陕北侏罗纪煤田三角洲平原沉积环境及其岩石力学特征

王海军，马 良



陕北侏罗纪煤田三角洲平原沉积环境及其岩石力学特征

王海军1,2,3，马 良1

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 西北大学地质学系，陕西 西安 710069；3. 西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

三角洲平原沉积环境是陕北侏罗纪煤田煤炭资源的主要形成环境之一，为获得不同环境煤层顶板岩石力学参数特征，进一步探究沉积环境与岩石力学特征之间的关系，首先从区域沉积环境分析入手，然后运用岩心精细描述、沉积构造分析、地球物理测井分析等技术，识别微相、划分顶板沉积微相类型及其组合特征；之后对不同沉积环境中不同位置、不同岩性的岩石进行系统地分层采样和测试分析；最后综合分析煤层顶板各沉积微相的岩石力学特征。结果表明，煤层直接顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主，形成于三角洲平原亚相中的沼泽、湖泊沉积微相，局部见粉砂岩、细粒砂岩形成于分流河道和天然堤微相；基本顶主要以中–细粒砂岩为主，形成于分流河道沉积微相；沉积环境不仅控制煤层顶板岩性分布而且控制岩石力学参数及其含水层富水性的分布，其中，湖泊、沼泽相泥岩顶板区是顶板支护的重点部位，多期分流河道砂岩叠置顶板区是未来矿井防治水以及探放水的重点区域。

煤层顶板；岩石力学特征；岩心测试；工程地质编录；沉积环境；陕北侏罗纪煤田

陕北侏罗纪煤田作为我国重要的煤炭资源供应基地，其主要形成于三角洲平原沉积环境中的泥炭沼泽和湖泊沉积环境[1-8]，而煤层顶板多为多期分流河道、分流间湾等沉积微相中形成的粉砂岩、细粒砂岩及泥岩的叠置组合体。经过多年的地质勘探钻孔取心、井下煤层顶底板岩石力学测试及分析发现，在陕北侏罗纪煤田相对简单煤层顶板岩性单一的情况下，同一种岩性的岩石力学参数相差较大，而岩石力学特征是进行煤层顶底板稳定性评价、矿井开拓设计、井巷围岩支护的重要依据。研究表明，岩石力学特征决定煤层顶板的稳定性，而岩石力学特征受岩石岩性、成分、胶结物、填充物等多种因素影响[9-12]。岩石力学特征中岩石的抗压强度与煤层顶板的质量取决于各种岩石类型的内在联系、沉积早期的压实作用、同沉积构造和后期构造特征等因素，其中顶板主要特征与沉积作用或早期压实过程有关，后期的构造运动起着强化早期特征的作用[6-9]。因此，究其根本，煤层顶板岩石力学特征受沉积环境的影响。笔者以陕北侏罗纪煤田某矿井3号煤层为例，从煤层顶板各沉积微相岩石力学特征入手进行研究，对煤层顶板不同沉积环境、不同岩性、不同位置的岩石进行系统的样品采集和室内测试分析，以期为陕北侏罗纪煤田同类沉积环境下形成的煤层顶板稳定性评价、矿井设计、井巷围岩支护等提供参考。

1 地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡构造单元，总体为西倾单斜，局部发育一系列鼻状构造，属于榆横矿区侏罗纪煤田范畴。煤系为侏罗系延安组，地层发育有侏罗系延安组、直罗组、安定组、白垩系洛河组、第四系黄土、风积沙及萨拉乌苏组；目前矿区内主力煤层延安组四段的2、3号煤组，煤层厚度1.1~8.90 m，平均2.56 m。矿井直接充水含水层为煤层顶板砂岩含水层，在2号煤层和3号煤层厚度较大的区域导水裂隙带高度波及直罗组底部的七里镇砂岩含水层，顶板砂岩含水层单位涌水量0.068~0.43 L/(s·m)，属于弱—中等富水性含水层。延安组四段和直罗组底部七里镇孔隙裂隙型砂岩含水层是目前矿区内威胁矿井安全生产的主要充水水源。区内延安组属于河流–三角洲沉积环境，延安组四段属于三角洲平原亚相沉积环境[8]。

2 煤层顶板沉积环境特征

煤层直接顶板岩性以泥岩为主，厚度0.54~12.77 m，平均3.02 m(图1e)，薄层—中厚层状粉砂岩次之，局部地段发育层状粉砂岩与泥岩互层以及块状细粒砂岩(图1c)；基本顶以厚层—巨厚层状中粗粒砂岩为主，细粒砂岩、粉砂岩次之，局部地段发育的煤层与基本顶巨厚层状中、粗粒砂岩直接接触(图1a、图1b)。根据区域沉积环境背景，结合研究区钻孔地质钻探、地球物理测井、沉积旋回性、岩心沉积构造特征等，从“点–线–面”三位一体的沉积环境多资料综合研究分析表明，3号煤层顶板主要由3个正旋回构成，按照煤层顶板3个旋回和3号煤层形成进行沉积环境及其演化分析，研究区经历了成煤期的湖泊–泥炭沼泽沉积环境，成煤后顶板由分流河道沉积为主体向分流河道、天然堤、分流间湾三分鼎立的沉积景观演化(图2)。

图1 煤层顶板沉积组合典型特征

图2 煤层顶板沉积环境演化过程及其微相分布特征

冒落带及导水裂隙带发育高度与采厚、顶板岩石力学性质、采煤方法、工作面形状和规模等因素密切相关。通过分析研究区地层、煤层特征及顶板岩石力学特征，按照MT/T 1091—2008《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》附录D公式2进行计算。经计算冒落带高度为7.52~12.20 m，平均10.19 m，冒落带范围内含水层厚度为0~11.40 m，平均6.54 m；导水裂隙带最大高度为31.58~47.64 m，平均40.99 m；穿过含水层厚度为8.24~42.98 m，平均27.56 m。

3 煤层顶板岩石力学特征

根据地层对比划分结果，对煤层顶板各个旋回中的不同沉积环境中的岩石按照岩性在顶部、中部、底部3个位置采集岩石力学样品并测试。根据测试结果分析能够反映煤层顶底板稳定性的关键参数，按照不同岩性、不同沉积环境、相同沉积环境下形成的不同岩性以及同一种岩性岩石在相同沉积环境下在不同部位(顶部、中部、底部)的岩石力学特征分类统计。

在岩心取出岩心管后进行岩石力学样品的采集，同时进行岩性、沉积构造的描述、照相和包裹(防止风化、失水)，每组采集10~12块样品，每块心长大于等于10 cm，共计61组670块。及时送入室内进行岩石力学测试，同时对区内21个钻孔进行了工程地质编录。

3.1 煤层顶板岩石力学特征

为了系统地分析煤层顶板岩石力学特征，按照岩性统计泥岩、粉砂岩质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩和中粗粒砂岩5类岩石力学特征(表1、图3)。

②顶板岩石质量(RQD)总体上为中等—好，岩体完整性中等—较完整，具有细粒砂岩>粉砂岩>中、粗粒砂岩>粉砂质泥岩>泥岩的特征。

3.2 不同沉积环境岩石力学特征

按照区内主要沉积微相分类，统计湖泊、沼泽、天然堤和分流河道4种环境形成的岩石力学特征，结果显示(表2、图4)如下。

①在4类沉积微相环境中形成的煤层顶板，其岩石力学参数中，饱和抗压强度、抗剪强度、强度指数和岩石密度具有天然堤>分流河道>沼泽>湖泊的特征；弹性模量、岩石的孔隙度具有：分流河道>天然堤>沼泽>湖泊的特征，而岩石的内摩擦角、泊松比相差不大，相比之下泥岩最大、粉砂岩最小。

表1 岩心岩石力学测试成果表

注：表中分数线上部数据表示最小~最大值，分数线下部表示平均值，表2—表4中相同。

表2 煤层直接顶板主要沉积微相岩石力学参数表

图3 不同岩性岩石力学参数特征

图4 不同沉积环境岩石力学特征

②分流河道微相以中粗粒砂岩为主，少量细砂岩、粉砂岩；天然堤微相以细砂岩为主，少量粉砂岩，沼泽以泥岩、粉砂质泥岩为主，而湖泊以泥岩、煤层等细粒岩性为主。由河道中心向河道两侧水动力条件由强逐渐变弱，沉积物颗粒物由粗变细，矿物成分石英含量由多变少而泥质含量由少逐渐变多，导致岩石的胶结程度逐渐变差。

3.3 相同岩性不同沉积环境下的岩石力学特征

统计分析研究区内不同沉积环境形成的相同岩性的岩石力学特征，结果显示(表3、图5—图7)：

①沼泽微相泥岩的饱和抗压强度、抗剪强度、弹性模量、岩石密度、强度指数等参数优于湖泊微相，而内摩擦角湖泊相大于沼泽相。

图5 不同沉积环境下泥岩岩石力学特征

表3 煤层直接顶板不同沉积环境同一岩性岩石力学特征

②粉砂岩的饱和抗压强度、内摩擦角、抗剪强度、弹性模量、强度指数、孔隙度等参数，其分流河道微相>天然堤微相，泊松比、岩石密度则相反。

③细粒砂岩饱和抗压强度、内摩擦角、抗剪强度、弹性模量、强度指数、岩石密度等参数，其天然堤沉积微相>分流河道沉积，而孔隙度、泊松比则相反。

纲要在调研基础上，对全省水利旅游资源、经济社会发展、水源水工程建设、水文化历史传承、水利风景区建设现状等进行了深入对比分析；研究提出了“十二五”全省水利风景区建设的指导思想、基本原则、目标任务、建设总体构想，突出区域特点明确了11个市（区）建设发展重点；按水利风景区建设任务估算投资19亿元，研究明确了资金筹措办法；从6个方面明确了保障措施。

3.4 相同沉积环境不同位置同一岩性的岩石力学特征

按沉积微相统计同一岩性在顶部、中部、底部3个不同层位泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中、粗粒砂岩的岩石力学特征，结果显示(表4、图8)如下。

① 在湖泊、沼泽、天然堤沉积微相环境中形成的各类岩石，总体上具有由底部到顶部其岩石力学性质逐渐变强的特征。这是由于同一水动力环境中，底部沉积的泥岩颗粒细，泥质含量多，砂质含量少，因此，岩石胶结性差，岩石力学性质较差；向上泥质颗粒逐渐变粗，泥质含量变少，砂质含量增多，泥岩中见粉砂岩薄层，透镜体增多，故岩石力学性质变强。

②分流河道中形成的粉砂岩，底部岩石力学特征优于顶部，这是由于在分流河道沉积环境下，整体上沉积序列为正旋回位置，底部沉积颗粒较粗，向上逐步变细。在该区粉砂岩岩层中底部颗粒较顶部粗，泥质含量较顶部少，因此，岩石力学特征优于顶部。

图6 不同沉积环境下细粒砂岩岩石力学参数特征

图7 不同沉积环境下粉砂岩岩石力学特征

表4 相同沉积环境不同位置相同岩性岩石力学特征

图8 同一沉积环境下不同位置同一岩性岩石力学参数特征

③分流河道沉积微相中形成的中粗粒砂岩，中部岩石力学特征最好，底部次之，顶部最差。这是由于在河道的中部水动力条件最强，底部次之而顶部相对较弱。在河流底部大多沉积粗粒岩石，且一般形成于上一期河道顶部较细粒岩层之上，往往可见泥砾物质，由于底部河床摩擦作用导致水动力条件变弱，岩石力学特征变弱；中部河流多为层流，水流速度最快，水动力条件最强，因此，形成的岩石成分相对单一，岩石力学特征较强，区内河道砂体中部发育的石英砂岩得以印证这一观点。

4 综合评价

通过对不同沉积环境、不同岩性、不同位置岩层岩石力学特征分析，结合矿井开采设计、煤层开采形成的冒落带、导水裂隙带高度计算，将3个旋回的沉积相图从下向上依次叠置，按照不同沉积环境叠置区进行分区综合评价，分析未来矿井井筒及巷道开拓掘进过程中，不同沉积环境下煤层顶板存在的工程地质、水文地质问题(图9)。

a. 湖泊、沼泽沉积环境及其叠置区 当井筒煤层顶板波及此区域时，煤层顶板以泥岩为主体，岩性单一、厚度大、分布范围广，岩石力学性质差，顶板稳定性差，属于易于垮落顶板，顶板含水性差，矿井涌水量小，顶板多无水或渗水，该区域是顶板支护管理的重点区域。尤其是湖泊与沼泽叠置区域是顶板冒落及顶板事故的频发区域，是工程地质灾害和顶板支护管理的重点区域。

b. 沼泽与天然堤沉积环境叠置区 当掘进至天然堤沉积区域时，顶板岩性以细砂岩、粉砂岩为主，或细砂岩与粉砂岩互层，岩层厚度变化大，岩石力学性质较好，顶板稳定且不易垮落，顶板富水性较湖泊沼泽强，顶板多以渗水或小滴水等方式出水。

c. 分流河道、天然堤及其叠置区 顶板岩性相变为中–粗粒砂岩，岩层厚度大且较稳定，由河道两侧向河道中心顶板厚度逐渐变大，岩性颗粒变粗，细粒砂岩夹层变少变薄。顶板稳定性较湖泊、沼泽好但较天然堤差，顶板砂岩含水性变强，矿井涌水量变大，工作面煤层顶板多以滴水或小股出水，顶板水压、涌水量较大，势必会造成矿井突水。当井筒揭露该段时井筒涌水量较大，做好井筒冻结或壁厚注浆，预防井筒水淹没。

因此，多期河道的叠置区域中心部位和分流河道与天然堤叠置区域是矿井探放水和防治水的重点区域。在矿井开拓、生产过程中根据沉积环境特征分类管理及区别对待，加强以上区域的管理，是解决好煤层顶板事故和顶板水害预防控制的关键。

图9 煤层顶板分区综合评价图

5 结论

a. 煤层顶板岩石饱和抗压强度、抗剪强度、弹性模量、强度指数等主要岩石力学参数具有：细砂岩>粉砂岩>中、粗砂岩>粉砂质泥岩>泥岩的特征；而各类岩石的孔隙度具有中、粗砂岩>细砂岩>粉砂岩>粉砂质泥岩>泥岩的特征。

b. 由于不同沉积微相水动力条件的差异性，形成岩石岩性类型、成分含量、颗粒大小及4类微相环境中煤层顶板岩石力学各项指标的差异性，具有天然堤、分流河道>沼泽、湖泊的特征。

c. 同一岩性在不同沉积环境中形成的岩石力学特征具有沼泽微相泥岩的岩石力学特征明显优于湖泊微相沉积的泥岩岩石力学特征；分流河道微相沉积的粉砂岩>天然堤微相沉积>沼泽微相；天然堤沉积微相沉积的细砂岩>分流河道沉积微相的特征。

d.在湖泊、沼泽、天然堤沉积微相环境中，相同环境不同位置中形成的各类岩性岩石，其岩石力学特征具有由底部到顶部逐渐变强的特征。

e. 在井田勘探阶段应加强顶板沉积环境与岩石力学参数的精细分析，进行顶板的分区划分与评价，以用于矿井设计；开采过程中针对评价中存在的工程地质问题和水文地质问题分类管理。其中，湖泊、沼泽相泥岩顶板区是顶板支护的重点部位；分流河道砂岩区尤其是多期分流河道叠置区是未来矿井防治水以及探放水的重点区域，其次是分流河道与天然堤叠置区域。

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Study on sediment environment and rock mechanics characteristics of the delta plain of Jurassic coalfield in northern Shaanxi

WANG Haijun1,2,3, MA Liang1

(1.Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an710077, China; 2. Department of Geology & State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China; 3.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Delta plain sedimentary environment is one of the coal-forming environments of the coal resources of Jurassic coalfield in northern Shaanxi. In order to get the rock mechanics parameters and characteristics of coal seam roof in different environments and to further investigate the relationship between the sedimentary environments and the rock mechanics characteristics, firstly from the analysis of the regional sedimentary environments, then by using techniques such as accurate core description, sedimentary structural analysis, facies analysis of geophysical logging, the microfacies were recognized, the sedimentary microfacies types of roof and their combination characteristics were classified. Later, rock samples of different lithology at different position were collected by layer, tested and analyzed. Finally, the rock mechanics characteristics of different microfacies of seam roof were analyzes comprehensively. The results show that sedimentary environment not only controlled coal seam roof lithologic distribution but also controlled the rock mechanics parameters and the distribution of water yield properties of aquifer.Direct roof of coal seam in the study area dominated by mudstone and silty mudstone, was formed in the delta plain sub-facies of swamps, locally siltstone and fine-grained sandstone were formed in shunt rivers and natural embankment microfacies. The basic roof lithology is dominated by medium and fine-grained sandstone formed in the branch river and onshore natural levee sedimentary microfacies,coal seam roof stability is medium,the main roof sandstone aquifer is the major risk for mine production in the future, among them, lake and swamp mudstone roof area is the key part of roof support, multi-stage distributary channel sandstone overlapping top plate area is the key area for mine water prevention and drainage in the future.

coal seam roof; rock mechanics characteristic; core test; engineering geological record; sedimentary environment；Jurassic coalfield in northern Shaanxi

Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2013XAYQN002)；National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-001)

王海军，1985年生，男，陕西榆林人，助理研究员，从事煤田地质勘探工作. E-mail：wanghaijun10000@163.com

王海军，马良. 陕北侏罗纪煤田三角洲平原沉积环境及其岩石力学特征[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：61–69.

WANG Haijun，MA Liang. Study on sediment environment and rock mechanics characteristics of the delta plain of Jurassic coalfield in northern Shaanxi[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：61–69.

1001-1986(2019)03-0061-09

P642.3

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.011

2018-05-30

中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2013XAYQN002)；国家科技重大专项任务(2016ZX05045-002-001)

(责任编辑 范章群)