新疆準(zhǔn)東盆地芨芨湖西礦區(qū)地質(zhì)特征及開(kāi)采地質(zhì)條件研究

李永高

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 第一勘探局，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

新疆準(zhǔn)東煤田是新疆煤炭資源蘊(yùn)藏量最為豐富的地區(qū)之一，蘊(yùn)藏著3 900億t左右的煤炭?jī)?chǔ)量，且煤質(zhì)優(yōu)良，煤層厚度大，埋深淺，延伸穩(wěn)定，是建設(shè)大型、超大型煤礦山的理想基地。隨著芨芨礦區(qū)煤炭資源勘探程度的不斷提高，煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用將逐步開(kāi)展，本文在收集以往資料的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)礦區(qū)煤層地質(zhì)特征、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)及其開(kāi)采地質(zhì)條件的變化規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)未來(lái)礦井設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和建設(shè)具有重要借鑒意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)為新疆維吾爾自治區(qū)準(zhǔn)東煤田西黑山礦區(qū)總體規(guī)劃區(qū)，位于奇臺(tái)縣城北東57 km，芨芨湖邊檢站以北5～20 km的荒漠戈壁，行政區(qū)劃屬奇臺(tái)縣管轄。研究區(qū)為北西—南東向長(zhǎng)約18 km，南西—北東向?qū)捈s5 km，面積89.7 km2，規(guī)劃生產(chǎn)能力15 Mt/a。處于準(zhǔn)噶爾盆地東緣，地勢(shì)為較平坦的戈壁和低矮的沙丘地，海拔高度650～730 m，相對(duì)高差30～50 m，地勢(shì)總體呈南東高北西低態(tài)勢(shì)。

礦區(qū)地層區(qū)劃屬北疆—興安地層大區(qū)（Ⅰ），北疆地層區(qū)（Ⅰ1），南準(zhǔn)噶爾—北天山地層分區(qū)（Ⅰ13），將軍廟地層小區(qū)（Ⅰ13-4），出露的地層主要有，古生界的石炭系、二迭系，中生界的三迭系、侏羅系，新生界的第三系、第四系。

區(qū)域大地構(gòu)造位置位于準(zhǔn)噶爾地臺(tái)（Ⅰ2）東部，北與東準(zhǔn)噶爾優(yōu)地槽褶皺帶毗鄰，屬準(zhǔn)噶爾槽—臺(tái)過(guò)渡帶（Ⅱ2）的一部分，屬于大井—將軍廟拗陷（Ⅲ4），雙井子—西黑山凸起（Ⅳ4）。研究區(qū)構(gòu)造位于雙井子—西黑山凸起的西黑山背斜和北山煤窯向斜的西傾伏端，中部呈寬緩向斜，為北山煤窯向斜，傾角5°～7°；南部為侏羅系隱蔽露頭區(qū)，北部發(fā)育為次級(jí)的褶皺稱之為西黑山背斜，傾角3°～5°。

2 煤層地質(zhì)特征

2.1 巖性組合及含煤特征

研究區(qū)地層主要為地表覆蓋的第四系、第三系上新統(tǒng)獨(dú)山子組，其下為侏羅系中—上統(tǒng)石樹(shù)溝群，中統(tǒng)西山窯組，下統(tǒng)三工河組、八道灣組，三迭系中—上統(tǒng)小泉溝群，下統(tǒng)上倉(cāng)房溝群，其地層巖性特征詳見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)地層簡(jiǎn)表Table 1 The stratigraphic table of the study area

研究區(qū)煤層主要賦存于侏羅系中統(tǒng)西山窯組，且含煤層數(shù)多，煤層厚度大，地層厚103.80～329.87 m，平均254.22 m，總體呈南厚北薄的變化規(guī)律。巖性以湖沼相為主夾河流三角洲相沉積的灰色—淺灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、中細(xì)砂巖夾粗砂巖、炭質(zhì)泥巖和煤層組成，底部一般為礫巖、含礫粗砂巖。含0.3 m以上的煤層36層，平均煤層總厚64.24 m，含煤系數(shù)為25%。其中可采煤層10層，平均可采總厚61.43 m，平均夾矸總厚2.1 m，含矸率3.31%。依據(jù)其巖性組合、含煤性、化石等賦存規(guī)律分為上下2段。可采煤層在垂向上具有組合分布特征，按煤層之間的分岔、合并關(guān)系可分為4大組合，B6組合；B5、B4＇、B4組合；B3＇、B3組合；B2、B1、B1＇、B0煤層組合（圖1）。

圖1 研究區(qū)煤層組合圖Fig.1 Coal seam combination diagram of the study area

（1）上含煤段（J2x2）含煤特征。

上含煤段地層中大于0.30 m以上的煤層（線）20層，煤層平均總厚18.62 m，該段地層平均厚度116.95 m，含煤系數(shù)為16%。其中含可采煤層6層為B6、B5、B4'、B4、B3'、B3，可采總厚19.08 m。

①上層組合：由B6可采煤層及其上、下不可采煤層組成，其組合特點(diǎn)是以B6煤層為主單獨(dú)成一體系，B6煤層大部可采，沒(méi)有分岔、合并現(xiàn)象，組合地層厚1～12 m，平均6 m，厚度相對(duì)穩(wěn)定，以薄煤層為主，極少含夾矸。

②上中層組合：由B5、B4＇、B4三層全區(qū)—局部可采煤層以及數(shù)層不可采煤層組成，組合地層厚40～60 m，平均55 m。其組合特征是B5、B4＇、B4三層煤之間常有分岔、合并現(xiàn)象，向研究區(qū)北西向延伸趨于合并，合并后煤層厚度增大為特厚煤層。B5煤層相對(duì)穩(wěn)定，全區(qū)可采。B4＇、B4煤層分岔后大致平行相伴。

③中層組合：由B3＇、B3兩層全區(qū)—大部可采煤層及其數(shù)層薄煤組成，組合地層厚10～20 m，平均16 m。其組合的主要特征是，B3＇、B3層煤之間常有分岔、合并現(xiàn)象，B3＇為B3煤層的分岔，于研究區(qū)西南部合并為特厚煤層。

④下層組合：由B2、B1、B1＇、B0可采煤層及其數(shù)層薄煤層組成，組合地層厚80～110 m，平均100 m。其組合特點(diǎn)是B2煤層相對(duì)穩(wěn)定，全區(qū)可采。B1煤層向下分岔出B1＇煤層，再分岔出B0煤層。B2煤層與B1煤層大致平行分布，在研究區(qū)東南部B2煤層有向B1煤層靠近的趨勢(shì)，偶見(jiàn)合并點(diǎn)。B1、B1＇、B0煤層關(guān)系更為密切，在研究區(qū)中部和北部有合并區(qū)域，合并后以巨厚煤層為主。

（2）下含煤段（J2x1）含煤特征。

下含煤段地層中大于0.30 m以上的煤層（線）16層，煤層平均總厚45.62 m，地層平均厚度137.27 m，含煤系數(shù)為33%。含可采煤層B2、B1、B1'、B0四層，煤層可采總厚42.35 m。在垂向上具有組合分布特征，按煤層之間的分岔、合并關(guān)系可分為1大組合。

2.2 聚煤規(guī)律

研究區(qū)是準(zhǔn)東大型盆地一部分，在中侏羅世是以湖泊、沼澤、三角洲相為主的沉積環(huán)境，溫暖潮濕氣候?yàn)橹鳎脖簧L(zhǎng)發(fā)育，為成煤物質(zhì)大量堆積創(chuàng)造有利條件，隨著盆地表現(xiàn)出較為緩慢的沉降，使成煤物資堆積速度與聚煤盆地沉降速度相平衡。西山窯組沉積時(shí)期的聚煤作用時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度大，分布廣，早期地勢(shì)平坦，覆水淺而廣闊，河控三角洲發(fā)育，在廣闊的湖緣，泛濫平原，發(fā)育較穩(wěn)定的泥炭沼澤，形成層數(shù)多、厚度大、穩(wěn)定的煤層。

西山窯組在研究區(qū)沉積初期，發(fā)育辮狀河三角洲相和湖泊相，湖平面處于低位，辮狀河三角洲相河道間河漫沼澤發(fā)育，形成局部可采B0煤層或煤線。進(jìn)入湖侵期湖平面緩慢推進(jìn)抬高，三角洲逐漸過(guò)渡形成濱湖，以研究區(qū)中北部為中心，形成大面積濱湖泥炭沼澤，形成B2、B1、B1'特厚煤層。成煤中后期湖平面緩慢下降進(jìn)入湖退期，湖平面在反復(fù)下降上升的震蕩期，形成以研究區(qū)北部為中心的濱湖泥炭沼澤，沉積形成B5、B4'、B4、B3、B3'中厚或厚煤層。西山窯組沉積末期，湖平面退卻速度加快，但仍處于淺湖和沼澤的交替環(huán)境，在湖平面由下降到上升的轉(zhuǎn)折期，以研究區(qū)中部為中心形成大面積濱湖泥炭沼澤，形成B6煤層。由于河道沖刷作用，B6煤層穩(wěn)定性差、厚度較小。之后隨著湖平面快速上升，成煤作用終止，成煤期結(jié)束，形成以泥巖沉積為主的淺湖相沉積。

研究區(qū)中侏羅世存在多期次有利成煤環(huán)境和聚煤作用，歷經(jīng)多次湖進(jìn)湖退，盆地沉降速度具有不均等周期性。西山窯組沉積時(shí)期，區(qū)內(nèi)基本處于淺湖和沼澤交替環(huán)境，形成多煤層形式。因各時(shí)期湖水深淺不一，淤淺沼澤化時(shí)間不同，造成煤層賦存部位差異，形成煤層層數(shù)多、厚度不均、層間距不穩(wěn)定、有分叉合并特點(diǎn)。

2.3 煤質(zhì)特征

2.3.1 煤巖特征

西山窯組煤層黑色，塊狀，條痕一般呈灰黑—黑褐色，暗淡—瀝青光澤，貝殼狀—參差狀斷口，節(jié)理一般不發(fā)育，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。煤巖組份多以暗煤、絲炭為主，亮煤較少。煤巖類型為半暗煤—暗淡型煤。其顯微組份有機(jī)質(zhì)占92.16%，以惰質(zhì)體為主，鏡質(zhì)體次之，殼質(zhì)體少量。無(wú)機(jī)質(zhì)占7.54%，以粘土類礦物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，呈浸染狀或薄層狀分布。

煤的顯微組份有機(jī)質(zhì)含量較高，煤層頂?shù)装逯泻罅康奶炕参锘槠擅涸嘉镔|(zhì)多為高等植物，成因類型為腐殖煤類。

2.3.2 煤的化學(xué)性質(zhì)

煤層原煤水分平均8.07%，浮煤水分平均6.61%，以中水分煤為主。原煤干燥基灰分平均為13.15%，浮煤干燥基灰分平均為5.19%，以低灰煤為主。原煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分平均35.00%，浮煤揮發(fā)份平均34.26%，均屬中高揮發(fā)份煤。

煤層原煤干燥無(wú)灰基碳元素含量平均80.29%，浮煤干燥無(wú)灰基碳元素含量平均78.53%；原煤氫元素含量平均4.48%，浮煤氫元素含量平均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%；煤中元素含量變化幅度較小，含量較穩(wěn)定。

煤層干燥基全硫含量0.21%～0.41%，平均0.31%，屬于特低硫煤，浮煤全硫含量平均為0.15%，原煤全硫，以有機(jī)硫?yàn)橹鳎浯螢榱蚧F硫，硫酸鹽硫甚少。原煤磷含量平均0.034%，浮煤磷含量平均0.019%，屬特低磷煤。煤中氯含量平均0.048%，屬特低氯煤。原煤中砷含量平均2.079×10-6，浮煤砷含量平均1.39×10-6，為一級(jí)含砷煤。

煤層發(fā)熱量較高，原煤干燥基高位發(fā)熱量平均為26.19 MJ/kg，浮煤發(fā)熱量平均29.24 MJ/kg，均為高熱值煤。

3 開(kāi)采地質(zhì)條件研究

3.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，地勢(shì)為較平坦的戈壁，海拔高度為650～730 m，相對(duì)高差30～50 m，地勢(shì)總體呈南高北低、東高西低寬緩戈壁平地，構(gòu)造類型為簡(jiǎn)單型。區(qū)內(nèi)無(wú)常年性地表水流，除融雪和暴雨季節(jié)外，無(wú)地表水補(bǔ)給。

礦床充水含水層為第三系上新統(tǒng)獨(dú)山子組弱含水層、侏羅系中上統(tǒng)石樹(shù)溝群裂隙孔隙弱含水層、侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙弱含水層。

（1）第三系上新統(tǒng)獨(dú)山子組弱含水層。

區(qū)域內(nèi)廣為分布，不整合于中上侏羅統(tǒng)石樹(shù)溝群之上。由紫紅色、磚紅色的泥巖、含礫泥巖、底部礫巖等巖性組成，厚度3.07～172.82 m，水位0.85～10 m，單位涌水量0.008 1～0.039 9 L/s·m，滲透系數(shù)0.029 8～0.119 0 m/d。

（2）侏羅系中上統(tǒng)石樹(shù)溝群裂隙孔隙弱含水層。

區(qū)內(nèi)局部出露，與下伏西山窯組平行不整合接觸。以灰色、灰綠色為主體夾灰褐色、紫紅色、紫褐色的雜色河湖相沉積，巖性有砂巖、泥巖、粉砂巖，含硅化木，底部為礫巖、砂礫巖。厚14.39～274.61 m，水位0.95～50 m，單位涌水量0.029 9～0.039 9 L/s·m，滲透系數(shù)0.082 7～0.119 0 m/d。

（3）侏羅系中統(tǒng)西山窯組裂隙孔隙弱含水層。

西山窯組是研究區(qū)的主要含煤地層，巖性多為灰色、淺灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖夾中、粗粒砂巖、炭質(zhì)泥巖和煤層，底部多為含礫粗砂巖—礫巖。厚度103.80～329.87 m。單位涌水量0.008 1～0.039 9 L/s·m，滲透系數(shù)0.029 8～0.119 0 m/d。水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na，礦化度3.19～15.0 g/L（表2）。

表2 研究區(qū)地下水水化學(xué)特征Table 2 Hydrochemical characteristics of groundwater in the study area

井田地層富水性較弱，巖石透水性差，地下水徑流不暢。預(yù)測(cè)+200 m水平礦井涌水量為4 700 m3/d，最大涌水量為5 900 m3/d。水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)勘探類型為二類一型。

3.2 工程地質(zhì)條件

3.2.1 工程巖組

（1）松散巖組。主要是第四系松散層，厚度0.85～79.31 m，以松散中粗砂土及礫石為主，無(wú)膠結(jié)，散體結(jié)構(gòu)，屬極不穩(wěn)固型。

（2）軟巖組。由第三系半膠結(jié)狀態(tài)的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、礫巖等組成，厚度3.07～160.43 m，均不同程度的風(fēng)化，巖石結(jié)構(gòu)松散，散體結(jié)構(gòu)（Ⅳ），以Ⅱ、Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面為主，屬極不穩(wěn)固型。

（3）風(fēng)化巖組。為侏羅系淺部風(fēng)化層，深度25～30 m，局部達(dá)50 m。巖石風(fēng)化程度嚴(yán)重，多呈碎塊狀、短柱狀，近散體結(jié)構(gòu)（Ⅳ），屬不穩(wěn)固型。

（4）無(wú)煤巖組。未風(fēng)化的侏羅系中上統(tǒng)石樹(shù)溝群、三工河組地層為無(wú)煤巖組，碎裂結(jié)構(gòu)（Ⅲ），Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育。結(jié)構(gòu)體多為碎屑及形態(tài)不同的巖塊。結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)0.20～0.40，屬不穩(wěn)固型。

（5）含煤巖組。未風(fēng)化的西山窯組，以灰白—暗灰色、淺黃綠色粉砂巖、泥巖夾中細(xì)粒砂巖、礫巖為主，泥質(zhì)或粉砂質(zhì)膠結(jié)。薄層—中厚層狀結(jié)構(gòu)，塊狀、楔狀。Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面為主，結(jié)構(gòu)面摩擦系數(shù)小于0.20。巖石易軟化，坍塌、滑移、壓縮變形均可發(fā)生。

巖體完整性一般為中等完整-完整性差-破碎，巖石質(zhì)量等級(jí)Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ（表3）。

表3 巖體質(zhì)量(M)分級(jí)表Table 3 Rock mass quality(M)classification

3.2.2 巖石穩(wěn)固性

在傾向上各煤層頂?shù)装鍘r性多為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，中粒砂巖及粗粒砂巖少見(jiàn)。其飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度0.6～22.0 MPa，大部分為極軟巖石，少部分為次軟巖石；軟化系數(shù)0.04～0.67，屬易軟化的巖石；抗拉強(qiáng)度0.1～4.0 MPa，強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)面發(fā)育；內(nèi)摩擦角26.1°～40.5°，凝聚力0.99～8.81 MPa，抗剪能力偏低。

在走向上各煤層頂?shù)装鍘r石相變不大，飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度1.03～28.8 MPa，為極軟—次軟巖石，軟化系數(shù)0.16～0.54，極易軟化。抗拉強(qiáng)度0.14～2.0 MPa，強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)面發(fā)育（表4）。

表4 巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果Table 4 Rock physical and mechanical test results

研究區(qū)內(nèi)各煤層的頂?shù)装鍘r石飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度及其它力學(xué)指標(biāo)均較差，頂?shù)装鍘r石穩(wěn)固性屬差，工程地質(zhì)類型為三類二型。

3.3 環(huán)境地質(zhì)條件

研究區(qū)屬大陸干旱荒漠氣候，年溫差和晝夜溫差較大，夏季氣候炎熱，白天氣溫常在40℃左右，冬季氣候嚴(yán)寒，絕對(duì)最低氣溫達(dá)-49.8℃。無(wú)常年性地表水流，亦無(wú)泉點(diǎn)出露，降水量較小，年平均降水量192 mm，最大暴雨量43.4 mm，全年日照3 053 h，年蒸發(fā)量1 595.2～2 410.4 mm，但各季節(jié)降水量分布不均，夏季偶發(fā)暴雨，可形成洪水。冬季積雪稀少，最大積雪深度39 cm，冰凍期5個(gè)半月，凍土最大深度1.36 m，一般凍土深度1.07 m。區(qū)內(nèi)常年多風(fēng)，風(fēng)力一般4～5級(jí)，最大可達(dá)10級(jí)，并伴有強(qiáng)沙塵暴天氣。

區(qū)內(nèi)煤層采后露天堆放時(shí)可發(fā)生飛塵和揚(yáng)塵污染大氣，受雨水淋溶后有害物質(zhì)會(huì)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類水標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)應(yīng)對(duì)礦井水進(jìn)行處理后循環(huán)使用，減少排放量，避免對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成影響。

研究區(qū)地溫正常，無(wú)熱害，煤巖層亦無(wú)放射性異常，礦山環(huán)境地質(zhì)類型為第二類質(zhì)量中等。

3.4 其他地質(zhì)條件

3.4.1 瓦 斯

研究區(qū)主要煤層煤中瓦斯含量為0.051～0.93 mL/g，平均為0.351 mL/g，成分以氮?dú)鉃橹鳎?1.55～96.32%，平均89.31%，甲烷含量0.0～9.69%，平均6.18%、二氧化碳含量很低為3.68～5.87%，平均4.51%。大部分屬于二氧化碳—氮?dú)鈳А⒌獨(dú)狻託鈳А?/p>

3.4.2 煤塵爆炸性

各煤層的火焰長(zhǎng)度在100～＞400 mm，撲滅火焰所需的巖粉量在78.75%～83.75%，煤塵均具有爆炸性。

3.4.3 煤的自燃傾向

各煤層自燃傾向性測(cè)定，研究區(qū)內(nèi)各煤層煤的吸氧量分別為0.44～0.64 cm3/g。自燃傾向性分類等級(jí)均為Ⅱ級(jí)自燃。

4 結(jié) 論

（1）研究區(qū)煤層主要發(fā)育于侏羅系中統(tǒng)西山窯組，且含煤層數(shù)多，煤層厚度大，含0.3 m以上的煤層36層，可采煤層10層，平均可采總厚61.43 m。依據(jù)其賦存規(guī)律分上下2段，按煤層之間的沉積關(guān)系分4個(gè)組合。

（2）煤類屬特低—低灰、特低硫、特低—中磷、31號(hào)不粘煤，零星有41號(hào)長(zhǎng)焰煤。具有高熱值、含油、氣化指標(biāo)較好。

（3）水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，工程地質(zhì)條件差，環(huán)境地質(zhì)條件中等，煤層瓦斯含量低，具有爆炸性，易燃。