龙固井田3煤层顶底板沉积环境及演化

徐栓祥

(山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918)

近年来，我国东部地区新建矿井大多以深部开采为主，而东部许多老的主力矿井也相继转入深部开采。然而，随着开采深度的增加，煤层顶板压力逐渐增加，深部煤层顶板垮落严重，矿山灾害严重[1-2]，而且煤矿工程技术人员对岩性变化和构造的预测愈显困难，煤层顶板稳定性问题显得尤为重要，因此，对煤矿顶板稳定性进行分析研究是保证煤矿安全生产中急待解决的实际问题[3-8]。煤层顶板稳定性受多种地质因素的影响[9-15]，其岩性是重要的地质参数，以往对煤层顶板研究多侧重于运用传统地质手段—钻孔进行分析煤层顶板岩性展布[16-17]，无法查清钻孔与钻孔之间岩性展布，只有当采掘发现才能够证实其分布情况，而到那时，顶板已经造成相当大破坏，给煤矿带来了巨大损失。岩层或岩体在三维空间上的展布等研究难度大[18-19]，为此，本文以龙固井田顶板岩性为研究目标，深入剖析其顶板岩性旋回，分析沉积演化，对该矿煤层顶底板稳定性及其动力区划具有重要意义。

1 地质背景

龙固煤矿位于巨野县城西南约20km，西距菏泽市约40km，行政区划隶属菏泽市巨野县龙固镇。日菏铁路、327国道自南西至北东向贯穿煤矿中部，北距日东高速约25km，距离最近的巨野汽车站约25km，通往各县市、乡镇间的公路纵横交错，四通八达，交通方便。本井田为全隐蔽的华北型石炭-二叠纪煤田，煤系以中、下奥陶统为基底，沉积了上石炭系本溪组、太原组，下二叠系山西组和下石盒子组及上统上石盒子组，其上被新近系和第四系所覆盖[12-13]。

2 顶底板沉积旋回特征

2.1 不同顶底板类型对应沉积环境

煤层顶板根据其力学性质、冒落特征、顶板的坚硬程度和距离煤层的远近划分为伪顶、直接顶和基本顶三种。①伪顶：紧贴煤层之上，极易垮落的薄岩层，一般厚度不大，多由松软的泥岩、炭质页岩组成；②直接顶：是指位于伪顶之上的岩层，煤层以上无伪顶时它可紧贴煤层，通常由泥岩、页岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层组成，一般厚度为1～2m，但均具有一定稳定性。所以当工作面煤层被采落时，直接顶不会立即垮落。有的煤层之上没有伪顶也没有直接顶，仅有老顶；③老顶又称基本顶，是指位于直接顶之上、有一定厚度的坚硬岩层。一般厚度较大，坚硬，整体性强，常为砂岩、砾岩等组成，能保持一定的控顶距。其特点是回柱后不自行垮落，往往只发生缓慢下沉。它也可能紧贴煤层之上。

表1 顶板类型及其沉积环境

表2 底板类型及其沉积环境

根据底板性质及与煤层的位置关系分为伪底、直接底和老底3种类型。①伪底：直接位于煤层之下的薄而软弱的岩层，岩性多为炭质页岩或泥岩，厚度不大。②直接底：直接位于煤层之下，强度较低的岩层。一般由泥岩、炭质页岩、黏土岩等组成，厚度多为数十厘米，有的遇水易膨胀，会发生底鼓现象。③老底：位于直接底之下或直接位于煤层之下，一般由比较坚硬的砂岩、石灰岩等组成，对支护的支撑力较强。

2.2 沉积旋回特征

按照煤矿顶底板划分原则[15]，可以将龙固煤矿顶底板可以划分出3个沉积旋回(图1)，其中，底板为一套三角洲沉积旋回，代表着本区沉积环境由海向陆地转换，而顶板为2套三角洲平原沉积，代表着2套三角洲平原沉积旋回。下面着重阐述这三套进积三角洲沉积旋回特征及其沉积演化。

2.2.1 底板：Cycle 1

底板Cycle 1沉积旋回(以下简称C1)沉积环境为陆表海盆地由障壁-潟湖环境过渡相转化的第一个旋回，该旋回体现的沉积环境为三角洲前缘到三角洲平原环境转换，其中3煤层为转换后第一个次三角洲平原上大规模的泥炭沼泽化作用的结果，为三角洲废弃成煤。这套旋回在本区较为发育，岩性主要表现为粉砂岩、中砂岩、泥岩和煤层，其中粉砂岩、泥岩较为发育，占整个旋回70%以上。伪底大部分为泥岩，为一套三角洲分流间湾沉积，直接底则表现为细砂岩、泥岩互层沉积，局部夹不稳定的薄层石灰岩，且泥岩为主，老底为石灰岩沉积。从下往上，表现为海退沉积。该旋回反应三角洲发育到废弃的结果，在煤矿开采中，该旋回较为稳定，因为砂岩受到海水影响，较纯，开采时候稳定。但是石灰岩和砂岩中容易富水，泥岩容易遇水膨胀，对煤层底鼓有影响[7]。

2.2.2 顶板：Cycle 2

顶板Cycle 2沉积旋回(以下简称C2)为河控浅水三角洲平原沉积，为三角洲在活动的沉积结果。含有1煤，为活动三角洲背景下的分流间洼地沉积结果。该套沉积在本区较为发育，岩性表现为细砂岩、泥岩、粉砂岩，局部出现粗砂岩和中砂岩，其中尤以细砂岩和泥岩为主，占整个旋回40%～55%。3煤的伪顶以不是很发育，局部以泥岩为主，为三角洲分流间湾沉积，也有相当一部分不存在伪顶，以细砂岩沉积的直接顶与煤层接触为主，反映三角洲重新活动对煤层冲蚀影响。老顶总体上呈现细砂岩夹泥岩沉积，向上砂岩含量减少，泥岩含量增加。

2.2.3 顶板：Cycle 3

顶板Cycle3沉积旋回(以下简称C3)沉积环境为河控浅水三角洲-曲流河转换后的初始后的曲流河沉积，为第二期三角洲摆动沉积结果，此时由于华北古地形发生改变，局部物源出现，在沉积区出现岩石类型增加，包括粗砂岩、中砂岩、细砂岩、泥岩等各种岩石类型，但是粗砂岩和中砂岩不稳定，为三角洲-曲流河沉积转换结果，最为关键是顶部出现一套铝土层，此时研究区沉积环境表现为三角洲平原和曲流河沉积，粗砂岩、中砂岩主要形成于曲流河河道，细砂岩为决口扇沉积，也有部分细砂岩仍然是三角洲分流河道沉积。该套沉积在3煤层开采时为老顶，由于岩石厚度较硬，因此表现为稳定性相对较强，但是，由于该套砂沉积转换时由于物源影响，砂岩局部表现为松散，砂岩孔隙度较大，因此，C3旋回砂岩局部富含水。

2.2.4 上部旋回

这里所讲的上部旋回主要是指石炭二叠系顶部到3煤顶板顶部岩层，实际上这部分可能划分为更多的旋回。这部分岩层主要是上石盒子组，含有粗砂岩、中细砂岩和泥岩沉积，向上砂岩含量尤其是中、粗砂岩含量增加，沉积环境为河流湖泊沉积环境，砂岩成熟度较高，致密坚硬。需要注意的是，这部分曲流河-湖泊沉积与C2曲流河沉积很大差异性，这部分沉积曲流河道较为稳定，砂岩成熟度高，因此，这部分砂岩力学机制较C2要好。但是这部分地层由于后期大部分受到剥蚀， 所有本区这套地层发育不完整，这也是将这部分地层归为一套旋回的主要原因， 因此在讨论沉积对岩性分区时这部分暂且不讨论。

图1 17-2S钻孔沉积环境分析Figure 1 Borehole 17-2S sedimentary environment analysis

3 不同旋回下的沉积相分布

3.1 C1旋回

C1旋回主要是由三角洲前缘和三角洲平原沉积组成，为典型的水退沉积，为3煤层的底板。从沉积剖面分析来看，C1旋回由下至上，砂体粒度增大(由粉砂岩变为中细砂岩)，砂体单层厚度也逐渐增大。砂体厚度、分布应该符合三角洲前缘-三角洲平原的沉积特征，即：分流河道处砂体较厚，分流间湾处砂体薄(图2)。

图2 C1旋回原始沉积的砂岩分布图Figure 2 Cycle 1 primary sedimentary sandstone distributions

经过C1旋回砂体分布统计可以发现，砂岩主要分布在西部和北部，东部偏薄，最厚可达25m以上，主要是三角洲平原多层叠置砂体和分流间湾泥岩形成。砂岩分布在北部呈现“东西走向，南北分带”的特点，在南部砂岩则呈现“南北走向、东西分带”的特点，在剖面图上可以看出该旋回砂岩对比性不强，为短距离尖灭的透镜状砂体，单层砂岩相对较薄。

根据沉积相分析方法可以看出，C1旋回是由三角洲前缘向三角洲平原转换过程，在三角洲平原上则存在着下三角洲平原和过渡。3煤层则发育于此旋回，为上三角洲平原和下三角洲平原过渡带沉积，由于三角洲局部废弃，造成了全区的3煤发育，因此煤层相对较厚，分布稳定，也成为主采煤层。但是靠近矿区中部和东南部，主要是以下三角洲平原沉积为主，局部分流河道决口扇发育，煤层出现很多夹矸，这是3煤分叉区位于工作区中部、东南部及东北部的主要原因。

图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积组成，为典型的上三角洲平原沉积，主采3煤层的伪顶和直接顶(包含一部分老顶)发育在此旋回。从沉积剖面分析来看，C1旋回由下至上，砂体粒度变化不大(主要为中细砂岩)，砂体单层厚度也逐渐减小，反映了三角洲活动变化较强。在剖面图上可以看出该旋回砂岩对比性较强，尤其是有2套砂体局部可以对比，单层砂岩厚度差别比较大。砂体厚度、分布应该符合三角洲平原的沉积特征，即：分流河道处砂体较厚，分流间湾处砂体薄。

经过C2旋回砂体分布统计可以发现(图4)，砂岩主要分布在西部、北部和东南部，东北部部偏薄，砂岩最厚可达30m以上，为典型的上三角洲平原分流河道沉积。该旋回主要是三角洲平原多层叠置砂体和分流间洼地的泥岩形成。砂岩分布在北部呈现“南北走向，东西分带”的特点。

图4 C2旋回原始沉积的砂体分布图Figure 4 Cycle 2 primary sedimentary sand mass distributions

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

根据沉积相分析方法可以看出(图5)，C2旋回是上三角洲平原沉积结果，分流河道相对稳定，这也是砂体相对较厚的原因。1煤和2煤则发育于此旋回，为上三角洲平原分流间洼地沉积结果，但是由于此时三角洲重新活动，因此1煤层和2煤都不发育。但是，C2旋回开始活动期间，在西部、北部和东南部为细砂岩沉积，成为3煤的老顶或直接顶，在东北部则发育着分流间洼地泥岩，成为3煤的伪顶或者直接顶。

3.3 C3旋回

C3旋回也是由曲流河沉积形成，主要是曲流河砂体和泛滥盆地的泥岩形成，老顶的上部发育在此旋回。从沉积剖面分析来看，C3旋回由下至上，砂体粒度增大(主要为中细砂岩局部含有粗砂岩)，砂体单层厚度逐渐减小，泥岩含量逐渐增增加，反映了曲流河河道稳定，水动力条件逐渐减弱。在剖面图上可以看出该旋回砂岩对比性较差，单层砂岩厚度差别比较大。砂体厚度、分布应该符合曲流河的沉积特征，即：河道处砂体较厚，泛滥盆地处砂体薄。

经过C3旋回砂体分布统计可以发现(图6)，砂岩主要分布在西部、北部和南部，东部偏薄，砂岩最厚可达16m以上，为典型的曲流河河道沉积。砂岩分布在北部呈现“东西走向，南北分带”的特点。

图6 C3旋回原始沉积的砂体分布图Figure 6 Cycle 3 primary sedimentary sand mass distributions

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

根据沉积相分析方法可以看出(图7)，C3旋回是三角洲向曲流河转化的沉积结果，矿区北部河道相对稳定，但是水动力条件活动不强，西南部仍然是上三角洲平原。这也是砂体相对较薄的原因。

4 结论

将龙固煤矿顶底板可以划分出3个沉积旋回(顶板C1、底板C2、C3)及上部旋回(暂不讨论)，C1旋回主要是由三角洲前缘和三角洲平原沉积组成，为典型的水退沉积，为3煤层的底板。C2旋回主要是由三角洲平原沉积组成，为典型的上三角洲平原沉积，主采3煤层伪顶和直接顶发育在C2旋回。C3旋回主要是曲流河砂体和泛滥盆地的泥岩组成，煤层老顶发育在C3旋回。

C1:从沉积剖面分析来看，C1旋回由下至上，砂体粒度增大(由粉砂岩变为中细砂岩)，砂体单层厚度也逐渐增大。三角洲前缘向三角洲平原转换过程，在三角洲平原上则存在着下三角洲平原和过渡。3煤层则发育于此旋回，为上三角洲平原和下三角洲平原过渡带沉积，由于三角洲局部废弃，造成了全区的3煤发育，因此煤层相对较厚，分布稳定，也成为主采煤层。

C2：由下至上，砂体粒度变化不大(主要为中细砂岩)，砂体单层厚度也逐渐减小，反映了三角洲活动变化较强。可以看出该旋回砂岩对比性较强，尤其是有2套砂体局部可以对比，单层砂岩厚度差别比较大。C2旋回是上三角洲平原沉积结果，分流河道相对稳定，这也是砂体相对较厚的原因。1煤和2煤则发育于此旋回，为上三角洲平原分流间洼地沉积结果，但是由于此时三角洲重新活动，因此1煤层和2煤都不发育。但是，C2旋回开始活动期间，在西部、北部和东南部沉积中细砂岩，能直接为3煤的老顶或直接顶，在东北部则发育着分流间洼地泥岩，成为3煤的伪顶或者直接顶。

C3：由下至上，砂体粒度增大(主要为中细砂岩局部含有粗砂岩)，砂体单层厚度逐渐减小，泥岩含量逐渐增增加，反映了曲流河河道稳定，水动力条件逐渐减弱。在剖面图上可以看出该旋回砂岩对比性较差，单层砂岩厚度差别比较大。砂岩主要分布在西部、北部和南部，东部偏薄，砂岩最厚可达16m以上，为典型的曲流河河道沉积。根据沉积相分析方法可以看出(图7)，C3旋回是三角洲向曲流河转化的沉积结果，矿区北部河道相对稳定，但是水动力条件活动不强，西南部仍然是上三角洲平原。这也是砂体相对较薄的原因。