龍固井田3煤層頂?shù)装宄练e環(huán)境及演化

徐栓祥

(山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918)

近年來，我國東部地區(qū)新建礦井大多以深部開采為主，而東部許多老的主力礦井也相繼轉(zhuǎn)入深部開采。然而，隨著開采深度的增加，煤層頂板壓力逐漸增加，深部煤層頂板垮落嚴(yán)重，礦山災(zāi)害嚴(yán)重[1-2]，而且煤礦工程技術(shù)人員對巖性變化和構(gòu)造的預(yù)測愈顯困難，煤層頂板穩(wěn)定性問題顯得尤為重要，因此，對煤礦頂板穩(wěn)定性進行分析研究是保證煤礦安全生產(chǎn)中急待解決的實際問題[3-8]。煤層頂板穩(wěn)定性受多種地質(zhì)因素的影響[9-15]，其巖性是重要的地質(zhì)參數(shù)，以往對煤層頂板研究多側(cè)重于運用傳統(tǒng)地質(zhì)手段—鉆孔進行分析煤層頂板巖性展布[16-17]，無法查清鉆孔與鉆孔之間巖性展布，只有當(dāng)采掘發(fā)現(xiàn)才能夠證實其分布情況，而到那時，頂板已經(jīng)造成相當(dāng)大破壞，給煤礦帶來了巨大損失。巖層或巖體在三維空間上的展布等研究難度大[18-19]，為此，本文以龍固井田頂板巖性為研究目標(biāo)，深入剖析其頂板巖性旋回，分析沉積演化，對該礦煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性及其動力區(qū)劃具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

龍固煤礦位于巨野縣城西南約20km，西距菏澤市約40km，行政區(qū)劃隸屬菏澤市巨野縣龍固鎮(zhèn)。日菏鐵路、327國道自南西至北東向貫穿煤礦中部，北距日東高速約25km，距離最近的巨野汽車站約25km，通往各縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的公路縱橫交錯，四通八達，交通方便。本井田為全隱蔽的華北型石炭-二疊紀(jì)煤田，煤系以中、下奧陶統(tǒng)為基底，沉積了上石炭系本溪組、太原組，下二疊系山西組和下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組，其上被新近系和第四系所覆蓋[12-13]。

2 頂?shù)装宄练e旋回特征

2.1 不同頂?shù)装孱愋蛯?yīng)沉積環(huán)境

煤層頂板根據(jù)其力學(xué)性質(zhì)、冒落特征、頂板的堅硬程度和距離煤層的遠近劃分為偽頂、直接頂和基本頂三種。①偽頂：緊貼煤層之上，極易垮落的薄巖層，一般厚度不大，多由松軟的泥巖、炭質(zhì)頁巖組成；②直接頂：是指位于偽頂之上的巖層，煤層以上無偽頂時它可緊貼煤層，通常由泥巖、頁巖、粉砂巖等比較容易垮落的巖層組成，一般厚度為1～2m，但均具有一定穩(wěn)定性。所以當(dāng)工作面煤層被采落時，直接頂不會立即垮落。有的煤層之上沒有偽頂也沒有直接頂，僅有老頂；③老頂又稱基本頂，是指位于直接頂之上、有一定厚度的堅硬巖層。一般厚度較大，堅硬，整體性強，常為砂巖、礫巖等組成，能保持一定的控頂距。其特點是回柱后不自行垮落，往往只發(fā)生緩慢下沉。它也可能緊貼煤層之上。

表1 頂板類型及其沉積環(huán)境

表2 底板類型及其沉積環(huán)境

根據(jù)底板性質(zhì)及與煤層的位置關(guān)系分為偽底、直接底和老底3種類型。①偽底：直接位于煤層之下的薄而軟弱的巖層，巖性多為炭質(zhì)頁巖或泥巖，厚度不大。②直接底：直接位于煤層之下，強度較低的巖層。一般由泥巖、炭質(zhì)頁巖、黏土巖等組成，厚度多為數(shù)十厘米，有的遇水易膨脹，會發(fā)生底鼓現(xiàn)象。③老底：位于直接底之下或直接位于煤層之下，一般由比較堅硬的砂巖、石灰?guī)r等組成，對支護的支撐力較強。

2.2 沉積旋回特征

按照煤礦頂?shù)装鍎澐衷瓌t[15]，可以將龍固煤礦頂?shù)装蹇梢詣澐殖?個沉積旋回(圖1)，其中，底板為一套三角洲沉積旋回，代表著本區(qū)沉積環(huán)境由海向陸地轉(zhuǎn)換，而頂板為2套三角洲平原沉積，代表著2套三角洲平原沉積旋回。下面著重闡述這三套進積三角洲沉積旋回特征及其沉積演化。

2.2.1 底板：Cycle 1

底板Cycle 1沉積旋回(以下簡稱C1)沉積環(huán)境為陸表海盆地由障壁-潟湖環(huán)境過渡相轉(zhuǎn)化的第一個旋回，該旋回體現(xiàn)的沉積環(huán)境為三角洲前緣到三角洲平原環(huán)境轉(zhuǎn)換，其中3煤層為轉(zhuǎn)換后第一個次三角洲平原上大規(guī)模的泥炭沼澤化作用的結(jié)果，為三角洲廢棄成煤。這套旋回在本區(qū)較為發(fā)育，巖性主要表現(xiàn)為粉砂巖、中砂巖、泥巖和煤層，其中粉砂巖、泥巖較為發(fā)育，占整個旋回70%以上。偽底大部分為泥巖，為一套三角洲分流間灣沉積，直接底則表現(xiàn)為細(xì)砂巖、泥巖互層沉積，局部夾不穩(wěn)定的薄層石灰?guī)r，且泥巖為主，老底為石灰?guī)r沉積。從下往上，表現(xiàn)為海退沉積。該旋回反應(yīng)三角洲發(fā)育到廢棄的結(jié)果，在煤礦開采中，該旋回較為穩(wěn)定，因為砂巖受到海水影響，較純，開采時候穩(wěn)定。但是石灰?guī)r和砂巖中容易富水，泥巖容易遇水膨脹，對煤層底鼓有影響[7]。

2.2.2 頂板：Cycle 2

頂板Cycle 2沉積旋回(以下簡稱C2)為河控淺水三角洲平原沉積，為三角洲在活動的沉積結(jié)果。含有1煤，為活動三角洲背景下的分流間洼地沉積結(jié)果。該套沉積在本區(qū)較為發(fā)育，巖性表現(xiàn)為細(xì)砂巖、泥巖、粉砂巖，局部出現(xiàn)粗砂巖和中砂巖，其中尤以細(xì)砂巖和泥巖為主，占整個旋回40%～55%。3煤的偽頂以不是很發(fā)育，局部以泥巖為主，為三角洲分流間灣沉積，也有相當(dāng)一部分不存在偽頂，以細(xì)砂巖沉積的直接頂與煤層接觸為主，反映三角洲重新活動對煤層沖蝕影響。老頂總體上呈現(xiàn)細(xì)砂巖夾泥巖沉積，向上砂巖含量減少，泥巖含量增加。

2.2.3 頂板：Cycle 3

頂板Cycle3沉積旋回(以下簡稱C3)沉積環(huán)境為河控淺水三角洲-曲流河轉(zhuǎn)換后的初始后的曲流河沉積，為第二期三角洲擺動沉積結(jié)果，此時由于華北古地形發(fā)生改變，局部物源出現(xiàn)，在沉積區(qū)出現(xiàn)巖石類型增加，包括粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、泥巖等各種巖石類型，但是粗砂巖和中砂巖不穩(wěn)定，為三角洲-曲流河沉積轉(zhuǎn)換結(jié)果，最為關(guān)鍵是頂部出現(xiàn)一套鋁土層，此時研究區(qū)沉積環(huán)境表現(xiàn)為三角洲平原和曲流河沉積，粗砂巖、中砂巖主要形成于曲流河河道，細(xì)砂巖為決口扇沉積，也有部分細(xì)砂巖仍然是三角洲分流河道沉積。該套沉積在3煤層開采時為老頂，由于巖石厚度較硬，因此表現(xiàn)為穩(wěn)定性相對較強，但是，由于該套砂沉積轉(zhuǎn)換時由于物源影響，砂巖局部表現(xiàn)為松散，砂巖孔隙度較大，因此，C3旋回砂巖局部富含水。

2.2.4 上部旋回

這里所講的上部旋回主要是指石炭二疊系頂部到3煤頂板頂部巖層，實際上這部分可能劃分為更多的旋回。這部分巖層主要是上石盒子組，含有粗砂巖、中細(xì)砂巖和泥巖沉積，向上砂巖含量尤其是中、粗砂巖含量增加，沉積環(huán)境為河流湖泊沉積環(huán)境，砂巖成熟度較高，致密堅硬。需要注意的是，這部分曲流河-湖泊沉積與C2曲流河沉積很大差異性，這部分沉積曲流河道較為穩(wěn)定，砂巖成熟度高，因此，這部分砂巖力學(xué)機制較C2要好。但是這部分地層由于后期大部分受到剝蝕， 所有本區(qū)這套地層發(fā)育不完整，這也是將這部分地層歸為一套旋回的主要原因， 因此在討論沉積對巖性分區(qū)時這部分暫且不討論。

圖1 17-2S鉆孔沉積環(huán)境分析Figure 1 Borehole 17-2S sedimentary environment analysis

3 不同旋回下的沉積相分布

3.1 C1旋回

C1旋回主要是由三角洲前緣和三角洲平原沉積組成，為典型的水退沉積，為3煤層的底板。從沉積剖面分析來看，C1旋回由下至上，砂體粒度增大(由粉砂巖變?yōu)橹屑?xì)砂巖)，砂體單層厚度也逐漸增大。砂體厚度、分布應(yīng)該符合三角洲前緣-三角洲平原的沉積特征，即：分流河道處砂體較厚，分流間灣處砂體薄(圖2)。

圖2 C1旋回原始沉積的砂巖分布圖Figure 2 Cycle 1 primary sedimentary sandstone distributions

經(jīng)過C1旋回砂體分布統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，砂巖主要分布在西部和北部，東部偏薄，最厚可達25m以上，主要是三角洲平原多層疊置砂體和分流間灣泥巖形成。砂巖分布在北部呈現(xiàn)“東西走向，南北分帶”的特點，在南部砂巖則呈現(xiàn)“南北走向、東西分帶”的特點，在剖面圖上可以看出該旋回砂巖對比性不強，為短距離尖滅的透鏡狀砂體，單層砂巖相對較薄。

根據(jù)沉積相分析方法可以看出，C1旋回是由三角洲前緣向三角洲平原轉(zhuǎn)換過程，在三角洲平原上則存在著下三角洲平原和過渡。3煤層則發(fā)育于此旋回，為上三角洲平原和下三角洲平原過渡帶沉積，由于三角洲局部廢棄，造成了全區(qū)的3煤發(fā)育，因此煤層相對較厚，分布穩(wěn)定，也成為主采煤層。但是靠近礦區(qū)中部和東南部，主要是以下三角洲平原沉積為主，局部分流河道決口扇發(fā)育，煤層出現(xiàn)很多夾矸，這是3煤分叉區(qū)位于工作區(qū)中部、東南部及東北部的主要原因。

圖3 C1旋回三角洲分流河道分布Figure 3 Cycle 1 delta distributary channel distributions

3.2 C2旋回

C2旋回主要是由三角洲平原沉積組成，為典型的上三角洲平原沉積，主采3煤層的偽頂和直接頂(包含一部分老頂)發(fā)育在此旋回。從沉積剖面分析來看，C1旋回由下至上，砂體粒度變化不大(主要為中細(xì)砂巖)，砂體單層厚度也逐漸減小，反映了三角洲活動變化較強。在剖面圖上可以看出該旋回砂巖對比性較強，尤其是有2套砂體局部可以對比，單層砂巖厚度差別比較大。砂體厚度、分布應(yīng)該符合三角洲平原的沉積特征，即：分流河道處砂體較厚，分流間灣處砂體薄。

經(jīng)過C2旋回砂體分布統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)(圖4)，砂巖主要分布在西部、北部和東南部，東北部部偏薄，砂巖最厚可達30m以上，為典型的上三角洲平原分流河道沉積。該旋回主要是三角洲平原多層疊置砂體和分流間洼地的泥巖形成。砂巖分布在北部呈現(xiàn)“南北走向，東西分帶”的特點。

圖4 C2旋回原始沉積的砂體分布圖Figure 4 Cycle 2 primary sedimentary sand mass distributions

圖5 C2旋回三角洲分流河道分布圖Figure 5 Cycle 2 delta distributary channel distributions

根據(jù)沉積相分析方法可以看出(圖5)，C2旋回是上三角洲平原沉積結(jié)果，分流河道相對穩(wěn)定，這也是砂體相對較厚的原因。1煤和2煤則發(fā)育于此旋回，為上三角洲平原分流間洼地沉積結(jié)果，但是由于此時三角洲重新活動，因此1煤層和2煤都不發(fā)育。但是，C2旋回開始活動期間，在西部、北部和東南部為細(xì)砂巖沉積，成為3煤的老頂或直接頂，在東北部則發(fā)育著分流間洼地泥巖，成為3煤的偽頂或者直接頂。

3.3 C3旋回

C3旋回也是由曲流河沉積形成，主要是曲流河砂體和泛濫盆地的泥巖形成，老頂?shù)纳喜堪l(fā)育在此旋回。從沉積剖面分析來看，C3旋回由下至上，砂體粒度增大(主要為中細(xì)砂巖局部含有粗砂巖)，砂體單層厚度逐漸減小，泥巖含量逐漸增增加，反映了曲流河河道穩(wěn)定，水動力條件逐漸減弱。在剖面圖上可以看出該旋回砂巖對比性較差，單層砂巖厚度差別比較大。砂體厚度、分布應(yīng)該符合曲流河的沉積特征，即：河道處砂體較厚，泛濫盆地處砂體薄。

經(jīng)過C3旋回砂體分布統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)(圖6)，砂巖主要分布在西部、北部和南部，東部偏薄，砂巖最厚可達16m以上，為典型的曲流河河道沉積。砂巖分布在北部呈現(xiàn)“東西走向，南北分帶”的特點。

圖6 C3旋回原始沉積的砂體分布圖Figure 6 Cycle 3 primary sedimentary sand mass distributions

圖7 C3旋回三角洲-曲流河河道分布Figure 7 Cycle 3 delta meandering stream channel distributions

根據(jù)沉積相分析方法可以看出(圖7)，C3旋回是三角洲向曲流河轉(zhuǎn)化的沉積結(jié)果，礦區(qū)北部河道相對穩(wěn)定，但是水動力條件活動不強，西南部仍然是上三角洲平原。這也是砂體相對較薄的原因。

4 結(jié)論

將龍固煤礦頂?shù)装蹇梢詣澐殖?個沉積旋回(頂板C1、底板C2、C3)及上部旋回(暫不討論)，C1旋回主要是由三角洲前緣和三角洲平原沉積組成，為典型的水退沉積，為3煤層的底板。C2旋回主要是由三角洲平原沉積組成，為典型的上三角洲平原沉積，主采3煤層偽頂和直接頂發(fā)育在C2旋回。C3旋回主要是曲流河砂體和泛濫盆地的泥巖組成，煤層老頂發(fā)育在C3旋回。

C1:從沉積剖面分析來看，C1旋回由下至上，砂體粒度增大(由粉砂巖變?yōu)橹屑?xì)砂巖)，砂體單層厚度也逐漸增大。三角洲前緣向三角洲平原轉(zhuǎn)換過程，在三角洲平原上則存在著下三角洲平原和過渡。3煤層則發(fā)育于此旋回，為上三角洲平原和下三角洲平原過渡帶沉積，由于三角洲局部廢棄，造成了全區(qū)的3煤發(fā)育，因此煤層相對較厚，分布穩(wěn)定，也成為主采煤層。

C2：由下至上，砂體粒度變化不大(主要為中細(xì)砂巖)，砂體單層厚度也逐漸減小，反映了三角洲活動變化較強。可以看出該旋回砂巖對比性較強，尤其是有2套砂體局部可以對比，單層砂巖厚度差別比較大。C2旋回是上三角洲平原沉積結(jié)果，分流河道相對穩(wěn)定，這也是砂體相對較厚的原因。1煤和2煤則發(fā)育于此旋回，為上三角洲平原分流間洼地沉積結(jié)果，但是由于此時三角洲重新活動，因此1煤層和2煤都不發(fā)育。但是，C2旋回開始活動期間，在西部、北部和東南部沉積中細(xì)砂巖，能直接為3煤的老頂或直接頂，在東北部則發(fā)育著分流間洼地泥巖，成為3煤的偽頂或者直接頂。

C3：由下至上，砂體粒度增大(主要為中細(xì)砂巖局部含有粗砂巖)，砂體單層厚度逐漸減小，泥巖含量逐漸增增加，反映了曲流河河道穩(wěn)定，水動力條件逐漸減弱。在剖面圖上可以看出該旋回砂巖對比性較差，單層砂巖厚度差別比較大。砂巖主要分布在西部、北部和南部，東部偏薄，砂巖最厚可達16m以上，為典型的曲流河河道沉積。根據(jù)沉積相分析方法可以看出(圖7)，C3旋回是三角洲向曲流河轉(zhuǎn)化的沉積結(jié)果，礦區(qū)北部河道相對穩(wěn)定，但是水動力條件活動不強，西南部仍然是上三角洲平原。這也是砂體相對較薄的原因。