司马煤矿太原组下段成煤环境分析

杨连超

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 地质办,山西 襄垣 046200)

司马煤矿位于沁水煤田东段中部的潞安矿区,隶属于山西省长治市上党区苏店镇,矿区面积29.6 km2。该矿太原组下段发育14、15号2层可采煤层,是太原组最重要的含煤层段。

尽管邵龙义等[1]曾对晋东南沁水盆地石炭二叠纪含煤岩系古地理及聚煤作用进行过宏观研究,随后杨利芳等[2]又对潞安矿区山西组的成煤环境进行了进一步研究,但是关于潞安矿区太原组(尤其是该组下段)成煤环境的专门性研究却没有。本文通过收集司马煤矿以往52个钻孔地层柱状图资料,综合分析太原组下段的岩性、沉积构造、动植物化石等沉积特征,划分沉积相类型并确定各类沉积相的平面分布范围,结合层序地层学理论划分层序级次,对该段的成煤环境进行了精细研究,并从煤层赋存、硫分、水文地质等方面讨论了成煤环境对开采的影响,对该矿未来开采14、15号煤层具有重要的理论指导意义。

1 沉积特征分析

沁水盆地太原组之下段,又称“一段”“K1段”,后又有专家学者将其命名为“Ⅰ煤段”[3]。该段的底界为K1砂岩(或相当层位)之底,与下伏的上石炭统本溪组呈整合接触,顶界为太原组K2灰岩之底。根据以往钻孔资料,井田内该段平均厚17.62 m,发育2层可采煤层(14、15号煤层),是太原组最重要的含煤层段。

1.1 岩性特征

该段岩性主要为灰白色、灰色、深灰色砂岩,灰色、深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩,深灰色、灰黑色泥灰岩以及煤层。底部K1砂岩(第1层)厚0.50～7.25 m,平均3.15 m。岩性以中厚层状细粒砂岩、粉砂岩为主(如18-2钻孔),个别钻孔可见粗粒砂岩、中粒砂岩;成分以石英为主,硅质胶结,分选性、磨圆度中等。K1砂岩在井田内普遍发育,仅个别钻孔未钻遇,推测其相变为泥岩(如22-3、22-4钻孔)或砂质泥岩。K1砂岩顶至15号煤层底之间的地层(第2层)平均厚4.98 m。岩性有时较为单一,为中厚层状泥岩(如18-2钻孔)或厚层状铝土质泥岩(如20-2钻孔),有时发育多种岩性,如泥岩、铝土质泥岩、粉砂岩(如21-1、21-2钻孔)。该层位发育大量的菱铁矿鲕粒或菱铁矿结核,局部菱铁矿结核呈条带状富集(如22-4钻孔)。15号煤层(第3层)厚3.20～6.70 m,平均4.43 m,结构简单—复杂,含泥岩、炭质泥岩夹矸0～6层,一般为2～3层,属全区可采的稳定煤层。15号煤顶至14号煤层底之间的地层(第4层)平均厚4.08 m,岩性有时较为单一,为中厚层状泥岩(如21-1、22-4钻孔)或泥灰岩(如22-3钻孔),有时为泥岩夹泥灰岩(如18-2、20-2、21-2钻孔)。该层中的泥灰岩,俗称K2下灰岩,层位不如K2灰岩稳定,一般呈透镜状产出。与第2层相似,该层也发育较为丰富的菱铁矿结核。14号煤层(第5层)厚0.60～3.05 m,平均0.98 m,煤层结构简单,不含夹矸,属大部可采的较稳定煤层。该煤层一般直接下伏于K2灰岩,偶见二者之间发育薄层炭质泥岩。

1.2 沉积构造特征

1.2.1层理构造

根据钻孔描述,该段发育的层理构造包括交错层理、正粒序层理、水平层理、透镜状层理。

1)交错层理:见于第1层的细粒砂岩(18-2、21-1钻孔)、粉砂岩(18-2钻孔)中，反映了较强的水动力条件。

2)正粒序层理:见于第2层。21-2钻孔第2层中有一层厚0.70 m的粉砂岩,其底部为细粒砂岩,反映了砂岩沉积时的正粒序特征。

3)水平层理:见于第2、4层。在泥岩(18-2、20-2、21-2钻孔)、泥灰岩(20-2、21-2钻孔)、粉砂岩(21-1钻孔)中均有发育，反映了较弱水动力条件。

4)透镜状层理:见于第2层。如21-2钻孔15号煤层直接底为0.92 m的灰黑色泥岩夹粉砂岩透镜体。反映了泥质供给多、砂质供给少的沉积环境。

1.2.2化学成因构造

根据钻孔描述,该段常见的化学成因构造有菱铁矿鲕粒、菱铁矿结核以及黄铁矿结核等。其中,菱铁矿鲕粒及结核,是潟湖相沉积的典型代表,反映其形成于还原环境;黄铁矿一般认为是与微生物参与的甲烷厌氧氧化反应和硫酸根还原反应共同作用的产物[4],指示强还原环境。

根据钻孔描述及硫分测试结果,该段14、15号煤层普遍发育有黄铁矿结核。该段煤层硫分测试结果:14号煤层原煤硫分为1.07%～7.71%,平均3.42%;15号煤层原煤硫分为1.94%～8.68%,平均5.10%;14、15号煤层硫分均以硫化铁硫为主,有机硫次之,硫酸盐硫最少。这些都直接反映了14、15号煤层形成于强还原环境。

1.3 动、植物化石特征

根据钻孔资料,该段煤层底板(岩性包括泥岩、铝土质泥岩、粉砂岩)可见大量的植物化石碎片,且向上越靠近煤层,植物化石碎片的含量越高。此外,在第4层的泥灰岩中,可见已碳化的腕足类等动物化石碎片。

在司马煤矿东南方向约50 km的陵川县附城镇松窑沟剖面(即晋东南地区太原组标准剖面),本人曾在该段相当层位发掘了轮叶、楔叶、芦木、栉羊齿、脉羊齿等植物叶片和茎干化石。这些节蕨植物、真蕨植物、种子蕨植物在石炭-二叠纪最为繁盛,与石松植物门一起构成晚古生代植物群,是晚古生代石炭-二叠纪的重要造煤植物[5]。上述植物的繁盛为该段14、15号煤层的形成奠定了物质基础。

2 沉积相划分

综合以上沉积特征,本次将司马煤矿太原组下段划分出障壁岛(砂坝)、潟湖、潮坪等3种沉积相,在潮坪相中识别出泥坪和泥炭坪等2种亚相(见图1)。

1)障壁岛(砂坝)相:见于第1层。岩性以灰色中厚层状细粒砂岩、粉砂岩为主,有时为粗粒砂岩或中粒砂岩,多为硅质胶结。发育交错层理。根据52个钻孔中K1砂岩的厚度资料,本次绘制了司马煤矿K1砂岩厚度等值线图(图2)。从图上看,井田大部分范围发育有障壁岛(砂坝),其中厚度较大的区域(如补-6、补-7、1905、20-3、2105等钻孔处)为障壁岛相区,厚度相对较小的区域为砂坝相区。

2)潟湖相:见于第2、4层。岩性以泥岩、铝土质泥岩为主,有时可见粉砂岩、泥灰岩。发育水平层理、透镜状层理,常见菱铁矿结核或鲕粒。常见动植物化石碎片。因所有钻孔均发育有第2、4层,所以该相区在全井田广泛分布。

3)潮坪相:见于第3、5层。在潮坪中,以15、14号煤层为代表的泥炭坪亚相较易识别。此外,在21-2、22-3钻孔的第2层顶部,本次还识别出泥坪亚相,岩性为灰黑色薄层状泥岩,厚度均不足1 m,见大量植物化石碎片,具水平层理,有时夹粉砂岩透镜体并呈现透镜状层理(21-2钻孔)。因所有钻孔均发育有14、15号煤层,所以该相区在全井田广泛分布。

3 层序划分

目前,绝大多数成果[6-9]将沁水盆地太原组地层划分为一个三级层序,同时又将太原组再细分出若干个四级层序。本次对司马煤矿太原组下段进行层序划分采用该主流划分方案。

对该段进行四级层序细分,关键在于确定四级层序的界面。在障壁—潟湖及滨外碳酸盐陆棚沉积背景下,由于缺乏河道下切所形成的下切谷充填砂岩,所以四级层序界面经常与海侵面重叠,这样的面可以是代表陆上暴露的古土壤层(煤层底板根土岩),也可以是没有暴露但是表现出由深到浅、再由浅到深的沉积相转换面[6]。据此,本次分别以K1砂岩、15号煤层、14号煤层之底,将该段划分为S1、S2、S3等3个四级层序(图1),将每个四级层序又细分为海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)。其中,S3层序的海侵体系域沉积为14号煤层及其上的泥岩或炭质泥岩,位于本段的顶部;高位体系域沉积为K2灰岩及13号煤层之下的砂、泥岩沉积,不在本段。可见,司马煤矿14、15号煤层均形成于四级层序中的海侵体系域。

4 成煤环境分析

自下而上,司马煤矿太原组下段依次经历了障壁岛(砂坝)—潟湖—潮坪—潟湖—潮坪等环境变化,先后发育了S1、S2、S3等3个四级层序。相应地,水深依次经历了浅-深-浅-深-浅等震荡变化。参照王保玉等提出的太原组3种聚煤环境模式[3],从沉积序列上分析,司马煤矿太原组下段的成煤环境属于“岛湖潮坪聚煤模式”,14、15号煤层均形成于潟湖之上的潮坪(泥炭坪)环境,且该泥炭坪属于“潟湖后泥炭坪”。与之相关的潟湖和障壁岛(砂坝),存在于该矿的东南方向。

晚石炭世-早二叠世,华北地台由“南升北降”变为“北升南降”,海侵方向由原来的北东方向变为南东方向。目前普遍认为,在沁水盆地这一构造面转换发生于太原组下段15号煤层沉积时[6-10]。因此,司马煤矿太原组下段地层跨越了这一特殊地质历史节点,即在S1层序沉积时海水自北东方向侵入,自S2层序开始海水自南东方向侵入。在这一变化后的第一次海侵初期,泥炭堆积速率与海平面的抬升速率维持相当长时期的平衡,从而形成了巨厚的15号煤层。随着海平面的持续上升至最大海泛面,代表潟湖环境的K2下灰岩、铝土质泥岩等开始沉积。第二次海侵初期,泥炭堆积速率与海平面的抬升速率维持平衡的时间较短,因此14号煤层虽然层位稳定但厚度较薄。在海平面上升至最大海泛面后,K2灰岩开始沉积,沉积环境由泥炭坪过渡为碳酸盐岩开阔台地。至此,太原组下段聚煤环境结束。

图1 司马煤矿太原组下段沉积相和层序划分图Fig.1 Sedimentary facies and sequence division of the lower section of Taiyuan Formation in Sima Coal Mine

图2 司马煤矿K1砂岩厚度等值线图Fig.2 Thickness contour map of K1 sandstone in Sima Coal Mine

5 成煤环境对开采的影响

1)煤层赋存:因均形成于潟湖后泥炭坪,14、15号煤层分布面积广,层位稳定,大多数可采。加之二者间距较小(平均4.08 m),这有利于上下煤层联合开采,但需注意上下采煤工作面的合理错距。

2)硫分:因均形成于障壁岛—潟湖—潮坪环境下的海侵体系域,14、15号煤层的平均原煤硫分均大于3%,属于高硫煤,应注意与低硫煤层配采或与低硫原煤进行配煤。

3)水文地质:因煤层底板以下地层以潟湖相的泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩为主,加之本溪组地层也多以潟湖相的泥岩类为主,这些岩石类型能够起到很好的阻隔水作用,但总体上该隔水层厚度较小(11.40～35.02 m,平均18.57 m),且该矿存在带压开采问题,应特别注意防范底板奥灰含水层突水。

6 结论

1)在该段识别出障壁岛(砂坝)、潟湖、潮坪3种沉积相和泥坪、泥炭坪2种亚相。潟湖和潮坪相区广布于全井田,障壁岛(砂坝)相区分布于井田的大部分范围。

2)将该段细分为S1、S2、S3等3个四级层序、3个海侵体系域(TST)以及2个高位体系域(HST)。14、15号煤层均形成于海侵体系域。

3)该段成煤环境属于“岛湖潮坪聚煤模式”,14、15号煤层形成于“潟湖后泥炭坪”。

4)建议上下煤层联合开采，同时注意合理错距、采用配采或配煤以降低原煤硫分，注意防范奥灰含水层突水。