戴家田煤矿煤质特征及其成煤环境分析

蒋红兵，杨 磊，梁 剑

(贵州省煤田地质局一七四队，贵州 贵阳 550081)

0 引 言

煤炭是在一定环境下经过复杂的生物化学、地球化学和有机化学作用后演化沉积于岩层中的1种有机矿物资源，其在我国能源结构中占有重要的地位。贵州省是我国煤炭资源蕴藏极为丰富的省份，戴家田煤矿隶属于织纳煤田，其位于贵州省织金县北侧，探矿权范围内共获得工业指标内保有资源量13 564万t，区内均为无烟煤三号，原煤干燥基低位发热量平均为25.54 MJ/kg。含煤地层沉积环境是煤地质学研究的重要基础，前人对该区上二叠统沉积环境的研究主要针对区域性聚煤作用方面，而对于戴家田煤矿沉积环境的相应研究却相对缺乏。

由于煤岩煤质特征在很大程度上受原始的成煤沉积环境影响，同一变质类型的煤层在不同沉积环境下的煤岩成分和煤质特征有所不同[1]。目前，国内外学者在煤质参数反演成煤环境方面进行了大量的研究，经岩相古地理的分析验证可充分证明煤岩煤质反演含煤岩系沉积相的可行性[2，3]。因此，通过对戴家田煤矿煤岩特征及其各项煤质指标研究以反演矿区所属区域成煤时期沉积环境特征，包括覆水情况、氧化还原环境、潮湿或温暖等，以期可为戴家回矿区成煤期沉积环境提供理论依据。

1 地质概况

1.1 地层

矿区内及周边出露的地层由老至新包括二叠系中统茅口组(P2m)、二叠系上统峨眉山玄武岩组(P3β)、龙潭组(P3l)、长兴及大隆组(P3c+d)、三叠系下统飞仙关组(T1f)、永宁镇组(T1yn)和第四系地层(Q)，矿区地层简况详见表1。区内含煤地层是1套海陆交互相陆源碎屑岩夹碳酸盐岩含煤沉积体系，钻孔揭露岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩、碳酸盐岩和煤，粒度较细，垂向上具有旋回性特征。而峨眉山玄武岩组作为晚二叠世早期火山喷发的基性岩，其可成为含煤地层的沉积基底，极利于含煤地层的沉积和煤层富集。

表1 戴家田矿区地层简况
Table 1 Brief table of strata in Daijiatian mining area

地层系统系统组段代号厚度/m平均厚度/m第四系Q0～40.7817.57三叠系(T)下统(T1)关岭组永宁镇组(T1yn1)飞仙关组(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T1f2-159.75～95.1073.87二叠系(P)上统(P3)中统(P2)长兴、大隆组P3c+d龙潭组P3l峨眉山玄武岩组(P3β)茅口组(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 构造

矿区位于扬子陆块黔北隆起遵义断拱毕节北东向构造变形区[4]。区内绝大部分为一系列北东一南西向的复式背、向斜。一般向斜褶皱开阔、背斜紧密。除背、向斜褶皱外，次一级褶皱不甚发育，但在向斜的缓倾斜翼部，常有波状起伏及断层。与褶皱有共生关系，最发育的是走向断层，其次是北东东向组横向断层。从南至北依次为猫场向斜、打麻场背斜、珠藏向斜、地贵背斜、阿弓向斜、八步向斜、后寨背斜。勘查区位于阿弓向斜的北端—八步向斜，总体来说矿区内构造复杂程度为中等。戴家田煤矿区域构造示意如图1所示。

图1 戴家田煤矿区域构造示意图Fig.1 Schematic diagram of regional structure of Daijiatian coal mine

1.3 煤层

勘查区内含煤地层为龙潭组(P3l)，地层厚度247.52 m～290.00 m，平均262.19 m，出露于勘查区的西部及东部边界及外围，为1套海陆交互相的含煤沉积[5]。岩性主要由泥岩、炭质泥岩、细粉砂岩、泥质粉砂岩、石灰岩、煤层等组成。含煤19 ～30层，煤层总厚度14.83 m～31.99 m，平均24.66 m，含煤系数9.4%。区内可采煤层7层，自上而下编号为6号、7号、14号、16号、21号、27号及32号煤层，可采煤层总厚度8.82 m～20.61 m，平均12.38 m，可采含煤系数4.7%。采层总厚11.44 m，纯煤可采系数4.4%。戴家田煤矿可采煤层特征详见表2。

2 煤岩特征分析

2.1 宏观物理特征

矿区内可采煤层主要表现在内生裂隙和外生裂隙发育，并填充以方解石、黄铁矿及钙质薄膜等岩矿，煤岩分半亮型、半暗～半亮型和光亮～半亮型3种，半亮型居多，其他类型仅为少量分布。且以镜煤和亮煤居多，混有少许暗煤和丝炭，丝炭呈透镜状，黄铁矿则以微粒状、结核状、蠕虫状的形态分布于煤层中。

2.2 微观煤岩特性分析

微观煤岩特性是成煤环境分析的重要依据[6]，通过对勘查区7层算量煤层的煤岩鉴定，戴家田煤矿可采煤层的煤岩特征详见表3，各组分简要分析如下:

(1)有机显微组分:以镜质组为主，含量为68.22%～ 80.61%，平均74.54%。以基质镜质体、均质镜质体为主，少量结构镜质体和碎屑镜质体，偶见团块镜质体。惰质组次之，含量为19.40%～31.79%，平均25.46%。常见半丝质体、氧化丝质体，部分为碎屑丝质体，少量微粒体，偶见分泌体、火焚丝质体。

(2)无机显微组分:以氧化物类矿物为主，黏土类及硫化物类矿物次之，含少量的碳酸盐类矿物。无机组分含量为9.12%～22.67%，平均16.27%。

综上分析，各煤层的镜质组和惰质组含量总和皆为100%，根据GB/T 5589—1995《显微煤岩类型分类》标准，当此数值大于95%时即可判定显微煤岩类型为微镜惰煤[7]，由此可推断可采煤层均属微镜惰煤一类。

表2 戴家田煤矿可采煤层特征一览表
Table 2 Mineable coal seam characteristics in Daijiatian coal mine

煤层名称煤层厚度/m煤层间距/m夹矸层数采用厚度/m最小～最大平均平均最小～最大一般最小～最大平均可采性对比可靠程度结构复杂程度稳定性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大部可采可靠简单较稳定0～100～3.031.16大部可采可靠简单较稳定0～420～2.841.08大部可采可靠较复杂较稳定0～210.20～4.111.69大部可采可靠较简单较稳定0～200～2.071.00大部可采可靠简单较稳定0～430.55～3.581.95大部可采可靠复杂较稳定0～320～2.260.99大部可采可靠较复杂较稳定

表3 戴家田煤矿可采煤层煤岩特征表
Table 3 Coal rock characteristics of mineable coal seam in Daijiatian coal mine

煤号煤岩类型宏观微观有机组分/%镜质组惰质组无机组分/%黏土类硫化物类碳酸盐类氧化物类总量/%无机总量有机总量镜质体最大反射率(R0max)/%显微硬度(HV)/(N·mm-2)变质阶段6半亮型微镜惰煤74.7525.258.603.410.432.5815.0284.983.0434.75Ⅶ17半亮型微镜惰煤72.4427.5610.992.021.351.5115.8684.143.1435.30Ⅶ114半亮型微镜惰煤68.2231.7912.383.590.895.8222.6677.343.2935.97Ⅶ116半亮型微镜惰煤77.3222.685.191.080.302.569.1290.883.3236.49Ⅶ121半亮型微镜惰煤80.1419.868.811.050.216.0916.1683.843.4836.20Ⅶ127半亮型微镜惰煤80.6119.406.410.601.373.3711.7588.253.4740.12Ⅶ132半亮型微镜惰煤71.6628.3412.993.111.053.1820.3379.673.5138.90Ⅶ1

2.3 煤岩特征与成煤环境分析

煤层中镜质组主要包含基质镜质体、均质镜质体、少量结构镜质体和碎屑镜质体，基本未见团块镜质体出现。惰质组相对占比较小，含量最高可达31.79%，惰质组主要由半丝质体、氧化丝质体组成，其余由少部分碎屑丝质体及微粒体和微量的分泌体、火焚丝质体组成。

通过对显微煤岩组分的各项数据进行分析可得出其与成煤环境存在着一定的联系，而镜质组的形成环境与强覆水、气流不畅的封闭泥炭沼泽有关[8]，说明该时期沼泽持续时间较长、环境潮湿、覆水较深、植物结构保存好、凝胶化物质较高、水动力条件弱，表现多为弱氧化～还原环境。惰质组则完全不同，其处于化学性质偏氧化的环境中并经丝炭化作用而成，镜惰比(V/I)则刚好成为泥炭沼泽的覆水程度和氧化还原程度的指示标志，若镜惰比较大则可推断成煤环境极有可能为还原环境的沼泽且覆水深度大，反之则表明成煤环境大致为氧化环境的沼泽且覆水不深处于正常水平[9]。

戴家田煤矿各煤层镜惰比值曲线如图2所示。从有机显微组分角度分析，镜质组占比相对较高，最高可达 80.60%，镜惰比基本处于2～4，说明该处在成煤前处于较温暖、潮湿的弱氧化～还原环境，V/I 在14号煤层呈现为最低值，27号煤层出现高峰值，表示在垂直方向上，自下层至上层该煤区覆水环境出现覆水深度先增大再减小然后再增大的趋势。

图2 戴家田煤矿各煤层镜惰比值曲线图(V/I) Fig.2 The curve of the ratio V/I for each coal seam in Daijiatian Coal Mine

3 煤质特征分析

3.1 灰分特征与成煤环境分析

戴家田矿区内原煤的灰分(Ad)产率平均为23.70%，其中6号、7号、14号、16号、21号、27号、32号煤层Ad分别为23.96%、24.15%、28.55%、18.45%、19.64%、20.72%、29.99%。戴家田煤矿各煤层平均灰分、硫分统计详见表4。根据GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级 第2部分：灰分》，16号、21号煤层属低灰煤(LA)，6号、7号、14号、27号、32号煤层属中灰煤(MA)。

表4 戴家田煤矿各煤层平均灰分、硫分统计表
Table 4 Statistics of average ash and sulfur in each coal seam in Daijiatian coal mine

煤层号671416212732原煤Ad/%23.9624.1528.5518.4519.6420.7229.99原煤St,d/%2.723.133.292.462.061.523.10灰分质量分级中灰煤中灰煤中灰煤低灰煤低灰煤中灰煤中灰煤硫分质量分级中高硫煤高硫煤高硫煤中高硫煤中高硫煤中硫煤高硫煤

矿区煤以低至中灰煤为主，煤中灰分主要由流水搬运至泥炭沼泽与成煤植物一起沉积的陆源碎屑物质而形成，灰分含量高低与沼泽水位的变化和河流的冲刷及溢岸作用有关[10]。垂向上也基本与煤岩特征呈反相对应，27号、21号、16号煤层灰分相对较低，镜质组含量相对较高，凝胶化作用为主且无河流冲刷作用，外来碎屑物质较少，地下水位高于泥炭沼泽表面，水动力条件小，基本处于准平原化的泥炭沼泽环境。

3.2 硫分特征与成煤环境分析

戴家田煤矿各煤层形态硫平均值统计见表5。矿区内原煤干基全硫(St,d)平均含量为2.64%，其中6号、7号、14号、16号、21号、27号、32号煤层St,d分别为2.72%、3.13%、3.29%、2.46%、2.06%、1.52%、3.10%。根据GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分：硫分》，27号煤为中硫煤,6号、16号、21号、27号、34号煤层为中高硫煤，7号、14号、32号为高硫煤。

矿区煤以中高至高硫煤为主，中硫煤次之。研究表明，在海水影响下聚集的泥炭比淡水环境聚集的泥炭含更多的硫，而研究区为1套海陆交互相陆源碎屑岩夹碳酸盐岩含煤沉积体系。形态硫测试表明煤中黄铁矿硫占主导，有机硫次之。硫分与灰分呈正相关，16号、21号、27号煤的灰分相对较低，同时硫分也相对较低。

表5 戴家田煤矿各煤层形态硫平均值统计表
Table 5 Statistics of average value of form sulfur in each coal seam in Daijiatian coal mine

%

3.3 煤灰成分特征与成煤环境分析

煤灰成分是由硅、铝、铁等多种元素的氧化物与盐类组成[11-13]。区内煤层煤灰成分中以含SiO2为主，各煤层平均含量49.48%；其次为Al2O3和Fe2O3，平均含量分别为20.34%和17.59%，占灰成分总量的89.51%，少量CaO的平均含量为3.12%；还有其他少量MgO、SO3、TiO2等成分。煤灰成分计算的主要参数平均值统计见表6。通过对煤灰成分分析可定性地反映成煤环境的变化，接近 SiO2+Al2O3反映了以黏土类矿物为代表的陆源矿物质类型，与淡水介质注入有关；接近CaO+MgO 端元反映了煤中钙镁矿物含量较高，向半干旱气候转化的半潮湿气候条件与弱氧化～弱还原环境；接近Fe2O3+SO3端元反映煤中黄铁矿含量增加，代表闭塞～半闭塞、还原环境演化而成的泥炭沼泽环境。前人研究成果认为，灰成分指数 K 值小于0.22，为陆相成煤环境，即煤的灰分指数越低则还原性越强，煤的灰分指数越高则还原性越弱[14-16]。而戴家田煤矿区各可采煤层的K值均为0.22附近，且27号煤K值为所有煤层中最低值0.22，此与区内硫分、灰分垂直分布规律一致。

表6 煤灰成分计算的主要参数平均值统计表
Table 6 Statistical table of average value of main parameters for calculation of coal ash composition

煤层号(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值为(Fe2O3+CaO+MgO)与(SiO2+Al2O3)之比。

4 结 论

不同沉积环境形成煤层的煤岩和煤质特征表现出很大的差异性。通过对戴家田煤矿煤岩、煤质等化验结果的统计与分析，可反演出特定时期的沉积环境。煤岩的镜惰比、硫分、灰分、灰成分特性为成煤环境演化提供可靠依据。

(1)区内为微镜惰煤，镜质组占据大部分比例，凝胶化指数较高，说明该处在成煤前应该处于较温暖、覆水较深、潮湿的弱氧化～还原环境，在垂直方向上，自下层至上层该煤区覆水环境出现深度先增大再减小然后再增大的趋势。

(2)区内煤层以低至中灰煤为主，说明成煤环境无河流冲刷作用，外来碎屑物质较少，地下水位高于泥炭沼泽表面，水动力条件小，基本处于准平原化的泥炭沼泽环境。

(3)区内煤层以中高至高硫煤为主，中硫煤次之，煤中硫分高低与泥炭沼泽受海水影响的程度有直接关系，在海水影响下聚集的泥炭比淡水环境聚集的泥炭含更多的硫，沉积过程中可能出现快速海进过程是14号煤层高硫分的原因之一，而27号煤层硫分迅速降至低峰，表明该层沉积环境可能正于海退期。

(4)区内各煤层灰成分指数(K值)平均为0.22～0.39，为海陆交互相成煤环境，且27号煤K值最低，与区内硫分、灰分垂直分布规律一致。