戴家田煤礦煤質(zhì)特征及其成煤環(huán)境分析

蔣紅兵，楊 磊，梁 劍

(貴州省煤田地質(zhì)局一七四隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

煤炭是在一定環(huán)境下經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)、地球化學(xué)和有機(jī)化學(xué)作用后演化沉積于巖層中的1種有機(jī)礦物資源，其在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。貴州省是我國(guó)煤炭資源蘊(yùn)藏極為豐富的省份，戴家田煤礦隸屬于織納煤田，其位于貴州省織金縣北側(cè)，探礦權(quán)范圍內(nèi)共獲得工業(yè)指標(biāo)內(nèi)保有資源量13 564萬(wàn)t，區(qū)內(nèi)均為無(wú)煙煤三號(hào)，原煤干燥基低位發(fā)熱量平均為25.54 MJ/kg。含煤地層沉積環(huán)境是煤地質(zhì)學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，前人對(duì)該區(qū)上二疊統(tǒng)沉積環(huán)境的研究主要針對(duì)區(qū)域性聚煤作用方面，而對(duì)于戴家田煤礦沉積環(huán)境的相應(yīng)研究卻相對(duì)缺乏。

由于煤巖煤質(zhì)特征在很大程度上受原始的成煤沉積環(huán)境影響，同一變質(zhì)類型的煤層在不同沉積環(huán)境下的煤巖成分和煤質(zhì)特征有所不同[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在煤質(zhì)參數(shù)反演成煤環(huán)境方面進(jìn)行了大量的研究，經(jīng)巖相古地理的分析驗(yàn)證可充分證明煤巖煤質(zhì)反演含煤巖系沉積相的可行性[2，3]。因此，通過(guò)對(duì)戴家田煤礦煤巖特征及其各項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)研究以反演礦區(qū)所屬區(qū)域成煤時(shí)期沉積環(huán)境特征，包括覆水情況、氧化還原環(huán)境、潮濕或溫暖等，以期可為戴家回礦區(qū)成煤期沉積環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

礦區(qū)內(nèi)及周邊出露的地層由老至新包括二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)、二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)、龍?zhí)督M(P3l)、長(zhǎng)興及大隆組(P3c+d)、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)和第四系地層(Q)，礦區(qū)地層簡(jiǎn)況詳見(jiàn)表1。區(qū)內(nèi)含煤地層是1套海陸交互相陸源碎屑巖夾碳酸鹽巖含煤沉積體系，鉆孔揭露巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖、碳酸鹽巖和煤，粒度較細(xì)，垂向上具有旋回性特征。而峨眉山玄武巖組作為晚二疊世早期火山噴發(fā)的基性巖，其可成為含煤地層的沉積基底，極利于含煤地層的沉積和煤層富集。

表1 戴家田礦區(qū)地層簡(jiǎn)況
Table 1 Brief table of strata in Daijiatian mining area

地層系統(tǒng)系統(tǒng)組段代號(hào)厚度/m平均厚度/m第四系Q0～40.7817.57三疊系(T)下統(tǒng)(T1)關(guān)嶺組永寧鎮(zhèn)組(T1yn1)飛仙關(guān)組(T1f)第二段T2g2>160.00第一段T2g123.6023.60上段T1yn2368.00368.00下段T1yn1187.00～242.21221.20五、六段T1f2-3101.60～110.25105.93四段T1f2-353.10～75.0067.04三段T1f2-399.20～139.00113.48二段T1f2-297.85～164.45143.29一段T1f2-159.75～95.1073.87二疊系(P)上統(tǒng)(P3)中統(tǒng)(P2)長(zhǎng)興、大隆組P3c+d龍?zhí)督MP3l峨眉山玄武巖組(P3β)茅口組(P2m)P3c+d20.00～34.1928.00上段P3l350.00～71.0062.71中段P3l293.00～117.00102.61下段P3l188.00～126.0096.87P3β0～69.00P2m380.00

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)位于揚(yáng)子陸塊黔北隆起遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)[4]。區(qū)內(nèi)絕大部分為一系列北東一南西向的復(fù)式背、向斜。一般向斜褶皺開(kāi)闊、背斜緊密。除背、向斜褶皺外，次一級(jí)褶皺不甚發(fā)育，但在向斜的緩傾斜翼部，常有波狀起伏及斷層。與褶皺有共生關(guān)系，最發(fā)育的是走向斷層，其次是北東東向組橫向斷層。從南至北依次為貓場(chǎng)向斜、打麻場(chǎng)背斜、珠藏向斜、地貴背斜、阿弓向斜、八步向斜、后寨背斜?？辈閰^(qū)位于阿弓向斜的北端—八步向斜，總體來(lái)說(shuō)礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。戴家田煤礦區(qū)域構(gòu)造示意如圖1所示。

圖1 戴家田煤礦區(qū)域構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic diagram of regional structure of Daijiatian coal mine

1.3 煤層

勘查區(qū)內(nèi)含煤地層為龍?zhí)督M(P3l)，地層厚度247.52 m～290.00 m，平均262.19 m，出露于勘查區(qū)的西部及東部邊界及外圍，為1套海陸交互相的含煤沉積[5]。巖性主要由泥巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、石灰?guī)r、煤層等組成。含煤19 ～30層，煤層總厚度14.83 m～31.99 m，平均24.66 m，含煤系數(shù)9.4%。區(qū)內(nèi)可采煤層7層，自上而下編號(hào)為6號(hào)、7號(hào)、14號(hào)、16號(hào)、21號(hào)、27號(hào)及32號(hào)煤層，可采煤層總厚度8.82 m～20.61 m，平均12.38 m，可采含煤系數(shù)4.7%。采層總厚11.44 m，純煤可采系數(shù)4.4%。戴家田煤礦可采煤層特征詳見(jiàn)表2。

2 煤巖特征分析

2.1 宏觀物理特征

礦區(qū)內(nèi)可采煤層主要表現(xiàn)在內(nèi)生裂隙和外生裂隙發(fā)育，并填充以方解石、黃鐵礦及鈣質(zhì)薄膜等巖礦，煤巖分半亮型、半暗～半亮型和光亮～半亮型3種，半亮型居多，其他類型僅為少量分布。且以鏡煤和亮煤居多，混有少許暗煤和絲炭，絲炭呈透鏡狀，黃鐵礦則以微粒狀、結(jié)核狀、蠕蟲(chóng)狀的形態(tài)分布于煤層中。

2.2 微觀煤巖特性分析

微觀煤巖特性是成煤環(huán)境分析的重要依據(jù)[6]，通過(guò)對(duì)勘查區(qū)7層算量煤層的煤巖鑒定，戴家田煤礦可采煤層的煤巖特征詳見(jiàn)表3，各組分簡(jiǎn)要分析如下:

(1)有機(jī)顯微組分:以鏡質(zhì)組為主，含量為68.22%～ 80.61%，平均74.54%。以基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體為主，少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體，偶見(jiàn)團(tuán)塊鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組次之，含量為19.40%～31.79%，平均25.46%。常見(jiàn)半絲質(zhì)體、氧化絲質(zhì)體，部分為碎屑絲質(zhì)體，少量微粒體，偶見(jiàn)分泌體、火焚絲質(zhì)體。

(2)無(wú)機(jī)顯微組分:以氧化物類礦物為主，黏土類及硫化物類礦物次之，含少量的碳酸鹽類礦物。無(wú)機(jī)組分含量為9.12%～22.67%，平均16.27%。

綜上分析，各煤層的鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量總和皆為100%，根據(jù)GB/T 5589—1995《顯微煤巖類型分類》標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)此數(shù)值大于95%時(shí)即可判定顯微煤巖類型為微鏡惰煤[7]，由此可推斷可采煤層均屬微鏡惰煤一類。

表2 戴家田煤礦可采煤層特征一覽表
Table 2 Mineable coal seam characteristics in Daijiatian coal mine

煤層名稱煤層厚度/m煤層間距/m夾矸層數(shù)采用厚度/m最小～最大平均平均最小～最大一般最小～最大平均可采性對(duì)比可靠程度結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度穩(wěn)定性60～11.322.9670～3.821.25140～7.671.56160.20～5.012.03210～2.681.20270.55～5.042.72320～2.381.2510.4562.8627.0330.8245.9226.300～200～7.582.80大部可采可靠簡(jiǎn)單較穩(wěn)定0～100～3.031.16大部可采可靠簡(jiǎn)單較穩(wěn)定0～420～2.841.08大部可采可靠較復(fù)雜較穩(wěn)定0～210.20～4.111.69大部可采可靠較簡(jiǎn)單較穩(wěn)定0～200～2.071.00大部可采可靠簡(jiǎn)單較穩(wěn)定0～430.55～3.581.95大部可采可靠復(fù)雜較穩(wěn)定0～320～2.260.99大部可采可靠較復(fù)雜較穩(wěn)定

表3 戴家田煤礦可采煤層煤巖特征表
Table 3 Coal rock characteristics of mineable coal seam in Daijiatian coal mine

煤號(hào)煤巖類型宏觀微觀有機(jī)組分/%鏡質(zhì)組惰質(zhì)組無(wú)機(jī)組分/%黏土類硫化物類碳酸鹽類氧化物類總量/%無(wú)機(jī)總量有機(jī)總量鏡質(zhì)體最大反射率(R0max)/%顯微硬度(HV)/(N·mm-2)變質(zhì)階段6半亮型微鏡惰煤74.7525.258.603.410.432.5815.0284.983.0434.75Ⅶ17半亮型微鏡惰煤72.4427.5610.992.021.351.5115.8684.143.1435.30Ⅶ114半亮型微鏡惰煤68.2231.7912.383.590.895.8222.6677.343.2935.97Ⅶ116半亮型微鏡惰煤77.3222.685.191.080.302.569.1290.883.3236.49Ⅶ121半亮型微鏡惰煤80.1419.868.811.050.216.0916.1683.843.4836.20Ⅶ127半亮型微鏡惰煤80.6119.406.410.601.373.3711.7588.253.4740.12Ⅶ132半亮型微鏡惰煤71.6628.3412.993.111.053.1820.3379.673.5138.90Ⅶ1

2.3 煤巖特征與成煤環(huán)境分析

煤層中鏡質(zhì)組主要包含基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體、少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體，基本未見(jiàn)團(tuán)塊鏡質(zhì)體出現(xiàn)。惰質(zhì)組相對(duì)占比較小，含量最高可達(dá)31.79%，惰質(zhì)組主要由半絲質(zhì)體、氧化絲質(zhì)體組成，其余由少部分碎屑絲質(zhì)體及微粒體和微量的分泌體、火焚絲質(zhì)體組成。

通過(guò)對(duì)顯微煤巖組分的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出其與成煤環(huán)境存在著一定的聯(lián)系，而鏡質(zhì)組的形成環(huán)境與強(qiáng)覆水、氣流不暢的封閉泥炭沼澤有關(guān)[8]，說(shuō)明該時(shí)期沼澤持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、環(huán)境潮濕、覆水較深、植物結(jié)構(gòu)保存好、凝膠化物質(zhì)較高、水動(dòng)力條件弱，表現(xiàn)多為弱氧化～還原環(huán)境。惰質(zhì)組則完全不同，其處于化學(xué)性質(zhì)偏氧化的環(huán)境中并經(jīng)絲炭化作用而成，鏡惰比(V/I)則剛好成為泥炭沼澤的覆水程度和氧化還原程度的指示標(biāo)志，若鏡惰比較大則可推斷成煤環(huán)境極有可能為還原環(huán)境的沼澤且覆水深度大，反之則表明成煤環(huán)境大致為氧化環(huán)境的沼澤且覆水不深處于正常水平[9]。

戴家田煤礦各煤層鏡惰比值曲線如圖2所示。從有機(jī)顯微組分角度分析，鏡質(zhì)組占比相對(duì)較高，最高可達(dá) 80.60%，鏡惰比基本處于2～4，說(shuō)明該處在成煤前處于較溫暖、潮濕的弱氧化～還原環(huán)境，V/I 在14號(hào)煤層呈現(xiàn)為最低值，27號(hào)煤層出現(xiàn)高峰值，表示在垂直方向上，自下層至上層該煤區(qū)覆水環(huán)境出現(xiàn)覆水深度先增大再減小然后再增大的趨勢(shì)。

圖2 戴家田煤礦各煤層鏡惰比值曲線圖(V/I) Fig.2 The curve of the ratio V/I for each coal seam in Daijiatian Coal Mine

3 煤質(zhì)特征分析

3.1 灰分特征與成煤環(huán)境分析

戴家田礦區(qū)內(nèi)原煤的灰分(Ad)產(chǎn)率平均為23.70%，其中6號(hào)、7號(hào)、14號(hào)、16號(hào)、21號(hào)、27號(hào)、32號(hào)煤層Ad分別為23.96%、24.15%、28.55%、18.45%、19.64%、20.72%、29.99%。戴家田煤礦各煤層平均灰分、硫分統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表4。根據(jù)GB/T 15224.1—2010《煤炭質(zhì)量分級(jí) 第2部分：灰分》，16號(hào)、21號(hào)煤層屬低灰煤(LA)，6號(hào)、7號(hào)、14號(hào)、27號(hào)、32號(hào)煤層屬中灰煤(MA)。

表4 戴家田煤礦各煤層平均灰分、硫分統(tǒng)計(jì)表
Table 4 Statistics of average ash and sulfur in each coal seam in Daijiatian coal mine

煤層號(hào)671416212732原煤Ad/%23.9624.1528.5518.4519.6420.7229.99原煤St,d/%2.723.133.292.462.061.523.10灰分質(zhì)量分級(jí)中灰煤中灰煤中灰煤低灰煤低灰煤中灰煤中灰煤硫分質(zhì)量分級(jí)中高硫煤高硫煤高硫煤中高硫煤中高硫煤中硫煤高硫煤

礦區(qū)煤以低至中灰煤為主，煤中灰分主要由流水搬運(yùn)至泥炭沼澤與成煤植物一起沉積的陸源碎屑物質(zhì)而形成，灰分含量高低與沼澤水位的變化和河流的沖刷及溢岸作用有關(guān)[10]。垂向上也基本與煤巖特征呈反相對(duì)應(yīng)，27號(hào)、21號(hào)、16號(hào)煤層灰分相對(duì)較低，鏡質(zhì)組含量相對(duì)較高，凝膠化作用為主且無(wú)河流沖刷作用，外來(lái)碎屑物質(zhì)較少，地下水位高于泥炭沼澤表面，水動(dòng)力條件小，基本處于準(zhǔn)平原化的泥炭沼澤環(huán)境。

3.2 硫分特征與成煤環(huán)境分析

戴家田煤礦各煤層形態(tài)硫平均值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。礦區(qū)內(nèi)原煤干基全硫(St,d)平均含量為2.64%，其中6號(hào)、7號(hào)、14號(hào)、16號(hào)、21號(hào)、27號(hào)、32號(hào)煤層St,d分別為2.72%、3.13%、3.29%、2.46%、2.06%、1.52%、3.10%。根據(jù)GB/T 15224.2—2010《煤炭質(zhì)量分級(jí) 第2部分：硫分》，27號(hào)煤為中硫煤,6號(hào)、16號(hào)、21號(hào)、27號(hào)、34號(hào)煤層為中高硫煤，7號(hào)、14號(hào)、32號(hào)為高硫煤。

礦區(qū)煤以中高至高硫煤為主，中硫煤次之。研究表明，在海水影響下聚集的泥炭比淡水環(huán)境聚集的泥炭含更多的硫，而研究區(qū)為1套海陸交互相陸源碎屑巖夾碳酸鹽巖含煤沉積體系。形態(tài)硫測(cè)試表明煤中黃鐵礦硫占主導(dǎo)，有機(jī)硫次之。硫分與灰分呈正相關(guān)，16號(hào)、21號(hào)、27號(hào)煤的灰分相對(duì)較低，同時(shí)硫分也相對(duì)較低。

表5 戴家田煤礦各煤層形態(tài)硫平均值統(tǒng)計(jì)表
Table 5 Statistics of average value of form sulfur in each coal seam in Daijiatian coal mine

%

3.3 煤灰成分特征與成煤環(huán)境分析

煤灰成分是由硅、鋁、鐵等多種元素的氧化物與鹽類組成[11-13]。區(qū)內(nèi)煤層煤灰成分中以含SiO2為主，各煤層平均含量49.48%；其次為Al2O3和Fe2O3，平均含量分別為20.34%和17.59%，占灰成分總量的89.51%，少量CaO的平均含量為3.12%；還有其他少量MgO、SO3、TiO2等成分。煤灰成分計(jì)算的主要參數(shù)平均值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。通過(guò)對(duì)煤灰成分分析可定性地反映成煤環(huán)境的變化，接近 SiO2+Al2O3反映了以黏土類礦物為代表的陸源礦物質(zhì)類型，與淡水介質(zhì)注入有關(guān)；接近CaO+MgO 端元反映了煤中鈣鎂礦物含量較高，向半干旱氣候轉(zhuǎn)化的半潮濕氣候條件與弱氧化～弱還原環(huán)境；接近Fe2O3+SO3端元反映煤中黃鐵礦含量增加，代表閉塞～半閉塞、還原環(huán)境演化而成的泥炭沼澤環(huán)境。前人研究成果認(rèn)為，灰成分指數(shù) K 值小于0.22，為陸相成煤環(huán)境，即煤的灰分指數(shù)越低則還原性越強(qiáng)，煤的灰分指數(shù)越高則還原性越弱[14-16]。而戴家田煤礦區(qū)各可采煤層的K值均為0.22附近，且27號(hào)煤K值為所有煤層中最低值0.22，此與區(qū)內(nèi)硫分、灰分垂直分布規(guī)律一致。

表6 煤灰成分計(jì)算的主要參數(shù)平均值統(tǒng)計(jì)表
Table 6 Statistical table of average value of main parameters for calculation of coal ash composition

煤層號(hào)(SiO2+Al2O3)/%(CaO+MgO)/%(Fe2O3+SO3)/%K值670.533.8519.840.32766.384.4322.620.391467.932.6322.250.361667.473.8320.120.342173.192.9217.780.272774.605.0112.690.223271.934.1317.600.29

注:K值為(Fe2O3+CaO+MgO)與(SiO2+Al2O3)之比。

4 結(jié) 論

不同沉積環(huán)境形成煤層的煤巖和煤質(zhì)特征表現(xiàn)出很大的差異性。通過(guò)對(duì)戴家田煤礦煤巖、煤質(zhì)等化驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析，可反演出特定時(shí)期的沉積環(huán)境。煤巖的鏡惰比、硫分、灰分、灰成分特性為成煤環(huán)境演化提供可靠依據(jù)。

(1)區(qū)內(nèi)為微鏡惰煤，鏡質(zhì)組占據(jù)大部分比例，凝膠化指數(shù)較高，說(shuō)明該處在成煤前應(yīng)該處于較溫暖、覆水較深、潮濕的弱氧化～還原環(huán)境，在垂直方向上，自下層至上層該煤區(qū)覆水環(huán)境出現(xiàn)深度先增大再減小然后再增大的趨勢(shì)。

(2)區(qū)內(nèi)煤層以低至中灰煤為主，說(shuō)明成煤環(huán)境無(wú)河流沖刷作用，外來(lái)碎屑物質(zhì)較少，地下水位高于泥炭沼澤表面，水動(dòng)力條件小，基本處于準(zhǔn)平原化的泥炭沼澤環(huán)境。

(3)區(qū)內(nèi)煤層以中高至高硫煤為主，中硫煤次之，煤中硫分高低與泥炭沼澤受海水影響的程度有直接關(guān)系，在海水影響下聚集的泥炭比淡水環(huán)境聚集的泥炭含更多的硫，沉積過(guò)程中可能出現(xiàn)快速海進(jìn)過(guò)程是14號(hào)煤層高硫分的原因之一，而27號(hào)煤層硫分迅速降至低峰，表明該層沉積環(huán)境可能正于海退期。

(4)區(qū)內(nèi)各煤層灰成分指數(shù)(K值)平均為0.22～0.39，為海陸交互相成煤環(huán)境，且27號(hào)煤K值最低，與區(qū)內(nèi)硫分、灰分垂直分布規(guī)律一致。