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2021年第5
期
纳雍县木兰煤矿
杨通保1 , 2 唐长根2
（1.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州 贵阳 550008； miad5302.贵州省煤田地质局地质勘察处，贵州 贵阳 550008）
摘 要 纳雍县木兰煤矿的含煤地层为二叠系上统龙潭组，通过对研究区煤中硫分及煤灰成分中氧化物的含量在纵向上变化规律的分析，结合沉积岩中地球化学元素对沉积环境的指示作用，将研究区龙潭组地
层划分为2种沉积相类型、3种沉积亚相、5种沉积微相。关键词 木兰煤矿；龙潭组；地球化学；沉积相
中图分类号 P618.11 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2021.05.056
Sedimentary Facies Characteristics of Longtan Formation of Upper Permian in Mulan Coal
Mine, Nayong County
Yang Tongbao 1,2 Tang Changgen 2
(1.Guizhou Coal Mine Geological Engineering Consulting and Geological Environment Monitoring
Center, Guizhou Guiyang 550008;
2.Geological Survey Office of Guizhou Coalfield Geology Bureau, Guizhou Guiyang 550008)
Abstract : The coal bearing strata of Mulan Coal Mine in Nayong County are Longtan Formation of Upper Permian. Through the analysis of the vertical variation of sulfur content and oxide content in coal ash composition in the study area, combined with the indication of geochemical elements in sed
imentary rocks to sedimentary environment, the Longtan Formation strata in the study area are divided into two sedimentary facies types, three sedimentary subfacies and five sedimentary microfacies.
Key words : Mulan Coal Mine; Longtan Formation; geochemistry; sedimentary facies
收稿日期
2020-12-14作者简介 杨通保（1963—），男，贵州松桃县人，1984年8月毕业于中国矿业学院煤田地质及勘探专业，地质高级工程师，本科，在贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心及贵州省煤田地质局地质勘察处从事煤田地质技术和管理工作。
·煤矿地质与防治水·
岩石中各种地球化学指标对沉积环境有重要的指示作用[1]。目前元素地球化学分析在海相地层划分、物源区岩石成分分析、沉积古气候条件与海平面变化曲线恢复及古氧化还原环境等方面已经得到越来越广泛的应用[2]。
贵州地区煤炭资源丰富，分布广泛[3]。二叠系上统龙潭组是主要的含煤地层，由一套海陆过渡相沉积岩组成[4]。本文以木兰煤矿为例，利用煤层中硫分及煤灰成分中氧化物（常量元素）含量的变化对沉 积环境的指示作用，对沉积相进行了划分，探
讨了地球化学元素对沉积环境识别的可靠性，并分析了不同沉积环境下的聚煤作用。
1 地质概况
研究区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区白泥菁向斜南翼。受向斜影响，研究区地层走向近E-W ，倾向近340°~40°，倾角20°～35°。区内地层由下至上发育二叠统峨嵋山玄武岩组（P 3β）、龙潭组（P 3l ）、长兴组（P 3c ）、下三叠统飞仙关组（T 1f ）及第四系（Q ）。
含煤地层为二叠系上统龙潭组（P 3l ），为一套海陆交互相含煤沉积，以碎屑岩为主。地层厚169.17~321.25 m ，平均厚235.49 m ，含煤11~42层，含煤总厚平均16.56 m ，含煤系数7.03%。其中含
155 2021年第5期杨通保等：纳雍县木兰煤矿二叠系上统龙潭组沉积相特征研究
可采煤层8层，可采煤层总厚平均9.62 m，可采含煤系数4.08%。本组地层根据岩性特征、含煤性及化石特征等分为上、中、下三段，其中下段含28、31、32号可采煤层3层，中段含8、19号可采煤层2层，上段含2、5、6号可采煤层3层。
2 煤中地球化学特征
2.1 煤中硫分特征
原煤中全硫含量与沉积环境有关，原煤各种形态硫分为有机硫和无机硫，各种形态硫中无机硫含量的高低是影响全硫含量的主要因素，高含量的无机硫指示了还原环境，与海平面升降呈正相关性[3,5]。通过对研究区26件煤样各种形态硫测试统计，全硫（S t,d）含量为0.94%，硫化铁硫（S p,d）含量为0.54%，硫酸盐硫（S s,d）含量为0.12%，有机硫（S o,d）含量为0.23%。这表明原煤中的硫主要是以无机硫化铁硫的形态存在，占总硫分的60.67%，硫酸盐硫很少，只占总硫分的13.48%。
从表1看出，研究区全硫含量以19号煤层的2.29%最高，龙潭组下段煤层中全硫含量普遍低于上段，整体含量由下至上呈增大趋势。无机硫（包括硫铁矿硫和硫酸盐硫）含量以2号煤层的1.32%最高，其次为8号煤层，龙潭组下段煤层中无机硫含量低于上段，这与全硫含量的变化规律基本一致。
2.2 煤灰成分
煤灰成分主要以氧化物的形式存在，而沉积岩中氧化物（常量元素）的分布与沉积环境有密切联系。CaO和MgO的含量表明碳酸盐岩的发育程度，SiO2的含量代表陆源碎屑的供应情况。Al2O3是黏土矿物的主要组分，Fe2O3代表了氧化作用特征，Fe2O3、Al2O3随着海平面的升降，呈现出有规律的变化，低值说明了较强的氧化环境，意味着水体变浅的可能[6]。因此，氧化物含量的变化是沉积环境识别的有力依据。
从表2分析得出，研究区原煤主要煤层煤灰成分中以含SiO2为主，含量为58.05%~72.90%，平均含量66.07%，以5号煤层和31号煤层中SiO2含量最高，分别为70.30%和72.90%；2、19号煤层中SiO2的含量最少，为65.81%和58.05%。CaO和MgO的含量变化呈现正相关性，研究区可采煤层CaO含量以2、8、32号煤层含量最高，分别为3.98%、2.95%、2.49%，MgO的含量以2、8、32号煤层含量最高。Al2O3和Fe2O3含量均以19号煤层含量最高，分别为22.66%和11.43%。
表1 原煤各种形态硫含量统计表
形态硫/%2#煤层5#煤层6#煤层8#煤层19#煤层28#煤层31#煤层32#煤层S t,d 1.53 1.310.81 1.17 2.290.630.590.92 S p,d0.780.630.73 1.09 1.070.130.120.68 S s,d0.540.180.120.090.050.050.040.13 S o,d0.280.150.150.270.390.260.270.18
表2 研究区各煤层含常量元素统计表
李涛漂移成分/%2#煤层5#煤层6#煤层8#煤层19#煤层28#煤层31#煤层32#煤层SiO265.8170.366.8964.6858.0569.8872.963.63 Al2O310.979.421.4317.9122.6616.8416.7516.12 Fe2O39.0210.92 4.41 6.3711.43 4.75 5.7710.64 CaO 3.98 1.07 2.42 2.950.31 1.43 1.37 2.49 MgO 1.330.87 1.19 1.21 1.160.830.88 1.25
ccc29
3 沉积相特征
根据研究区纵向上岩性变化规律及各煤层地球化学指标变化，将其划分为障壁型海岸相、三角洲相两种沉积相类型，及潟湖、三角洲平原、三角洲前缘三种沉积亚相。
潟湖亚相：主要分布在龙潭组顶部，分为潟湖泥微相，以深灰泥岩、粉砂质泥岩为主，发育水平层理、缓波状层理及透镜状层理。以水体滞留的还原环境为特点，由于物源碎屑物相对较少，因此地球化学特征表现为低Al2O3、Fe2O3，高CaO和
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MgO 。
三角洲平原亚相：主要分布在龙潭组下段，该相带以河流控制作用为主，同时受到潮汐作用的影响，表现为发育一些向上变细的河流沉积旋回[7]。三角洲平原亚相可划分为分流河道、沼泽两个沉积微相。分流河道主要为细砂岩、粉砂岩，发育平行层理、小型交错层理及波状层理。沼泽是主要的聚煤环境，是三角洲平原中的低洼地带，以植被繁盛、水体滞留为特点。三角洲平原亚相煤层的地球化学特点是高Al 2O 3、Fe 2O 3，低CaO 和MgO 。
三角洲前缘亚相：主要分布在龙潭组中段、上段，可分为水下分流河道、分流间湾两个微相。水下分流河道微相以灰细砂岩、泥质粉砂岩为主，
（上接第155页）生膨胀，直至压力表压力值达到16 MPa 时停止加压。若压力表读数不再发生变化，表明钻孔封孔成功，否则需检查封孔器是否漏气等问题[4]。
（3）打开水压仪，检查水压仪是否正常运行。然后，采用高压水泵开始进行加压注水，加压过程需缓慢进行，同时观察并记录流量计及压力表的读数。当压力读数突然减小时，表明钻孔内开始产生裂隙。此时，应增加注水量确保压力值满足预设值，使裂隙可以继续扩展，直至巷道内出现渗水，则停止注水。
（4）按顺序分别对顶板压裂钻孔进行注水压裂，施工完成后将高压水泵等设备进行断电、停水，并逐渐减小封孔器压力直至可以将其从钻孔中取出。 4 施工效果分析
4.1 水力压裂效果分析
采用钻孔电视成像仪对钻孔内压裂裂隙进行检验，钻孔内切槽形状呈矩形，对钻孔进行水力压裂时，切槽处岩体受拉应力作用而从切槽处开裂，并沿切槽方向逐步扩展，表明水力压裂效果较好。
4.2 切顶卸压效果分析
为了检验切顶卸压效果，分别在压裂段和非压裂段巷道两帮及顶底板布设位移测点，对巷道表面位移情况进行监测。分析监测数据可知，非压裂段巷道两帮位移量最大可达253 mm ，顶底板移近量最大为516 mm ，而压裂段两帮位移量最大值为142 mm ，顶底板移近量最大为285 mm 。相较于
巷道非压裂段，压裂段巷道两帮围岩位移量降低约45.5%，顶底板移近量降低约42.3%，说明水力压裂切顶卸压技术可明显地减小沿空巷道围岩变形量。采用水力压裂技术能够切断工作面两巷与上覆关键岩层之间的应力联系，达到卸压护巷的目的。
5 结论
水力压裂切顶卸压效果较显著，通过在巷道顶板施工压裂钻孔对顶板岩层进行压裂，使得基本顶岩层
可以产生定向裂隙，减小工作面回采过程中超前支承压力对巷道稳定性的影响。卸压后，巷道两帮围岩位移量降低约45.5%，顶底板移近量降低约42.3%，说明采用水力压裂技术可以切断工作面两巷与上覆关键岩层之间的应力联系，达到卸压护巷的目的。
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分选较差，磨圆较好，见小型交错层理、波状层理。分流间湾微相主要由粉砂质泥岩和泥岩组成，富含菱铁矿结核和散星状、蠕虫状黄铁矿结核。分流间湾是三角洲前缘亚相的主要聚煤场所，其煤层因受潮汐作用的影响，泥炭不容易堆积，煤层易分叉、尖灭[8]。
4 结论
（1）煤中氧化物（常量元素）的含量对沉积环境有重要的指示作用，SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3与海平面的升降呈负相关，CaO 、MgO 与海平面的升降呈正相关。
（2）研究区可划分2种沉积相类型：障壁型
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2021年第5期
张 凯：倾斜长壁工作面矿压显现规律及控制技术研究
大于10 m ，注水孔孔口高度低于巷道顶板1~1.5 m ，注水孔垂直于煤帮，倾角和煤层倾角一致，孔深为80 m ，注水压力为6~12 MPa 。
4.2 顶板深孔预裂爆破措施
轨道顺槽顶板预裂爆破孔每20 m 设置一组，每组三个爆破孔，钻孔角度在倾向方向与顶板夹角70º±5°偏向工作面方向，在走向方向分别与顶板夹角45°、90°、134°，呈扇形分布，爆破孔孔底与顶板垂距8 m 。爆破采用煤矿许用二级，使用毫秒延期电，每眼装药13 kg ，每孔使用2发同段电，采用正向起爆方式。
4.3 超前支护
工作面上、下两顺槽从工作面出口向外支设三路，使用HDJB-1000型金属铰接顶梁配合DZ 型单体液压支柱一梁一柱正悬臂走向支护。根据巷道围岩移近量观测变形速率的拐点，确定轨道顺槽超前支护不小于50 m ，皮带顺槽超前支护不小于45 m 。另外，在轨道顺槽上帮每隔2 m 支设一棵液压支柱，长度不小于100 m 。超前压力较大时，应根据压力显现情况加大超前支护范围和支护密度；巷道高度超过3.5 m 时，采取打木垛方法接顶。超前支护的单体初撑力不得低于11.5 MPa 。
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4.4 应用效果
现场采取相应围岩控制措施后，在3303工作面轨道顺槽中心位置布置测站进行位移监测，监测周期60 d 。如图2，观测结果表明采取的围岩控制
措施效果良好，能充分满足现场安全生产的需要。
图2 巷道表面位移变化曲线
5 结论
（1）通过现场实测可以得到，3303工作面在回采的过程中，其超前支承应力、围岩变形量和矿压显现具有非对称性特征，轨道顺槽和工作面上部区域的矿压显现明显较大。
（2）通过理论分析可知，工作面回采后会形成不同的采空区充填特征，上中下三个区域分别为
不充分充填区、充分充填区、压实充填区，三个区域所构成的支架围岩关系也不同。
（3）确定超前支护范围轨道顺槽不小于50 m ，皮带顺槽不小于45 m ，提出煤层高压注水和深孔预裂爆破卸压措施。现场矿压观测结果表明，采取的措施能充分满足现场安全生产需要。
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