Question

含煤地层与煤层发育特征

Answer 1

1.1.1 煤系地层与沉积环境

本区出露地层由老至新依次为：太古宇、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和第四系。其中石炭－二叠系为煤系地层。

1.1.1.1 煤系地层特征

煤系地层自下而上有中石炭统本溪组、上石炭统太原组和下二叠统山西组。其中本溪组一般不含煤，太原组和山西组为本区的主要含煤地层。太原组为海陆交互相沉积，山西组为陆相沉积。现分述如下：

（1）中石炭统本溪组（C₂b）

底部为铝质泥岩，常含铁质结核及下伏灰岩碎块。下部为石英砾岩、石英砂岩及含铝质泥岩，侧向变化大。上部以泥岩和砂质泥岩为主，其顶部夹透镜状灰岩或钙质泥岩。组内产

、腕足、瓣鳃、珊瑚等动物化石和羊齿、鳞木等植物化石。

本组厚度0～30.48m，一般厚4～15m，因受沉积基底奥陶系灰岩古侵蚀面地形控制，沉积厚度变化很大，与下伏中奥陶统峰峰组呈假整合接触。

（2）上石炭统太原组（C₃t）

是区内主要含煤岩组之一。按其岩性分为三段。

下段：以碎屑岩为主，一般不含煤层。碎屑岩主要为石英砂岩、砂砾岩或砾岩，其间夹有粉砂岩或泥岩，侧向变化较大。

中段：由石英砂岩、石灰岩、泥岩和煤组成。石灰岩2～3层，有分叉、合并及尖灭现象，为黑灰色含浅海相动物化石的生物碎屑泥晶灰岩。石英砂岩1～3层，为深灰色、含炭质、具断续波状层理，碎屑成分以石英为主，硅质胶结。石灰岩与石英砂岩两者呈相变关系。本段下部含11^＃煤层。

上段：北区以各种粒度砂岩为主，粉砂岩和砂质泥岩次之。砂岩多为石英砂岩，结构以中粒为主，其特点为含泥质包体较多，常夹薄层粉砂岩及泥岩条带，具斜层理和波状层理。南区则以粉砂岩、砂质泥岩、泥岩为主。顶部在南区为5^＃煤层，多与上覆山西组底部河床相砂岩呈冲刷接触；北区多缺失5^＃煤层，代之以粉砂岩、砂质泥岩，含较多菱铁矿结核，系典型湖相沉积。

本组含丰富的

、腕足、瓣鳃、珊瑚等动物化石和羊齿、鳞木、楔叶等植物化石。

本组厚度26～86.85m，一般厚50～60m，与下伏地层呈整合接触。

（3）下二叠统山西组（P_ls）

为区内另一主要含煤岩组，岩性主要为长石石英杂砂岩及石英杂砂岩，其次为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩和煤层。

石英杂砂岩呈中厚—厚层状，以中细粒结构为主，碎屑成分主要由石英和燧石组成，其次为长石和白云母，并含大量泥质和炭质岩屑，胶结物多为泥质，其次为钙质，该层常具明显的大型板状斜层理并含大量泥质包体和黄铁矿结核，为典型的河床相砂岩，位于本组底部。

长石石英杂砂岩主要成分为石英、长石及石英岩屑，其次含较多的炭质和泥质岩屑，暗色矿物少量，层面含大量白云母，胶结物多为泥质。

粉砂岩成分复杂，由石英、岩屑组成，含炭质，具缓波状及水平层理，沿层面有大量植物碎屑分布。本组含2^＃和3^＃煤层。

含丰富的羊齿、楔叶、轮叶等植物化石。

本组厚度35～115m，一般厚40～70m，与下伏地层呈整合接触，近期有资料提出将华北石炭纪二分，按其划分原则，本区的本溪组和太原组的中下段属于上石炭统地层，而将太原组上段和整个山西组地层划归下二叠统。为便于利用矿区现有资料，本次研究未采用这种二分方案。

1.1.1.2 煤系沉积环境分析

（1）纵向环境演化序列

区内煤系地层总体上表现出从陆相→海陆交互相→陆相的演化序列，经历了一个完整的海侵—海退过程。在此沉积背景上，形成了八个结构大体一致但又各具特点的沉积旋回。

本溪组和太原组由五个沉积旋回构成（代号为分别C_2－0、C_2－1、C_3－1、C_3－2、C_3－3）。

C_2－0旋回：位于本溪组底部，是在奥陶系灰岩古剥蚀面之上发育的由湖泊相泥岩组成的不完整旋回。区内分布不稳定，常与河床相石英砂砾岩呈相变关系。

C_1－1旋回：位于本溪组中上部。自下而上依次为河床砂砾岩相、湖泊泥岩相、潟湖海湾泥岩—碳酸盐岩相和湖泊泥岩相，表现为次一级的海水进退序列。

C_3－1旋回：位于太原组下部，旋回的下部和中部为一典型的曲流河沉积模式，即河床相→河漫滩相→漫滩沼泽相与煤层。河流沉积主要由砂质沉积组成，相当于Miall（1985）曲流河模型之三。11^＃煤层即发育在河流沉积的顶部。旋回的顶部为潟湖海湾碳酸盐岩、石英砂岩和泥岩相。

C_3－2旋回：位于太原组中部，系一套以海相沉积为主的复合旋回，由于海水频繁进退，该旋回从下往上依次含有10^＃、9^＃、8^＃、7^＃、6^＃五层不可采煤层，也就是说，C_3－2旋回是由五个以上次一级沉积韵律构成的复合旋回。

C_3－3旋回：位于太原组顶部。主要由一套湖泊相泥岩、粉砂岩和少量菱铁质岩石组成。该旋回上部发育局部可采的5^＃煤层。

山西组由三个沉积旋回构成（代号分别为

）。它们均从河床相开始，向上依次为河漫相、沼泽相、泥炭沼泽相到湖泊相结束，表现出成煤盆地内有三次覆水从局部浅水到全区深水的变化过程，其中

旋回上部发育3^＃煤层，

旋回发育2^＃煤层，

旋回发育1^＃煤层，1^＃煤层系不可采煤层。

煤系地层总的环境演化特征见图1.1。

（2）南、北区之间的相变

区内煤系沉积在总体一致的环境背景下，南北区尚存在以下三个方面的显著差别：

1）煤系地层厚度

南北区太原组厚度变化（图1.2和图1.3）：南区太原组厚度变化范围一般为45～85m，以50～65m分布面积最大（占70%以上）。厚度比较均匀，反映基底地形比较平坦。北区太原组厚度一般为45～90m，以大于55m者分布面积最广（占80%以上），厚度变化较大，形成一系列厚薄变化带和孤岛状薄厚区，反映了北区煤系沉积基底凹凸不平的古地形特点，影响了聚煤环境的稳定，故含煤性较南区差。

南北区山西组厚度变化（图1.4和图1.5）：南区山西组厚度较小，两极值为35～80m，一般为40～60m。北区山西组厚度较大，两极值为45～125m，绝大部分地区大于70m。故含煤性北区优于南区。

2）岩石类型及量比

区内煤系地层岩石类型以陆源碎屑岩为主，其次为煤层和碳酸盐岩。碎屑岩中的细碎屑岩与粗碎屑岩比率南北区变化较大（表1.1），由南向北煤系中砂砾岩的厚度及比率逐渐减小，而泥岩与煤层的厚度及比率逐渐增大。

表1.1 韩城矿区煤系岩石类型含量统计

1.1.2 煤层与聚煤作用

1.1.2.1 煤层

韩城矿区含煤层数多达13层，其编号自上而下分别为山西组的1^＃上、1^＃、2^＃、3^＃、4^＃，太原组的5^＃、6^＃、7^＃、8^＃、9^＃、10^＃、11^＃等。其中3^＃、11^＃煤层分布较普遍，为全矿区主要开采煤层，5^＃煤层分布于燎原井田和象山井田，2^＃煤层主要分布于北区和马沟渠井田。

图1.1 韩城矿区煤系地层岩性岩相层理柱状图

图1.2 南区太原组厚度等值线图

单位为m，其余为钻孔号

图1.3 北区太原组厚度等值线图

单位为m，余为钻孔号

图1.4 南区山西组厚度等值线图

单位为m，余为钻孔号

图1.5 北区山西组厚度等值线图

单位为m，余为钻孔号

1.1.2.2 聚煤作用

太原组沉积期南区有二次重要的聚煤作用，北区只有一次，分别形成全区可采的11^＃煤层与南区可采的5^＃煤层。现分述如下：

1）11^＃煤层

该煤层形成于太原组C_3－2旋回顶部，煤层之下为曲流河沉积，煤层之上为潟湖海湾相泥岩层覆盖。因此，11^＃煤层的形成环境为三角洲沉积体系。其后的海侵终止了煤层的发育。

研究认为，曲流河冲积平原岸后沼泽内较厚煤层的形成，首先需要河道填积稳定，长期限于一些固定的地带；其次岸后洪泛盆地内应以细碎屑沉积物为主，并在成岩时差异压实作用下，能保持长时间的不断沉降。区内C_3－2旋回发育完整，表明其为稳定曲流河环境的特点。

11^＃煤层为较稳定的中厚—厚煤层。其煤厚变化主要受泥炭沼泽基底不平的影响。其次，当11^＃煤层直接顶板为石英砂岩时，由于其水下冲蚀作用也可造成11^＃煤层变薄。由于11^＃煤层之顶板为覆水较深的海相沉积，故11^＃煤层为富硫煤，且以有机硫为主。

2）5^＃煤层

主要分布于燎原井田南部和象山井田。形成于太原组C_3－4，旋回上部的湖泊成煤沉积体系，聚煤场所为滨湖地带。煤层底板岩石为一套10余米厚的砂质泥岩，含数层菱铁质砂岩或石英砂岩，并含较多的黄铁矿结核，系标准的湖沼相沉积。而北区相当层位则发育了一套湖相沉积，没有泥炭沼泽发育。

3）3^＃煤层

形成于山西组

旋回上部的曲流河成煤沉积体系，其成煤环境主要为岸后沼泽环境。

3^＃煤层在南区厚度比较稳定（1.50m），属较稳定的中厚煤层；在北区厚度则呈有规律的变化；在燎原井田，一般厚1.30m，而在下峪口井田，厚度一般达4m左右，再向北到桑树坪井田，3^＃煤层厚度一般为5.00～7.00m。由此可见，3^＃煤层沉积期的聚煤作用从南向北依次变强。

4）2^＃煤层

位于山西组

旋回上部，该旋回为不完整之河流旋回。其中河床相普遍发育而垂向加积组不发育。说明2^＃煤层沉积期区内河道不稳定，侧向迁移强烈，不利于岸后泥炭沼泽发育。故区内2^＃煤层在南区基本为不可采煤层，而北区2^＃煤层可采，但厚度比较小。

综上所述，山西组沉积期韩城矿区聚煤作用北区优于南区；相反，太原组沉积期聚煤作用南区则好于北区。