煤层的厚度变化及原因

1第二节煤层的厚度变化及原因煤层厚度是指煤层顶底板岩石之间的垂直距离。根据煤层结构，煤层厚度可分为总厚度、有益厚度和可采厚度。煤层总厚度是顶底板之间各煤分层和夹层厚度的总和；有益厚度是指煤层顶底板之间各煤分层厚度的总和；可采厚度是指在现代经济技术条件下适于开采的煤层厚度。按照国家目前有关技术政策，根据煤种、产状、开采方式和不同地区的资源情况等规定的可采厚度的下限标准，称为最低可采厚度。达到最低可采厚度以上的煤层，称可采煤层(图4-6)。不同煤层的厚度有很大差别，薄者仅数厘米，俗称煤线，厚者可达二百多米。考虑到开采方法的不同，可采煤层的厚度可分为五个厚度级：煤厚0.3～0.5米为极薄煤层；0.5～1.3米为薄煤层；1.3～3.5米为中厚煤层，3.5～8.0米为厚煤层；大于8米的为巨厚煤层。图4-6煤层的厚度煤层厚度是影响煤矿开采的主要地质因素之一，煤层厚度不同，采煤方法亦不同；煤层发生分岔、变薄、尖灭等厚度变化，直接影响煤炭储量的落实和煤矿正常生产。因此，研究煤层厚度变化的规律就成为煤田地质工作的重要课题之一。煤层厚度的变化是多种多样的，但就其成因来说，可以分为原生变化和后生变化两大类。原生变化是指泥炭层堆积过程中，在形成煤层顶板岩层的沉积物覆盖以前，由于各种地质作用的影响而引起的煤层形态和厚度的变化；泥炭层被新的沉积物覆盖以后或煤系形成之后，由于构造变动、岩浆侵入、河流剥蚀等地质作用所引起的煤层形态和厚度的变化，则称后生变化，现分别阐述如下。一、煤层厚度的原生变化煤层厚度的原生变化，主要包括聚煤坳陷基底不均衡沉降引起的煤层分岔、变薄、尖灭，沉积环境和古地形对煤层形态和煤厚的影响以及河流、海水对煤层的同生冲蚀等。（一）聚煤坳陷基底不均衡沉降引起的煤厚变化煤系形成过程中，聚煤坳陷基底的沉降常常是不均衡的，如沼泽基底的差异性运动，同沉积褶皱、同沉积断裂以及差异小振荡运动等，对于煤层的形态和厚度变化无不产生深刻的影响。东北地区一些晚侏罗一早白垩世煤田，由于聚煤坳陷基底的差异性沉降运动，形成典型的“马尾状,煤层。盆地边缘受同沉积盆缘断裂控制，沉降速度快，含煤岩系以洪积一冲积相粗碎屑岩为主，盆地内部相对比较稳定，主要为湖泊、沼泽相沉积。从盆地中部向盆地边缘，煤层的形态和厚度变化大致可划分为三个带：第一为厚煤带，层数少，厚度大，有时可达几十米至上百米，煤层结构比较复杂；2第二为煤层分岔带，煤层层数加多，厚度变薄，向盆缘方向呈马尾状撒开；第三为煤层尖灭带，煤层变薄、尖灭，被粗碎屑岩所代替(图4-7)。图4-7辽宁阜新煤田煤层厚度变化聚煤坳陷内部，往往发育有次级的隆起和凹陷，即发育同沉积背斜和同沉积向斜，对煤层形态和厚度起着明显的控制作用。由于构造分异和沉积补偿之间的不同情况，煤层的发育也是多种多样的。常常可以见到，聚煤盆地内部的同沉积背斜，造成深水盆地中的浅水地带，沼泽持续发育，基底沉降和植物遗体堆积相适应，出现厚煤带，煤层向同沉积背斜两侧分岔、变薄、尖灭，例如辽宁阜新煤田所见到的那样。但也可以出现相反的情况，即次级凹陷部位，湖沼相持续发育，而隆起部位洪积冲积相发育，此时含煤岩系和煤层厚度成正比，在凹陷部位形成厚煤层，向相对隆起部位变薄、尖灭。因此，煤厚变化和同沉积褶皱的关系，应联系具体的聚煤古地理环境加以判别。辽宁田师傅煤矿早、中侏罗世含煤岩系形成过程中，发育北北东向的同沉积褶皱(图4-8)，中部为魏家岭隆起，东西两侧为同方向伸展的次级坳陷。坳陷核部及其仰起部位泥炭沼泽相发育，煤层较厚；而隆起顶部河流冲积相比例增大，煤层变薄甚至尖灭。后期构造是聚煤期古构造的继续和发展，后期构造形态和同沉积构造大体吻合。不仅聚煤坳陷内同沉积褶皱对煤层的形成有控制作用，同样，聚煤坳陷内的同沉积断裂活动，也控制着煤层的发育和形态。在有同沉积断裂活动的煤田，在垂直断裂走向方向上。煤系的厚度变化很大，尤其是在断裂两侧，厚度常出现突变。岩相变化也往往很大。至于煤层本身，在泥炭堆积最有利的地段形成厚煤带，厚煤带方向常与断裂带走向一致，而向两侧，则迅速变薄、分岔、尖灭，甚至形成“马尾状”煤层。聚煤坳陷的基底在沉降过程中，还伴随有小型的振荡运动，由于幅度和频率的差异，也会使煤层发生分岔。但一般规模不大，常常是某些地段煤层发生分岔，过了分岔带，煤层又慢慢合并。3图4-8辽宁田师傅煤矿早、中侏罗世煤系第四含煤段岩相一厚度图一般说来，聚煤坳陷基底不均衡沉降引起的煤层厚度变化，具有明显的方向性和分带性：沿隆起和凹陷的走向，煤层厚度比较稳定；相反，垂直隆起和凹陷的走向，煤层急剧分岔，以至尖灭。这种煤层形态和厚度的方向性与聚煤坳陷内部发育的断裂和褶皱具有密切关系；煤层形态和厚度的分带性，又与煤系的岩性岩相分带相一致。因此，研究聚煤坳陷基底不均衡沉降对煤层形态和厚度变化的影响时，岩性和岩相分析方法是十分有用的。（二）沉积环境和古地形对煤厚的影响泥炭层堆积时，泥炭沼泽所处的古地理位置、泥炭沼泽复杂的形态和发育的不均衡性等，对煤层形态和厚度变化有深刻的影响。沼泽基底不平引起煤层加厚、变薄或尖灭，是常见现象。在泥炭堆积初期，首先在低洼的地方堆积了植物遗体，形成的泥炭层是彼此隔绝的。随着泥炭层逐渐堆积加厚，整个沼泽才连成一片，由于沼泽基底不平而造成了煤层厚度的很大变化。图4-9湖北早二迭世梁山组煤层形态图4-9是湖北某地早二迭世梁山组煤层形态素描。梁山组沉积基底为中石炭世黄龙灰岩。黄龙灰岩长4期经受风化溶蚀，形成凸凹不平的岩溶地貌，泥炭沼泽形成于早二迭世海侵的初期，煤层赋存在黄龙灰岩的风化面上。梁山组沉积初期，尤其是底部“一煤”沉积时，首先在溶蚀凹地里聚积泥炭，随着泥炭层堆积加厚，凹地不断被填平补齐，泥炭沼泽面积进一步扩大，遂使互相隔绝的泥炭层连成一片，形成藕节状煤层。有时由于成煤环境变化迅速，有些岩溶凹地刚被泥炭层填满后，即被顶板沉积物所覆盖，便形成煤包。沼泽基底不平引起煤厚变化的特点是：煤层底图4-10辽宁阜新下层煤与底板接触关系板或基底岩层呈不规则起伏，煤层顶板却比较平整，煤层厚度在短距离内变化较大，并且厚度变化较大的煤层常位于煤系底部或下部。基底古地形低洼处煤层较厚，在较高的凸起部位煤层变薄甚至尖灭。在煤层与底板岩石接触面上，煤层的分层或层理被底板凸起部分所截止，上下分层呈超复关系(图4-10)。滨海地带发育的泥炭沼泽，一般是处于砂洲砂坝和三角洲前缘砂体的内侧（靠陆方向）以及泻湖海湾地带。广阔而稳定的滨海沼泽中形成的煤层，在较大范围内，可以看到煤层向海和向陆地方向的逐渐变薄、尖灭(图4-11)。在滨海沼泽的发育过程中，由于局部沉积环境的变化而引起沉积分异和泥炭沼泽发育的图4-11湖南新化地区早石炭世煤系煤层的原生尖灭1一石灰岩；2-含植物化石泥岩；3-含动物化石记岩；4-石英砂岩；5-煤层；6-夹矸不均衡，可使煤层发生分岔或变薄尖灭。山东滕县煤田某井田，晚石炭世太原组的沉积环境比较均衡，“四煤”和“一灰”的层位，厚度都比较稳定(图4-12)。至早二迭世山西组“三煤”沉积时，由西到东，泥炭的聚积环境发生了明显的分异。西部泥炭沼泽持续发育，形成了厚达10米以上的复杂结构煤层；由此向东，在形成“三煤”的过程中，泥炭沼泽环境一度被过渡相所代替，“三煤”分岔为“三下”、“三上”两层，并逐渐变薄、尖灭。东部过渡相砂质沉积物厚达二、三十米。这种沉积环境的更替，如果具有区域性规律可能有一定的构造背景。5图4-12山东滕县煤田某区煤层分岔示意图有时由于海岸形态的多样性，滨海平原狭长或者由于海水进退频繁等原因，滨海沼泽可能星罗棋布，互相隔绝，发育不均衡，形成的煤层形态复杂，呈透镜状、串珠状或不规则的煤包，厚度变化很大。我国南方某些地方的二迭纪煤系中的一些不稳定煤层，可能由此造成。由内陆湖盆演变而来的泥炭沼泽中形成的煤层，其形态和厚度变化比较复杂，大型的内陆湖盆，或面积虽小但湖水较深的湖盆，泥炭沼泽往往只发育在湖泊近岸附近或湖滨分流冲击平原，向湖心则为深水湖泊相沉积物所代替（图4-13）。这时，由盆地边缘的厚煤带向盆地中心，煤层变薄尖灭，渐为泥岩、炭质泥岩或油页岩所代替。面积较小的湖沼中，有时在湖沼中部形成厚乃至巨厚煤层，向盆地边缘变薄、尖灭，如我国西南地区的一些新生代煤系，常见这种类型。图4-13云南某矿5线剖面图由于内陆盆地四周被剥蚀区所环绕，河系发育，常常发生迁移和演变，煤层形态和煤厚变化特点也因地而异。在开阔的河谷、河漫滩洼地、牛轭湖基础上发育起来的泥炭沼泽，由于地形复杂和河流变迁，6一般泥炭沼泽持续的时间短促，形成的煤层往往为不连续的透镜体，短距离内迅速变薄尖灭。由于泥炭沼泽的发育依附于河流的演变，泥炭堆积最丰富的地带往往分布在较为平坦的河漫滩上和河流交汇、分流地带。随着河流的变迁，沿河流延伸方向，往往形成一系列厚煤带和薄煤带（图4-14，图4-15）。图4-14河谷沼泽形成透镜状煤层示意图图4-15京西某矿一槽煤走向、倾向变化图（三）煤层的同生冲蚀煤层的同生冲蚀是指泥炭层堆积过程中河流、海浪等对泥炭层的冲蚀。泥炭沼泽中发育的河流，一般规模不大，弯弯曲曲，支流较多，因而沉积物在平面上常呈蜿蜒曲折的条带，在剖面上则呈透镜状(图4-16)。图4-16泥炭沼泽同生河流示意图泥炭沼泽中发育的河流，从沼泽边缘向内部渐行消逝。所以在邻近沼泽边缘形成的煤层中，河流沉积物常呈夹层或串珠状，而在沼泽内部形成的煤层中则呈单个透镜体出现。河流同生冲蚀使煤层局部变薄，夹石增多。河流同生冲蚀的沉积物一般为砂质岩、粉砂质岩与煤层有共同的顶板。冲蚀面积和深度较小，个别情况下可能切断煤层，在河流冲蚀带附近煤层遭受原始氧化，光泽变暗，灰分增高。图4-17是淮南某矿B11槽煤层上分层受同生冲蚀的实例。B11槽煤层上分层顶底板均为泥岩，煤层被冲蚀部分为粉砂岩。冲蚀带宽约20米，长约230米，剖面上呈透镜状。沼泽中堆积的泥炭，遭受海水冲蚀的现象，在我国山东，山西等地的煤田中有所发现。常见煤层直接顶板为灰岩。由于泥炭层遭受海水冲蚀的结果，使煤层表面形成许多大小不等的凹坑和槽沟，一般深度为0.4～0.6米。煤层开采后，灰岩顶板显示冲蚀坑的外模凹凸不平，俗称“蛤蟆顶”,(图4-18)。有的地方海蚀比较严重，在一定范围内，能使煤层几乎完全缺失。华东地区有的煤矿，煤层顶板为滨7海或过渡相砂岩，底部多煤砾和泥岩包体，与煤层呈冲蚀接触，既是冲蚀泥炭层的后期沉积物，又是煤层的直接项板。据研究，可能是滨海浅水区海水冲蚀所致。这种冲蚀造成的无煤区和河流冲蚀不同，往往方向不定，冲蚀范围较广，无煤区块块散布，煤层多具截然缺失的特点。海水的同生冲蚀对煤层的破坏在某些地方可有较大的规模，值得注意。图4-17淮南某矿B11槽煤层同生冲蚀图4-18山东、山西某些煤田煤层海蚀现象二、煤层厚度的后生变化煤层厚度的后生变化，主要包括河流对煤层的剥蚀，褶皱和断裂等构造变动引起的煤层加厚和变薄，岩浆侵入吞食煤层和引起煤厚的不规则变化以及冰川活动对煤层的挤压刨蚀，岩溶作用形成的柱状陷落等。分述如后：（一）煤层的后生冲蚀煤层和煤系形成以后，伴随地壳的抬升和河流的发育，煤层和含煤岩系常常遭受河流的切割剥蚀。河流的这种后生剥蚀，对煤层的破坏作用可以达到很大的规模，以致形成宽几十米、几百米，长数公里、十几公里的薄煤带和无煤带，在某些煤田成为造成煤厚变化的主要地质因素。煤层遭受河流的后生剥蚀时，煤层的正常顶板也遭到剥蚀，出现河床相砂岩、砾岩等粗碎屑岩，其底部常含砾石、泥质岩包体、煤屑和碳化树干，并呈定向排列。砂砾岩与煤层的接触面凹凸不平(图4-19)，冲刷面附近的煤，一般光泽暗淡，后生裂隙发育，常见有方解石、石膏等矿物充填，煤的灰分增高。图4-19四川永荣矿区河流剥蚀素描图8河流的后生剥蚀在平面上沿着古河流方向呈带状分布，由于河床弯曲或分支合流，常使无煤带或变薄带呈现相应的多种多样形态。有时，在无煤带中间还残存着孤立的“煤岛”。开滦唐山矿开采中证实(图4-20)：Ⅲ号断层以南，山西组“五煤层”曾遭受古河流剥蚀。“五煤层”一般厚1.5～2米，正常的直接顶板为湖泊相泥岩、粉砂岩