司馬煤礦太原組下段成煤環(huán)境分析

楊連超

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 地質(zhì)辦,山西 襄垣 046200)

司馬煤礦位于沁水煤田東段中部的潞安礦區(qū),隸屬于山西省長治市上黨區(qū)蘇店鎮(zhèn),礦區(qū)面積29.6 km2。該礦太原組下段發(fā)育14、15號2層可采煤層,是太原組最重要的含煤層段。

盡管邵龍義等[1]曾對晉東南沁水盆地石炭二疊紀含煤巖系古地理及聚煤作用進行過宏觀研究,隨后楊利芳等[2]又對潞安礦區(qū)山西組的成煤環(huán)境進行了進一步研究,但是關(guān)于潞安礦區(qū)太原組(尤其是該組下段)成煤環(huán)境的專門性研究卻沒有。本文通過收集司馬煤礦以往52個鉆孔地層柱狀圖資料,綜合分析太原組下段的巖性、沉積構(gòu)造、動植物化石等沉積特征,劃分沉積相類型并確定各類沉積相的平面分布范圍,結(jié)合層序地層學理論劃分層序級次,對該段的成煤環(huán)境進行了精細研究,并從煤層賦存、硫分、水文地質(zhì)等方面討論了成煤環(huán)境對開采的影響,對該礦未來開采14、15號煤層具有重要的理論指導意義。

1 沉積特征分析

沁水盆地太原組之下段,又稱“一段”“K1段”,后又有專家學者將其命名為“Ⅰ煤段”[3]。該段的底界為K1砂巖(或相當層位)之底,與下伏的上石炭統(tǒng)本溪組呈整合接觸,頂界為太原組K2灰?guī)r之底。根據(jù)以往鉆孔資料,井田內(nèi)該段平均厚17.62 m,發(fā)育2層可采煤層(14、15號煤層),是太原組最重要的含煤層段。

1.1 巖性特征

該段巖性主要為灰白色、灰色、深灰色砂巖,灰色、深灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖,深灰色、灰黑色泥灰?guī)r以及煤層。底部K1砂巖(第1層)厚0.50～7.25 m,平均3.15 m。巖性以中厚層狀細粒砂巖、粉砂巖為主(如18-2鉆孔),個別鉆孔可見粗粒砂巖、中粒砂巖;成分以石英為主,硅質(zhì)膠結(jié),分選性、磨圓度中等。K1砂巖在井田內(nèi)普遍發(fā)育,僅個別鉆孔未鉆遇,推測其相變?yōu)槟鄮r(如22-3、22-4鉆孔)或砂質(zhì)泥巖。K1砂巖頂至15號煤層底之間的地層(第2層)平均厚4.98 m。巖性有時較為單一,為中厚層狀泥巖(如18-2鉆孔)或厚層狀鋁土質(zhì)泥巖(如20-2鉆孔),有時發(fā)育多種巖性,如泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂巖(如21-1、21-2鉆孔)。該層位發(fā)育大量的菱鐵礦鮞粒或菱鐵礦結(jié)核,局部菱鐵礦結(jié)核呈條帶狀富集(如22-4鉆孔)。15號煤層(第3層)厚3.20～6.70 m,平均4.43 m,結(jié)構(gòu)簡單—復雜,含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～6層,一般為2～3層,屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。15號煤頂至14號煤層底之間的地層(第4層)平均厚4.08 m,巖性有時較為單一,為中厚層狀泥巖(如21-1、22-4鉆孔)或泥灰?guī)r(如22-3鉆孔),有時為泥巖夾泥灰?guī)r(如18-2、20-2、21-2鉆孔)。該層中的泥灰?guī)r,俗稱K2下灰?guī)r,層位不如K2灰?guī)r穩(wěn)定,一般呈透鏡狀產(chǎn)出。與第2層相似,該層也發(fā)育較為豐富的菱鐵礦結(jié)核。14號煤層(第5層)厚0.60～3.05 m,平均0.98 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,不含夾矸,屬大部可采的較穩(wěn)定煤層。該煤層一般直接下伏于K2灰?guī)r,偶見二者之間發(fā)育薄層炭質(zhì)泥巖。

1.2 沉積構(gòu)造特征

1.2.1層理構(gòu)造

根據(jù)鉆孔描述,該段發(fā)育的層理構(gòu)造包括交錯層理、正粒序?qū)永怼⑺綄永怼⑼哥R狀層理。

1)交錯層理:見于第1層的細粒砂巖(18-2、21-1鉆孔)、粉砂巖(18-2鉆孔)中，反映了較強的水動力條件。

2)正粒序?qū)永?見于第2層。21-2鉆孔第2層中有一層厚0.70 m的粉砂巖,其底部為細粒砂巖,反映了砂巖沉積時的正粒序特征。

3)水平層理:見于第2、4層。在泥巖(18-2、20-2、21-2鉆孔)、泥灰?guī)r(20-2、21-2鉆孔)、粉砂巖(21-1鉆孔)中均有發(fā)育，反映了較弱水動力條件。

4)透鏡狀層理:見于第2層。如21-2鉆孔15號煤層直接底為0.92 m的灰黑色泥巖夾粉砂巖透鏡體。反映了泥質(zhì)供給多、砂質(zhì)供給少的沉積環(huán)境。

1.2.2化學成因構(gòu)造

根據(jù)鉆孔描述,該段常見的化學成因構(gòu)造有菱鐵礦鮞粒、菱鐵礦結(jié)核以及黃鐵礦結(jié)核等。其中,菱鐵礦鮞粒及結(jié)核,是潟湖相沉積的典型代表,反映其形成于還原環(huán)境;黃鐵礦一般認為是與微生物參與的甲烷厭氧氧化反應和硫酸根還原反應共同作用的產(chǎn)物[4],指示強還原環(huán)境。

根據(jù)鉆孔描述及硫分測試結(jié)果,該段14、15號煤層普遍發(fā)育有黃鐵礦結(jié)核。該段煤層硫分測試結(jié)果:14號煤層原煤硫分為1.07%～7.71%,平均3.42%;15號煤層原煤硫分為1.94%～8.68%,平均5.10%;14、15號煤層硫分均以硫化鐵硫為主,有機硫次之,硫酸鹽硫最少。這些都直接反映了14、15號煤層形成于強還原環(huán)境。

1.3 動、植物化石特征

根據(jù)鉆孔資料,該段煤層底板(巖性包括泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、粉砂巖)可見大量的植物化石碎片,且向上越靠近煤層,植物化石碎片的含量越高。此外,在第4層的泥灰?guī)r中,可見已碳化的腕足類等動物化石碎片。

在司馬煤礦東南方向約50 km的陵川縣附城鎮(zhèn)松窯溝剖面(即晉東南地區(qū)太原組標準剖面),本人曾在該段相當層位發(fā)掘了輪葉、楔葉、蘆木、櫛羊齒、脈羊齒等植物葉片和莖干化石。這些節(jié)蕨植物、真蕨植物、種子蕨植物在石炭-二疊紀最為繁盛,與石松植物門一起構(gòu)成晚古生代植物群,是晚古生代石炭-二疊紀的重要造煤植物[5]。上述植物的繁盛為該段14、15號煤層的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 沉積相劃分

綜合以上沉積特征,本次將司馬煤礦太原組下段劃分出障壁島(砂壩)、潟湖、潮坪等3種沉積相,在潮坪相中識別出泥坪和泥炭坪等2種亞相(見圖1)。

1)障壁島(砂壩)相:見于第1層。巖性以灰色中厚層狀細粒砂巖、粉砂巖為主,有時為粗粒砂巖或中粒砂巖,多為硅質(zhì)膠結(jié)。發(fā)育交錯層理。根據(jù)52個鉆孔中K1砂巖的厚度資料,本次繪制了司馬煤礦K1砂巖厚度等值線圖(圖2)。從圖上看,井田大部分范圍發(fā)育有障壁島(砂壩),其中厚度較大的區(qū)域(如補-6、補-7、1905、20-3、2105等鉆孔處)為障壁島相區(qū),厚度相對較小的區(qū)域為砂壩相區(qū)。

2)潟湖相:見于第2、4層。巖性以泥巖、鋁土質(zhì)泥巖為主,有時可見粉砂巖、泥灰?guī)r。發(fā)育水平層理、透鏡狀層理,常見菱鐵礦結(jié)核或鮞粒。常見動植物化石碎片。因所有鉆孔均發(fā)育有第2、4層,所以該相區(qū)在全井田廣泛分布。

3)潮坪相:見于第3、5層。在潮坪中,以15、14號煤層為代表的泥炭坪亞相較易識別。此外,在21-2、22-3鉆孔的第2層頂部,本次還識別出泥坪亞相,巖性為灰黑色薄層狀泥巖,厚度均不足1 m,見大量植物化石碎片,具水平層理,有時夾粉砂巖透鏡體并呈現(xiàn)透鏡狀層理(21-2鉆孔)。因所有鉆孔均發(fā)育有14、15號煤層,所以該相區(qū)在全井田廣泛分布。

3 層序劃分

目前,絕大多數(shù)成果[6-9]將沁水盆地太原組地層劃分為一個三級層序,同時又將太原組再細分出若干個四級層序。本次對司馬煤礦太原組下段進行層序劃分采用該主流劃分方案。

對該段進行四級層序細分,關(guān)鍵在于確定四級層序的界面。在障壁—潟湖及濱外碳酸鹽陸棚沉積背景下,由于缺乏河道下切所形成的下切谷充填砂巖,所以四級層序界面經(jīng)常與海侵面重疊,這樣的面可以是代表陸上暴露的古土壤層(煤層底板根土巖),也可以是沒有暴露但是表現(xiàn)出由深到淺、再由淺到深的沉積相轉(zhuǎn)換面[6]。據(jù)此,本次分別以K1砂巖、15號煤層、14號煤層之底,將該段劃分為S1、S2、S3等3個四級層序(圖1),將每個四級層序又細分為海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)。其中,S3層序的海侵體系域沉積為14號煤層及其上的泥巖或炭質(zhì)泥巖,位于本段的頂部;高位體系域沉積為K2灰?guī)r及13號煤層之下的砂、泥巖沉積,不在本段。可見,司馬煤礦14、15號煤層均形成于四級層序中的海侵體系域。

4 成煤環(huán)境分析

自下而上,司馬煤礦太原組下段依次經(jīng)歷了障壁島(砂壩)—潟湖—潮坪—潟湖—潮坪等環(huán)境變化,先后發(fā)育了S1、S2、S3等3個四級層序。相應地,水深依次經(jīng)歷了淺-深-淺-深-淺等震蕩變化。參照王保玉等提出的太原組3種聚煤環(huán)境模式[3],從沉積序列上分析,司馬煤礦太原組下段的成煤環(huán)境屬于“島湖潮坪聚煤模式”,14、15號煤層均形成于潟湖之上的潮坪(泥炭坪)環(huán)境,且該泥炭坪屬于“潟湖后泥炭坪”。與之相關(guān)的潟湖和障壁島(砂壩),存在于該礦的東南方向。

晚石炭世-早二疊世,華北地臺由“南升北降”變?yōu)椤氨鄙辖怠?海侵方向由原來的北東方向變?yōu)槟蠔|方向。目前普遍認為,在沁水盆地這一構(gòu)造面轉(zhuǎn)換發(fā)生于太原組下段15號煤層沉積時[6-10]。因此,司馬煤礦太原組下段地層跨越了這一特殊地質(zhì)歷史節(jié)點,即在S1層序沉積時海水自北東方向侵入,自S2層序開始海水自南東方向侵入。在這一變化后的第一次海侵初期,泥炭堆積速率與海平面的抬升速率維持相當長時期的平衡,從而形成了巨厚的15號煤層。隨著海平面的持續(xù)上升至最大海泛面,代表潟湖環(huán)境的K2下灰?guī)r、鋁土質(zhì)泥巖等開始沉積。第二次海侵初期,泥炭堆積速率與海平面的抬升速率維持平衡的時間較短,因此14號煤層雖然層位穩(wěn)定但厚度較薄。在海平面上升至最大海泛面后,K2灰?guī)r開始沉積,沉積環(huán)境由泥炭坪過渡為碳酸鹽巖開闊臺地。至此,太原組下段聚煤環(huán)境結(jié)束。

圖1 司馬煤礦太原組下段沉積相和層序劃分圖Fig.1 Sedimentary facies and sequence division of the lower section of Taiyuan Formation in Sima Coal Mine

圖2 司馬煤礦K1砂巖厚度等值線圖Fig.2 Thickness contour map of K1 sandstone in Sima Coal Mine

5 成煤環(huán)境對開采的影響

1)煤層賦存:因均形成于潟湖后泥炭坪,14、15號煤層分布面積廣,層位穩(wěn)定,大多數(shù)可采。加之二者間距較小(平均4.08 m),這有利于上下煤層聯(lián)合開采,但需注意上下采煤工作面的合理錯距。

2)硫分:因均形成于障壁島—潟湖—潮坪環(huán)境下的海侵體系域,14、15號煤層的平均原煤硫分均大于3%,屬于高硫煤,應注意與低硫煤層配采或與低硫原煤進行配煤。

3)水文地質(zhì):因煤層底板以下地層以潟湖相的泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖為主,加之本溪組地層也多以潟湖相的泥巖類為主,這些巖石類型能夠起到很好的阻隔水作用,但總體上該隔水層厚度較小(11.40～35.02 m,平均18.57 m),且該礦存在帶壓開采問題,應特別注意防范底板奧灰含水層突水。

6 結(jié)論

1)在該段識別出障壁島(砂壩)、潟湖、潮坪3種沉積相和泥坪、泥炭坪2種亞相。潟湖和潮坪相區(qū)廣布于全井田,障壁島(砂壩)相區(qū)分布于井田的大部分范圍。

2)將該段細分為S1、S2、S3等3個四級層序、3個海侵體系域(TST)以及2個高位體系域(HST)。14、15號煤層均形成于海侵體系域。

3)該段成煤環(huán)境屬于“島湖潮坪聚煤模式”,14、15號煤層形成于“潟湖后泥炭坪”。

4)建議上下煤層聯(lián)合開采，同時注意合理錯距、采用配采或配煤以降低原煤硫分，注意防范奧灰含水層突水。