜合評價，分析未來礦井井筒及巷道開拓掘進過程中，不同沉積環境下煤層頂板存在的工程地質、水文地質問題(圖9)。

a. 湖泊、沼澤沉積環境及其疊置區 當井筒煤層頂板波及此區域時，煤層頂板以泥巖為主體，巖性單一、厚度大、分布范圍廣，巖石力學性質差，頂板穩定性差，屬于易于垮落頂板，頂板含水性差，礦井涌水量小，頂板多無水或滲水，該區域是頂板支護管理的重點區域。尤其是湖泊與沼澤疊置區域是頂板冒落及頂板事故的頻發區域，是工程地質災害和頂板支護管理的重點區域。

b. 沼澤與天然堤沉積環境疊置區 當掘進至天然堤沉積區域時，頂板巖性以細砂巖、粉砂巖為主，或細砂巖與粉砂巖互層，巖層厚度變化大，巖石力學性質較好，頂板穩定且不易垮落，頂板富水性較湖泊沼澤強，頂板多以滲水或小滴水等方式出水。

c. 分流河道、天然堤及其疊置區 頂板巖性相變為中–粗粒砂巖，巖層厚度大且較穩定，由河道兩側向河道中心頂板厚度逐漸變大，巖性顆粒變粗，細粒砂巖夾層變少變薄。頂板穩定性較湖泊、沼澤好但較天然堤差，頂板砂巖含水性變強，礦井涌水量變大，工作面煤層頂板多以滴水或小股出水，頂板水壓、涌水量較大，勢必會造成礦井突水。當井筒揭露該段時井筒涌水量較大，做好井筒凍結或壁厚注漿，預防井筒水淹沒。

因此，多期河道的疊置區域中心部位和分流河道與天然堤疊置區域是礦井探放水和防治水的重點區域。在礦井開拓、生產過程中根據沉積環境特征分類管理及區別對待，加強以上區域的管理，是解決好煤層頂板事故和頂板水害預防控制的關鍵。

圖9 煤層頂板分區綜合評價圖

5 結論

a. 煤層頂板巖石飽和抗壓強度、抗剪強度、彈性模量、強度指數等主要巖石力學參數具有：細砂巖>粉砂巖>中、粗砂巖>粉砂質泥巖>泥巖的特征；而各類巖石的孔隙度具有中、粗砂巖>細砂巖>粉砂巖>粉砂質泥巖>泥巖的特征。

b. 由于不同沉積微相水動力條件的差異性，形成巖石巖性類型、成分含量、顆粒大小及4類微相環境中煤層頂板巖石力學各項指標的差異性，具有天然堤、分流河道>沼澤、湖泊的特征。

c. 同一巖性在不同沉積環境中形成的巖石力學特征具有沼澤微相泥巖的巖石力學特征明顯優于湖泊微相沉積的泥巖巖石力學特征；分流河道微相沉積的粉砂巖>天然堤微相沉積>沼澤微相；天然堤沉積微相沉積的細砂巖>分流河道沉積微相的特征。

d.在湖泊、沼澤、天然堤沉積微相環境中，相同環境不同位置中形成的各類巖性巖石，其巖石力學特征具有由底部到頂部逐漸變強的特征。

e. 在井田勘探階段應加強頂板沉積環境與巖石力學參數的精細分析，進行頂板的分區劃分與評價，以用于礦井設計；開采過程中針對評價中存在的工程地質問題和水文地質問題分類管理。其中，湖泊、沼澤相泥巖頂板區是頂板支護的重點部位；分流河道砂巖區尤其是多期分流河道疊置區是未來礦井防治水以及探放水的重點區域，其次是分流河道與天然堤疊置區域。

[1] 葛道凱，楊起，李寶芳. 沉積環境對煤系巖石強度的影響[J]. 煤田地質與勘探，1993，21(1)：5–11. GE Daokai，YANG Qi，LI Baofang. The effect of depositional environments on the strength of rocks in coal measures[J]. Coal Geology & Exploration，1993，21(1)：5–11.

[2] 劉洪濤，樊龍，宋高峰，等. 巷道頂板巖層沉積穩定性分析[J]. 煤礦開采，2012，17(2)：54–56. LIU Hongtao，FAN Long，SONG Gaofeng，et al. Analysis of sediment stability of roof strata in roadway[J]. Coal Mining Technology，2012，17(2)：54–56.

[3] 郭志飚，王炯，鄧小衛，等. 深部軟巖巷道圍巖吸水后抗壓強度變化規律研究[J]. 煤炭科學技術，2015，43(3)：40–42. GUO Zhibiao，WANG Jiong，DENG Xiaowei，et al. Study on compressive strength change law of surrounding rock after water absorption in mine deep soft rock roadway[J]. Coal Science and Technology，2015，43(3)：40–42.

[4] 孟召平，彭蘇萍，傅繼彤. 含煤巖系巖石力學性質控制因素探討[J]. 巖石力學與工程學報，2002，21(1)：102–106. MENG Zhaoping，PENG Suping，FU Jitong. Study on control factors of rock mechanics properties of coal bearing formation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(1)：102–106.

[5] 孟召平，彭蘇萍. 煤系泥巖組分特征及其對巖石力學性質的影響[J]. 煤田地質與勘探，2004，32(2)：14–16. MENG Zhaoping，PENG Suping. Mudstone composition of coal measures and its influence on the mechanical properties[J]. Coal Geology & Exploration，2004，32(2)：14–16.

[6] 孟召平，彭蘇萍，屈洪亮，等. 煤層頂底板巖石成分和結構與其力學性質的關系[J]. 巖石力學與工程學報，2000，19(2)：136–139. MENG Zhaoping，PENG Suping，QU Hongliang，et al. Relationship between composition and texture of sedimentary rock and its mechanical properties in the roof and floor[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19(2)：136–139.

[7] 孟召平，陸鵬慶，賀小黑. 沉積結構面及其對巖體力學性質的影響[J]. 煤田地質與勘探，2009，37(1)：33–38. MENG Zhaoping，LU Pengqing，HE Xiaohei. Depositional structure planes and their influence on the mechanical properties of sedimentary rock mass[J]. Coal Geology & Exploration，2009，37(1)：33–38.

[8] 王東東，邵龍義，李智學，等. 鄂爾多斯盆地延安組層序地層格架與煤層形成[J]. 吉林大學學報(地球科學版)，2013，43(6)：1726–1739. WANG Dongdong，SHAO Longyi，LI Zhixue，et al. Sequence stratigraphic framework and coal formation of Yan’an Formation in Ordos basin[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition)，2013，43(6)：1726–1739.

[9] 王雙明. 鄂爾多斯盆地構造演化和構造控煤作用[J]. 地質通報，2011，30(4)：544–552. WANG Shuangming. Tectonic evolution of the basin and Ordos basin coal controlling structures[J]. Geological Bulletin，2011，30(4)：544–552.

[10] 王海軍. 關于煤層頂板劃分中巖性及厚度取值的探討[J]. 能源與環保，2017，39(1)：86–89. WANG Haijun. Discuss on division of lithology and thickness values of coal roof[J]. China Energy and Environmental Protection，2017，39(1)：86–89.

[11] 王海軍. 永隴礦區LYL井田2號煤層頂板沉積環境及其穩定性評價[J]. 煤田地質與勘探，2016，44(6)：38–44. WANG Haijun. Sedimentary environment and stability evaluation of seam roof of No.2 seam in LYL coal mine of Yonglong coal field[J]. Coal Geology & Exploration，2016，44(6)：38–44.

[12] 王海軍. 煤層頂板沉積環境對其穩定性影響研究[J]. 煤炭科學技術，2017，45(2)：178–184. WANG Haijun. Study on impact of sedimentary environment to stability of seam roof[J]. Coal Science and Technology，2017，45(2)：178–184.

Study on sediment environment and rock mechanics characteristics of the delta plain of Jurassic coalfield in northern Shaanxi

WANG Haijun1,2,3, MA Liang1

(1.Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an710077, China; 2. Department of Geology & State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China; 3.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Delta plain sedimentary environment is one of the coal-forming environments of the coal resources of Jurassic coalfield in northern Shaanxi. In order to get the rock mechanics parameters and characteristics of coal seam roof in different environments and to further investigate the relationship between the sedimentary environments and the rock mechanics characteristics, firstly from the analysis of the regional sedimentary environments, then by using techniques such as accurate core description, sedimentary structural analysis, facies analysis of geophysical logging, the microfacies were recognized, the sedimentary microfacies types of roof and their combination characteristics were classified. Later, rock samples of different lithology at different position were collected by layer, tested and analyzed. Finally, the rock mechanics characteristics of different microfacies of seam roof were analyzes comprehensively. The results show that sedimentary environment not only controlled coal seam roof lithologic distribution but also controlled the rock mechanics parameters and the distribution of water yield properties of aquifer.Direct roof of coal seam in the study area dominated by mudstone and silty mudstone, was formed in the delta plain sub-facies of swamps, locally siltstone and fine-grained sandstone were formed in shunt rivers and natural embankment microfacies. The basic roof lithology is dominated by medium and fine-grained sandstone formed in the branch river and onshore natural levee sedimentary microfacies,coal seam roof stability is medium,the main roof sandstone aquifer is the major risk for mine production in the future, among them, lake and swamp mudstone roof area is the key part of roof support, multi-stage distributary channel sandstone overlapping top plate area is the key area for mine water prevention and drainage in the future.

coal seam roof; rock mechanics characteristic; core test; engineering geological record; sedimentary environment；Jurassic coalfield in northern Shaanxi

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2013XAYQN002)；National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-001)

王海軍，1985年生，男，陜西榆林人，助理研究員，從事煤田地質勘探工作. E-mail：wanghaijun10000@163.com

王海軍，馬良. 陜北侏羅紀煤田三角洲平原沉積環境及其巖石力學特征[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：61–69.

WANG Haijun，MA Liang. Study on sediment environment and rock mechanics characteristics of the delta plain of Jurassic coalfield in northern Shaanxi[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：61–69.

1001-1986(2019)03-0061-09

P642.3

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.011

2018-05-30

中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(2013XAYQN002)；國家科技重大專項任務(2016ZX05045-002-001)

(責任編輯 范章群)