斜溝煤礦煤層缺失區古地理成因解析

王長征

(山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602)

引 言

斜溝煤礦18511工作面設計在15采區8#煤層中，設計可采走向長3 570.4 m，傾斜長247.1 m～279.7 m，面積993 228.5 m2，預計可采儲量約463萬t。18511材料巷盲巷掘進期間“有掘必探”鉆探共施工113個探測鉆孔，其中有38個鉆孔打通疑似小窯空巷，根據鉆探結果圈出5處異常區域，4處位于18511材料巷盲巷東側約15.7 m～22.6 m，上幫鉆孔無水，1處位于18511材料巷盲巷反掘方向，距離18511材料巷盲巷最近約2 m，鉆孔有少量出水(單孔初始水量最大約5 m3/h)，現已均無水流出，后對該異常區施工了探巷驗證，但未發現采空異常情況并及時對該探巷進行封堵。為確保安全生產，將18511材料巷往西平移20 m，重新施工18511材料巷，不僅造成報廢巷道及封堵工程費用浪費，還對安全生產留下隱患。更改設計后18511材料巷現已掘進992 m，掘進過程中頂板有淋水現象，所施工鉆孔僅個別頂板孔出水，最大出水量為28 m3/h，經水質化驗結果對比本礦區水質類型，判斷為砂巖裂隙水，巷道掘進至925 m處遇地質及水文地質異常現象，巷道在煤層缺失區掘進。

1 區域構造及煤巖特征

該地區大地構造位置處于鄂爾多斯斷塊東緣，興縣石樓南北向褶皺帶的北部，鄂爾多斯盆地在天山-陰山、昆侖-秦嶺緯向構造和賀蘭山-呂梁山-太行山山字型經向構造的控制范圍內。斜溝井田位于呂梁山隆起北部之西翼與鄂爾多斯盆地東部邊緣的交接部位，屬于鄂爾多斯盆地沉積邊緣的一部分，總體為一走向近南北傾向西的單斜構造，傾角6°～16°，局部為20°，斷裂少見，在區域的西部有九元坪-楊家塔背斜和九元坪向斜。區域地層由老至新為:古生界奧陶系中統，石炭系中統、上統，二疊系下統、上統；中生界三疊系下統、中統；新生界第三系、第四系。15采區位于斜溝井田東北部，18511材料巷在15采區區二疊系下統山西組(P1s)下部中掘進，根據已有煤巖層資料預計：設計范圍內煤層總厚0.80 m～4.06 m，平均煤厚3.91 m，煤層傾角7.4°～8.6°平均7.9°；直接頂為泥巖，厚度7.58 m～10.49 m，平均9.01 m；老頂為粗粒砂巖，厚度12.30 m～14.83 m，平均13.98 m；直接底為砂質泥巖，厚度0 m～1.57 m，平均0.53 m；老底為中細粒砂巖，厚度1.20 m～10.88 m，平均6.19 m。工作面地表為黃土梁、峁，地形起伏較大，山坡較陡，被巨厚層黃土覆蓋。工作面蓋山厚度：41 m～205 m。

2 巷道揭露煤巖層觀測

18511材料巷開口至925 m段煤層穩定，煤層總厚4.0 m～5.3 m，自南向北整體呈遞減趨勢，局部稍有逆向變化。

22#點北21 m全煤厚3.0 m,頂板下沉，巷道割頂板灰黃色泥巖1.5 m。22#點北27 m全煤厚1.85 m,巷高3.7 m,自上而下為：①0.9 m灰色含礫粗砂巖，泥質膠結、砂礫棱角分明、偶見煤巖碎屑、受風化疏松易碎；②0.5 m黑灰色泥炭與泥質條帶互層，層理清晰，松軟；③0.4 m黑色煤層，含植物根莖化石；0.2 m灰色泥巖，泥質結構；④1.25 m黑色煤層，偶見植物根莖化石；⑤0.45 m灰色泥質粉砂巖，泥質結構。

22#點北43 m上幫煤厚0.3 m,下幫煤厚1.0 m，巷高3.9 m,自上而下為：①1.5 m黑灰色泥炭與泥質條帶互層，層理清晰，松軟；②0.3 m黑色煤層，煤質較差，呈泥炭狀，含植物根莖化石；③0.5 m灰色泥巖，泥質結構；④1.6 m灰黑色泥巖，質軟；

22#點北53 m煤厚0.3 m，巷高4.0 m,自上而下為：①1.5 m黑灰色泥炭煤與泥質條帶互層，層理清晰，松軟；②0.3 m黑色煤層，煤質較差，呈煤泥狀；③0.6 m灰色泥巖，泥質結構；④1.6 m灰黑色泥巖；下覆0.4 m灰色粉砂巖(探測)；

3 古地理成因解析論證

18511材料巷盲巷鉆孔打通疑似小窯空巷后對該異常區施工了探巷驗證，但未發現采空異常至今不明的原因：18511材料巷盲巷東側可能存在類似的煤層缺失帶，沉積泥巖層質軟疏松，鉆機鉆進過程中所需給進壓力極小導致誤判空穿；若18511材料巷盲巷東側存在采空區，采空區距大氣降水補給區較近必會儲水，西側我礦巷道未掘進前屬實煤區除頂底板砂巖層孔隙泄水外不具備泄水條件，鉆孔打通采空區無水的可能性很小，且水質類型定有明顯變化。但與現揭露的煤層缺失帶是否相連并不確定。

鉆孔有少量出水(單孔初始水量最大約5 m3/h)，現已均無水流出的原因：18511材料巷盲巷掘進前該區含水層均未揭露，掘進期間巷道頂板淋水屬正常現象，單孔水量5 m3/h僅為鉆孔少半孔的出水量，初步可判斷為砂巖含水層水，砂巖裂隙孔隙水以靜儲量為主，待鉆孔疏放完畢后僅為影響范圍內的正常補給水量，不會形成水流。

煤層缺失的成因：

奧陶系中統上馬家溝組O2s、峰峰組O2f主要巖性為白云質灰巖、泥灰巖和灰白色白云質灰巖、泥晶灰巖，根據所沉積巖層可推斷奧陶紀時期該區為深海環境，所沉積巖層均為生物化學沉積；石炭系中統本溪組C2b與下覆奧陶系中統峰峰組O2f呈假整合接觸，存在長時期沉積間斷，奧陶紀晚期海水退去地殼上升為陸地，本溪組C2b主要巖性為粉砂巖、粘土巖泥巖、灰巖、鋁土礦、煤線，根據所沉積巖層可推斷該時期該區為濱淺海過渡相靜水環境，所沉積巖層均為遠離陸源區的泥質沉積；石炭系上統太原組C3t主要巖性為砂巖、泥巖、粘土巖、灰巖、煤層，根據所沉積巖層可推斷該時期該區為濱海相環境，海侵海退輪回，成煤時期為濱海環境，灰巖沉積時期為淺海環境；二疊系下統山西組P1s主要巖性為砂巖、砂質泥巖、粘土巖、灰巖、煤層，根據所沉積巖層可推斷該時期該區為海陸過渡環境。18511材料巷在二疊系下統山西組(P1s)下部8#煤層中掘進，8#煤層沉積時期為海陸交替環境。縱觀上述地質歷史整體為海洋衰退陸地增生的過程[1]。

工作面揭露的泥炭層內細層、紋層層理清晰，砂紋層理、壓扁層理構造，表明物質沉積過程中水動力條件差，基本處于靜水狀態，推斷沉積環境屬水體封閉的湖灣、潟湖等古地理環境；

泥炭層下覆底板同8#煤層正常區段底板相近可進行對比，較煤層正常區段底板砂巖粒徑小，表明底部沉積時該段同全區沉積環境基本相同，水動力條件較全區稍差，直到煤層沉積時期才同全區出現差異；

灰-灰黑色泥炭層較薄而全區煤層較厚表明同時期地殼拗陷過程中所補償的沉積物不同，推測成煤沉積區的物源為木本植物森林沼澤，泥炭層沉積區的物源為草本植物蘆葦沼澤，同時地殼不均勻拗陷繼續接受補償時，草本植物蘆葦遺體補償泥炭層沉積區的物質填充，待上覆頂板巖層沉積后，沉積層重重疊覆，同等厚度的沉積物質受上覆巖層的壓力成煤過程中木本植物森林壓縮量小而草本植物蘆葦壓縮量大，形成較厚的煤層和較薄的泥炭層[2]。

22#點北20 m全煤厚4.4 m,22#點北21 m全煤厚3.0 m,頂板下沉，巷道割頂板灰黃色泥巖1.5 m，22#點北27 m全煤厚1.85 m,22#點北43 m上幫煤厚0.3 m,下幫煤厚1.0 m，0.3 m黑色煤層，煤質較差，呈泥炭狀，含植物根莖化石，22#點北53 m煤厚0.3 m，0.3 m黑色煤層，煤質較差，呈煤泥狀的漸變過程，表明該段33 m為沉積環境過渡區，近煤層沉積區木本植物森林占據物源的主導，近泥炭層沉積區草本植物蘆葦占據物源的主導，導致煤厚呈現出由厚變薄的漸變特征，而上幫煤較下幫薄表明兩種沉積環境邊緣的走向大致呈北-北西向。

仔細分析22#點北27 m全煤厚1.85 m，煤層上覆0.9 m灰色含礫粗砂巖，泥質膠結、砂礫棱角分明、偶見煤巖碎屑、受風化疏松易碎；該層粗砂巖代表泥炭層沉積區的一次復水，濱海區遇豐水期水流泛濫搬運至此沉積下來，豐水期水流泛濫過后含礫粗砂物質出露地表遭受風化，隨著后期的沉積蓋層超覆保留下來形成受風化疏松易碎的含礫粗砂巖。此處蓋山厚度約80 m，基巖蓋層厚40 m以上，而我國北方地區基巖風化深度一般為20 m～30 m，故該層含礫粗砂巖并非二疊紀以后風化所致。

觀測點13-觀測點15段灰黑色泥炭層中相間賦存的灰色泥質條帶可與煤層中夾矸相對比，成巖過程中該區段泥質物源與草本植物蘆葦遺體接觸壓實的過程中得到的碳含量遠不及煤層沉積區泥質物源與木本植物森林遺體接觸壓實的過程中得到的碳含量，故泥炭層中泥質條帶呈灰色而煤層中夾矸呈灰黑色，同時也說明沉積時間同步而補償物質來源不同[3-4]。

灰色泥炭中夾深灰色碎塊狀薄層似透鏡體泥巖，表明泥炭層沉積區水源補給欠佳，水平面下降后泥質沉積物露水面脫水干化形成泥裂，待水平面上升淹沒后續沉積物超覆賦存下來，3層深灰色碎塊狀薄層似透鏡體泥巖表明泥炭層沉積區水平面上下升降至少3次，這樣的水源不足沉積區很難維持高大的喬灌木、科達等木本植物森林生長需求，只適合草本植物蘆葦等生長，故推斷為復水蘆葦沼澤環境。

泥炭層上覆黃灰白色軟泥為黏土巖，上覆砂巖含水層靠近露頭區，受大氣降水和地表水補給孔隙水順巖層傾向滲流至黏土巖層，黏土巖遇水軟化膨脹含水性，飽水性好，長期滲透補給下覆泥炭層致使工作面泥炭層顯潮濕滲水現象。

4 結論

根據觀測點煤巖層對比分析，多重推測論證古地理解析，反演古地理沉積環境，推斷18511材料巷煤層缺失區段古地理沉積環境為陸地邊緣潟湖復水蘆葦沼澤環境，西側邊界大致呈北-北西向。建議沿西側邊界采用鉆探取芯圈定法查明本區煤層缺失范圍供采掘設計作依據。