四川省達(dá)州市金剛煤礦煤層物性及煤質(zhì)特征

李明彬 吳 昊

(四川省煤田地質(zhì)局一三七隊(duì))

金剛煤礦是川東地區(qū)重要的煤炭資源基地之一[1]，屬國家規(guī)劃的綠色老礦山企業(yè)，在川東煤礦資源研究中占據(jù)重要地位[1]。前人的研究工作主要集中于金剛煤礦的開采、選礦、洗煤等方向[2-5]，對(duì)于含煤層的對(duì)比研究則集中于上三疊統(tǒng)須家河組[7-8]，對(duì)于金剛煤礦煤層的研究涉及較少[1]。本研究結(jié)合相關(guān)地質(zhì)工作成果，著重對(duì)金剛煤礦煤層物性特征及煤質(zhì)特征進(jìn)行分析，為進(jìn)一步揭示煤礦成因提供有益參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)

金剛礦區(qū)位于新華夏系第三沉降帶川東弧形褶皺帶，上三疊統(tǒng)須家河組含煤地層沉積之后，經(jīng)歷了印支、燕山和喜山3期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，致使礦區(qū)發(fā)生了多期復(fù)雜的構(gòu)造疊加與改造，塑造了本區(qū)主體構(gòu)造——中山背斜(又稱“銅鑼?shí){背斜”)NNE向的構(gòu)造形式。喜山晚期，由于區(qū)域應(yīng)力場發(fā)生了變化，自北東向西南的擠壓應(yīng)力作用為主導(dǎo)，對(duì)早期形成的NNE向構(gòu)造進(jìn)行了改造，形成了走向NNW的線形褶曲以及與其走向一致的逆沖斷裂[1]。金剛礦區(qū)淺部構(gòu)造極為發(fā)育，向深部逐漸變小或尖滅。

(1)褶皺。金剛礦區(qū)褶皺構(gòu)造極為發(fā)育，屬中山背斜東西兩翼，地表上，由南至北發(fā)育一系列次級(jí)褶皺，往深部逐漸傾伏、消失。礦區(qū)南段為一軸向N15°～20°E大致對(duì)稱的傾伏背斜，北側(cè)傾伏，傾伏角一般為3°～10°；軸部傾角一般小于20°，較為平緩，東翼傾角為25°～45°，西翼傾角為25°～40°[1]。礦區(qū)北段構(gòu)造破壞較嚴(yán)重，主背斜軸向?yàn)镹10°～15°E，南側(cè)傾伏，傾伏角約為5°；東翼傾角較陡，傾角為30°～51°；西翼南部傾角為25°～40°，以北處于密集的褶皺帶，傾角局部達(dá)60°以上?？傮w上，礦區(qū)深部地層傾角多大于淺部傾角，且地層傾角由南向北逐漸變大。

(2)斷層。礦區(qū)淺部斷層極為發(fā)育，為脆性斷層，地表已識(shí)別出斷層37條，鉆孔揭露的隱伏斷層有12條。根據(jù)斷層特征及發(fā)育規(guī)律可以認(rèn)為，淺表斷層逐漸向深部尖滅或消失，僅有4條較大規(guī)模的斷層對(duì)礦體有較大影響[2-4]，其特征為：①F1逆斷層，展布于礦區(qū)北段，長3.1 km，北段走向?yàn)镹35°W，向南轉(zhuǎn)為N70°W，傾向SW，傾角由北往南，且由淺到深逐漸變小，水平斷距為290 m，該斷層破壞了礦體；②F4隱伏逆斷層，走向?yàn)镹31°E，傾向SW，傾角52°，最大落差為65 m，該斷層破壞了礦體；③F44隱伏逆斷層，根據(jù)鉆孔資料，推斷該斷層走向?yàn)镹33°W，對(duì)礦區(qū)西翼北側(cè)300 m水平以下內(nèi)外連煤層開采有影響[2]；④F50斷層，為一隱伏斷層，破壞了東西兩翼的各個(gè)煤層，該斷層走向N50°E，傾向NW，傾角約58°。

1.2 礦區(qū)地層特征

礦區(qū)地層出露由老至新依次為上三疊統(tǒng)須家河組(T3xj)、下侏羅統(tǒng)珍珠沖組(J1zh)、中—下侏羅統(tǒng)自流井組(J1-2z)、中侏羅統(tǒng)新田溝組(J2x)、中侏羅統(tǒng)下沙溪廟組(J2xs)和上侏羅統(tǒng)沙溪廟組(J2s)[1]。其中，上三疊統(tǒng)須家河組(T3xj)為礦區(qū)內(nèi)主要的含煤地層，由深灰色泥巖、頁巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖及煤層組成，為一套陸相沉積環(huán)境，可分為7段，第一、三、五、七段為含煤段，第二、四、六段為砂巖段；下侏羅統(tǒng)珍珠沖組(J1zh)為一套河流相沉積，由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、煤線、長石石英砂巖組成[6]；中—下侏羅統(tǒng)自流井組(J1-2z)為一套湖泊相沉積，該組巖相、巖性較穩(wěn)定，動(dòng)物化石豐富，總體厚度為176～218 m，一般厚度為190 m；中侏羅統(tǒng)新田溝組(J2x)為河流—湖泊相沉積，由泥巖、砂巖、粉砂巖組成[7]；中侏羅統(tǒng)下沙溪廟組(J2xs)為一套沖積相—淺湖相沉積，為紫紅、綠灰色粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，中、上部泥巖中含有大量鈣質(zhì)結(jié)核及團(tuán)塊，頂部含葉肢介化石；中侏羅統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)為一套淺湖及河湖交替相沉積，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、長石砂巖、細(xì)—粉砂巖組成[7-8]。

1.3 含煤地層

礦區(qū)內(nèi)的含煤地層主要為上三疊統(tǒng)須家河組第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)(圖1)。其中，須家河組第七段(T3xj7)為礦區(qū)最主要的含煤層位，可對(duì)比含煤層數(shù)達(dá)9層，編號(hào)分別為外連煤層、內(nèi)連煤層、底連煤層和25#、24#、23#、22-1#、22#等煤層，煤層平均厚度為1.86 m，含煤系數(shù)為4.06%；須家河組第五段(T3xj5)的可對(duì)比含煤層為4層，編號(hào)依次為11#、12#、14#、15#煤層，煤層平均厚度為1.73 m，含煤系數(shù)為1.54%。

2 煤層對(duì)比

2.1 對(duì)比標(biāo)志選擇

上三疊統(tǒng)須家河組(T3xj)為一套陸相沉積物，巖性變化較大，含煤層數(shù)多，但含煤層的穩(wěn)定性較差，加之古河流沖蝕，增加了煤層對(duì)比難度。為更精確地分析金剛礦區(qū)的含煤層特征，本研究在煤層對(duì)比過程中除了采用標(biāo)志層、層間距外，還結(jié)合了測井曲線等進(jìn)行綜合對(duì)比。

2.2 含煤層位特征

礦區(qū)含煤地層的巖性組合特征明顯，沉積韻律較清楚，自下而上巖石粒度顯示由粗變細(xì)的正粒序旋回結(jié)構(gòu)。區(qū)內(nèi)含煤地層按巖性、巖相組合和沉積旋回特征可分為7個(gè)巖性段，其中，上三疊統(tǒng)須家河組第一、三、五、七段(T3xj1、T3xj3、T3xj5、T3xj7)為含煤層段，第二、四、六段(T3xj2、T3xj4、T3xj6)為砂巖段，未見含煤層位。由礦區(qū)鉆孔揭露情況可知，礦區(qū)主要的含煤層為須家河組第五段(T3xj5)和第七段(T3xj7)。

上三疊統(tǒng)須家河組第七段(T3xj7)由煤層、泥巖、粉砂巖、砂巖組成，該段可對(duì)比煤層為外連煤層、內(nèi)連煤層、底連煤層和25#、24#、23#、22-1#、22#等煤層，煤層較好區(qū)分，含煤性較穩(wěn)定。上三疊統(tǒng)須家河組第五段(T3xj5)由煤線、薄煤層、泥巖、粉砂巖、砂巖組成，該段可對(duì)比煤層為11#、12#、14#、15#煤層，該段沉積環(huán)境不穩(wěn)定，煤層厚度變化較大，具有中煤組在礦區(qū)背斜西翼含煤性較好、背斜東翼含煤性較差的特征。

2.3 含煤標(biāo)志層特征

圖1 須家河組第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)地層柱狀

根據(jù)巖性組合特征，在礦區(qū)須家河組地層內(nèi)共確定了5個(gè)標(biāo)志層作為該礦區(qū)煤層的對(duì)比標(biāo)志，各標(biāo)志層特征如下。

(1)1#標(biāo)志層。巖性為須家河組第七段第二亞段(T3xj7-2)砂巖，厚7～25 m，平均17 m，距離外連煤層0.76～9.78 m，平均3.05 m。該層砂巖顏色較淺、粒度較粗，含較多黑色燧石巖屑，俗稱“芝麻砂巖”，一般厚17 m。測井曲線上電阻率曲線呈高阻，中下部隨著泥質(zhì)成分增加幅值降低，自然伽瑪曲線上呈低異常似“箱狀”。

(2)2#標(biāo)志層。外連煤層外頂常見0.10 m厚的碳質(zhì)泥巖，在煤層頂界以上0.60～3.70 m可見1～3條煤線或碳質(zhì)泥巖，含菱鐵礦結(jié)核，頂板泥巖產(chǎn)有較多完整的植物化石，可與內(nèi)連煤層頂板相區(qū)別，且測井電阻率電位曲線上呈低阻反應(yīng)，自然伽瑪曲線上呈高異常反應(yīng)，是對(duì)比外連煤層與內(nèi)連煤層的良好標(biāo)志。

(3)3#標(biāo)志層。內(nèi)連煤層之下0.45～4.68 m處常見1層煤或碳質(zhì)泥巖(即底連煤層)，頂板完整的植物化石少見，且測井電阻率電位曲線上呈低矮異常、伽瑪伽瑪曲線上呈中等偏低異常、自然伽瑪曲線呈中異?；蚋弋惓７磻?yīng)。

(4)4#標(biāo)志層。須家河組第五段第三亞段(T3xj5-3)褐灰色鋁土質(zhì)泥巖一般厚度為0.09～0.61 m，平均為0.24 m，距離須家河組第五段第四亞段(T3xj5-4)砂巖底部0.87～8.07 m，平均3.20 m。

(5)5#標(biāo)志層。須家河組第五段第三亞段(T3xj5-3)淺灰色鋁土質(zhì)泥巖一般厚度為0.03～1.07 m，平均為0.32 m，距離4#標(biāo)志層2.90～13.25 m，平均6.75 m。

2.4 含煤層位特征

礦區(qū)煤層對(duì)比層位穩(wěn)定，無較大變化，對(duì)比標(biāo)志明顯，層序清晰，界線明顯，易于對(duì)比。外連煤層賦存于須家河組第七段第二亞段，上距1#標(biāo)志層(第七段第二亞段(T3xj7-2))0.76～9.78 m，平均3.23 m，下距內(nèi)連煤層0.25～6.89 m，平均2.91 m；內(nèi)連煤層下距底連煤層1.26～5.50 m，平均3.47 m；14#煤層上距5#標(biāo)志層0.20～2.39 m，平均1.50 m。

2.5 測井曲線特征

礦區(qū)內(nèi)主要可對(duì)比的外連、內(nèi)連、底連、14#煤層與其頂?shù)装宓哪鄮r、砂質(zhì)泥巖相比，電阻率呈高異常、天然放射性含量低、密度低的特征，在三側(cè)向電阻率曲線上表現(xiàn)為相對(duì)高異常，在伽瑪曲線上表現(xiàn)為明顯突出的高異常，在自然伽瑪曲線上表現(xiàn)為相對(duì)低幅值異常。因此正連、內(nèi)連、底連和14#煤層的各參數(shù)曲線形態(tài)多為單尖峰狀。

2.6 煤層對(duì)比的可靠性分析

礦區(qū)參與對(duì)比的主采煤層(外連、內(nèi)連煤層)厚度大且層位穩(wěn)定，對(duì)比標(biāo)志明顯，因此煤層對(duì)比結(jié)果較可靠，尚有22#、底連、14#、15#、11#、11-1#煤層也有個(gè)別點(diǎn)達(dá)到可采厚度。在勘查過程中，本研究綜合采用了煤層層間距、標(biāo)志層、煤巖特征、煤質(zhì)特征、巖礦特征、古生物特征和地球物理測井曲線等資料進(jìn)行了煤層對(duì)比和命名，證實(shí)此次煤層對(duì)比依據(jù)充分，煤層對(duì)比結(jié)果正確可靠。

3 煤質(zhì)特征

礦區(qū)可對(duì)比的煤層共有12層，可分為上煤組和中煤組。上煤組為上三疊統(tǒng)須家河組第七段(T3xj7)，由外連煤層、內(nèi)連煤層、底連煤層和25#、24#、23#、22-1#、22#煤層組成；中煤組為上三疊統(tǒng)須家河組第五段(T3xj5)，由11#、12#、14#、15#煤層組成。其中，外連、內(nèi)連煤層為區(qū)內(nèi)主采煤層，14#煤層為局部可采煤層。

3.1 煤的物理性質(zhì)

(1)外連煤層。呈黑色，條痕為棕黑—黑色，瀝青光澤—玻璃光澤，參差狀及階梯狀斷口，線理狀結(jié)構(gòu)，以塊狀構(gòu)造為主，次為層狀構(gòu)造，硬度較大，裂隙不發(fā)育。

(2)內(nèi)連煤層。呈深黑色，條痕為黑色，玻璃光澤，參差狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，以塊狀構(gòu)造主，次為層狀構(gòu)造，性脆，裂隙發(fā)育，多為方解石脈充填。

(3)底連煤層。呈深黑色，條痕為黑色，玻璃光澤，參差狀斷口，煤層以塊狀構(gòu)造為主，次為層狀構(gòu)造。

(4)14#煤層。呈深黑色，條痕棕黑—黑色，瀝青光澤—玻璃光澤，參差狀斷口，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

3.2 宏觀煤巖類型

(1)外連煤層。上部煤巖組分以暗煤為主，光澤暗淡，夾少量鏡煤和絲炭的透鏡體線理，屬暗淡煤；下部煤巖組分以暗煤為主，光澤較弱—較強(qiáng)，亮煤次之，局部夾鏡煤條帶，屬半暗—半亮煤。

(2)內(nèi)連煤層。煤巖組分以亮煤為主，光澤較強(qiáng)，夾鏡煤、暗煤、絲炭薄層，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，屬半亮煤。

(3)底連煤層。煤巖組分以亮煤為主，局部夾鏡煤條帶，屬半亮煤。

(4)14#煤層。一般上分層中亮煤與暗煤約各占1/2，下分層以亮煤為主，暗煤次之，光澤較弱—較強(qiáng)，煤中夾薄層褐色硬質(zhì)黏土巖。該煤層上部屬半暗煤，下部屬半亮煤。

3.3 顯微煤巖組分

本研究在鉆孔中共采集了4件煤巖樣品進(jìn)行了化驗(yàn)分析。結(jié)果表明：礦區(qū)內(nèi)所測煤層有機(jī)組分中的主要成分為鏡質(zhì)組，次為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組少量；鏡質(zhì)組以均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，碎屑鏡質(zhì)體次之；惰質(zhì)組以絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體為主[8]，微粒體、惰屑質(zhì)體次之；外連煤層有機(jī)組分含量為83.7%，無機(jī)組分含量為16.3%，最大反射率為1.136；內(nèi)連煤層有機(jī)組分含量為74.4%～81.9%，平均為78.15%，無機(jī)組分含量為18.1%～25.6%，平均為21.85%，最大反射率為1.011～1.106 3，平均為1.040；底連煤層有機(jī)組分平均含量為55.8%，無機(jī)組分平均含量為44.2%，最大反射率為1.096；內(nèi)連及底連煤層的有機(jī)組分含量均低于外連煤層有機(jī)組分含量，無機(jī)組分含量均高于外連煤層無機(jī)組分含量。

3.4 水 分

外連煤層原煤水分含量為0.37%～1.07%，平均為0.67%，浮煤水分含量為0.37%～1.05%，平均為0.82%；內(nèi)連煤層原煤水分含量為0.27%～1.27%，平均為0.83%，浮煤水分含量為0.40%～1.05%，平均為0.85%；14#煤層原煤水分含量為0.64%～1.16%，平均為0.89%，浮煤水分含量為0.43%～1.15%，平均為0.89%。

3.5 灰分產(chǎn)率(Ad)

外連煤層原煤灰分產(chǎn)率為9.55%～59.02%，平均為30.37%，為中灰煤；內(nèi)連煤層原煤灰分產(chǎn)率為5.60%～36.54%，平均為17.39%，為低灰煤；14#煤層原煤灰分產(chǎn)率為31.09%～38.63%，平均為35.23%，為中高灰煤；外連煤層浮煤灰分產(chǎn)率為5.21%～11.73%，平均為9.08%，為特低灰煤；內(nèi)連煤層浮煤灰分產(chǎn)率為4.98%～11.14%，平均為7.96%，為特低灰煤；14#煤層浮煤灰分產(chǎn)率為7.39%～14.01%，平均為10.52%，為低灰煤。

3.6 揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率及CO2含量

本研究試驗(yàn)所采用的揮發(fā)分產(chǎn)率計(jì)算公式以浮煤900 ℃值為準(zhǔn)，得出的外連浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率為30.53%～36.04%，平均為33.36%；內(nèi)連浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率為30.65%～34.40%，平均為32.46%；14#煤層浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率為27.35%～30.75%，平均為29.04%；上述煤層均為中高揮發(fā)分煤。根據(jù)6件煤樣的二氧化碳(CO2)含量測試結(jié)果可知，樣品中CO2含量最低為0.99%，最高為1.27%，平均為1.15%，未超過2%，故未校正揮發(fā)分產(chǎn)率。

3.7 硫分(S)

(1)全硫(St,d)。外連煤層原煤全硫含量為0.19%～0.60%，平均為0.45%，為特低硫煤；內(nèi)連煤層原煤全硫含量為0.34%～1.22%，平均為0.54%，為低硫煤；14#煤層原煤全硫含量為0.44%～0.46%，平均為0.45%，為特低硫煤；外連煤層浮煤全硫含量為0.40%～0.62%，平均為0.52%，為低硫煤，具有西翼向東翼逐漸增大的趨勢；內(nèi)連煤層浮煤全硫含量為0.42%～1.03%，平均為0.55%，為低硫煤，具有西翼向東翼逐漸減小的趨勢；14#煤層浮煤全硫含量為0.51%～0.69%，平均為0.58%，為低硫煤。本研究對(duì)煤層硫分按實(shí)測的干基高位發(fā)熱量對(duì)基準(zhǔn)發(fā)熱量進(jìn)行了折算，煤層折算后的平均硫分含量為0.67%(底連煤層)～1.417%(14#煤層)，較折算前的硫分降低了0.17%(外連煤層)～0.19%(14#煤層)，浮煤全硫脫硫率為67%，脫硫效果中等。

(2)形態(tài)硫。外連、內(nèi)連、14#煤層原煤、浮煤全硫組成均以硫鐵礦硫(Sp,d)、有機(jī)硫(So,d)為主，硫酸鹽硫(Ss,d)含量甚微。

3.8 恒容干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)

外連煤層原煤發(fā)熱量為13.77～31.85 MJ/kg，平均為24.27 MJ/kg，屬中發(fā)熱量煤，具有西翼向東翼逐漸減小的趨勢，東翼均為高發(fā)熱量煤；內(nèi)連煤層原煤發(fā)熱量為21.90～33.73 MJ/kg，平均為28.96 MJ/kg，屬高發(fā)熱量煤，除了局部為特高發(fā)熱量煤外，其余均為高發(fā)熱量煤；14#煤層原煤發(fā)熱量為20.14～22.95 MJ/kg，平均為21.69 MJ/kg，屬中發(fā)熱量煤；外連煤層經(jīng)洗選后，浮煤發(fā)熱量增高，為35.06～36.11 MJ/kg，平均為35.40～35.79 MJ/kg，屬特高發(fā)熱量煤，礦區(qū)內(nèi)無明顯的變化趨勢；內(nèi)連煤層經(jīng)洗選后，浮煤發(fā)熱量增高，為35.41～36.11 MJ/kg，平均為35.79 MJ/kg，屬特高發(fā)熱量煤，礦區(qū)內(nèi)無明顯的變化趨勢；14#煤層經(jīng)洗選后，浮煤發(fā)熱量增高，為35.11～35.81 MJ/kg，平均為35.40 MJ/kg，屬特高發(fā)熱量煤，礦區(qū)無明顯的變化趨勢。

4 結(jié) 論

(1)金剛礦區(qū)主要的含煤層位為上三疊統(tǒng)須家河組第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)，且須家河組第七段(T3xj7)為礦區(qū)最主要的含煤層位，煤層較好區(qū)分，含煤性較穩(wěn)定。

(2)礦區(qū)以亮煤為主，暗煤次之。亮煤光澤較強(qiáng)，夾鏡煤、暗煤、絲炭薄層，暗煤光澤暗淡，夾少量鏡煤和絲炭的透鏡體線理。

(3)煤層原煤水分平均小于0.9%，揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率平均為29.04%～33.36%，CO2含量不超過2%，煤層折算后的平均硫分含量比折算前的硫分降低0.17%～0.19%，浮煤全硫脫硫率為67%，脫硫效果中等。