江西省崇义矿区煤系石墨矿地质特征及成因探讨

米振华，李 阳，邹勇军，胡秋祥，李金燕，刘丽明

(1.江西省煤田地质勘察研究院，南昌 330001；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.江西显亮煤业有限公司崇义煤矿，江西赣州 341000)

0 引言

煤系石墨(Coal-based graphite)是煤及煤系炭质页岩等在岩浆热接触变质及构造变质作用下形成的，属于接触变质型石墨成因类型，多为隐晶质石墨[1-2]，是石墨矿产的重要组成部分，也是煤系非金属矿产的一种，属于战略性新兴矿产[3]。煤系石墨(隐晶质石墨)不仅具有与晶质石墨相同的耐高温、导电导热、润滑性好、化学性质稳定等优良特性，还具有“矿体集中、品位高、易开发”等特点，已被广泛用作多种工业原料和配料[4-5]。我国隐晶质石墨矿主要有吉林盘石、湖南鲁塘和福建闽西南地区[6-7]。

煤系石墨鉴别指标总的可以分为两类，第一类是其成分指标，第二类是显微结构指标。成分指标包括固定碳、挥发分、氢碳原子比，为基础指标，表征煤的变质作用与石墨化过程中碳元素的富集程度和杂元素(H、O、N、S等)的相对含量。多位学者提出用结构指标从其大分子结构的有序化程度进行对煤系石墨石墨化程度进行精确划分，结构指标包括石墨碳层间距d002和表征结构缺陷发育程度的参数R2[8-9]。

研究区原为崇义县煤矿区，位于崇义县城西南，距县城约4km，面积约5.431 3km2。崇义县煤矿在采煤过程中，采集煤层样品委托中国矿业大学(北京)进行化验测试分析，发现煤层样品已经发生石墨化作用，形成煤系石墨(隐晶质石墨)[10]。崇义矿区煤系石墨的发现是江西省首次发现煤系石墨矿种，填补了江西省煤系石墨资源的空白[11-12]。为查明研究区内煤系石墨矿床地质特征，评价矿产资源的开发价值，指导废弃矿山资源合理开发利用，特开展了本次研究工作。

本次在崇义县煤矿独木桥区段井下采集60件样品，对采样质量点进行了测量和素描，对部分巷道进行了素描。样品的基本分析、组合分析、元素分析由江苏地质矿产设计研究院完成。样品显微组分观察、反射率测定、X射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜观察由中国矿业大学(北京)完成。通过多点采样取一件大样，进行实验室可选性试验，选矿试验由苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司完成。

1 地质背景

1.1 区域地质概况

1.2 矿区地质

崇义矿区出露地层由老至新有寒武系下统牛角河群、泥盆系中统罗土段组、上统锡矿山组、石炭系下统梓山组、二叠系上统乐平组、大隆组、三叠系下统大冶组和第四系。其中二叠系上统乐平组为本区含矿地层，由老至新分为官山段、老山段、狮子山段、王潘里段。其中老山段为本区主要含矿层位，岩性以灰—灰黑色粉砂岩和泥岩为主，含煤(石墨矿体)3～7层，其中4层可采。研究区构造复杂，褶皱和断裂发育，整体为NE向(图1)。矿区内主要发育F1、F2、F6、F7断层。褶皱由左溪凹倒转向斜、低坑坳背斜和左溪向斜等组成复式褶曲构造。矿区内地表未见岩浆岩出露，区域岩浆岩比较发育，矿区断裂构造发育，矿区周围及深部存在燕山期岩浆侵入现象。矿区构造挤压作用和岩浆作用强烈，二叠系上统乐平组发生受接触热变质作用，煤系地层中普遍见轻度硅化现象，泥质类岩石中可见细小红柱石等变质矿物(图2)，砂岩中常见变余结构，煤层变质形成隐晶质石墨。

图1 崇义矿区区域地质简图Figure 1 Regional geological sketch map of Chongyi mining area

图2 崇义矿区红柱石岩矿鉴定照片Figure 2 Rock and mineral identification photos of andalusite in Chongyi mining area

2 矿体地质特征

2.1 矿体特征

崇义矿区隐晶质石墨由煤层石墨化作用形成，矿石宏观特征与煤层相似。本次所采样品，绝大多数受到强烈的构造变形影响，普遍呈现出明显的变形矿体结构，表面凹凸，摩擦面光亮，多为亮黑色，条痕为亮黑色，块状构造，碎粒结构，含有鳞片状构造，污手，抚之有弱滑感。显微镜下为隐晶状、土状、尘埃状，单偏光下不透光，反射光下铅灰色。

2.2 矿石质量特征

2.2.1 矿石物质组成

矿石原矿主要矿物组成为隐晶质石墨、镍铁矿、石英、云母、长石等。选矿大样分析结果显示原矿固定碳含量为75.89%，主要杂质元素为SiO2、Al2O3和Fe2O3，含量分别为14.46%、5.86%和0.50%，其它成分K2O、TiO2、Na2O、CaO、MgO、IL含量合计为3.29%[14]。

2.2.2 化学成分

对崇义矿区60个样品进行了工业分析和元素分析，分析统计结果见表1，表1显示样品的水分(Mad)范围为2.44%～16.75%，灰分(Aad)范围为10.36%～60.83%，挥发分(Vdaf)范围2.21%～10.36%。表1表明崇义矿区四层矿体的灰分和挥发分均比较低，说明崇义矿区煤层变质程度高，煤化作用程度高，为煤层石墨化提供了基础。

表1 崇义矿区工业分析与元素分析成果统计Table 1 Statistics of proximate and ultimate analyzed results in Chongyi mining area

固定碳(FCad)含量范围33.71%～86.25%，平均值为74.55%。本次采集的60件样品中，53件样品固定碳含量达到了《石墨、碎云母矿产地质勘查规范》(DZ/T 0326—2018)要求的工业品位(固定碳含量大于或等于65%)[12]。样品固定碳值大多数已经达到70%以上，占测试样品总数78%，矿石质量较好。

煤炭中氢含量总是随变质程度加深而逐渐降低[15-16]。本次32件样品测试了氢和碳元素含量，并计算了样品的氢碳原子比(H/C)，其中29件样品氢碳原子比(H/C)小于0.1，占总数91%，且主要集中在小于0.05的区间，进而说明样品的变质程度高，除碳以外的氢元素/硫元素等其他杂元素消失殆尽。

2.3 矿石微观结构特征

2.3.1 反射率

镜质体反射率作为确定煤化程度最重要的方法，其值随煤化程度的增高而逐渐增大。所测试样品共37件，样品的反射率值整体为1.61%～6.58%，最大镜质组反射率3.09%～6.58%。最大镜质组反射率主要集中于4%～5%、5%～6%，分别占总样品的39%、36%。样品反射率测试结果显示样品变质程度较高。

2.3.2 显微组分观察

当无烟煤逐步变质为石墨时，在光学显微镜下显微组分颜色逐渐趋一化，颜色呈亮黄色[17]。本次共37件样品进行了显微组分观察，所有样品显微组分颜色高亮，普遍出现明显的各向异性即消光现象。部分样品局部发现有因岩浆热受热作用形成常见热解碳(图3a)、流动性热解碳(图3b)；热与气水热液作用形成的热成因气孔，受构造力和汽水热共同作用影响形成裂隙，使得周围组分发生蚀变现象，表明样品受到岩浆热，受热的作用明显。

图3 崇义样品显微镜下照片Figure 3 Microscopic photos of sample from Chongyi mining area

2.3.3 微观形态特征

通过高分辨率透射电镜可以看到煤级煤系石墨纳米级结构特征。根据微观形态整体化归为四类：微曲型、弯曲型、弯曲-平直型、平直型。这四种形态类型也分别代表着不同的石墨化阶段。本次选定了26个典型样品进行高分辨率透射电镜观察，其中3件样品形态为微曲型，8件样品形态为弯曲型，5件样品形态为弯曲-平直型，10件样品形态为平直型(图4)。

图4 崇义矿区隐晶质石墨样品平直型碳层结构Figure 4 Graphite sample flat and straight typed carbon layer structure of cryptocrystalline graphite from Chongyi mining area

从测试结果可以看出样品主要集中于弯曲型形态、弯曲-平直型形态、平直型形态，平直型数量最多。表明从微观层次来看，该地区样品镜下碳层已经出现具有石墨特征的平直、有序的碳层结构，说明该地区样品已经明显进入石墨化阶。

2.3.4 X射线衍射分析

X射线衍射分析方法是从煤的内部结构的变化来认识煤的变质规律[18]，可以反映样品的石墨化程度，以及石墨的基本结构单元的微晶结构。通过XRD分析可以获得基本结构单元延展度(La)、堆砌度(Lc)，面网间距d002等表征煤结构的重要参数，用以评价煤的石墨化程度。随着煤化程度/石墨化程度的增高，这些参数都表现出规律性变化。从烟煤到石墨的转化，延展度和堆砌度不断增大，面网间距不断缩小，逐渐接近石墨的面网间距0.335 4nm。

本次研究对28件样品进行了XRD测试，并对可以反映显微结构有序程度晶格间距d002，半高宽，堆砌度Lc和延展度La进行了计算，结果显示，崇义地区样品的碳层间距较大，d002>0.339 9nm，碳层横向延展度与垂向堆砌度较小，延展度La为3.977 5～16.141 4nm，堆砌度Lc为1.575 0～3.021 3nm，晶体间距较大，晶片尺寸较小。部分样品的d002峰虽有显现(图5)，但呈一个馒头峰的峰形，衍射峰较宽化且不尖锐，(100)和(101)峰微弱。样品延展度均值为8.3nm，堆砌度均值为2.3nm，表明已经进入到了石墨演化阶段，总体石墨化程度不高。

图5 崇义矿区CYSM11样品XRD衍射图谱Figure 5 XRD spectrogram of sample CYSM11 from Chongyi mining area

2.3.5 拉曼光谱分析

通过拉曼光谱测定获得的D峰与G峰信息，能准确反映出样品的含碳固体有机质的变质程度[19-20]。本次采用拉曼参数R2(式1)作为评价石墨化程度指标，R2值越小，代表无序碳所占比例越小，单元结构缺陷越少，石墨晶格越完整[21]。

对崇义县煤矿37个样品的进行了拉曼光谱的测定，对其R2值进行了计算，结果表明，测试样品R2值总体集中于0.65～0.7，占总数的64.29%，表明样品主要处于半石墨化的变质程度。由拉曼实验结果显示，大部分样品的D1缺陷峰比G峰强，S1峰较低且宽缓，说明部分石墨样品含有的缺陷结构。

综合多种测试分析表明，样品受构造及热的作用明显，测试样品中H、S分含量甚微，几乎已经全部排出，样品成分以高含量的固定碳为主。拉曼图谱出现石墨特征峰(G峰)，XRD图谱已经出现明显石墨峰，平直型数量最多。在微观层次来看，该地区样品镜下碳层已经出现具有石墨特征的平直、有序的碳层结构。晶格间距分布区间较广，表明样品已发生石墨化作用，形成隐晶质石墨。

2.4 矿石加工技术性能及工业用途

在井下通过多点采样混合组成一件大样，进行实验室浮选实验。浮选闭路流程采用“一段粗磨粗选、一段再磨四段精选，中矿集中再磨再选”的工艺流程。分别得到固定碳含量95.06%，回收率87.06%的高碳精矿产品1和固定碳含量75.53%，回收率6.34%的一般精矿产品2，试验产品基本达到试验目的。本次石墨原矿为较易选石墨[17]。根据《石墨、碎云母矿产地质勘查规范》(DZ/T 0326—2018)[18]，矿石自然类型为软质隐晶质石墨矿，洗选精矿产品1的产品牌号为有铁要求的隐晶质石墨WT95-45号，可作为石墨乳剂、石墨轴承的配料、电池碳捧的原料；精矿产品2的产品牌号为有铁要求的隐晶质石墨WT75-45号，可作为铅笔、焊条的原料[17]。

3 矿床成因分析

影响煤变质作用和石墨化作用的关键因素为温度,煤的石墨化发生必然需要较高的温度，而热源则为岩浆岩侵入形成的热场[22-23]，矿区东部3.5km处有燕山期小侵入体及脉状产出，在矿区西南方向11km处有燕山期花岗岩出露，燕山期强烈的岩浆活动为本区乐平组中煤层热变质形成石墨矿提供了热源。矿区构造构造复杂，褶皱和断裂发育，受到东西向的挤压应力作用强烈。区内F7和F2断层，为岩浆侵入提供了导热通道，有利于煤的石墨化进行。同时崇义县煤矿受到东西方向挤压应力，两条逆冲断层的中间，受强烈的挤压、形成压性、压扭性或剪切变形环境，受应力挤压变形，煤层常呈现出揉皱变形或鳞片状等韧性变形特征，同时构造应力不仅破坏了煤的物理结构，同时对其化学结构有促进作用，自然界较低的应变速率环境和剪切应力极有利于煤的石墨化进程。矿区低坑坳背斜充当了盖层的作用，背斜部分热导率低，热阻大，防止深部热量的快速散失，形成了良好的热封闭系统，该构造格局是石墨化顺利进行的关键因素。煤中的有机显微组分为煤成石墨化提供物质基础。在上述岩浆侵入、挤压构造和复式向斜盖层的综合影响下二叠乐平组发生变质作用，围岩发生红柱石角岩化、硅化，泥岩中出现细小红柱石，砂岩中常见变余结构，煤层则发生了石墨化作用形成了隐晶质石墨矿。

4 结论

1)崇义矿区煤层样品固定碳(FCad)平均含量为74.55%，88%的样品固定碳含量到达了隐晶质石墨矿的工业品位，矿石品位高，矿石质量好。样品氢碳比较小，灰分、挥发分和硫元素含量低，表明样品的变质程度高。

2)样品反色率测试、显微组分观察、高分辨率透射电镜扫描、X射线衍射分析和拉曼光谱分析表明，样品中已经出现不同程度的石墨晶体结构，从微观上表明样品已发生不同程度的石墨化作用，形成隐晶质石墨矿。

3)实验室浮选实验采用“一段粗磨粗选、一段再磨四段精选，中矿集中再磨再选”的工艺流程。可分别得到隐晶质石墨WT95-45号精矿和WT75-45号精矿，石墨原矿为较易选石墨。精选矿产品应用广泛，本区隐晶质石墨开采经济价值较高。

4)查明了崇义矿区煤成石墨的控制因素。燕山期强烈的岩浆侵入活动为本区煤层热变质形成石墨矿提供了热源。挤压断裂构造为煤成石墨提供导热通道和构造应力环境。上部复式向斜起到保温盖层的作用，形成了封闭式、半封闭成矿环境。在上述多种成矿因素相互渗透作用下，二叠系乐平组煤系地层发生不同程度的热变质作用，煤层经接触热变质作用形成不同石墨化程度的隐晶质石墨。