孫疃煤礦下石盒子組72煤層煤質(zhì)發(fā)育特征及其地質(zhì)控因

周逃濤，何金先,3*，董守華，齊亞林，任澤強，徐 犇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院， 西安 710018；3.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074)

0 引言

孫疃煤礦隸屬于淮北礦業(yè)集團，石盒子組72煤層是其設(shè)計主采煤層之一。前人對礦區(qū)進行了較為詳盡的鉆探、采掘及研究工作，在煤田構(gòu)造、煤層結(jié)構(gòu)、瓦斯地質(zhì)、沉積環(huán)境和水文地質(zhì)等方面取得了較多的成果[1-2]，但對區(qū)內(nèi)72主采煤層的煤質(zhì)發(fā)育特征及其地質(zhì)控制因素的研究較為薄弱，限制了人們對區(qū)內(nèi)72煤層的全面認識，不利于后期的勘探開發(fā)部署工作。本文以研究區(qū)72煤層為對象，研究其煤質(zhì)發(fā)育特征，并深入探討其地質(zhì)控制因素。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

淮北煤田位于華北板塊東南緣，東接郯廬斷裂與揚子板塊相隔，西以夏邑斷層與河南沉降帶為鄰，北以豐沛斷裂與豐沛隆起相接，南以太和五河斷裂為界與蚌埠隆起相鄰[2]。孫疃煤礦地處淮北煤田南部臨渙礦區(qū)，位于安徽省淮北市濉溪縣，東依宿州，北靠淮北，交通十分便利(圖1)。經(jīng)鉆探揭露，新生界松散層下伏地層自上而下分別為二疊系的石千峰組、上石盒子組、下石盒子組和山西組；石炭系的太原組、本溪組；奧陶系老虎山組、馬家溝組[3]。其中下石盒子組厚度140.2～304.8m，粉砂巖至細砂巖與泥巖互層，含煤3～6層，底為長石石英砂巖、黏土巖。礦井主要含煤地層為二疊系的山西組、下石盒子組和上石盒子組，含1、2、3、4、5、6、7、8、10等9個煤組，含煤30余層[4]。可采煤層有31、51、72、82、10共5層，可采煤層總厚8.31m，其中72、82、10煤層為主采煤層，總厚6.00m，占可采煤層總厚的72.2%。其中72煤層厚度0～4.46m，平均1.54m, 可采區(qū)煤厚一般0.8～2.2m，以中厚煤層為主[5]。

圖1 孫疃礦區(qū)交通位置圖Figure 1 Traffic location map of Suntuan coalmine area

2 煤質(zhì)發(fā)育特征

煤層72煤層煤心呈深黑色，條痕深棕黑色， 以粉末狀及粒狀為主，少見塊狀、 鱗片狀， 玻璃光澤。內(nèi)外生裂隙十分發(fā)育，性脆易碎，階梯狀斷口，呈條帶狀結(jié)構(gòu)。宏觀煤巖成分主要是亮煤，鏡煤和暗煤的含量相對較少，宏觀煤巖類型為半亮型煤[1]。顯微煤巖組分如表1所示，鏡質(zhì)組含量平均值為70.49%，以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，包括均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體，偶而可以見到結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體以及碎屑鏡質(zhì)體；惰質(zhì)組含量均值為19.67%，常以絲質(zhì)體、基質(zhì)粗粒體、渾圓狀粗粒體、菌類體、微粒體等產(chǎn)出；殼質(zhì)組含量均值為9.77%，突起較低，常以小孢子、大孢子、樹脂體、網(wǎng)格狀樹皮、小孢子群等狀產(chǎn)出。無機組分含量介于5%～10%，成分主要是黏土礦物，表現(xiàn)為塵狀質(zhì)點、細粒體等形態(tài)。經(jīng)常以條帶狀及似條帶狀產(chǎn)出；或者以透鏡狀、線理狀浸染分布在有機質(zhì)當中；或者表現(xiàn)為不規(guī)則的塊狀或者粒狀充填于有機質(zhì)的碎片中間。常見黃鐵礦但是含量很少，<1%，主要表現(xiàn)為細小晶?；蚯蚰c狀以及“菌狀”集合體，鑲嵌在有機質(zhì)當中，或者在有機質(zhì)裂隙中以層狀充填。碳酸鹽礦物主要為方解石，以薄膜狀、脈狀次生充填于裂隙。鏡質(zhì)組平均最大反射率為0.94，屬肥煤，為中變質(zhì)煤，根據(jù)《中國煤炭分類》(GB5751-2009)，研究區(qū)72煤層主要為低硫、低磷的1/3JM。

2.1 硫分特征

煤層全硫含量最高值位于研究區(qū)南部鉆孔2013-3處(1.44%)， 最低值位于研究區(qū)東北部的鉆孔18-S6處。72煤層原煤實測全硫0.03%～1.44%，平均0.41%(表2)，屬無煙煤和煙煤的硫分分級范圍的特低硫煤[6]。硫形態(tài)以有機硫為主，因此在洗選過程中不易脫除，脫硫效果較差[7]。在空間上，研究區(qū)72號煤層全硫分含量全硫分值整體分布較為雜亂，西部略高于東部，出現(xiàn)部分低中硫區(qū)，東部幾乎全為大范圍特低硫區(qū)。

表1 研究區(qū)72煤層煤巖鑒定指標平均值表

表2 研究區(qū)72煤層煤質(zhì)分析表

續(xù)表

圖2 研究區(qū)72煤層全硫含量等值線圖Figure 2 Isogram of coal No.72 total sulfur contents in study area

圖3 研究區(qū)72煤層揮發(fā)分含量等值線圖Figure 3 Isogram of coal No.72 volatile matter contents in study area

2.2 揮發(fā)分特征

72煤原煤揮發(fā)分產(chǎn)率為21.89%～40.49%，平均值約為34.77%(表2)，為中高揮發(fā)分煤。如圖4所示，研究區(qū)72煤層揮發(fā)分總體上含量較高，南部高于北部，最高值位于研究區(qū)南部鉆孔29-5處(40.49%)，除去北部鉆孔18-S6、18-19-2及中部偏北鉆孔22-23-22(揮發(fā)分含量低于10%)出現(xiàn)三個低揮發(fā)分區(qū)，南部鉆孔2011-2(21.89%)附近出現(xiàn)較低揮發(fā)分區(qū)，其余地區(qū)含量均高于30%，且低揮發(fā)分區(qū)面積較小，由中心向四周快速增加。研究區(qū)72號煤層揮發(fā)分含量變化南北差異較大，南部揮發(fā)分含量較為穩(wěn)定，出現(xiàn)大面積高揮發(fā)分區(qū)，含量變化幅度較小，北部揮發(fā)分值在三個低值區(qū)變化較快，其余部分變化較小。

2.3 灰分特征

如表2所示，72號煤層原煤灰分產(chǎn)率在11.50%～39.40%，平均為21.86%，屬動力用煤的中灰煤。煤灰成分以SiO2、Al2O3等酸性礦物為主，平均占比79.65%；堿性礦物如CaO、MgO等占比約18.06%，堿酸比0.22。如圖3所示，灰分最高值位于研究區(qū)北部鉆孔16-4處(39.4%)，最低值位于研究區(qū)東南部的鉆孔27-S2處(11.49%)。如圖4所示，整體來看該區(qū)72號煤層灰分含量由中部16-4鉆孔附近和北部兩個高灰分產(chǎn)率值區(qū)域向四周逐漸降低。礦區(qū)北部、東部和南部地區(qū)灰分含量變化幅度較大，西部灰分變化幅度較小。研究區(qū)72號煤層絕大部分區(qū)域都是中灰煤，只有局部區(qū)域?qū)儆诘突颐?，灰分變化無明顯規(guī)律。

圖4 灰分含量等值線圖Figure 4 Isogram of ash contents

2.4 發(fā)熱量特征

72煤原煤干燥基高位發(fā)熱量(Qgr.d)為21.34～31.57MJ/Kg，平均值為26.66MJ/Kg(見表2)，按《煤炭質(zhì)量分級第3部分：發(fā)熱量》(GB/T15224.3-2010)，屬于中高發(fā)熱量煤。如圖5所示，72煤發(fā)熱量最大值在井田中南部24-S5號孔(31.57%)附近，最小值在井田北部13-22號孔(20.52%)附近，由中部向西南、東部兩側(cè)遞增。發(fā)熱量研究區(qū)72煤層發(fā)熱量分布特征與揮發(fā)分分布特征一致，揮發(fā)分含量高的地區(qū)發(fā)熱量相對較高，在揮發(fā)分含量較高的區(qū)域發(fā)熱量較低[8]，而與灰分分布剛好相反。

圖5 發(fā)熱量含量等值線圖Figure 5 Isogram of calorific values

3 煤質(zhì)發(fā)育的地質(zhì)控因

煤質(zhì)發(fā)育特征與煤化作用息息相關(guān)，想要分析煤質(zhì)發(fā)育的地質(zhì)控因，就應(yīng)從煤化作用的兩個階段—煤成巖作用和煤變質(zhì)作用著手。其中，沉積環(huán)境對煤成巖作用舉足輕重，控制原始泥炭和腐泥的成分、埋藏過程等，進而決定煤的元素特征、煤巖組分和類型[9]。而后期的構(gòu)造活動、煤層埋深、巖漿侵入等則通過改變溫度、壓力、時間等因素，影響煤的變質(zhì)作用，進而改變煤質(zhì)。

3.1 沉積環(huán)境

研究區(qū)72號煤層屬于南華北地區(qū)二疊系下石盒子組，如圖6所示，該時期南華北盆地自北至南依次呈現(xiàn)三角洲平原—三角洲前緣—澙湖的沉積特征[10]。72煤上長石石英砂巖為72煤層直接或間接頂板，淺灰色、中細粒，含菱鐵礦鮞粒并顯示斜交層理、楔狀層理，反應(yīng)當時分流河道發(fā)育，遷徙頻繁。廢棄之后的河道在三角洲平原上形成廣泛分布的沼澤、泥炭沼澤，成為了良好的聚煤場所。

3.1.1 對煤層硫分的影響

煤中硫的來源，除去原始植物中含有的有機硫，便是隨著海水入侵帶來的硫酸鹽中的無機硫[11]。下石盒子組為淺水三角洲沉積，處于三角洲平原及三角洲前緣的交界線附近，早二疊世早期,淮北地區(qū)發(fā)生由北向南的全面海退,形成山西組下部,在此基礎(chǔ)上形成陸上三角洲沉積；早二疊世晚期繼續(xù)延續(xù)早期的特點,海水繼續(xù)南退,發(fā)育三角洲平原并向三角洲前緣過渡,受淡水影響發(fā)育的分流河道更替遷徙頻繁，廢棄河道發(fā)育沼澤，為下石盒子組提供了聚煤場所，發(fā)育大量可采煤層[12-13]。由于72煤層沉積于海退時期，受海水影響較小，煤層中硫主要來源于原始植物沉積，含量較低，且以有機硫為主[14]。

圖6 華北盆地下石盒子組沉積期巖相古地理圖[12]Figure 6 Lithofacies-paleogeographical map of North China Basin during Xiashihezi Formation depositional stage

3.1.2 對煤層灰分的影響

煤層中的灰分來源于煤中的無機礦物質(zhì)，以泥炭沼澤中伴隨煤的形成混入的無機礦物質(zhì)為主[15]。在后期成巖壓實過程中孔隙水帶入的無機物質(zhì)，以及煤化作用階段沿煤層裂隙滲入的部分礦物質(zhì)而形成的礦物質(zhì)條帶，盡管帶入的無機物質(zhì)含量較多但是實質(zhì)上對煤層灰分的影響并不能起到?jīng)Q定性的作用。在72煤層形成三角洲平原的泥炭沼澤，處于低洼部位，仍有水體活動并與外界連通，物源補給相對充分。但由于水體環(huán)境總體為中等—弱，煤層的灰分含量處于正常水準，為中灰煤。

3.1.3 對煤巖組分和煤巖類型的影響

沼澤水體的深度、酸堿度(PH值)、氧化還原電位(EH值)是影響煤巖組分和煤巖類型的主要環(huán)境因素[16]。研究區(qū)所處河控三角洲，水體較淺，pH值較高，為還原沉積環(huán)境，因此72煤層煤中的Fe元素除菱鐵礦、黃鐵礦外，主要為Fe2O3形式存在于煤灰中，均為Fe2+。隨著水體從深海向濱岸過渡，煤中P、Mn等元素會逐漸減少，72煤層P、Mn含量受水深影響含量較低。鏡質(zhì)組是由植物的根、莖、葉在覆水的還原條件下，經(jīng)凝膠化作用而形成，而惰質(zhì)組是植物遺體在缺水多氧的環(huán)境下，經(jīng)氧化而形成[17]，研究區(qū)72煤層鏡質(zhì)組含量占比大于70%，惰質(zhì)組含量較低，約5%～20%，正好印證當時的還原淺水三角洲沉積環(huán)境。

3.2 煤層埋深

煤層的埋藏深度對于煤層的變質(zhì)程度有著極其重要的作用，隨著埋深增加，地溫升高，煤變質(zhì)程度增強，煤的變質(zhì)程度一定程度上會影響揮發(fā)分產(chǎn)率，隨變質(zhì)程度加深，揮發(fā)分減少[18]。如圖7所示，72號煤層整體上來看埋深中等，西部向東部呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，而煤層揮發(fā)分總體上變化趨勢不明顯，可見煤層埋深對揮發(fā)分影響較小。72煤層鏡質(zhì)組最大反射率0.94(表1)，屬中等變質(zhì)程度煤，與煤層埋深具有較好的相關(guān)性。因此研究區(qū)煤層埋深與煤變質(zhì)程度具有較好的一致性，但對揮發(fā)分產(chǎn)率影響較小。

圖7 研究區(qū)煤層埋深等值線圖Figure 7 Isogram of coal buried depths in study area

3.3 礦區(qū)構(gòu)造對煤質(zhì)的影響

斷裂或者褶皺所產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力及其伴隨的熱效應(yīng)，會引起煤層發(fā)生動力變質(zhì)作用，揮發(fā)分及發(fā)熱量會減少，由于摩擦熱產(chǎn)生的熱量較小，這種變質(zhì)作用往往發(fā)生在局部地區(qū)。孫疃煤礦總體為一走向近于南北，向東傾斜的單斜構(gòu)造，傾角10°～20°，且沿走向和傾向變化不大[19]。如圖8所示，主要斷層有南部界溝正斷層、東南部F14斷層、中南部的F11正斷層、中部的F10正斷層及F7斷層、北部F5斷層及礦井最北邊的邊界斷層楊柳斷層，多為NE走向[20]。礦區(qū)北部及中部有三個低揮發(fā)分區(qū)(圖4)，推測是受F5、F5-9及F9斷層及其附屬小斷層斷裂摩擦生熱，增加附近煤層變質(zhì)程度所致；南部的較低揮發(fā)分區(qū)則是收到界溝斷層、DF114及F14斷層影響。

圖8 研究區(qū)72煤層頂板巖性圖Figure 8 Coal No.72 roof lithology in study area

3.4 巖漿巖對煤質(zhì)的影響

巖漿活動會對煤層結(jié)構(gòu)和煤層連續(xù)性造成影響，導(dǎo)致煤層變薄、分叉、尖滅；同時，巖漿侵入時產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致煤層變質(zhì)程度普遍增高，煤質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化[21]。區(qū)內(nèi)巖漿活動不甚強烈，在研究區(qū)西南部(在28-2孔附近，圖8)有少數(shù)火成巖出露，位于7、8煤層之間，由北向南順層侵入，厚度0.96～5.40m，對72煤層局部有影響，在巖漿巖侵入地區(qū)，灰分含量增高、揮發(fā)分和發(fā)熱量降低，但變化不明顯，巖漿巖與煤層的直接接觸的地方，發(fā)生接觸變質(zhì)作用，煤變?yōu)樘烊唤?，煤層夾矸增加，出現(xiàn)變薄或吞蝕現(xiàn)象，不可采區(qū)擴大，穩(wěn)定性降低。

4 結(jié)論

(1)孫疃煤礦72煤層主要為高有機組分含量、中灰、低硫、低磷、中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)焦煤，宏觀煤巖類型為半亮型煤，變質(zhì)程度中等，為1/3JM。

(2)南華北盆地二疊系下石盒子組處于海退時期，因此缺乏海水帶來的硫分，72煤層發(fā)育于弱還原的淺水三角洲環(huán)境，因而煤灰成分中鐵元素的存在形式為Fe2O3，煤層所處的泥炭沼澤處于低洼部位，水動力總體為弱到中等，煤層的灰分含量處于正常水準，為中灰煤。

(3)研究區(qū)煤層埋深對煤變質(zhì)程度影響較大，中等埋深導(dǎo)致地溫處于正常值，煤變質(zhì)程度中等，但對灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量影響較小。

(4)研究區(qū)構(gòu)造活動和巖漿侵入對煤層總體影響不大，但斷裂產(chǎn)生的局部摩擦熱導(dǎo)致煤層發(fā)育局部低揮發(fā)分區(qū)，巖漿與煤層的直接接觸導(dǎo)致煤變質(zhì)為天然焦，產(chǎn)生夾矸，降低了煤的利用價值。