錢家營礦煤層煤質(zhì)特征及其成煤環(huán)境分析

文/周 壘

煤質(zhì)特征研究是煤炭資源評價的重要內(nèi)容，其包括煤的巖石學特征、礦物學特征、煤化學特征和地球化學特征。其主要受成煤環(huán)境和沉積環(huán)境背景、植物群落以及后期的煤化作用等的影響。不同的灰分、揮發(fā)分及硫分反映了不同的成煤環(huán)境，通過分析煤中水分、灰分、揮發(fā)分及硫分等特征，對了解成煤期的古地理環(huán)境、古氣候及母巖性質(zhì)具有重要意義，并為含煤盆地的形成演化提供了豐富的地質(zhì)信息。開灤錢家營礦位于開平煤田南東翼，煤炭資源豐富，煤層主要為焦煤，其次為肥煤。通過大量鉆孔煤巖煤質(zhì)及工業(yè)分析資料，以錢家營礦研究區(qū)主采煤層煤質(zhì)為研究對象，采用煤巖學、地球化學和煤相、煤質(zhì)特征分析等方法，探討灰分、硫分對沉積環(huán)境的指示意義，為聚煤盆地沉積環(huán)境研究提供理論參考。

一、地質(zhì)概況

研究區(qū)位于開平煤田南東翼，研究區(qū)褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，主要分布在研究區(qū)的東北部及西南部，中部單斜構(gòu)造。井田內(nèi)褶曲線性排列明顯，多呈不對稱狀，各褶曲軸向都與主向斜軸（開平向斜）斜交。斷層多伴生在褶曲軸部和褶曲區(qū)與單斜區(qū)過渡帶。

錢家營井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)和二疊系中統(tǒng)及下統(tǒng)地層，基底為中奧陶統(tǒng)馬家溝組石灰?guī)r，含煤地層總厚度約為420m。主要由厚層狀砂巖、黏土巖、石灰?guī)r及煤層組成，煤系地層含煤二十余層，煤層總厚度達18.94m，主采煤層為7、9、12-1煤。

二、煤質(zhì)特征

研究區(qū)各煤層均屬腐殖質(zhì)煤，顏色一般為黑色，煤巖組分以亮煤為主，鏡煤及暗煤次之，絲炭少見，煤巖類型一般為光亮半亮型、次為半暗型。通過對原煤進行工業(yè)分析，錢家營煤礦煤質(zhì)特征概述如下：

各煤層水分質(zhì)量分數(shù)普遍較小，介于0.29%～0.67%，其中12-1煤水分質(zhì)量分數(shù)相對較高。煤層中原煤灰分變化較大，5煤和12-1煤灰分質(zhì)量分數(shù)在40%左右，為高灰煤，而7、8、9煤灰分質(zhì)量分數(shù)在13%左右。各主要煤層的煤灰成分以二氧化硅（SiO2）和三氧化二鋁（Al2O3）為主，占煤灰成分總量的70%以上，三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鈣（CaO）次之。揮發(fā)分產(chǎn)率變化則與灰分質(zhì)量分數(shù)變化趨勢相反，5、12-1煤層揮發(fā)分產(chǎn)率相對較小，7、8、9煤層揮發(fā)分產(chǎn)率相對較大?；谶@種現(xiàn)象對煤層灰分質(zhì)量分數(shù)和揮發(fā)分產(chǎn)率進行擬合發(fā)現(xiàn)，煤層灰分和揮發(fā)分成反比關(guān)系。煤層中全硫含量總體上呈自上而下增加的趨勢，其中5、7、8煤為特低硫煤，9煤為低中硫煤，12-1煤為中硫煤，在8煤至9煤煤中全硫含量增加近0.8%，9煤至12-1煤全硫含量增加了0.6%，煤中硫主要以黃鐵礦散晶等無機硫為主，有機硫次之，硫酸鹽硫只占微量。這種分布趨勢主要與沉積環(huán)境自下而上由海陸交互相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嘤嘘P(guān)。煤中干燥基高位發(fā)熱量主要介于18.3～31.05MJ/kg，其主要受煤中水分、灰分及煤化程度的影響；灰分越高，發(fā)熱量越低；揮發(fā)分越高發(fā)熱量亦越高。煤中磷含量自上而下總體呈降低的趨勢，其中5煤中磷含量最高，為0.056%。

三、成煤標志及演化

1.成煤環(huán)境指標分析

錢家營煤礦井田的煤中灰分和硫分同樣蘊含著豐富的地球化學信息?；曳种饕獊碜猿擅褐参锼臒o機元素、隨成煤植物混入泥炭沼澤的物源雜質(zhì)及與煤伴生的礦物質(zhì)等，灰分含量主要受水動力強度等影響，水動力強則帶入泥炭沼澤中的物源雜質(zhì)增多，灰分增高，反之則降低。

由原煤灰分等值線圖可知，隨著深度的增加，煤中灰分總體呈現(xiàn)出在同一煤層礦井西翼煤中灰分較東翼小，主要是由于隨著深度的增加煤的變質(zhì)程度增大，使得煤中灰分減小。在同一采區(qū)不同煤層，研究區(qū)主采煤層的煤中灰分亦表現(xiàn)出下部煤層灰分較上部煤層中灰分少，這主要是由于沉積環(huán)境變化所產(chǎn)生的，其中12-1煤和7、9煤之間灰分變化較大，主要是研究區(qū)沉積相由早二疊世初期的三角洲前緣相的河口壩、遠砂壩、前緣席狀砂等沉積相逐漸向三角洲平原相的分流河道相轉(zhuǎn)變。對于三角洲前緣上的沼澤來說，陸源碎屑物質(zhì)大部分是由洪水期轉(zhuǎn)移至此，距離物源相對較遠；對于三角洲平原相來說，陸源碎屑由支流河道帶來，距離支流河道越近，沼澤中的陸源碎屑物質(zhì)越多，灰分產(chǎn)率就越高，煤質(zhì)就越差。因此，研究區(qū)7、9和12-1煤灰分產(chǎn)率表現(xiàn)出較大差別。

煤中硫分分無機硫和有機硫兩種，一般有機硫來自成煤植物，無機硫是由沉積環(huán)境提供，煤中無機硫主要以黃、白鐵礦形式存在。煤中硫分含量反映了不同地質(zhì)歷史時期形成的煤層。硫分含量的高低主要受海水活動影響，一般受海水影響的煤層硫分含量較高。研究區(qū)煤中硫分變化較大，由7煤的低硫煤逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?2-1煤的高硫煤。在12-1煤中部分區(qū)域煤中硫分含量高達6%。煤層硫分的差異表明成煤過程中覆水程度的變化，由12-1煤的覆水程度較大的三角洲前緣水下分流河道相逐漸過渡到7、9煤的三角洲平原的分流河道相，成煤環(huán)境由還原環(huán)境變?yōu)槿踹€原環(huán)境，最終變?yōu)槿跹趸踹€原環(huán)境。

2.成煤演化

研究區(qū)自中奧陶世以后一直處于抬升狀態(tài)，直至早石炭世開始沉陷。晚石炭世研究區(qū)為濱海平原環(huán)境，地殼緩慢沉降。晚石炭世后期該區(qū)域地殼多為振蕩運動，但總的趨勢是緩慢沉降，地表平緩，形成濱海湖泊、濱海沼澤以及淺海環(huán)境等海陸交互相沉積。晚石炭世后期開平組主要以灰色細砂巖及深灰色粉砂巖組成，夾薄層黏土巖及粗砂巖并夾三層質(zhì)不純的石灰?guī)r，從下向上為K4、K5、K6（趙各莊灰?guī)r），并含不穩(wěn)定的薄煤層五層（17煤、16煤、15煤、14煤、13煤）。

早二疊世初期研究區(qū)為海陸交互相沉積環(huán)境，沉積了從K6頂至11煤頂板厚約73m的地層，含煤3至4層，即121/2煤、12煤（12煤又分為12-1煤、12-2煤）及11煤。整個層組可劃分為兩個沉積旋回，代表三角洲沉積過程中的不同演化階段。

第Ⅰ個沉積旋回為從趙各莊組底界至12號煤層頂板腐泥質(zhì)黏土巖，該旋回是在海退的背景上發(fā)育起來的三角洲沉積，垂向上下部主要為向上變粗的沉積粒序，從底部泥巖，向上變?yōu)榉凵皫r、細砂巖至中粗砂巖，主要為三角洲前緣相沉積（河口壩、遠砂壩、水下分流河道），上部主要為向上變細的沉積粒序，中粗砂巖有時為含礫砂巖，向上變?yōu)榧毶皫r、粉砂巖、炭質(zhì)及腐泥質(zhì)黏土巖乃至沉積了12號煤層，這種巖性變化反映了三角洲平原沉積從水上分流河道相至分流間灣相再至沼澤相的沉積相變化特征，12煤頂部的腐泥質(zhì)黏土巖，見海相動植物化石，證明三角洲平原發(fā)育過程中發(fā)生了海侵現(xiàn)象。

第Ⅱ個旋回為12號煤層頂板腐泥質(zhì)黏土巖頂界開始至11號煤層頂板黏土巖，該旋回主要為淺水三角洲沉積，礦井范圍內(nèi)向上巖性變化主要為由粉砂巖、黏土巖至11煤，為分流間灣相至沼澤相的變化，局部地區(qū)底部有中粗砂巖發(fā)育，為水下分流河道沉積相，11煤頂部的炭質(zhì)黏土巖或粉砂巖，見海相動物化石及扁豆狀、透鏡狀菱鐵質(zhì)結(jié)核，證明了淺水三角洲發(fā)育過程中的海侵現(xiàn)象。

早二疊世早期，研究區(qū)受小型脈動影響，升降緩慢，趨于穩(wěn)定，為廣闊濱海、湖沼沉積環(huán)境。沉積了從11煤頂板至5煤頂板厚約55m至90m的地層，含煤六層，其中5、7、8、9煤穩(wěn)定分布在該區(qū)。

四、結(jié)論

（1）研究區(qū)主采煤層均屬腐殖質(zhì)煤，通過肉眼鑒定，顏色一般為黑色；條痕褐灰色；呈眼球狀斷口；呈條帶狀粒狀及片狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)為粉狀。煤巖組分以亮煤為主，鏡煤及絲炭少見，煤巖類型一般為光亮型，次為半暗型。

（2）研究區(qū)主采煤層灰分變化較大，同一煤層內(nèi)東翼灰分較西翼高，這主要受煤層埋藏深度的影響，埋藏越深灰分產(chǎn)率越低，煤中灰分與揮發(fā)分成反比關(guān)系。

（3）研究區(qū)內(nèi)主采煤層中全硫含量在井田東翼較小，西翼較大；硫分含量主要以黃鐵礦等無機硫為主，其主要受沉積環(huán)境影響較大，由12煤的還原環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?煤的弱還原環(huán)境最終轉(zhuǎn)變?yōu)?煤弱氧化—弱還原環(huán)境。

（4）成煤演化表明研究區(qū)主采煤層12煤為三角洲前緣相沉積（河口壩、遠砂壩、水下分流河道），隨著地殼的抬升逐漸演變?yōu)?煤的三角洲平原分流河道相沉積，最終變?yōu)?煤的陸相河流相沉積。