沙曲井田煤层冲刷带预测研究--以山西组4#煤层为例

沙曲井田煤层冲刷带预测研究

——以山西组4#煤层为例

李普涛1,2，郭英海2，张起钻1

1. 桂林工学院，广西，桂林，541004 2.中国矿业大学，江苏，徐州，221008

摘 要：煤层-顶（底）板砂体等厚图法预测煤层冲刷带是以沉积学分析为基础，对比煤层与其顶（底）板砂体等厚图，分析二者岩性、厚度的相互变化关系，最终确定煤层冲刷带的分布规律。本文运用这一方法，通过研究全面了解沙曲井田山西组沉积概貌，并揭示出4#煤层冲刷带的分布规律。 关键词：煤层冲刷带；砂体等厚图；沉积学；沙曲井田

03#、1#、2#、3#、4#、5#煤层。3#、4#、5#煤层位于

0 引言 山西组下部，其中3#煤层为薄煤层，4#、5#煤层为

稳定中-厚煤层，也是井田先期主采煤层。钻孔资料

煤层冲刷带[1]一般是指水流（河流、海水）对

揭示，在井田北部3#、4#煤层合并。

泥炭层或煤层的冲蚀，并通常由砂质沉积物充填而形成的地质体。冲刷带是引起煤层形态与厚度变化

2 研究方法和研究内容 异常的常见原因之一，直接影响到矿井设计、开采

方式的不同。实践证明，运用煤层-顶（底）板砂体

2.1研究方法

等厚图法预测煤层冲刷带，是一种既经济又有效的

煤层-顶（底）板砂体等厚图法，即以沉积学分

方法。本文运用这一方法，对沙曲井田山西组4#煤

析为基础，通过对比煤层与其顶（底）板砂体等厚

层进行冲刷带预测研究，这对目前正处于大规模开

图，分析二者岩性、厚度的相互变化关系，最终确

发阶段的沙曲井田具有重要的实际意义。

定冲刷带的范围。

煤层等厚图一定程度反映了煤层被冲蚀薄化

1 研究区概况的范围和程度；煤层顶（底）板砂体等厚图客观反

映了煤层及其冲刷带的沉积环境。实践证实：砂体

沙曲井田位于鄂尔多斯地块东部边缘的山西

等厚图[4]绝大多数对煤层破坏性较大的冲刷带都出2

省河东煤田中部离柳矿区（图1），面积约135km。

现在砂体等厚图的厚度高值区域；砂体等厚线的形

井田呈NW-SE向弧形，地层缓倾角单斜，倾向

态、位置反映了煤层冲刷带的沉积概况，砂体等厚

W-SW，断层不发育，褶曲小且宽缓，属简单构造

线的数值指示了冲刷带出现的几率大小以及对煤

类型。主要含煤地层[2]为石炭系上统太原组（C3t）

层的冲蚀程度。

和二叠系下统山西组（P1s）。

2.2研究内容

2.2.1沉积学分析

沉积学分析的主要目的是全面了解区内山西组的沉积概貌，包括沉积序列特征、沉积相类型以及沉积演化过程等。通过沉积序列分析，划分出存在的沉积相类型，进而推测沉积演化。为煤层冲刷带的成因类型的确定、预测提供地质依据。 2.2.2冲刷带预测

根据煤层冲刷带的成因类型，选择不同的预测方法。一般来讲[4]，对后生冲刷带，通常选取煤层顶板砂体等厚图对比；对同生冲刷带，需同时参考

-1-

图1：研究区位置示意图

Fig1：The position of Shaqu coalfield

山西组（P1s）范围由底部北岔沟砂岩至顶部骆驼脖砂岩底之间[3]，由一套岩性以砂质岩、泥质岩为主的含煤岩系组成。地层厚42.89-79.92米，平均60.80米。含煤8层，自上而下依次编号为01#、02#、

http://www.paper.edu.cn

煤层顶、底板砂体等厚图综合分析；对继承性冲刷带，底板砂体等厚图预测效果往往较顶板好。通过对比分析，圈定出冲刷带的范围。

3 山西组沉积分析

3.1.沉积序列及沉积相

据郭英海等研究[5,6]晋中北早二叠世晚期山西期（P1s）是以河控作用为主、兼受潮汐作用改造的浅水三角洲沉积体系，沉积相包括曲流河相和三角洲相两种类型。沙曲井田山西组沉积环境从属于此大环境。井田山西组上部主要为一套曲流河相沉积为主的含煤岩系；山西组下部则以三角洲沉积为主，其中又以三角洲平原发育最为完整，而三角洲前缘和前三角洲不甚发育。这也是晋中北浅水三角洲的一个显著特征[5,6]。井田主采煤层3#、4#、5#煤层位于山西组下部，具体沉积相组合与沉积序列见图2示。

着周期性的海泛作用，形成广泛存在的黑色海相泥岩（③层），且通常于5#煤层顶板产出[5,6,8,9]。随着海水彻底退出本区[5,6,8]，在三角洲分流河道，形成彼此叠覆的砂体（④层）。由于碎屑物供应充足，分流间湾沼泽化，发生泥炭堆积，并由废弃的分流河道相连接，形成广泛分布、厚度较大的4#煤层（⑤层）。井田南、北部，由于沉积环境的不同，形成3#、4#煤层的合并与分岔，在分流河道形成煤层顶板砂体（⑥层），并在分流间湾形成厚度较大泥岩（⑦层）。

山西组晚期，随着沉积基底的不断上升[5,6,8]，井田区域开始出现曲流河沉积，形成山西组上部包括01#-03#、1#-2#煤层的一系列含煤岩系。这些由废弃河道[10]发展而来的泥炭沼泽规模和堆积时间较小，所形成的煤层基本无开采价值。

4 4#煤冲刷带预测

4.1冲刷带类型的确定

上述分析可知，4#煤层顶板砂体为三角洲平原分流河道沉积，与煤层顶板冲刷接触，据此可以确定4#煤层冲刷带属后生成因。按以往经验，煤层顶板砂体高值区域能很好的反映冲刷带的空间分布规律。因此，通过编制4#煤层及其顶板砂体等厚图，对比分析，能达到比较理想的冲刷带预测效果。

同时，大量钻孔资料也揭示，4#煤层与其底板砂体亦呈直接接触，这表明形成4#煤层的泥炭沼泽是在三角洲平原废弃分流河道和分流间湾的基础上迅速发展起来的，底板砂体的厚度变化及形态展布对煤层形态与厚度变化亦有一定的联系。因此，在预测过程中，同时参考4#煤层底板砂体厚度分布数据，能更好的指示冲刷带的分布规律。另外，4#煤层顶板砂体的形态为条带状（见后，图4），这也是三角洲平原分流河道的一个显著标志。

图2：沙曲井田山西组下部沉积序列及沉积相

Fig2:Sedimentary sequence and Sedimentary facies in the

2nd NO.of Shanxi formation in Shaqu coalfield

结合钻孔资料，对比区域地层[7]，按岩性特征对山西组下部自下而上划标志层如下：①层：北岔沟砂岩，含砾、粗-细粒砂岩，槽状、板状交错层理，波状层理；②层：5#煤层，稳定厚煤层；③层：泥质岩，含海相生物化石；④层：中-细-粉粒砂岩；⑤层：4#煤层：稳定中-厚煤层；⑥层：中-细粒砂岩；⑦层：泥质岩；⑧层：3#煤层：薄煤层。

4.2冲刷带预测分析

4.2.1 4#煤层及其顶板砂体分布规律

4#煤层煤厚0.84-6.05m，平均2.98m。由4#煤层等厚图（图3）可以看出：井田北部，3#、4#煤层

3.2沉积演化

山西期，鄂尔多斯地块东部地区已转为陆相浅水三角洲沉积体系[5,6,8]，在此大背景下，沙曲井田山西组沉积演化可划分为3个阶段：

山西组早期、中期，三角洲沉积以进积为主，在三角洲平原水下分流河道、河口砂坝形成较厚的山西组底界砂岩（①层）；同时废弃三角洲朵叶逐渐演化为间湾沼泽，最终形成5#煤层（②层）。随

-2-

http://www.paper.edu.cn

图3：山西组4煤层体等厚图

Fig3:Isopach map of the coalbed 4# in Shanxi formation 1.煤层等厚线（单位：m） 2. 3#、4#煤层煤层合并线

#

合并区，基本属于4m以上的稳定厚煤层，局部厚

度可达5m以上；井田中部，4#煤层厚度多为2-3m，局部有小范围的相对较薄或较厚区；井田南部，4#煤层独立分层，厚度大多为1-2m，甚至1m以下的薄煤区。总的来看，4#煤层总的分布规律具有以下特点：井田从北-中-南向，煤层厚度的变化趋势是厚-中-薄层，而各厚度煤带的分布基本平行于煤层合并线的方向延伸。

4#煤层顶板砂体等厚图（图4）表明：砂体分 布的范围主要在井田中、南部，尤其是砂体厚度>5m的高值区，基本都分布在井田南部。砂体形态呈条带状，且厚度大于5m的砂体高值区都位于砂体形态的弯曲部位，这表明因水动力条件的改变使得河流卸载碎屑携带物较多沉积形成。另外，钻孔资料统计，4#煤层底板砂体高值区也主要位于井田南部，与4#顶板砂体在该区的高值区基本一致。 4.2.2 4#煤层冲刷带分布规律

对照4#煤层薄化区与其顶板砂体厚度高值区，可以发现：4#煤层薄化带与其顶板砂体厚度高值区的分布区域总体是一致的，且砂体高值区的长轴延伸方向与煤层等厚度带延展方向基本平行。局部的煤层相对变薄或变厚区的存在，表明冲刷的程度在不同区域有所不同。

因此，4#煤层冲刷带的范围基本圈定在这些砂体厚度高值区域，并初步圈出两条主要冲刷带（图4），其总体分布趋势是南东-北西向。在井田南部，两个砂体高值区是应连续分布的，形成横向分布的冲刷带；在井田北部，冲刷带则是沿着平行煤层合并线的方向，向北西方向延伸。由冲刷带的形态可以初步推测古河道流向总体是南东-北西向，沿着煤层合并带注入低洼的泥炭沼泽，随着河道夷平面的降低，对泥炭或煤层的冲刷作用逐渐减少至零。由于分流河道改道频繁，砂体彼此叠覆，表明不同时期，水流方向也是不断改变的。

5 结语

沙曲井田山西组是以浅水三角洲为主体的沉积体系，山西组上部主要为曲流河沉积，山西组下部则为三角洲平原沉积。沉积分析可知4#煤层为三角洲平原分流间湾与废弃河道演化的泥炭沼泽堆积形成。4#煤层冲刷带为三角洲平原分流河道沉积形成，属后生成因，且主要分布在井田南部，初步推测古流向为南东-北西向。

由于矿井的实际地质条件是复杂多样的，对冲刷带预测的结果及时加入生产勘探、井巷掘进等施

-3-

图4：山西组4#煤层顶板砂体等厚图及冲刷带预测 Fig4:Isopach map of sandbody in the coalbed 4# roof in Shanxi

formation and distribution of erosion zone 1.砂体等厚线（单位：m） 2.砂体范围 3.3#、4#煤层合并线 4.预测冲刷带

http://www.paper.edu.cn

工中得到的新的煤层与砂体数据，以更加准确的描绘煤层和砂体的形态、厚度，达到预测冲刷带的目的。研究发现4#、5#煤层成因基本相同，与其底板砂体直接接触，且厚度相关性明显，因此煤层-底板等厚图法也可用于5#煤层的冲刷带预测。

参考文献

[1]杨起,韩德馨.中国煤田地质学（上册）（M）.北京,煤炭工业出版社.1979,12.P90-93.

[2]于国芳，郭英海等.山西省柳林西部峰峰组含水特征及其矿井防治水的意义.中国煤田地质（J）.2005,17（4）.P28-31. [3]郭英海,刘焕杰等.晋中北山西组浅水三角洲沉积特征及聚煤作用（J）.中国矿业大学学报（J）.1995,21（1）.P64-70. [4]王宇林,赵明鹏等.煤层冲刷带的分类与预测.辽宁工程技

术大学学报（J）.1998,17（3）.P249-253.

[5]郭英海,刘焕杰等.陕甘宁地区晚古生代沉积体系（J）.古地理学报.2000,2（1）.P19-29.

[6]郭英海,刘焕杰等.鄂尔多斯地区晚古生代沉积体系及古地理演化.沉积学报（J）.1998,16（3）.P44-51.

[7]长庆石油勘探开发研究院.山西省柳林县成家庄石炭-二叠系剖面岩性岩相报告（R）.1994.

[8]郭英海.鄂尔多斯盆地晚古生代沉积演化及岩相古地理（D）.徐州，中国矿业大学博士学位论文.1997.

[9]陈钟惠编.煤和含煤岩系的沉积环境（M）.武汉,中国地质大学出版社.1988.P95-109.

[10]桂学智.河东煤田晚古生代聚煤规律与煤炭资源评价（M）.太原，山西科学技术出版社1993.

Prediction of Erosion zones in Coalbed in Shaqu Coalfield

—— By Example of Coalbed 4#in Shanxi Formation

Li Putao1,2，Guo Yinghai2，Zhang Qizuan1

1.Guilin University of Technology ,Guangxi ,Guilin，541004 2.China University of Technology & Mining ,Jiangsu,Xvzhou,221008

Abstract

The method of isopach map of coalbed-roof(bottom) sandbody on study and prediction of erosion zones in coalbed is:based on sedimentary,and contrasted to isopach map of coalbed and sandbody,then analysised of the differences between coalbed and sandbody aboat rocktypes and thickness,The distribution regularity of erosion zones in coalbed can be revealed .By this means in the paper ,the sedimentary content and erosion zones in coalbed are recognized in Shanxi formation in Shaqu coalfield.

Keywords: Erosion zones in coalbed;Isopach map of sandbody;Sedimentary;Shaqu coalfield

作者简介：

李普涛（1982.8- ），汉族，陕西户县人，2004年毕业于中国矿业大学地质工程（资源勘察工程）专业，现为桂林工学院硕士研究生，专业矿产普查与勘探，E-mail：lptcy@etang.com或lptcy@163.com。

-4-