太原西山杨庄勘查区天然焦与煤的参数特征研究

2018-05-07裴文春

中国煤炭地质 2018年4期

裴文春

(中煤建工集团有限公司，北京 100161)

杨庄勘查区位于山西省太原西山，行政区划属古交市邢家社、原相乡和交城县岭底乡管辖，面积约98km2。区内煤炭资源丰富，由于受火成岩侵入影响，其西部可采煤层部分蚀变为天然焦。因天然焦与煤的煤质指标不易识别等原因，多年来，在山西省一直没有被作为一种新的矿产资源纳入勘查范围和开采利用管理，或者将其并为无烟煤处理，影响了两种资源的合理评价与利用。苗琦等[1]通过天然焦地质勘查规范制定项目的开展，对冀鲁豫皖等省石炭-二叠系含煤岩系中天然焦与煤的识别特征进行了研究，提出使用天然焦的物理特征、主要测试项目特征、天然焦矿层对地球物理测井反映的特征区分无烟煤的参数。笔者通过使用这些指标对本区天然焦进行研究，确定了其区分参数特征，指出了研究意义，针对本区天然焦赋存的特点，阐述了野外进行天然焦与煤研究的工作方法，对开展天然焦和煤炭地质勘查工作具有借鉴意义。

1 勘查区地质概况

本区位于西山煤田中南部的马兰向斜南段，总体呈两翼倾角小于10°的宽缓向斜构造。含煤地层主要为山西组和太原组，平均总厚度为149.82m，煤层埋藏深度800～1 100m，含主要可采煤层02、2、4、6、8、9煤层共计6层，煤层平均总厚 17.70 m，资源量约10亿t。

勘查区西南有火成岩出露。据区内14个钻孔揭露资料，火成岩呈岩墙、岩脉和不规则状岩体侵入本区西部煤层顶底板及煤层中(表1)。一方面造成煤层结构变得复杂，使2、4、6、8、9煤层分叉、变薄或被吞噬或变成天然焦；另一方面还造成这些煤层煤质发生变化，各煤层在东部以焦煤和瘦煤为主，向西部变质程度升高，出现了贫煤、无烟煤或天然焦。

2 天然焦与煤的特征

2.1 宏观特征

煤宏观特征为：黑色，条痕呈黑色或深黑色，块状构造或条带状构造，具沥青光泽及玻璃光泽；梯形或平坦状断口，部分断口为贝壳状；内生裂隙较发育，性脆，易成粉末状。宏观煤岩成分以亮煤和暗煤为主，镜煤和丝炭次之；煤岩类型以半亮煤和半暗煤为主，光亮煤和暗淡煤次之。见厚度2～5mm薄层泥质条带和黄铁矿散晶。

天然焦宏观特征为表面粗糙、不染手。组构特征有两种表现形式：一种为块状焦，黑灰-深灰色，条痕色为灰色，光泽暗淡，具粒状或角砾状结构，角砾为天然焦碎块，粒径2～15mm，角砾内具有许多气孔，角砾之间填隙物为细小煤粒、焦煤混合物、方解石小颗粒(滴酸起泡)，块状构造；另一种为柱状焦，钢灰色，条痕色为浅灰色，焦体表面显示似金属光泽，结构致密，质地坚硬，具六方柱状节理和气孔状构造，见细小的长英质脉和较多裂隙充填方解石薄膜。两种焦类型在宏观上均不具备煤的原生结构、构造和组分组合特征。

表1 钻孔揭露火成岩情况表Table 1 Statement of borehole intersected igneous rocks

2.2 显微特征

煤显微组分：02、2、4号煤镜质组含量在85%左右，惰质组在23%左右，无壳质组成分；显微煤岩类型为微镜惰煤。6、8、9号煤以镜质组占优势，含量最高可达87.9%，惰质组含量次之，最高含量为26.8%，基本不含壳质组；显微煤岩类型主要以微镜惰煤为主。各煤层无机组分为黏土矿物、石英、方解石和黄铁矿，总量1%左右。

本区含有天然焦的3个层位主要为4、8、9煤层，天然焦采用煤岩学的方法，参考显微镜下人工焦炭的观测方法——YB/T077-1995《焦炭光学组织的测定方法》相关要求，镜下观测9个天然焦样品，共有四种组分形式。

①焦光学组织具镶嵌结构(图1)、片状结构(图2)，含量60%～80%。

图1 粗粒镶嵌结构(正交偏光)Figure 1 Coarse-grained mosaic texture (crossed polarizer sheet)

图2 片状结构(正交偏光)Figure 2 Schistose texture (crossed polarizer sheet)

②新生组分中间相小球体(图3)，具大小不等的球形颗粒，含量10%～20%。

图3 小球体和气孔(正交偏光)Figure 3 spherules and vesicles (crossed polarizer sheet)

③残留的原煤显微组分具可分辨的镜质组、惰质组残留组分，含量小于5%～8%。

④焦中的无机显微组分主要是细小的粘土矿物、石英和长石碎屑、黄铁矿等，含量5%～15%。

另外，镜下可见单独存在或相互通连、大小不一、椭圆或不规则状气孔。

2.3 主要测试项目特征

根据9个天然焦和5个煤层的样品测试结果，其测试项目参数与该层位的煤层相比较，均有明显的差别。

①质量(密度)和反射率。本区3个层位的天然焦视密度和真密度与相同层位的煤层相比普遍小幅度升高(表2)，反射率均超过3，比同层位煤层大幅提高。

表2 天然焦与煤的密度和反射率对比表Table 2 Comparison of densities and reflectancesof natural coke and coal

②工业分析和元素分析。火成岩对煤的蚀变作用造成煤向天然焦的转变时，煤的芳香族稠环中富氢官能团和侧链逐渐脱落，使得氢含量明显减少和碳含量明显增加[2]。本区样品(表3)氢含量从4.5%左右减少到1.6%～3.5%，碳含量总体有所增加，C/H比值从17～21变为16～55。随着挥发性物质的析出，挥发分减少，黏结性指数快速减少至消失，变质程度高的烟煤挥发分在14%～26%，而天然焦为4%～10%，黏结性指数迅速从70左右降至0。

2.4 测井曲线参数特征

随变质程度加深，从煤到天然焦，其密度逐渐增大，煤的分子结构趋于有规则排列，电化学活动性增加，使得天然焦接近电子导电性质，视电阻率曲线参数降低或趋于零值，自然伽马和伽马伽马两参数明显增高(表4)，特征趋势与河北陶二煤矿煤与天然焦测井参数变化特征相似[1]。

表3 天然焦与煤的工业分析和元素分析对比表Table 3 Comparison of proximate, ultimate analyzed results of natural coke and coal

表4 煤与天然焦测井参数特征对比表Table 4 Comparison of coal and natural coke welllogging parametric features

3 天然焦与煤的研究及意义

3.1 天然焦与煤的区分

按照GB/T5751-2009《中国煤炭分类》分类标准，仅从本区天然焦样品的主要测试项目Rmax、Vdaf、Hdaf、GR.I四种参数划分类别， 3层天然焦均应归属于贫瘦煤、贫煤或无烟煤(表3)，总体上显示各项化学性质和工艺性能指标与煤(无烟煤、贫煤)没有明显的界线。形成这种情况的原因与火成岩岩性及其侵入煤层的部位密切相关[1]。本区西南约30km为狐偃山中生代侵入偏碱性的二长岩—石英二长岩—石英正长(斑)岩—正长(斑)岩杂岩体[3]，区内火成岩为似斑状结构，块状构造，斑晶主要为正长石和斜长石(含量均为30%)，基质为隐晶质正长石和斜长石，含少量角闪石及其他副矿物，岩性为偏碱性二长岩[4]。当岩体侵入煤层顶底板尚未与煤层接触时，岩浆以热变质为主对煤层进行影响，形成的天然焦相关测试参数值Rmax、Vdaf、Hdaf、GR.I、Qgr,d、C/H与同层位煤层参数值相比较，变化幅度小，宏观上显示以块状焦为主(表3中7121、7142、7161和7381样品)，在工作不细心的情况下，很容易将其确定为煤。当岩体侵入煤层中与煤层直接接触时，岩浆以热和接触交代两种变质作用对煤层进行影响，由于偏碱性二长岩活性较强，火成岩与煤层交代混染发生物质交换较充分，形成的天然焦相关测试参数值与同层位煤层参数相比较，体现出大幅变化的特点，宏观上显示以柱状焦为主(表3中8141、8181、8182、8183和8191样品)。因此，在区分本区天然焦与煤时，应首选煤层或焦层的宏观物理特征、显微特征、测井曲线参数特征和火成岩侵入煤层的部位特征进行分析，然后再参考Rmax、Vdaf、Hdaf、Cdaf、GR.I、Qgr,d等化验测试参数综合确定，切不可像正常煤一样仅使用化学性质和工艺性能指标确定类别。

3.2 研究的意义

GB/T 25283-2010《矿产资源综合勘查评价规范》将天然焦列入煤的共伴生矿产以来，国内鲁豫皖等省已有44份煤炭勘查报告和生产矿井储量核实报告，将天然焦作为矿产单独估算资源量，提交了控制的(332)和推断的(333)资源储量，获得国土部门备案[1]。多年来，山西省一直未将天然焦作为矿产资源进行管理，资源勘查中揭露的天然焦区域被当做无煤带处理，煤矿生产中遇到的天然焦也被废弃，在一定程度上浪费了资源。现已初步查明本区西部4、8、9煤层的天然焦层，厚度大于0.8m的焦层能够圈出资源量块段，随着今后勘查范围的扩大，做好天然焦与煤的区分研究工作，为在更大范围内查明焦层的分布特征、提供可供今后煤矿综合开采利用的天然焦资源量具有现实意义。

4 地质勘查中如何做好天然焦与煤的区分研究工作

在钻探取心为主的火成岩发育地区进行煤炭资源勘查时，天然焦与煤的勘查和研究一直是地质工作难点，勘查过程中，往往会出现工作人员不知如何下手工作。针对本区地质特点，笔者认为工作中应注意以下四点：

①重视获取煤层受火成岩影响的第一手资料，地质工作人员要对每个钻孔的煤层、火成岩层和天然焦层的岩石学特征实际分层鉴定与编录。详细观察和记录火成岩岩性特征、侵入层位、产状、厚度、与围岩的交代、蚀变、混染情况等；详细观察和记录天然焦所属的原煤层层位、天然焦层的厚度、结构、宏观岩石学特征和焦的采取率，当焦层中有细小火成岩脉或煤分层混入时，应对全层进行分小层编录，区分火成岩层、焦岩混合层、焦煤混合层、煤层、焦层，记录各分层的颜色、成分、结构、构造、节理裂隙及充填、气孔及充填、坚硬程度等特征，拍摄全层照片。取得完整的天然焦层宏观特征资料。

②有针对性地采集火成岩、煤或天然焦样品，根据天然焦或煤层受火成岩影响程度，尽可能按分层进行采样，分别确定各个样品的测试项目。一要采集一定数量的火成岩岩心样品，进行岩石薄片显微鉴定，查明岩石的矿物成分种类与含量、结构、粒度、蚀变及混入物，确定岩石名称。必要时，可对样品进行化学成分分析试验，了解火成岩的化学组分特征，确定岩石(化学)类别名称。二要对宏观上具有天然焦特征的焦心采集样品，送样的分析试验项目为：密度、工业分析、全水分、全硫、发热量、元素分析、灰成分及熔融性，一定要进行显微鉴定并测定组分反射率。对宏观上天然焦特征不太明显但受火成岩影响特征明显(与火成岩直接接触)的煤层，除了按煤样采样和确定测试项目外，尤其应进行显微组分、反射率和密度测试。三要注意如天然焦中有焦岩混合层时，应增加测试其抗碎强度；如天然焦中具有煤分层时，应对煤分层按煤样采样测试要求送样测试。四要注意采样前若进行了钻孔测井，应详细研究采样层位的测井曲线参数特征，同时，应结合邻区天然焦相关资料，综合分析，确保采样层位、数量、测试项目更具有针对性。

③重视火成岩、煤或天然焦层的测井曲线参数特征的分析研究，地质人员应与测井人员密切配合，及时分析研究天然焦层测井曲线及相关参数值的变化，细致地划分出全层结构，为确定是天然焦层还是煤层、焦煤混合层提供测井的相关依据。在分析研究中，既要注意该层天然焦与同层位煤层测井资料进行对比，又要关注与天然焦层的地质特征进行对比，两者缺一不可。

④及时分析研究天然焦及煤层样品的测试报告，按表2和表3所列数据形式，梳理统计每个样品的测试数据。地质人员应与煤质人员密切配合，参照煤质分析的相关图表，制作天然焦品质分析图表，结合天然焦的宏观特征、测井曲线参数特征、同层位煤层的煤质特征和对形成本层天然焦有影响的火成岩的特征，对煤层受火成岩的影响因素及变化规律进行综合研究。研究的次序是先依据同层位的样品的煤岩组分、Rmax、Vdaf、Hdaf、GR.I等测试数据，确定样品是煤还是天然焦。如果是天然焦，则还应使用样品的矿物基特征、Mda、Ad、Qnet,ad、ARD和其他测试参数(抗碎强度)，评价其品质的优劣和利用前景。需要特别指出的是，对于焦岩混合层或焦煤混合层的样品测试数据，最好单独列在相关数据表中，它们既是反映煤层受火成岩同化混染、煤层向天然焦渐变的直接证据，又是煤层(或天然焦层)煤质品质变化的真实体现。