甘肅靈臺礦區多煤層對比研究

李文鑫，張子祥，徐蘭蘭

(1.甘肅煤田地質局一四九隊，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅煤炭地質勘查院，甘肅 蘭州 730000；3.國網甘肅營銷服務中心，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

甘肅省鄂爾多斯盆地的煤炭資源主要分布在隴東地區慶陽市寧縣、正寧縣、環縣、合水縣，平涼市區及靈臺縣、涇川縣境內，煤炭資源預測資源量占全省預測資源量的96%，現有華亭礦區、寧正礦區、沙井子礦區、靈臺礦區、涇川礦區、合水南礦區6大礦區，預計全部開發后，設計開采能力可超過1.4億t[1]。國務院辦公廳國辦發〔2010〕29號文《關于進一步支持甘肅經濟社會發展的若干意見》中指出：“加強煤炭資源勘探和開發利用”，中共中央、國務院《關于新時代推進西部大開發形成新格局的指導意見》中指出“優化煤炭生產與消費結構，推動煤炭清潔生產與智能高效開放，積極推進煤炭分級分質梯級利用”，甘肅省政府歷年政府報告中也提到“加快推進隴東煤炭生產基地建設”，從政策上凸顯了加快隴東煤炭資源高質量開發利用的重要性。

煤層對比是煤炭資源勘查報告中的技術難點之一，影響著后期的煤炭資源開發利用。在實踐中，煤炭勘探隊伍都形成了自己的煤層對比方法[2-4]。舒建生等[5]針對西部分布最為廣泛的侏羅中統延安組陸相含煤沉積建造存在的多煤層對比方式組合模式進行了討論，形成了7類12項方法組合的架構體系，對本文形成有益的指導。靈臺礦區是隴東煤炭生產基地建設重要組成部分，由涇川縣高平北部勘查區、涇川縣高平南部勘查區、靈臺縣靈北井田、靈臺縣安家莊井田、唐家河井田、南川河井田、靈臺縣邵寨井田7個勘查區或井田構成，在進行礦區綜合匯編工作時，各勘查區和井田的勘查進度不同，探煤鉆孔眾多，工作范圍大，給多煤層對比工作帶來了巨大的難度。技術工作者對靈臺礦區的煤質、地下水、甲烷及開采條件進行了討論[6-10]，但未見多煤層對比的相關報道。文中通過巖相旋回對比、標志層對比、煤質特征對比、就近鉆孔對比、自身特征對比、測井曲線對比6種方法進行了靈臺礦區的多煤層對比，對于靈臺礦區乃至隴東地區的煤炭資源高質量開發利用具有一定的實踐意義。

1 礦區概況

甘肅靈臺礦區位于甘肅省平涼市東南部，礦區東、南均以陜西、甘肅兩省省界為界，并分別與相鄰的麟游礦區、彬長礦區做到無縫連接，北部以涇河為界，西部基本以現有勘查區邊界為界。礦區東西寬10～29 km，南北長約60 km，總面積約877.77 km2，已勘查的面積為819.19 km2，區內有788個煤田勘探鉆孔，地質資料詳實。

礦區大部區域被第四系全部覆蓋，僅在溝谷中零星出露下白堊統志丹群，出露面積小。據鉆孔揭露和地質填圖，礦區發育的地層自下而上有：上三疊統延長群(T3yn)，下侏羅統富縣組(J1f)，中侏羅統延安組(J2y)，直羅組(J2z)，安定組(J2a)，下白堊統志丹群宜君組(K1y)，洛河組(K1l)，環河組(K1h)，第四系(Q)。

礦區煤系地層為中侏羅統延安組，古構造控制的基底古地形，是造成沉積中心和局部沉積厚度以及煤層厚度變化的主要因素之一。聚煤期區域內地殼的小型振蕩運動對旋回結構以及煤系地層的沉積條件有較為突出的影響。后期構造演化對含煤建造、煤系地層以及煤層賦存面貌有一定的影響，但無明顯的破壞。煤系地層的沉積條件、聚煤環境因時而異現象比較突出，前期含煤建造發育程度受控于古地形條件，后期則受制于同沉積構造和后期構造運動的改造。礦區共有編號煤層14層，自上而下編為煤1-2、煤2-1、煤2-2、煤5-1、煤5-2、煤5-3、煤6-1、煤6-2、煤8-1、煤8-2、煤8-3、煤9-1、煤9-2、煤9-4，其中：煤5-1、煤5-2、煤8-2層為大部分可采煤層；煤2-2、煤6-1、煤6-2、煤8-1層分布較穩定，為局部可采煤層；其余煤層為不可采煤層。延安組初期由于古地形復雜，成煤環境差，只在局部山間盆地沉積了煤9組，延安組中期盆地大部被夷平，盆地擴大，成煤環境變好，廣泛沉積了煤8組，延安組晚期盆地有所收縮，成煤環境逐漸變差，煤層逐漸變薄，范圍縮小，部分地段的煤系地層還被后期的直羅組沖刷剝蝕，造成煤5-1層及煤2-2以上地層缺失。

2 煤層對比方法

礦區煤巖層對比工作，首先進行了地層對比，確定含煤地層為侏羅系延安組，在地層對比的基礎上又進行了詳細的煤層對比。本礦區屬超大型內陸盆地型含煤沉積，井田相變復雜，巖性、巖相變化較大，穩定的標志層較少，煤層對比較困難，所以從多方面進行綜合對比。本礦區報告由全礦區內7個井田(勘查區)組成，在各個井田(勘查區)之間選擇以南北為主線、東西相貫穿的剖面進行煤層對比，具體采用的對比方法是以相旋回對比為基礎，結合標志層、煤質、煤層自身特征、標高追索、測井曲線及煤層的平面分布規律等多種方法進行對比，以全區普遍發育、厚度相對較大的煤8-2層底板為對比基線，沿煤層走向與傾向4個方向分別進行對比，并使煤層、地層界線在每個鉆孔的4個方向上都互不交叉，從而保證了對比的可靠性。

2.1 巖相旋回對比

含煤地層延安組屬內陸河流-泛濫平原-湖泊三角洲、泥炭沼澤相的沉積，由于河流的多次大規模側向遷移，從下至上形成了7個結構明顯的沉積旋回，各煤層皆有規律地賦存在這些旋回結構中，這種“規律”對單孔煤層層位的確定及進一步為全區的煤層對比奠定了可靠的理論基礎和實踐依據。

延安組第1段(J2y1)：沉積環境為洪泛平原和岸后湖泊，間有分流河道或湖泊三角洲相沉積，由三個旋回組成，第1旋回、第2旋回只在有煤9組沉積的區域分布，沒有煤9組沉積的區域則只發育第3旋回，其中，第3旋回則普遍含煤。第1旋回多存在于古地形低洼區，是在富縣組的風化殼上快速形成并發展起來的，由河流相的砂巖開始，向上依次沉積了湖泊相的粉砂巖、沼澤相的炭質泥巖及煤9-4，以淺湖相的粉砂巖結束，煤9-4成煤環境較差，該旋回的特征是砂巖較厚，在少量鉆孔中發育煤9-4。第2旋回在古地形較高處也是在富縣組的風化殼上快速形成并發展起來的，由河流相的砂巖開始，向上依次沉積了湖泊相的粉砂巖、沼澤相的炭質泥巖及煤9-3，以淺湖相的粉砂巖結束；在地形較低處則是在第1旋回的基礎上沉積的，由河流相的砂巖開始，向上依次沉積了湖泊相的粉砂巖、沼澤相的炭質泥巖及煤9-3，以淺湖相的粉砂巖結束，個別鉆孔中第2旋回還有亞旋回，零星沉積了煤9-2及煤9-1層。第3旋回全區鉆孔中都能見到，大多為一個完整旋回，即由河流相的砂巖、個別為含礫砂巖開始，向上依次過渡為湖泊三角洲相的粉砂巖、泥炭沼澤相的炭質泥巖和煤層，以淺湖相的粉砂巖結束。煤8-3層、煤8-2層、煤8-1層賦存于該旋回的中上部。

延安組第2段(J2y2)：在礦區內大多以二個旋回構成，即第4旋回和第5旋回，部分地段由3個旋回構成。相序為河床相—河漫相—沼澤相—泥炭沼澤相。煤6-1層、煤6-2層、煤6-3層一般賦存于第4旋回的頂部，煤5-2層、煤5-1層一般賦存于第5旋回的中部或頂部。

延安組第3段(J2y3)：在礦區內大多以一個旋回構成，即第6旋回，部分地段鉆孔中還有第7旋回。相序為河床相—河漫相—沼澤相—泥炭沼澤相。煤2-1層、煤2-2層一般賦存于第6旋回的頂部，煤1-2層一般賦存于第7旋回的中部或頂部。該段部分地段被剝蝕，地層的中上部在背斜處多被直羅組底部的粗粒沉積物沖刷代替，造成部分鉆孔煤5-1層以上地層被沖刷殆盡，沒有發育煤2組和煤1組。

2.2 標志層對比

本區含煤地層延安組屬陸相沉積，內部差異較大，所以全區穩定的標志層難以找到，但存在的一些輔助標志層對煤層及延安組段的劃分有指導意義。直羅組底部的厚層粗砂巖是判定延安組和直羅組分界的一個重要的輔助標志層。延安組煤8組底部大多區域發育似鮞狀-鮞狀結構的泥巖或粉、細砂巖，為本區的第1輔助標志層，該層以下一般不含煤層，是判定延安組底部地層的標志層。延安組下層的富縣組雜色泥巖是判定延安組底界的一個重要地層標志，該層是延安組和富縣組劃分的一個可靠標志層。另外，經過巖性、巖相及沉積環境分析，發現各旋回底部的厚層狀粗、中粒砂巖具有厚度較大、層位穩定、橫向上普遍賦存、垂向上巖性突出、易于對比的特點，可作為劃分延安組中各段、各旋回、各煤組的輔助標志。

2.3 煤質特征對比

綜合井田煤巖特征表明，本區主要煤層(煤8-2)形成于覆水程度較淺，氧化作用較強的介質環境中，煤巖類型以暗淡型為主，煤中絲質組含量相對較高，有機質凝膠化程度低，結構體發育，無機沉積作用弱，礦物質、灰分和硫分含量低。煤5-1、煤5-2沉積時，沼澤覆水相對較深，屬弱還原環境，肉眼鑒定煤巖類型多為光亮煤和半亮煤，煤中鏡質組含量相對高，礦物質和硫分含量一般高于煤8-2層。

2.4 就近鉆孔對比

本次煤層對比分別沿勘查線(基本垂直煤層走向)和垂直勘查線(沿煤層走向)進行了獨立分析對比，在此基礎上沿不同方向進行交叉對比，做到每個孔的各個煤層編號在4個方向上都能和其周邊鉆孔的煤層編號統一和諧起來，這樣就有效地解決了相鄰煤層層間距較小或由于煤層分叉合并造成的煤層編號難以確定的問題。礦區內延安組含煤地層產狀平緩，地層傾角在6°～10°之間，各煤層標高相對穩定。雖然地層沿走向有微波狀起伏，但變化不大。另外，利用其煤層標高沿走向及傾向變化相對較小的特征對煤層進行了輔助對比。

2.5 自身特征-層間距結合平面分布規律對比

2.5.1 主采煤層平面分布、厚度及結構特點對比

煤5-1層為全區分布的中厚煤層，賦煤區內厚0.00～4.62 m，平均1.83 m。個別孔和煤5-2層合并為一層，含夾矸1～2層，單孔煤層結構簡單-較簡單，結構總體屬較簡單。煤5-2層為全區分布的薄-中厚煤層，賦煤區內厚0～6.04 m，平均1.71 m，含夾矸1～2層，單孔煤層結構簡單-較簡單，個別孔有分叉現象，結構總體屬較簡單。煤8-1層為局部分布的中厚煤層，賦煤區內厚0～6.65 m，平均厚2.13 m，煤層結構簡單-復雜，總體屬較簡單，含夾矸1～2層。煤8-2層全區分布的中厚-厚煤層，厚度變化較大，賦煤區內煤層厚0～17.56 m，平均厚3.97 m。單孔煤層結構簡單-復雜，含夾矸0～5層，多數為1～4層夾矸，煤層結構總體上屬復雜。由于該層厚度大，全區分布，層位上位于延安組第1段，從而區別于其他煤層。

2.5.2 主采煤層間距對比

一般是同一旋回內相鄰煤層的間距小，不同旋回間的相鄰煤層間距大。因此層間距也是本井田進行煤層對比、確定各煤層層位及編號的輔助手段之一。煤5-1層與煤5-2層處于同一旋回，層間距相對較小。煤5-2層與煤6-1層處于不同旋回內，層間距相對較大，多在18.00 m左右。煤8-1層與煤8-2層處于同旋回內，層間距小，多在5.00 m左右。煤8-2層與煤9-3層處于不同旋回內，層間距相對較大，一般在20.00 m左右。井田內不同地段的煤層層間距變化也有規律可循，由于受同沉積構造的控制，在井田負向構造地帶，隨著延安組沉積厚度的加大，各煤層層間距也在增大；在井田正向構造的隆起地帶隨著延安組地層沉積厚度的變小，各煤層層間距也隨之減小。這種規律對本井田不同部位煤層間距的研究及煤層對比上具有普遍的指導意義。

2.6 測井曲線對比

2.6.1 煤8-1層、煤8-2層對比

煤8-1位于延安組中下部，大部分布，層位較穩定。煤8-1層與煤8-2間距較小，電阻率曲線幅值明顯低于煤8-1層，曲線形態為“單峰狀”或“雙峰狀”高異常反映；密度曲線多呈“魚嘴狀”或“鍥狀”低異常反映；自然伽馬曲線幅值相對高于下部煤8-2層，曲線形態呈“倒單峰”低異常。各物性曲線組合特征明顯。煤8-2位于延安組中下部，總體為湖沼型沉積段，沉積穩定，全區可采，結構大多較穩定，在井田西北部邊緣地帶部分鉆孔煤8-2層厚度稍變薄，全區煤層厚度變化不大，結構較簡單。在物性曲線上電阻率曲線幅值明顯高于區內其它煤層，特性標志明顯，曲線形態為“雙峰狀”或“三尖兩刃狀”高異常反映；密度曲線多呈“箱式鋸齒狀”低異常反映；自然伽馬曲線呈“谷狀”低異常。各物性曲線形態特征異常明顯,如圖1所示。

圖1 煤8-1、煤8-2測井曲線特征Fig.1 Logging curve characteristics of coal seam 8-1 and 8-2

2.6.2 煤5-1層、煤5-2層對比

煤5-1層位于煤系地層中上部，為較穩定的大部可采煤層，結構較簡單。在電阻率曲線上多以“犬牙狀單峰”高異常顯現。在密度曲線上呈“箱狀”低異常；在自然伽馬曲線上表現多為“谷狀”低異常。各物性曲線形態特征較為明顯。煤5-2層位于煤系地層中上部，結構較為簡單，沉積較穩定，大部可采。曲線物性在電阻率曲線上多呈不規則“燕尾狀”高異常反映。在密度曲線上多以低值“谷狀”顯現；在自然伽馬曲線上表現為“V字狀” 低異常反映。各物性曲線形態特征較為明顯，如圖2所示。

圖2 煤5-1、煤5-2測井曲線特征Fig.2 Logging curve characteristics of coal seam 5-1 and 5-2

3 煤層對比可靠性評價

依據以上6種方法對比，井田內的煤層層數及相互關系基本厘定。垂向及水平2個方向上煤9-3、煤8-2、煤8-1、煤6-2、煤6-1、煤5-2、煤5-1、煤2-2對比關系可靠，依據較充分。煤2層(組)屬不穩定的局部可采煤層，本身特征不甚明顯，對比主要依據巖性巖相旋回及它們所在地層段的位置確定，對比結果基本可靠。煤5層(組)屬大范圍較穩定的可采煤層，對比主要依據煤層組合特征、巖性巖相旋回及它們所在地層段的位置確定。煤5層(組)的3個分層，位于同一沉積旋回，主要依據煤層厚度、煤層間距等進行對比，對比結果可靠。主要可采煤8層(組)在區內大部分地段層位較穩定，煤層特征和物性特征比較明顯，且煤8-2分層底板均發育有似鮞狀-鮞狀結構的砂巖或泥巖，標志層清楚，對比依據較充分，同時煤8組的3個分層，位于同一沉積旋回，只是微沉積環境存在的差異，因此在可采區垂向及水平2個方向上對比結果可靠。

4 結論

靈臺礦區共有編號煤層14層，其中，煤5-1、煤5-2、煤8-2層為大部分可采煤層。通過巖相旋回對比、標志層對比、煤質特征對比、就近鉆孔對比、自身特征對比、測井曲線對比6種方法進行了靈臺礦區的多煤層對比，對比關系可靠，依據較充分。