太原西山楊莊勘查區(qū)天然焦與煤的參數(shù)特征研究

裴文春

(中煤建工集團(tuán)有限公司，北京 100161)

楊莊勘查區(qū)位于山西省太原西山，行政區(qū)劃屬古交市邢家社、原相鄉(xiāng)和交城縣嶺底鄉(xiāng)管轄，面積約98km2。區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，由于受火成巖侵入影響，其西部可采煤層部分蝕變?yōu)樘烊唤?。因天然焦與煤的煤質(zhì)指標(biāo)不易識別等原因，多年來，在山西省一直沒有被作為一種新的礦產(chǎn)資源納入勘查范圍和開采利用管理，或者將其并為無煙煤處理，影響了兩種資源的合理評價與利用。苗琦等[1]通過天然焦地質(zhì)勘查規(guī)范制定項目的開展，對冀魯豫皖等省石炭-二疊系含煤巖系中天然焦與煤的識別特征進(jìn)行了研究，提出使用天然焦的物理特征、主要測試項目特征、天然焦礦層對地球物理測井反映的特征區(qū)分無煙煤的參數(shù)。筆者通過使用這些指標(biāo)對本區(qū)天然焦進(jìn)行研究，確定了其區(qū)分參數(shù)特征，指出了研究意義，針對本區(qū)天然焦賦存的特點，闡述了野外進(jìn)行天然焦與煤研究的工作方法，對開展天然焦和煤炭地質(zhì)勘查工作具有借鑒意義。

1 勘查區(qū)地質(zhì)概況

本區(qū)位于西山煤田中南部的馬蘭向斜南段，總體呈兩翼傾角小于10°的寬緩向斜構(gòu)造。含煤地層主要為山西組和太原組，平均總厚度為149.82m，煤層埋藏深度800～1 100m，含主要可采煤層02、2、4、6、8、9煤層共計6層，煤層平均總厚 17.70 m，資源量約10億t。

勘查區(qū)西南有火成巖出露。據(jù)區(qū)內(nèi)14個鉆孔揭露資料，火成巖呈巖墻、巖脈和不規(guī)則狀巖體侵入本區(qū)西部煤層頂?shù)装寮懊簩又?表1)。一方面造成煤層結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，使2、4、6、8、9煤層分叉、變薄或被吞噬或變成天然焦；另一方面還造成這些煤層煤質(zhì)發(fā)生變化，各煤層在東部以焦煤和瘦煤為主，向西部變質(zhì)程度升高，出現(xiàn)了貧煤、無煙煤或天然焦。

2 天然焦與煤的特征

2.1 宏觀特征

煤宏觀特征為：黑色，條痕呈黑色或深黑色，塊狀構(gòu)造或條帶狀構(gòu)造，具瀝青光澤及玻璃光澤；梯形或平坦?fàn)顢嗫冢糠謹(jǐn)嗫跒樨悮?；?nèi)生裂隙較發(fā)育，性脆，易成粉末狀。宏觀煤巖成分以亮煤和暗煤為主，鏡煤和絲炭次之；煤巖類型以半亮煤和半暗煤為主，光亮煤和暗淡煤次之。見厚度2～5mm薄層泥質(zhì)條帶和黃鐵礦散晶。

天然焦宏觀特征為表面粗糙、不染手。組構(gòu)特征有兩種表現(xiàn)形式：一種為塊狀焦， 黑灰-深灰色，條痕色為灰色，光澤暗淡，具粒狀或角礫狀結(jié)構(gòu)，角礫為天然焦碎塊，粒徑2～15mm，角礫內(nèi)具有許多氣孔，角礫之間填隙物為細(xì)小煤粒、焦煤混合物、方解石小顆粒(滴酸起泡)，塊狀構(gòu)造；另一種為柱狀焦，鋼灰色，條痕色為淺灰色，焦體表面顯示似金屬光澤，結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)地堅硬，具六方柱狀節(jié)理和氣孔狀構(gòu)造，見細(xì)小的長英質(zhì)脈和較多裂隙充填方解石薄膜。兩種焦類型在宏觀上均不具備煤的原生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和組分組合特征。

表1 鉆孔揭露火成巖情況表Table 1 Statement of borehole intersected igneous rocks

2.2 顯微特征

煤顯微組分：02、2、4號煤鏡質(zhì)組含量在85%左右，惰質(zhì)組在23%左右，無殼質(zhì)組成分；顯微煤巖類型為微鏡惰煤。6、8、9號煤以鏡質(zhì)組占優(yōu)勢，含量最高可達(dá)87.9%，惰質(zhì)組含量次之，最高含量為26.8%，基本不含殼質(zhì)組；顯微煤巖類型主要以微鏡惰煤為主。各煤層無機(jī)組分為黏土礦物、石英、方解石和黃鐵礦，總量1%左右。

本區(qū)含有天然焦的3個層位主要為4、8、9煤層，天然焦采用煤巖學(xué)的方法，參考顯微鏡下人工焦炭的觀測方法——YB/T077-1995《焦炭光學(xué)組織的測定方法》相關(guān)要求，鏡下觀測9個天然焦樣品，共有四種組分形式。

①焦光學(xué)組織具鑲嵌結(jié)構(gòu)(圖1)、片狀結(jié)構(gòu)(圖2)，含量60%～80%。

圖1 粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)(正交偏光)Figure 1 Coarse-grained mosaic texture (crossed polarizer sheet)

圖2 片狀結(jié)構(gòu)(正交偏光)Figure 2 Schistose texture (crossed polarizer sheet)

②新生組分中間相小球體(圖3)，具大小不等的球形顆粒，含量10%～20%。

圖3 小球體和氣孔(正交偏光)Figure 3 spherules and vesicles (crossed polarizer sheet)

③殘留的原煤顯微組分具可分辨的鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組殘留組分，含量小于5%～8%。

④焦中的無機(jī)顯微組分主要是細(xì)小的粘土礦物、石英和長石碎屑、黃鐵礦等，含量5%～15%。

另外，鏡下可見單獨存在或相互通連、大小不一、橢圓或不規(guī)則狀氣孔。

2.3 主要測試項目特征

根據(jù)9個天然焦和5個煤層的樣品測試結(jié)果，其測試項目參數(shù)與該層位的煤層相比較，均有明顯的差別。

①質(zhì)量(密度)和反射率。本區(qū)3個層位的天然焦視密度和真密度與相同層位的煤層相比普遍小幅度升高(表2)，反射率均超過3，比同層位煤層大幅提高。

表2 天然焦與煤的密度和反射率對比表Table 2 Comparison of densities and reflectancesof natural coke and coal

②工業(yè)分析和元素分析?；鸪蓭r對煤的蝕變作用造成煤向天然焦的轉(zhuǎn)變時，煤的芳香族稠環(huán)中富氫官能團(tuán)和側(cè)鏈逐漸脫落，使得氫含量明顯減少和碳含量明顯增加[2]。本區(qū)樣品(表3)氫含量從4.5%左右減少到1.6%～3.5%，碳含量總體有所增加，C/H比值從17～21變?yōu)?6～55。隨著揮發(fā)性物質(zhì)的析出，揮發(fā)分減少，黏結(jié)性指數(shù)快速減少至消失，變質(zhì)程度高的煙煤揮發(fā)分在14%～26%，而天然焦為4%～10%，黏結(jié)性指數(shù)迅速從70左右降至0。

2.4 測井曲線參數(shù)特征

隨變質(zhì)程度加深，從煤到天然焦，其密度逐漸增大，煤的分子結(jié)構(gòu)趨于有規(guī)則排列，電化學(xué)活動性增加，使得天然焦接近電子導(dǎo)電性質(zhì)，視電阻率曲線參數(shù)降低或趨于零值，自然伽馬和伽馬伽馬兩參數(shù)明顯增高(表4)，特征趨勢與河北陶二煤礦煤與天然焦測井參數(shù)變化特征相似[1]。

表3 天然焦與煤的工業(yè)分析和元素分析對比表Table 3 Comparison of proximate, ultimate analyzed results of natural coke and coal

表4 煤與天然焦測井參數(shù)特征對比表Table 4 Comparison of coal and natural coke welllogging parametric features

3 天然焦與煤的研究及意義

3.1 天然焦與煤的區(qū)分

按照GB/T5751-2009《中國煤炭分類》分類標(biāo)準(zhǔn)，僅從本區(qū)天然焦樣品的主要測試項目Rmax、Vdaf、Hdaf、GR.I四種參數(shù)劃分類別， 3層天然焦均應(yīng)歸屬于貧瘦煤、貧煤或無煙煤(表3)，總體上顯示各項化學(xué)性質(zhì)和工藝性能指標(biāo)與煤(無煙煤、貧煤)沒有明顯的界線。形成這種情況的原因與火成巖巖性及其侵入煤層的部位密切相關(guān)[1]。本區(qū)西南約30km為狐偃山中生代侵入偏堿性的二長巖—石英二長巖—石英正長(斑)巖—正長(斑)巖雜巖體[3]，區(qū)內(nèi)火成巖為似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶主要為正長石和斜長石(含量均為30%)，基質(zhì)為隱晶質(zhì)正長石和斜長石，含少量角閃石及其他副礦物，巖性為偏堿性二長巖[4]。當(dāng)巖體侵入煤層頂?shù)装迳形磁c煤層接觸時，巖漿以熱變質(zhì)為主對煤層進(jìn)行影響，形成的天然焦相關(guān)測試參數(shù)值Rmax、Vdaf、Hdaf、GR.I、Qgr,d、C/H與同層位煤層參數(shù)值相比較，變化幅度小，宏觀上顯示以塊狀焦為主(表3中7121、7142、7161和7381樣品)，在工作不細(xì)心的情況下，很容易將其確定為煤。當(dāng)巖體侵入煤層中與煤層直接接觸時，巖漿以熱和接觸交代兩種變質(zhì)作用對煤層進(jìn)行影響，由于偏堿性二長巖活性較強(qiáng)，火成巖與煤層交代混染發(fā)生物質(zhì)交換較充分，形成的天然焦相關(guān)測試參數(shù)值與同層位煤層參數(shù)相比較，體現(xiàn)出大幅變化的特點，宏觀上顯示以柱狀焦為主(表3中8141、8181、8182、8183和8191樣品)。因此，在區(qū)分本區(qū)天然焦與煤時，應(yīng)首選煤層或焦層的宏觀物理特征、顯微特征、測井曲線參數(shù)特征和火成巖侵入煤層的部位特征進(jìn)行分析，然后再參考Rmax、Vdaf、Hdaf、Cdaf、GR.I、Qgr,d等化驗測試參數(shù)綜合確定，切不可像正常煤一樣僅使用化學(xué)性質(zhì)和工藝性能指標(biāo)確定類別。

3.2 研究的意義

GB/T 25283-2010《礦產(chǎn)資源綜合勘查評價規(guī)范》將天然焦列入煤的共伴生礦產(chǎn)以來，國內(nèi)魯豫皖等省已有44份煤炭勘查報告和生產(chǎn)礦井儲量核實報告，將天然焦作為礦產(chǎn)單獨估算資源量，提交了控制的(332)和推斷的(333)資源儲量，獲得國土部門備案[1]。多年來，山西省一直未將天然焦作為礦產(chǎn)資源進(jìn)行管理，資源勘查中揭露的天然焦區(qū)域被當(dāng)做無煤帶處理，煤礦生產(chǎn)中遇到的天然焦也被廢棄，在一定程度上浪費(fèi)了資源。現(xiàn)已初步查明本區(qū)西部4、8、9煤層的天然焦層，厚度大于0.8m的焦層能夠圈出資源量塊段，隨著今后勘查范圍的擴(kuò)大，做好天然焦與煤的區(qū)分研究工作，為在更大范圍內(nèi)查明焦層的分布特征、提供可供今后煤礦綜合開采利用的天然焦資源量具有現(xiàn)實意義。

4 地質(zhì)勘查中如何做好天然焦與煤的區(qū)分研究工作

在鉆探取心為主的火成巖發(fā)育地區(qū)進(jìn)行煤炭資源勘查時，天然焦與煤的勘查和研究一直是地質(zhì)工作難點，勘查過程中，往往會出現(xiàn)工作人員不知如何下手工作。針對本區(qū)地質(zhì)特點，筆者認(rèn)為工作中應(yīng)注意以下四點：

①重視獲取煤層受火成巖影響的第一手資料，地質(zhì)工作人員要對每個鉆孔的煤層、火成巖層和天然焦層的巖石學(xué)特征實際分層鑒定與編錄。詳細(xì)觀察和記錄火成巖巖性特征、侵入層位、產(chǎn)狀、厚度、與圍巖的交代、蝕變、混染情況等；詳細(xì)觀察和記錄天然焦所屬的原煤層層位、天然焦層的厚度、結(jié)構(gòu)、宏觀巖石學(xué)特征和焦的采取率，當(dāng)焦層中有細(xì)小火成巖脈或煤分層混入時，應(yīng)對全層進(jìn)行分小層編錄，區(qū)分火成巖層、焦巖混合層、焦煤混合層、煤層、焦層，記錄各分層的顏色、成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、節(jié)理裂隙及充填、氣孔及充填、堅硬程度等特征，拍攝全層照片。取得完整的天然焦層宏觀特征資料。

②有針對性地采集火成巖、煤或天然焦樣品，根據(jù)天然焦或煤層受火成巖影響程度，盡可能按分層進(jìn)行采樣，分別確定各個樣品的測試項目。一要采集一定數(shù)量的火成巖巖心樣品，進(jìn)行巖石薄片顯微鑒定，查明巖石的礦物成分種類與含量、結(jié)構(gòu)、粒度、蝕變及混入物，確定巖石名稱。必要時，可對樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析試驗，了解火成巖的化學(xué)組分特征，確定巖石(化學(xué))類別名稱。二要對宏觀上具有天然焦特征的焦心采集樣品，送樣的分析試驗項目為：密度、工業(yè)分析、全水分、全硫、發(fā)熱量、元素分析、灰成分及熔融性，一定要進(jìn)行顯微鑒定并測定組分反射率。對宏觀上天然焦特征不太明顯但受火成巖影響特征明顯(與火成巖直接接觸)的煤層，除了按煤樣采樣和確定測試項目外，尤其應(yīng)進(jìn)行顯微組分、反射率和密度測試。三要注意如天然焦中有焦巖混合層時，應(yīng)增加測試其抗碎強(qiáng)度；如天然焦中具有煤分層時，應(yīng)對煤分層按煤樣采樣測試要求送樣測試。四要注意采樣前若進(jìn)行了鉆孔測井，應(yīng)詳細(xì)研究采樣層位的測井曲線參數(shù)特征，同時，應(yīng)結(jié)合鄰區(qū)天然焦相關(guān)資料，綜合分析，確保采樣層位、數(shù)量、測試項目更具有針對性。

③重視火成巖、煤或天然焦層的測井曲線參數(shù)特征的分析研究，地質(zhì)人員應(yīng)與測井人員密切配合，及時分析研究天然焦層測井曲線及相關(guān)參數(shù)值的變化，細(xì)致地劃分出全層結(jié)構(gòu)，為確定是天然焦層還是煤層、焦煤混合層提供測井的相關(guān)依據(jù)。在分析研究中，既要注意該層天然焦與同層位煤層測井資料進(jìn)行對比，又要關(guān)注與天然焦層的地質(zhì)特征進(jìn)行對比，兩者缺一不可。

④及時分析研究天然焦及煤層樣品的測試報告，按表2和表3所列數(shù)據(jù)形式，梳理統(tǒng)計每個樣品的測試數(shù)據(jù)。地質(zhì)人員應(yīng)與煤質(zhì)人員密切配合，參照煤質(zhì)分析的相關(guān)圖表，制作天然焦品質(zhì)分析圖表，結(jié)合天然焦的宏觀特征、測井曲線參數(shù)特征、同層位煤層的煤質(zhì)特征和對形成本層天然焦有影響的火成巖的特征，對煤層受火成巖的影響因素及變化規(guī)律進(jìn)行綜合研究。研究的次序是先依據(jù)同層位的樣品的煤巖組分、Rmax、Vdaf、Hdaf、GR.I等測試數(shù)據(jù)，確定樣品是煤還是天然焦。如果是天然焦，則還應(yīng)使用樣品的礦物基特征、Mda、Ad、Qnet,ad、ARD和其他測試參數(shù)(抗碎強(qiáng)度)，評價其品質(zhì)的優(yōu)劣和利用前景。需要特別指出的是，對于焦巖混合層或焦煤混合層的樣品測試數(shù)據(jù)，最好單獨列在相關(guān)數(shù)據(jù)表中，它們既是反映煤層受火成巖同化混染、煤層向天然焦?jié)u變的直接證據(jù)，又是煤層(或天然焦層)煤質(zhì)品質(zhì)變化的真實體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

①太原西山楊莊勘查區(qū)揭露的天然焦，其宏觀特征、顯微特征、主要測試項目特征和測井曲線參數(shù)特征明顯，與區(qū)內(nèi)同層位煤層的相關(guān)特征存在明顯差別，系煤層受火成巖影響所致。

②根據(jù)天然焦的Rmax、Vdaf、Hdaf、GR.I、C/H數(shù)值范圍特征，結(jié)合樣品的宏觀特征和顯微特征，可以將其與同層位的煤層區(qū)分開。隨著今后勘查范圍的擴(kuò)大，有可能提供可供今后煤礦開采利用的天然焦資源量。

③在鉆探取心勘查過程中，天然焦的研究可從野外地質(zhì)編錄入手，通過精準(zhǔn)采樣科學(xué)確定測試項目、進(jìn)行測井曲線分析對比、測試項目數(shù)據(jù)統(tǒng)計與比較，可以獲取天然焦的屬性參數(shù)及煤層受火成巖影響和變化規(guī)律的相關(guān)參數(shù)，用于指導(dǎo)煤炭和天然焦的勘查工作。

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