郭家灘井田侏羅組沉積特征及控煤因素

張東峰，趙金花

(陜西省煤田地質(zhì)局一八五隊(duì)，陜西 榆林 719000)

0 引言

郭家灘井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)的南部，是榆神礦區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)礦井，行政區(qū)劃隸屬榆林市榆陽(yáng)區(qū)孟家灣鎮(zhèn)及神木縣大保當(dāng)鎮(zhèn)管轄。井田東南距榆林市區(qū)直距約30 km，東西寬9.4 km，南北長(zhǎng)21.0 km，面積197.85 km2。井田地處鄂爾多斯盆地中部次級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡中北部。本區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，整體為一向北西緩傾、平均傾角小于1°的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育有小型寬緩的波狀起伏，未發(fā)現(xiàn)巖漿活動(dòng)。本勘查區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡(jiǎn)單構(gòu)造類型，關(guān)于該類型的煤炭勘探，前人已有眾多研究手段可供借鑒[1-4]。

1 勘查區(qū)含煤地層概況

勘查區(qū)含煤地層主要為侏羅系中統(tǒng)延安組地層，其次在侏羅系下統(tǒng)富縣組頂部也發(fā)現(xiàn)f-1煤層[1]。侏羅系中統(tǒng)延安組為本區(qū)的主要含煤地層，根據(jù)沉積旋回、巖煤組合特征及物性特征[5-6]，將其劃分為5段，自下而上編為一至五段，各段在垂向上層序清晰，每段各含一個(gè)煤組，自上而下依次為1～5#煤組。延安組各段的分界，是在各巖段主要聚煤作用結(jié)束之處，主要煤層位于旋回頂部。各段特征自下而上分述如下。

1.1 延安組第一段

該段自延安組底部至5-2煤層頂面，含5#煤組。段厚49.31～99.84 m，平均厚度70.17 m。在GK11-1孔一帶沉積厚度最大，厚度總體變化趨勢(shì)為南薄北厚。與下伏地層呈平行不整合接觸。下部巖性多以灰-灰白色中粒長(zhǎng)石石英砂巖為主，其次為粗粒、細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，局部夾粉砂巖。具交錯(cuò)層理、塊狀層理。中部巖性以灰色粉砂巖為主，夾細(xì)粒砂巖、泥巖及薄煤層，上部灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及灰白色中細(xì)粒砂巖的互層為主，含菱鐵礦結(jié)核，局部夾厚層-中層狀灰白色中、粗粒長(zhǎng)石石英砂巖。

1.2 延安組第二段

本段自5-2煤層頂板至4-1煤層頂面，含4#煤組，段厚42.02～86.33 m，平均67.25 m。在GK4-1孔一帶沉積厚度最大，厚度總體變化趨勢(shì)由東北向西南逐漸減薄。本段可劃分為C、D、E等3個(gè)亞段，C亞段下部巖性以厚層狀灰白色中細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，次為灰色粉砂巖，具交錯(cuò)層理、均勻?qū)永怼Ｉ喜繋r性主要以深灰色粉砂巖及泥巖為主，夾薄層細(xì)粒砂巖及炭質(zhì)泥巖和薄煤層，4-4煤層賦存于該亞段頂部；D亞段中下部以灰白色中細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，局部地段以深灰色粉砂巖為主夾泥巖。上部以深灰色粉砂巖及泥巖為主，夾淺灰色細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖及薄層炭質(zhì)泥巖，4-3煤層賦存于該亞段頂部；E亞段底部巖性以深灰色粉砂巖、泥巖為主，夾薄煤、炭質(zhì)泥巖及泥灰?guī)r透鏡體，含菱鐵礦結(jié)核。中部及下部以厚層狀灰白色中-細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主。上部以深灰色粉砂巖、泥巖為主，夾較多煤線，發(fā)育微波狀層理、小型交錯(cuò)層理、均勻?qū)永怼?-2煤層賦存于該亞段上部，4-1煤層位于其頂部。

1.3 延安組第三段

該段自4-1煤層頂板至3-1煤層頂面，含3#煤組。段厚21.94～54.88 m，平均厚度35.62 m。在北部的GK5-1號(hào)孔附近沉積厚度較大，厚度總體由北向西南厚度逐漸變薄。巖性以灰色、深灰色粉砂巖和細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，局部夾泥巖、泥灰?guī)r透鏡體、炭質(zhì)泥巖及薄煤層，含菱鐵礦結(jié)核，發(fā)育微波狀層理、小型交錯(cuò)層理及水平層理，是延安組中最穩(wěn)定的一段。3-1煤層位于其頂端。在3-1煤層下5 m左右有一層位穩(wěn)定、厚約0.2～0.35 m的薄煤層與之相伴，是3-1煤層對(duì)比的輔助標(biāo)志層。

1.4 延安組第四段

該段自3-1煤層頂板至2-2煤層頂面，含2#煤組。段厚39.33～66.61 m，平均厚度46.36 m。井田西南部受同期小型河道沖刷剝蝕頂部小部分地層缺失，在南部的JB14號(hào)孔附近沉積厚度較大，厚度總體由中部向四周逐漸變厚。本段為單一旋回結(jié)構(gòu)，下部巖性主要以灰色、深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主；中部以厚層狀灰白色細(xì)粒、中粒或粗粒長(zhǎng)石石英砂巖為主；上部主要為灰色、深灰色粉砂巖及泥巖。發(fā)育有波狀層理、小型交錯(cuò)層理、水平層理及均勻?qū)永怼?/p>

1.5 延安組第五段

該段自2-2煤層頂板至煤系地層頂界。段厚0.62～90.54 m，平均厚度47.63 m。因遭受直羅河不同程度沖刷，厚度變化較大，該段地層在區(qū)內(nèi)西部受沖刷到西南僅存不到1 m厚度，厚度總體變化趨勢(shì)由東北向西南逐漸變薄。巖性復(fù)雜，規(guī)律性不明顯。下部以灰色粉砂巖為主，次為灰白色中、細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，局部為粗粒長(zhǎng)石石英砂巖，中部以灰白色長(zhǎng)石雜砂巖為主，具交錯(cuò)層理；上部灰白色中細(xì)粒及中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖為主，次為灰色粉砂巖、礫巖及深色泥巖，局部夾煤線，1#煤組。

2 沉積環(huán)境分析

通過(guò)對(duì)勘查區(qū)野外地質(zhì)剖面和巖心進(jìn)行沉積學(xué)分析，在勘查區(qū)延安組一至五段沉積體系為前積型湖泊三角洲相沉積、淺水湖灣相沉積、淺水三角洲相沉積、三角洲前緣或湖灣相沉積、三角洲前積相沉積、三角洲前緣與平原過(guò)渡相沉積、河流三角洲平原相，如圖1所示。

圖1 勘查區(qū)沉積相柱狀圖

2.1 前積型湖泊三角洲相沉積、淺水湖灣相沉積

延安組第一段與下伏富縣組地層呈平行不整合接觸，屬于前積型淺湖三角洲相沉積、淺水湖灣相沉積。自下而上可劃分為3個(gè)亞旋回Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3。

Ⅰ1、Ⅰ2旋回為典型前積型湖泊三角洲沉積，巖性總體呈下粗上細(xì)正粒序，具交錯(cuò)層理、塊狀層理。上部具波狀層理及小型交錯(cuò)層理，5-3煤層、5-4煤層賦存于各自旋回的頂部；Ⅰ3旋回為淺水湖灣沉積，在部分地段發(fā)育有總體呈先反后正的復(fù)合粒序，含菱鐵礦結(jié)核，5-2煤層賦存于該旋回頂部。

在富縣組沉積后期，經(jīng)過(guò)短暫的地面抬升遭受剝蝕，延安組第一段繼承了富縣組的沉積格局，此后經(jīng)歷了3次沼澤化成煤階段，在勘查區(qū)內(nèi)形成了5-2、5-3、5-4煤。煤巖類型5-2煤層以半暗煤為主，次為半亮煤，5-3、5-4煤層以暗淡煤為主，部分半亮煤和半暗煤。條痕褐黑色，弱瀝青-瀝青光澤，貝殼狀、階梯狀、參差狀斷口；內(nèi)生裂隙不甚發(fā)育，裂隙被方解石脈或黃鐵礦薄膜填充。

2.2 淺水三角洲相沉積

延安組第二段屬于淺水三角洲相沉積，該段分為4個(gè)亞旋回Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4。本段厚42.02～86.33 m，平均67.25 m。在GK4-1孔一帶沉積厚度最大，厚度總體變化趨勢(shì)由東北向西南逐漸減薄。本段各亞層呈先反后正的復(fù)合粒序，顯示淺水三角洲沉積特征。煤巖類型多為半亮煤、半暗煤。受湖水波浪作用影響小，沒(méi)有明顯的濱湖沉積物，通常為具有微波狀層理。在各旋回的頂部發(fā)育賦存有4#煤組4-1、4-2、4-3、4-4。

2.3 三角洲前緣或湖灣相沉積

延安組第三段屬于三角洲前緣或湖灣相沉積，該段自4-1煤層頂板至3-1煤層頂面，含3#煤組。段厚21.94～54.88 m，平均厚度35.62 m。在北部的GK5-1號(hào)孔附近沉積厚度較大，厚度總體由北向西南厚度逐漸變薄。本段為單一旋回結(jié)構(gòu)，為三角洲前緣或湖灣沉積，巖性以灰色、深灰色粉砂巖和細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖為主，局部夾泥巖、泥灰?guī)r透鏡體、炭質(zhì)泥巖及薄煤層，含菱鐵礦結(jié)核，發(fā)育微波狀層理、小型交錯(cuò)層理及水平層理，是延安組中最穩(wěn)定的一段。3-1煤層位于其頂端。在3-1煤層下5 m左右有一層位穩(wěn)定、厚約0.2～0.35 m的薄煤層與之相伴，是3-1煤層對(duì)比的輔助標(biāo)志層。

2.4 三角洲前積相沉積

該段自3-1煤層頂板至2-2層頂面，含2#煤組。段厚39.33～66.61 m，平均厚度46.36 m。井田西南部受同期小型河道沖刷剝蝕頂部小部分地層缺失，在南部的JB14號(hào)孔附近沉積厚度較大，厚度總體由中部向四周逐漸變厚。本段為單一旋回結(jié)構(gòu)，屬典型三角洲前積相序，下部巖性主要以灰色、深灰色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主；中部以厚層狀灰白色細(xì)粒、中粒或粗粒長(zhǎng)石石英砂巖為主；上部主要為灰色、深灰色粉砂巖及泥巖。發(fā)育有波狀層理、小型交錯(cuò)層理、水平層理及均勻?qū)永怼ｍ敳克?-2、2-2中及2-2下煤層為主要可采煤層。在井田西南部因泥炭田中發(fā)育有同期小型河道沖刷剝蝕使煤層變薄至缺失。

2.5 延安組第五段

該段自2-2煤層頂板至煤系地層頂界。段厚0.62～90.54 m，平均厚度47.63 m。因遭受直羅河不同程度沖刷，厚度變化較大，該段地層在區(qū)內(nèi)西部受沖刷到西南僅存不到1 m厚度，厚度總體變化趨勢(shì)由東北向西南逐漸變薄。本段處于三角洲前緣與平原過(guò)渡地帶，巖性復(fù)雜，規(guī)律性不明顯。下部以灰色粉砂巖為主，次為灰白色中、細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，局部為粗粒長(zhǎng)石石英砂巖，表現(xiàn)出三角洲口壩的沉積特點(diǎn)，中部以灰白色長(zhǎng)石雜砂巖為主，具交錯(cuò)層理；上部為三角洲平原沉積，以分流河道中形成的灰白色中細(xì)粒及中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖為主，次為灰色粉砂巖、礫巖及深色泥巖，局部夾煤線。含1#煤組，1-2和1-1煤層位于其中上部。

3 主要煤層發(fā)育特征及控制因素分析

3.1 主要煤層發(fā)育特征

通過(guò)對(duì)郭家灘勘查區(qū)延安組沉積環(huán)境的分析，5#煤組形成于前積型湖泊三角洲相沉積、淺水湖灣相沉積體系，為全區(qū)可采煤層，其中5-4煤層局部可采，層位不穩(wěn)定；5-3煤層全區(qū)可采，層位穩(wěn)定；5-2煤層大部可采，層位穩(wěn)定。4#煤組形成于淺水三角洲相沉積體系，4-2煤層大部可采，層位穩(wěn)定；4-3煤層全區(qū)可采，層位穩(wěn)定；4-4煤層大部可采，層位不穩(wěn)定。3#煤組形成于三角洲前緣或湖灣相沉積體系，全區(qū)可采，層位穩(wěn)定。2#煤組形成于三角洲前積相沉積體系，形成分岔煤層，2-2煤層在分岔區(qū)缺失，在復(fù)合區(qū)層位穩(wěn)定，大部可采；2-2中、2-2下在分岔區(qū)全區(qū)可采層位穩(wěn)定。勘查區(qū)內(nèi)可采及局部可采煤層特征見表1。

表1 可采及局部可采煤層特征

主要煤層的形成除了受沉積環(huán)境影響外，還受到后期構(gòu)造因素和沖刷作用等因素的影響。其中5-4煤層還受到構(gòu)造因素的影響，受富縣組填平補(bǔ)齊作用的影響。2-2煤層還明顯受到直羅期河流沖刷作用的影響及不均勻沉降影響嚴(yán)重，在分岔區(qū)剝蝕殆盡。

3.2 煤層厚度控制因素分析

沉積因素對(duì)煤層的影響：①5-4煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸。該煤層厚度變化情況是：沿煤層沿走向長(zhǎng)條形展布于勘查區(qū)東北部，沿煤層傾向厚度由厚變薄，最厚處位于K2-1孔，如圖2所示，煤層主要受沉積因素影響，可采邊界不規(guī)則，可采區(qū)東北部厚，南部薄，規(guī)律較明顯。而煤層沉積厚度相對(duì)較薄的地段，底板標(biāo)高值大，顯示煤層是在富縣組填平補(bǔ)齊的基礎(chǔ)上，煤層厚度與底板巖石標(biāo)高存在互為消長(zhǎng)的關(guān)系，屬原生沉積所致；②5-3煤層層位穩(wěn)定，在5-4煤沉積形成后，勘查區(qū)發(fā)生大面積的水位上升，形成了高水位沉積，此后形成全區(qū)可采的5-3煤層，該煤層厚度變化較小，可采區(qū)總體呈由北向南、由東向西逐漸增厚，規(guī)律較明顯以中厚煤層為主，次為薄煤層，局部厚煤層；一般不含矸，局部含1層，個(gè)別含3層(圖3)；③5-2煤層厚度變化較小，可采區(qū)總體呈由南向北、由西向東逐漸增厚，規(guī)律明顯。屬薄-中厚煤層，以中厚煤層為主；厚度變化較小，變化規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-較復(fù)雜；煤類單一，為不粘煤，煤質(zhì)變化小，大部可采，屬穩(wěn)定型煤層(圖4)；④4-4煤層勘查區(qū)賦存(圖5)，可采區(qū)位于井田中部偏西南，不規(guī)則狀，大部分含1層夾矸，個(gè)別含2層夾矸，該煤層厚度變化較小，可采邊界不規(guī)則，可采區(qū)總體南部薄，北部厚，規(guī)律較明顯。厚度變化較小，變化規(guī)律較明顯，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；煤類單一，以不粘煤為主，次為長(zhǎng)焰煤基，煤質(zhì)變化小，大部可采，屬較穩(wěn)定型煤層；⑤4-3煤層全區(qū)可采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該煤層厚度變化較小，屬薄-中厚煤層，以中厚煤層為主，屬穩(wěn)定型煤層。總體呈由南向北、由西向東逐漸增厚，規(guī)律明顯(圖6)；⑥4-2煤層除井田東北角外其余地段均賦存，可采區(qū)位于井田中部偏東北部，屬薄-中厚煤層以薄煤層為主，一般不含夾矸，局部含1層夾矸，煤層厚度變化較小，總體呈由西向東逐漸增厚，規(guī)律明顯。大部可采，屬穩(wěn)定型煤層(圖7)；⑦3-1煤層為井田內(nèi)主要可采煤層之一，全區(qū)可采，中厚煤層；局部含1層夾矸，個(gè)別含2層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；該煤層厚度變化較小，全區(qū)可采，總體呈由西向東逐漸增厚，規(guī)律明顯，屬穩(wěn)定型煤層(圖8)；⑧2-2煤層在井田西南部因受同期河道沖刷剝蝕使煤層不可采至缺失。可采區(qū)位于井田北部，可采厚度變化較大，總體呈由西向東、由南向北逐漸變厚，規(guī)律明顯(圖9)。可采邊界不規(guī)則，屬薄-厚煤層，以厚煤層為主，由于煤層分岔、遭受同期河流沖刷剝蝕厚度變化較大，但變化規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤類單一，以不粘煤為主，次為長(zhǎng)焰煤，煤質(zhì)變化小，大部可采，屬穩(wěn)定型煤層。2-2中煤層是2-2煤層的分岔煤層，可采區(qū)位于井田中部偏北，呈條帶狀，該煤層在賦存區(qū)以南因沉積變薄至不可采，厚度有一定的變化，但規(guī)律明顯，總體呈由東北向西南變薄的趨勢(shì)，屬穩(wěn)定型煤層(圖10)。2-2下煤層是2-2煤層的下分層，賦存區(qū)大部分可采，可采區(qū)厚度變化較小，總體呈由西向東、由南向北逐漸變厚，規(guī)律較明顯，大部可采，屬穩(wěn)定型煤層(圖11)。

圖2 5-4煤層厚度等值線圖

圖3 5-3煤層厚度等值線圖

圖4 5-2煤層厚度等值線圖

圖5 4-4煤層厚度等值線圖

圖6 4-3煤層厚度等值線圖

圖7 4-2煤層厚度等值線圖

圖8 3-1煤層厚度等值線圖

圖9 2-2煤層厚度等值線圖

圖10 2-2中煤層厚度等值線圖

圖11 2-2下煤層厚度等值線圖

構(gòu)造因素對(duì)煤層的影響：勘查區(qū)地處鄂爾多斯盆地中部次級(jí)構(gòu)造單元陜北斜坡中北部本區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，整體為一向北西緩傾、平均傾角小于1°的單斜構(gòu)造。其上發(fā)育有小型寬緩的波狀起伏，未發(fā)現(xiàn)巖漿活動(dòng)，本區(qū)屬簡(jiǎn)單構(gòu)造類型。各煤層底板總體呈由北西向南東逐漸增高的趨勢(shì)，平均傾角0.5°，煤層較平緩。各煤層底板等高線圖中均有波狀起伏的構(gòu)造形態(tài)，說(shuō)明了該構(gòu)造形態(tài)與含煤地層沉積基底密切相關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

郭家灘勘查區(qū)延安組一至五段沉積體系為前積型湖泊三角洲相沉積、淺水湖灣相沉積、淺水三角洲相沉積、三角洲前緣或湖灣相沉積、三角洲前積相沉積、三角洲前緣與平原過(guò)渡相沉積、河流三角洲平原相。其中5#煤組形成于前積型湖泊三角洲相沉積、淺水湖灣相沉積體系；4#煤組形成于淺水三角洲相沉積體系；3#煤層三角洲前緣或湖灣相沉積體系；2#煤組形成于三角洲前積相沉積體系；1#煤組形成于三角洲前緣與平原過(guò)渡相沉積、河流三角洲平原沉積體系。

各煤組煤層不僅受沉積環(huán)境的影響，還受到后期構(gòu)造和砂體沖刷的影響，其中2#煤組受到不均勻沉降及直羅期古河流沖刷作用，煤層分叉，剝蝕嚴(yán)重，勘查區(qū)西部基本上2-2煤層全部剝蝕殆盡，同時(shí)各煤層底板均為走向北北東，傾向北西西，顯示了自富縣組填平補(bǔ)齊的繼承性沉積，反映了湖泊水位上升下降，水位的進(jìn)退的結(jié)果。