[科普中国]-顶部煤层

顶部煤层的划分是根据矿区煤层的地理结构为依据的。顶部煤层的宏观煤岩描述、显微组分鉴定结果表明：顶部煤层宏观煤岩类型以半暗型和暗淡型煤为主；显微煤岩类型以以镜质组和惰质组为主，含量均在40-60%。在此基础上，通过煤相分析结果显示，顶部煤层沉积环境介于低位和高位之间的赋水较浅森林木本沼泽，不受强水流带来的碎屑物沉积物影响，成煤堆积方式为原地堆积，植物以木本为主，草本植物次之。

概念顶部煤层处于煤矿顶部的组成部分，按地理位置划分。顶部煤层由岩石组成来划分一般分为三种：（1）伪顶：紧贴煤层之上的，极易随煤炭的采出而同时垮落的较薄岩层，厚度一般为0.3～0.5m，多由页岩、炭质页岩等组成；（2）直接顶：直接位于伪顶或煤层（如无伪顶）之上岩层，常随着回撤支架而垮落，厚度一般在1～2m，多由泥岩、而岩、粉砂岩等较易垮落的岩石组成；（3）基本顶：又称为老顶，是位于直接顶之上或直接位于煤层之上（此时无直接顶和伪顶）的厚而坚硬的岩层。常在采空区上方悬露一段时间，直到达到相当面积之后才能垮落一次，通常由砂岩、砾岩、石灰岩等坚硬岩石的组成。

鄂尔多斯盆地第二岩段顶部煤层煤相特征分析地质背景鄂尔多斯盆地东北部在延安组沉积时期的聚煤作用受古地理和古构造等因素制约。从古构造条件看，古构造运动总体表现为基底稳定下沉，随着盆地主体不断沉降，其接受了延安组含煤岩系的沉积，煤层聚积在盆地古斜坡部位。从古地理条件看，矿区为辫状河体系、河流体系、浅湖及三角洲体系，以及由其演化的沼泽及泥炭沼泽相，煤层富集在砂体外侧。鄂尔多斯盆地东北部延安组第二岩段在沉积时期以三角洲沉积体系为主，三角洲分布范围较广。广阔的三角洲平原为大面积聚煤提供了良好的沉积场所，该地层中富煤带在分流河道中厚砂体的分布范围内，煤层相对较薄；在分流间湾环境中，煤层发育较好。对于该区延安组第二单元顶部煤层煤相研究，对于了解成煤环境和成煤古气候具有重要意义。

煤层煤岩学特征（1）宏观煤岩特征

鄂尔多斯盆地东北部延安组第二岩段顶部煤层煤样品均为黑色，沥青和弱沥青光泽，半坚硬，阶梯状-参差状断口，多为条带状、线理状结构，层状、块状构造。宏观煤岩类型以暗淡型为主，次为半暗型煤，光亮型煤少见，煤岩外生裂隙较发育，充填为方解石或黄铁矿。从煤岩类型上看，延安组第二岩段顶部煤层形成时期赋水较浅，凝胶化作用不强烈，氧化作用较强，所以多以半暗煤和暗淡煤为主。

（2）显微煤岩类型

延安组第二岩段顶部煤层显微煤岩组分以镜质组与惰质组为主，两者总含量超过95%，显微煤岩类型以微镜惰煤和微惰镜煤为主。镜质组含量中等,总体在40%-60%，镜/惰比在0.8-1.2之间，与宏观观察的该煤层以半暗煤和暗淡煤的特征相吻合，镜质组含量不高表明沉积时期泥炭沼泽赋水不深，凝胶化作用中等，并且其他矿物含量较少，表明沉积时环境稳定，受到河流与地下水等外来影响较小。

煤层煤相分析（1）结构保存指数（TPI）和凝胶化指数（GI）

通过对样品的显微组分鉴定，计算出结构保存指数（TPI）、凝胶化指数（GI），进行相图投点，得出TPI-GI相图。从相图中可知，TPI大于1，表示成煤植物中木本植物比草本植物的比例大。煤样参数点均落在潮湿森林沼泽相和干燥森林沼泽相中，并且多数在潮湿森林沼泽相与干燥森林沼泽相的交界处，说明当时聚煤条件属于干燥-潮湿的森林沼泽环境，这一点与前人关于延安组聚煤气候属于早期相对干燥，中期较为湿润，后期干燥现象更加明显的研究结果相吻合，研究区延安组第二单元顶部煤层就属于延安组沉积期的中后期，由湿润向干燥环境变化过渡的阶段。

（2）显微组分组合与矿物质含量ABC三角图

本次显微组分组合与矿物质含量统计计算，采用Obaje和Ligouis（1996）关于ABC相图计算公式,以便于充分利用现有显微煤岩组分定量统计国家标准测定的显微组分类型。ABC三角相图从另外一个角度反映出沼泽水文条件和植被特征。样本落点表现为：湖沼相（水下草本植物为主）全部低于20%，湖沼-浅沼相低于40%， 浅沼相大于60%，表明以位于高水位与低水位之间的浅沼环境为主。

结论与认识通过研究得出以下结论和认识：

（1）鄂尔多斯盆地东北部延安组第二单元顶部以半暗型和暗淡型煤构成煤层的主要部分，煤层样品多为黑色，沥青-弱沥青光泽，半坚硬，阶梯状-参差状断口，多为条带状、线理状结构，层状、块状构造。显微组分定量分析显示，本次煤样显微组分统计壳质组几乎不可见，主要以镜质组和惰质组为主，含量均在40%-60%，与宏观煤岩特征观察相符，属半暗-暗淡型煤，丝炭含量较高。

（2）鄂尔多斯盆地东北部延安组第二单元顶部煤层沉积环境介于低位和高位之间的赋水较浅森林木本沼泽，煤层堆积方式为原地堆积，植物以木本为主，草本植物次之。1

利用分段压水对煤层顶部隔水层进行评价研究背景压水试验是用专门的止水设备把一定长度的钻孔试验段隔离出来，然后用固定的水头向这一段钻孔压水，水通过孔壁周围的裂隙向岩体内渗透，最终渗透的水量会趋于一个稳定值。根据压水水头、试段长度和稳定渗入水量，可以判定岩体透水性的强弱。压水试验方法以往主要用于水利水电、坝基、隧道等工程地质勘查中，在煤层顶底板隔水层稳定性评价的应用很少。

在矿井两个水文补勘钻孔中对煤系顶板隔水层进行了常规和高压压水试验，以了解岩体在不同的高压水流作用下的透水性、变形方式，以及岩体裂隙对高压水流长时间冲蚀作用的抵御能力等。试验表明，分段压水试验可为矿井煤层顶板隔水层稳定性评价提供科学依据，对查明矿区开采技术条件具有重要的意义。

研究区主采煤层顶板发育情况内蒙古煤矿主采煤层是 3-1煤层。该煤层煤厚平均5.35m，煤层一次性采全高冒裂带高度约85m，在 3-1煤层冒裂带顶板附近存在一稳定的隔水层，岩性主要由泥岩、砂质泥岩等组成，厚度21.02～23.07m， 平均22.05m （图 1）。为防止第四系及下伏含水层对煤系的补给，需对其顶部隔水层的渗透性进行评价。通过对比分析钻探所取岩心及测井资料解释，发现该隔水层段主要以泥岩及砂质泥岩为主，厚度较大，且分布连续，隔水性能较好，可有效阻隔上部含水层水对直罗组及煤系含水层的补给。

高压压水试验原理钻孔高压压水试验采用中国地质科学院地质力学所研制的水压致裂法地应力自动记录仪现场记录。每5min或2min记录一个流量，每一个压力阶段不少于5个数据。根据灌浆自动记录仪现场记录数据，填写压水试验记录表并进行岩体透水率计算，同时绘制P-Q(即压力-流量)曲线并判断曲线类型，从而分析试验的准确性。

试验结果综合分析常规压水试验表明，S5-2和S10-1孔测试段岩体均为微-弱透水岩体，透水率较小，为 0.13~1.78Lu，渗透系数为0.0028~0.038m/d。一般P-Q曲线表现为A型(层流型)或者B型(紊流型)。

高压压水试验结果表明，S5-2三个测试段，均位于泥岩-砂质泥岩段，总体上测试结果为弱透水岩体，相应的透水率为0.18~1.33Lu，相应的渗透系数为0.0039~0.0287m/d，P-Q曲线类型为B型(紊流型)或者D型(冲蚀型)；S10-1共进行了5个位置的高压压水试验，其中三个表现为弱透水层，相应透水率为0.41~1.16 Lu，渗透系数为0.0089~0.025m/d，P-Q曲线类型为 A型(层流型)或者 B型(紊流型)，距细砂岩层较近的第三、第四测段，则表现为弱-中透水岩体，相应透水率为0.10~7.10Lu，渗透系数为0.0022~0.153m/d，P-Q曲线为破裂型(试验段3)或者C型(扩张型)(试验段4)。2

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学