第32卷10期2020年10月
中国煤炭地质
COAL GEOLOGY OF CHINA
Vol.32No.10Oct.2020
doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2020.10.11文章编号:1674-1803(2020)10-0047-08
大柳塔煤矿活鸡兔井束鸡沟小窑延安组烧变岩
地质特征及地质灾害防治
张跃恒1，李㊀斌2，王一霖3，崔春兰1，任玺宁1，罗群4，李宝生1，董振国1
(1.神华地质勘查有限责任公司，北京㊀102249;2.韩山师范学院㊀
广东潮州㊀521014;
3.振华石油控股有限公司，北京㊀100031;
米饭怎么炒好吃
4.中国石油大学(北京)，北京㊀100049)
摘㊀要：大柳塔煤矿活鸡兔井束鸡沟小窑1-2上煤层和1-2煤层大部分自燃后缺失，部分地区1-2煤层有少量残留㊂煤层上部形成烧变岩㊂认识烧变岩地质特征可以为火烧区煤层及地层对比提供理论依据，为煤田开采提供重要的参考信息㊂经研究,1-2上煤层充分燃烧后，煤层之上的烧变岩，颜色上从下向上为褐色-红褐色-砖红色-浅粉色-灰白色，向上逐渐变浅，岩性上从下向上可以区分出熔结角砾岩㊁烧裂岩㊁块状烘烤岩㊁层状烘烤岩，裂隙逐渐减少;1-2煤层燃烧不充分，之上的烧变岩为熏烤岩，岩性为浅粉色碎屑岩㊂烧变岩中熔结角砾岩㊁烧裂岩具备良好的孔隙裂隙空间和储水构造条件，补给条件较好，是良好的富水区，煤田开采时注意保护地下水，防止污染与破坏㊂熔结角砾岩㊁烧裂岩中的地下水中极易溶解㊁存储有害气体，在煤田开采中需做好有毒气体泄露的防范措施㊂烧变岩中的块状烘烤岩为一类优良的建筑材料，可以用于建筑选材㊂烧变岩地形地貌也是一类重要的旅游景观㊂关键词：烧变岩；烧熔岩；烧裂岩；烘烤岩；熏染岩；活鸡兔井；火烧区；大柳塔煤矿中图分类号:P618.11㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A
Geological Yan an Formation Burnt Rock Geological Features and Geological Hazard Control
in Shujigou Small Coalmine ,Huojitu Minefield ,Daliuta Coalmine
Zhang Yueheng 1,Li Bin 2,Wang Yilin 3,Cui Chunlan 1,Ren Xining 1,
Luo Qun 4,Li Baosheng 1,Dong Zhenguo 1
(1.Shenhua Geological Exploration Co.Ltd.,Beijing 102249;2.Hanshan Normal University,Chaozhou,Guangdong 521014;
3.Zhenhua Oil Holding Co.Ltd.,Beijing 100031;
4.China University of Petroleum (Beijing),Beijing 100049)
Abstract :Most of coal Nos.1-2
U and 1-2in the Shujigou small coalmine,Huojitu minefield,Daliuta coalmine are hiatus after spontane-ous combustion;while coal No.1-2has a small amount of residue in local areas;while coal overburden have been turned into burnt
rocks.To understand burnt rock geological features can provide theoretical basis for coal ams and strata correlation and important ref-erence information for coal exploitation in burnt area.After analysis has considered that the color of coal No.1-2U overburden burnt rock
from bottom to top gradually changed lighter from brown,reddish brown,brick red,light pink to grayish
white;lithologically from wel-ded breccia to pyrogenic fractured rock,blocky baked rock to bedded baked rock with gradually reduced fractures.If coal No.1-2inad-equately combusted,overburden burnt rock is called as fire fumigated rock ,a kind of light pink colored clastic rock.The welded
breccia and pyrogenic fractured rock in burnt rocks have good conditions of void,fractured spaces and good for water rervoiring,thus
the favorable water -rich zones.During the coal mining should pay attention on groundwater protection,prevent pollution and destruc-tion.Groundwater in welded breccia and pyrogenic fractured rock is very easy to dissolve and store harmful gas,thus during coal exploitation,countermeasures to poisonous gas leakage need to be done.Blocky baked rock in burnt rocks is category I excellent building material can be ud in construction.Burnt rock topographic features also a kind of tourism landscape.
Keywords :burnt rock;pyrogenic welded rock;pyrogenic frac-tured rock;baked rock; fire fumigated rock ;Huojitu mine-field;burning area;Daliuta coalmine香港文学
基金项目：国家自然科学基金项目 致密油储层层理缝启闭与石油充
注 (41672188)㊂
第一作者简介：张跃恒(1980 )，男，工程师，学士，主要从事地质工
程研究㊂
通讯作者简介：李斌(1970 )，男，高级工程师，博士，主要从事沉积
学㊁层序地层学㊁煤田地质等方面研究㊂
word加密萝卜红烧肉收稿日期:2020-05-07责任编辑：宋博辇
0㊀引言
烧变岩是地下深部煤层由于地壳运动上升后，风化剥蚀而裸露地表后在高温下引起自燃，煤层上覆地层被煤层燃烧的火焰烧熔㊁烧裂㊁烘烤㊁冷凝㊁熏
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㊀中㊀国㊀煤㊀炭㊀地㊀质
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染作用后变质形成的特殊岩性[1-3]㊂由于烧变岩具有鲜艳的岩石外观㊁孔缝密集的岩石结构和特殊的地层组合序列，以及强富水的水文地质特征，而有别于正常的碎屑岩，引起注意；且煤层自燃现象一直是危及煤矿开采安全的重要因素，在煤田开采中引起了高度重视
[4-6]
㊂地学工作者陆续从烧变岩的地球
物理勘查方法㊁烧变岩范围的圈定㊁烧变岩岩体结构特性㊁烧变岩形成时间㊁烧变岩分带特征㊁烧变岩岩石学特征㊁烧变岩水文地质等方面作了大量的研究并取得了一些重要成果[7-10]㊂如张志坚(1959)报道了烧变岩的形成及特征，提出烧变岩的岩性皆有火成岩㊁沉积岩及变质岩的部分特征；张秀山等陆续报道了烧变岩的磁性特征及勘探方法(1980,
2001)；刘长岭提出开拓烧变岩作耐火材料㊁建材㊁陶瓷原料的工业应用方案(1988)；黄雷等(2008)总结了陕北烧变岩岩石学特征和形成时间判定；杨时元等(2008)开发了烧变岩建筑材料㊂一些学者(姜建海,1990；范立民,1996)还论述了烧变岩的水文地质条件，提出了保水采煤的煤田开发新思路㊂前人的研究成果主要集中于某一个含煤盆地烧变岩典型特征的外观描述[11-12]，缺乏具体地区的针对性研究实例分析，且对煤层燃烧不充分的烧变岩特征还未提及㊂此外，有关烧变岩复杂的内部结构变化及成因分析还有待深入研究㊂
鄂尔多斯盆地在地质历史时期经历了多次煤层自燃现象，发育煤层火烧区，烧失了大量的煤炭资源，煤层顶部形成了厚层的烧变岩地层㊂勘探发现，位于盆地东北部陕西神木境内大柳塔煤矿活鸡兔井束鸡沟小窑矿区东部的1
-2上
和1
-2
煤层发生大面积
缺失，残留煤渣中有燃烧后的痕迹，其上覆地层在钻探施工中常出现泥浆大量漏失㊁掉钻等现象，且上覆地层具有变质㊁破裂㊁并坍塌等烧变岩的特征，使原始地层厚度减小，地层原生序列发生变化㊂但每个钻孔中烧变岩变质程度不同，烧变岩组合结构序列差距明显，导致各钻孔间地层对比难度大，有必要针对烧变岩特征及分布规律开展深入研究，以提供地层对比的理论依据㊂
此外，岩心观察中还发现，烧变岩经烘烤㊁坍塌后导致裂隙㊁孔洞㊁岩穴等极其发育，具备良好的地下水存储空间，是富水集中区域㊂近年来，因矿区煤层高强度开采引起了水资源匮乏和生态环境脆弱问题，研究烧变岩的水文地质特征对于煤矿水灾的防治和井下水资源的保护与合理利用也具有重要意
义[13-14]㊂其次，烧变岩的研究有利于认识煤层形成以来地质历史含煤盆地所经历的构造运动，揭示古
气候及古地理的变化，为地质学基础研究提供理论光的折射和反射
支持㊂
scans
1㊀地质背景
研究区位于鄂尔多斯盆地东北部，构造位置处
于鄂尔多斯盆地东北部伊陕斜坡的边缘[15]㊂鄂尔多斯盆地是在印支运动后形成的陆相盆地，经历了中晚三叠世延长期㊁早中侏罗世富县-延安期㊁中侏罗世直罗期-安定期和早白垩世4个主要盆地沉积阶段，晚白垩世以来盆地进入后期改造时期[16]㊂鄂尔多斯盆地的形成始于中三叠世纸坊期，中晚三叠世延长期和早中侏罗世延安期进入鼎盛时期形成了大型的坳陷盆地，在陆源供给和补偿充分的情况下，发育了巨厚的内陆碎屑沉积㊂盆地于早白鄂世末消亡，晚白垩世以来盆地改造翻转，部分地区岩层出露，形成了现今的地理轮廓㊂
盆地内构造简单，岩层近水平，总体为一向西倾伏的单斜地质体㊂研究区揭露的地层从老到新有：三叠系上统延长组(T 3y )㊁侏罗系中下统延安组(J 1-2y )及第四系(Q)㊂延安组(J 1-2y )为本区主要含煤
地层，其中可采层为1-2上㊁1-2㊁2-2上㊁2-2㊁3-1㊁5-1煤共6层，厚度较稳定，煤层结构较简单，略有不同程度的分岔和局部变薄现象，但规律明显㊂
晚白垩世以来，研究区经历了大规模的构造抬升，地表岩层长期遭受幕式剥蚀[17]，形成了沟谷地形，导致部分煤层的上覆地层在沟谷地区因河谷㊁冲沟所切割，煤层接近㊁甚至出露地表㊂且晚白垩世以来，研究区整体气候炎热㊁干旱，裸露地表氧化条件较好的煤层因高温而出现自燃现象，煤层燃烧㊁塌方后火势向下倾方向逐步蔓延，形成了平面上广泛分布的烧变岩地层㊂研究区周边钻孔显示，火烧区大部分1-2上煤层及1-2煤层燃烧殆尽，其上覆地层呈现出烧变岩特征，坍塌后致密性减小，空洞㊁裂缝发育，烧变岩总体厚度可达13.25~48.14m，在野外露头中表现为独特的紫红色景观㊂
2㊀烧变岩地质特征及形成模式
选取2019年在束鸡小窑矿区周缘施工的4个钻孔(HB138㊁HB139㊁HB140㊁HB141)(图1)的岩性资料分析烧变岩的特征㊂终孔层位为2-2煤层下
10m，深度为85~90m，钻探地层主要为侏罗系延安组碎屑岩，钻遇2~3层煤层(图2)㊂4个钻孔中1-2上煤层全部燃烧，其上发育明显的烧变岩序列；三个钻孔中1-2煤层全部燃烧，一个钻孔1-2煤层部分保留(HB140)，其上部发育特征不明显的烧变岩地层㊂
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张跃恒，等：大柳塔煤矿活鸡兔井束鸡沟小窑延安组烧变岩地质特征及地质灾害防治
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㊀
图1㊀束鸡小窑矿区钻孔布置图
Figure 1㊀Boreholes layout in Shujigou small
coalmine
图2㊀HB 138钻孔综合柱状图
Figure 2㊀Comprehensive column of borehole HB138
2.1㊀烧变岩特征
烧变岩的特征一方面受控于其原岩的结构，另一方面还受控于其下煤层燃烧的火势程度和持续时间㊂
烧变岩的原岩结构是主要因素㊂煤层的上覆岩层，其岩性一般为泥岩㊁粉砂岩㊁细砂岩㊁中砂岩㊁粗
砂岩等碎屑岩，泥质胶结类型居多，局部出现钙质㊁硅质胶结，呈互层状沉积组合或正粒序组合㊂不同的碎屑岩结构及组合方式，受下伏煤层燃烧影响不同㊂一般细砂岩㊁中砂岩㊁粗砂岩硬度较大，抗改造能力大，烧变后，岩石结构变化较小，呈块状结构体，单位面积裂隙率小，岩石致密，岩石坍塌程度较小;
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而粉砂岩㊁泥岩㊁火烧后形状基本破坏，岩石结构变化较大，呈片状㊁棱片状㊁角砾状或网状㊁裂隙状碎块呈现，裂隙杂乱无绪，裂隙多被方解石充填，孔洞发育，岩石坍塌程度较高㊂
煤层燃烧的火势和持续时间也决定烧变岩的特征，一般下伏煤层燃烧充分，煤层厚度大，火势猛，燃烧持续时间长，烧变岩的颜色㊁结构与原岩间差别明显，而下伏煤层燃烧不充分㊁煤层厚度小，煤层燃烧持续时间短，则烧变岩与原岩差别不明显㊂
经多个钻孔岩心对比分析，本区烧变岩可以区分出：熔结角砾岩㊁烧裂岩㊁烘烤岩与熏染岩四种类型，其中熔结角砾岩㊁烧裂岩㊁烘烤岩位于1-2上煤层之上，受1-2上煤层自燃所控制，而熏染岩位于1-2煤层之上，受控于1
-2
煤层自燃㊂
熔结角砾岩：又称烧熔岩，研究区分布于1
-2上
煤
层之上，形成温度为1500~2100ħ㊂熔结角砾岩一般直接覆盖于厚层自燃煤层之上，呈带状分布㊂
1
-2上
煤层厚度较大(3.5~3.8m)，且煤层与大气沟通良好，氧化条件充分，煤层燃烧充分，燃烧速度较快，蔓延距离较远㊂烧熔岩从外形上看，原岩结构发生改变，形成类熔岩流体，矿物颗粒被烧熔，经过烧熔后重结晶，沉积构造不复存在，冷凝后岩石形状呈炉渣状或蜂窝状，质地坚硬，外表颜色杂乱，常出现褐色㊁棕色㊁紫色㊁杂色等，岩石坍塌后形成不等状角砾岩，角砾无分选㊁磨圆，大小3~10cm，呈定向排列(图3，图4)㊂角砾表面多形成裂隙㊁气孔，孔洞密集发育，孔隙度大，渗透率高，常有积水存储，且在钻探中出现严重的泥浆漏失现象㊂熔结角砾岩的相对密度较大，含一些富铁㊁锰的新生矿物
㊂
图3㊀HB 138孔1-2煤之上熔结角砾岩(31.9~35.9m )
Figure 3㊀Welded breccia above coal No.1-2in borehole
HB138(31.9~35.9m )
烧裂岩：又称烧结岩，研究区分布于1-2上煤层之
上㊂一般形成于1400~1500ħ，位于熔结角砾岩之
上㊂岩层受高温烘烤强烈，且原岩的碎屑粒度不稳定，常呈正粒序变化，烧裂岩颜色一般呈紫红色㊁砖红色，粉色㊁白色等，向上颜色变浅，为一次河道沉积碎屑岩正向旋回序列烘烤后演化变色所致㊂因下伏
图4㊀HB 140孔1-2煤之上熔结角砾岩(42.9~44.9m )
Figure 4㊀Welded breccia above coal No.1-2in borehole
HB140(42.9~44.9m )
范晓萱
煤层自燃时，但该层位与煤层之间一般间隔了一层溶解角砾岩，温度相对降低，导致岩石部分发生塑性变形，岩石基本保持原生沉积结构和构造特征，仅表现裂隙与孔洞密大量分布于岩石表面，其原生的粒度㊁结构㊁层理清晰可见，硬度较原岩增大㊂烧裂岩厚度一般2~7m㊂一般粉砂岩㊁泥岩烧裂后多呈砖红色或粉红色，黏土含量较高的泥岩烧裂后呈白色，岩石硬度小；而砂岩㊁砾岩烧变后多呈褐色-暗红色，硬度大而性脆㊂该段岩石裂隙发育且张开度好，向下靠近下伏燃烧煤层处裂隙密度增加，裂隙多被方解石充填呈蜘蛛网格状，裂隙与蜂窝状孔洞伴生分布(图5，图6)，在钻探中也出现严重的泥
浆漏失现象㊂
烘烤岩：研究区分布于1-2上煤层之上㊂根据烘烤岩的外观特征可以划分出块状烘烤岩和层状烘烤岩两种类型㊂
块状烘烤岩：也称板片状烧烤岩㊂此类烧变岩一般分布在较深的岩层，其下伏自燃煤层距离地表间距较大，位于烧裂岩或熔结角砾岩之上，层状烧烤岩之下㊂块状烘烤岩形成温度相对较小，为600~
1400ħ之间㊂因该岩层下伏岩层垮塌后增加了供氧
空间，与空气沟通后具备良好的氧化条件，经过下部岩层导热后，该段岩层烘烤瓷化作用后形成较为完整的坚硬岩层，质地致密，呈陶瓷状结构，陶瓷状光泽，表面上类似于人工烧制的陶瓷或砖块，具块状或板状
构造(图5至图8)㊂块状烘烤岩的颜色变一般为红褐色-砖红色-粉红色-灰白色，向上颜色变浅，由氧化条件或原岩的岩层粒度结构所决定㊂一般向上颜色变浅的一套块状烘烤岩序列原岩为一期河道砂体沉积，岩层粒序向上为粗砂岩㊁中砂岩㊁粉砂岩㊂块状烘烤岩和其下伏的烧裂岩或熔结角砾岩的区别为：该岩层虽然经较高温度烘烤，但仍未发生熔融，形成过程中始终保持固态，原岩的沉积构造略有保存㊂
层状烘烤岩：研究区分布于1-2上煤层之上㊂层状烘烤岩一般分布在距离地表较近的浅层位置，其
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㊀
图5㊀HB 140孔1-2煤之上块状烘烤岩(35.9~47.9m )
Figure 5㊀Blocky baked rock above coal No.1-2in borehole
HB140(35.9~47.9m
)
图6㊀HB 138孔1-2煤之上块状烘烤岩(31.9~41.9m )
Figure 6㊀Blocky baked rock above coal No.1-2in borehole
HB138(31.9~41.9m
)
图7㊀HB 138孔1
-2上
煤之上块状烘烤岩(14.9~31.9m )
Figure 7㊀Blocky baked rock above coal No.1-2in borehole
HB138(14.9~31.9m
)
菜根谭全文
图8㊀HB 138孔1
-2上
煤之上块状烘烤岩(12.5~25.2m )
Figure 8㊀Blocky baked rock above coal No.1-2in borehole
HB138(12.5~25.2m )
下伏地层为块状烘烤岩㊂因位于自燃煤层的最远处，温度相对降低，烧变温度在340~800ħ之间，原岩仅受轻度烘烤，岩石的结构与沉积构造特点均完好保存，特别是原岩中平行层理清晰，且岩石破碎时多顺层理面方向断裂㊂岩石在高温下经轻微脱水㊁氧化作用，致使原岩颜色发生变化，由过去的灰色㊁灰黑色㊁黑色等转化为浅红色或浅粉色(图9，图
10)，但胶结程度普遍增加，抗压强度减小
㊂
图9㊀HB 138孔1-2上煤之上层状烘烤岩(9.5~19.4m )
Figure 9㊀Bedded baked rock above coal No.1-2in borehole
HB138(9.5~19.4m
)
图10㊀HB 138孔1-2上煤之上层状烘烤岩(0~9.5m )
Figure 10㊀Bedded baked rock above coal No.1-2in borehole
HB138(0~9.5m )
熏染岩：熏染岩是烧变岩与正常岩石的过渡类型，形成温度为280~340ħ㊂其顶部为正常碎屑岩，因其与原岩的颜色变化是最大特征，固笔者命名其为熏染岩㊂该类烧变岩一般位于深度较大的岩层
中，位于非充分燃烧的煤层之上，下伏煤层厚度巨大，煤层之上岩层完整，岩层厚度较大，一般可达
10~20m，裂隙不发育，钻探中未出现泥浆漏失现象，且未发生不均衡坍塌现象㊂煤层与地表空气沟通能力不足，氧化条件不充分，导致煤层上部岩层受烘烤的温度较低，但煤层燃烧时间长，使该段岩层的颜色经火焰熊烤发生轻微的变化[18]，岩层的颜色由过去的灰色㊁深灰色转化为浅黄色㊁浅肉红色等，颜色分布不均匀，向上颜色变化小㊂熏染岩中，其原岩的结构㊁构造均未发生变化，可见清晰的层理面(图11至图14)㊂熏染岩在研究区主要分布于1-2煤层顶部，其底部煤层燃烧不充分，可见明显的残留炉渣或氧化后的煤层,4个钻孔中均可对比㊂熏染岩在煤层燃烧后呈大面积层状剥离，外观上呈分层状碎块(图15至图18)㊂
2.2㊀烧变岩的组合特征与形成模式
暴露地表煤层自燃可引起上覆地层塌陷，在地面形成裂隙，为深部煤层的进一步自燃提供了供氧通道，从而使煤层自燃逐步向深部推进㊂煤层顶板岩层在煤层燃烧的热力传导作用下，经烘烤㊁瓷化㊁熔融㊁冷凝㊁演化等形成各种类型的烧变岩㊂
