新疆準東盆地芨芨湖西礦區地質特征及開采地質條件研究

李永高

（中國煤炭地質總局 第一勘探局，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

新疆準東煤田是新疆煤炭資源蘊藏量最為豐富的地區之一，蘊藏著3 900億t左右的煤炭儲量，且煤質優良，煤層厚度大，埋深淺，延伸穩定，是建設大型、超大型煤礦山的理想基地。隨著芨芨礦區煤炭資源勘探程度的不斷提高，煤炭資源的開發利用將逐步開展，本文在收集以往資料的基礎上，重點對礦區煤層地質特征、水文地質、工程地質和環境地質及其開采地質條件的變化規律進行研究，對未來礦井設計、開發和建設具有重要借鑒意義。

1 地質背景

研究區為新疆維吾爾自治區準東煤田西黑山礦區總體規劃區，位于奇臺縣城北東57 km，芨芨湖邊檢站以北5～20 km的荒漠戈壁，行政區劃屬奇臺縣管轄。研究區為北西—南東向長約18 km，南西—北東向寬約5 km，面積89.7 km2，規劃生產能力15 Mt/a。處于準噶爾盆地東緣，地勢為較平坦的戈壁和低矮的沙丘地，海拔高度650～730 m，相對高差30～50 m，地勢總體呈南東高北西低態勢。

礦區地層區劃屬北疆—興安地層大區（Ⅰ），北疆地層區（Ⅰ1），南準噶爾—北天山地層分區（Ⅰ13），將軍廟地層小區（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。

區域大地構造位置位于準噶爾地臺（Ⅰ2）東部，北與東準噶爾優地槽褶皺帶毗鄰，屬準噶爾槽—臺過渡帶（Ⅱ2）的一部分，屬于大井—將軍廟拗陷（Ⅲ4），雙井子—西黑山凸起（Ⅳ4）。研究區構造位于雙井子—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，北部發育為次級的褶皺稱之為西黑山背斜，傾角3°～5°。

2 煤層地質特征

2.1 巖性組合及含煤特征

研究區地層主要為地表覆蓋的第四系、第三系上新統獨山子組，其下為侏羅系中—上統石樹溝群，中統西山窯組，下統三工河組、八道灣組，三迭系中—上統小泉溝群，下統上倉房溝群，其地層巖性特征詳見表1。

表1 研究區地層簡表Table 1 The stratigraphic table of the study area

研究區煤層主要賦存于侏羅系中統西山窯組，且含煤層數多，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、泥質粉砂巖、粉砂巖、中細砂巖夾粗砂巖、炭質泥巖和煤層組成，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%。依據其巖性組合、含煤性、化石等賦存規律分為上下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，其組合特點是以B6煤層為主單獨成一體系，B6煤層大部可采，沒有分岔、合并現象，組合地層厚1～12 m，平均6 m，厚度相對穩定，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—局部可采煤層以及數層不可采煤層組成，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、合并現象，向研究區北西向延伸趨于合并，合并后煤層厚度增大為特厚煤層。B5煤層相對穩定，全區可采。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—大部可采煤層及其數層薄煤組成，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、合并現象，B3＇為B3煤層的分岔，于研究區西南部合并為特厚煤層。

④下層組合：由B2、B1、B1＇、B0可采煤層及其數層薄煤層組成，組合地層厚80～110 m，平均100 m。其組合特點是B2煤層相對穩定，全區可采。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，在研究區東南部B2煤層有向B1煤層靠近的趨勢，偶見合并點。B1、B1＇、B0煤層關系更為密切，在研究區中部和北部有合并區域，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、合并關系可分為1大組合。

2.2 聚煤規律

研究區是準東大型盆地一部分，在中侏羅世是以湖泊、沼澤、三角洲相為主的沉積環境，溫暖潮濕氣候為主，植被生長發育，為成煤物質大量堆積創造有利條件，隨著盆地表現出較為緩慢的沉降，使成煤物資堆積速度與聚煤盆地沉降速度相平衡。西山窯組沉積時期的聚煤作用時間長，強度大，分布廣，早期地勢平坦，覆水淺而廣闊，河控三角洲發育，在廣闊的湖緣，泛濫平原，發育較穩定的泥炭沼澤，形成層數多、厚度大、穩定的煤層。

西山窯組在研究區沉積初期，發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育，形成局部可采B0煤層或煤線。進入湖侵期湖平面緩慢推進抬高，三角洲逐漸過渡形成濱湖，以研究區中北部為中心，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入湖退期，湖平面在反復下降上升的震蕩期，形成以研究區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境，在湖平面由下降到上升的轉折期，以研究區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，成煤期結束，形成以泥巖沉積為主的淺湖相沉積。

研究區中侏羅世存在多期次有利成煤環境和聚煤作用，歷經多次湖進湖退，盆地沉降速度具有不均等周期性。西山窯組沉積時期，區內基本處于淺湖和沼澤交替環境，形成多煤層形式。因各時期湖水深淺不一，淤淺沼澤化時間不同，造成煤層賦存部位差異，形成煤層層數多、厚度不均、層間距不穩定、有分叉合并特點。

2.3 煤質特征

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，節理一般不發育，條帶狀結構，層狀構造。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。其顯微組份有機質占92.16%，以惰質體為主，鏡質體次之，殼質體少量。無機質占7.54%，以粘土類礦物占絕對優勢，呈浸染狀或薄層狀分布。

煤的顯微組份有機質含量較高，煤層頂底板中含大量的炭化植物化石碎片，成煤原始物質多為高等植物，成因類型為腐殖煤類。

2.3.2 煤的化學性質

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。原煤干燥無灰基揮發分平均35.00%，浮煤揮發份平均34.26%，均屬中高揮發份煤。

煤層原煤干燥無灰基碳元素含量平均80.29%，浮煤干燥無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，以有機硫為主，其次為硫化鐵硫，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，為一級含砷煤。

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

3 開采地質條件研究

3.1 水文地質條件

研究區位于準噶爾盆地東南緣，地勢為較平坦的戈壁，海拔高度為650～730 m，相對高差30～50 m，地勢總體呈南高北低、東高西低寬緩戈壁平地，構造類型為簡單型。區內無常年性地表水流，除融雪和暴雨季節外，無地表水補給。

礦床充水含水層為第三系上新統獨山子組弱含水層、侏羅系中上統石樹溝群裂隙孔隙弱含水層、侏羅系中統西山窯組裂隙孔隙弱含水層。

（1）第三系上新統獨山子組弱含水層。

區域內廣為分布，不整合于中上侏羅統石樹溝群之上。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0.029 8～0.119 0 m/d。

（2）侏羅系中上統石樹溝群裂隙孔隙弱含水層。

區內局部出露，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0.082 7～0.119 0 m/d。

（3）侏羅系中統西山窯組裂隙孔隙弱含水層。

西山窯組是研究區的主要含煤地層，巖性多為灰色、淺灰色泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖夾中、粗粒砂巖、炭質泥巖和煤層，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0.029 8～0.119 0 m/d。水化學類型為Cl·SO4-Na，礦化度3.19～15.0 g/L（表2）。

表2 研究區地下水水化學特征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。預測+200 m水平礦井涌水量為4 700 m3/d，最大涌水量為5 900 m3/d。水文地質條件簡單，水文地質勘探類型為二類一型。

3.2 工程地質條件

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，無膠結，散體結構，屬極不穩固型。

（2）軟巖組。由第三系半膠結狀態的粉砂巖、粉砂質泥巖、礫巖等組成，厚度3.07～160.43 m，均不同程度的風化，巖石結構松散，散體結構（Ⅳ），以Ⅱ、Ⅲ級結構面為主，屬極不穩固型。

（3）風化巖組。為侏羅系淺部風化層，深度25～30 m，局部達50 m。巖石風化程度嚴重，多呈碎塊狀、短柱狀，近散體結構（Ⅳ），屬不穩固型。

（4）無煤巖組。未風化的侏羅系中上統石樹溝群、三工河組地層為無煤巖組，碎裂結構（Ⅲ），Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級結構面發育。結構體多為碎屑及形態不同的巖塊。結構面摩擦系數0.20～0.40，屬不穩固型。

（5）含煤巖組。未風化的西山窯組，以灰白—暗灰色、淺黃綠色粉砂巖、泥巖夾中細粒砂巖、礫巖為主，泥質或粉砂質膠結。薄層—中厚層狀結構，塊狀、楔狀。Ⅳ、Ⅴ級結構面為主，結構面摩擦系數小于0.20。巖石易軟化，坍塌、滑移、壓縮變形均可發生。

巖體完整性一般為中等完整-完整性差-破碎，巖石質量等級Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ（表3）。

表3 巖體質量(M)分級表Table 3 Rock mass quality(M)classification

3.2.2 巖石穩固性

在傾向上各煤層頂底板巖性多為粉砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖，中粒砂巖及粗粒砂巖少見。其飽和狀態下單軸抗壓強度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0.04～0.67，屬易軟化的巖石；抗拉強度0.1～4.0 MPa，強度低，結構面發育；內摩擦角26.1°～40.5°，凝聚力0.99～8.81 MPa，抗剪能力偏低。

在走向上各煤層頂底板巖石相變不大，飽和狀態下的抗壓強度1.03～28.8 MPa，為極軟—次軟巖石，軟化系數0.16～0.54，極易軟化。抗拉強度0.14～2.0 MPa，強度低，結構面發育（表4）。

表4 巖石物理力學試驗成果Table 4 Rock physical and mechanical test results

研究區內各煤層的頂底板巖石飽和狀態下抗壓強度及其它力學指標均較差，頂底板巖石穩固性屬差，工程地質類型為三類二型。

3.3 環境地質條件

研究區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，冬季氣候嚴寒，絕對最低氣溫達-49.8℃。無常年性地表水流，亦無泉點出露，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，年蒸發量1 595.2～2 410.4 mm，但各季節降水量分布不均，夏季偶發暴雨，可形成洪水。冬季積雪稀少，最大積雪深度39 cm，冰凍期5個半月，凍土最大深度1.36 m，一般凍土深度1.07 m。區內常年多風，風力一般4～5級，最大可達10級，并伴有強沙塵暴天氣。

區內煤層采后露天堆放時可發生飛塵和揚塵污染大氣，受雨水淋溶后有害物質會污染土壤及地下水。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類水標準。未來應對礦井水進行處理后循環使用，減少排放量，避免對地質環境造成影響。

研究區地溫正常，無熱害，煤巖層亦無放射性異常，礦山環境地質類型為第二類質量中等。

3.4 其他地質條件

3.4.1 瓦 斯

研究區主要煤層煤中瓦斯含量為0.051～0.93 mL/g，平均為0.351 mL/g，成分以氮氣為主，含量81.55～96.32%，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—氮氣帶、氮氣—沼氣帶。

3.4.2 煤塵爆炸性

各煤層的火焰長度在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定，研究區內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均為Ⅱ級自燃。

4 結 論

（1）研究區煤層主要發育于侏羅系中統西山窯組，且含煤層數多，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。依據其賦存規律分上下2段，按煤層之間的沉積關系分4個組合。

（2）煤類屬特低—低灰、特低硫、特低—中磷、31號不粘煤，零星有41號長焰煤。具有高熱值、含油、氣化指標較好。

（3）水文地質條件簡單，工程地質條件差，環境地質條件中等，煤層瓦斯含量低，具有爆炸性，易燃。