貴州興仁黔山煤礦地質特征及開發(fā)利用前景

王正宇

(貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇五地質大隊)

黔山煤礦位于貴州省興仁縣城正北方向直距約15 km處，北部緊鄰下山鎮(zhèn)政府。本研究結合礦區(qū)地質調查成果，開展了煤炭儲量核實工作，取得了一些有價值的數(shù)據(jù)，通過對礦床地質特征進行分析，并進一步探討區(qū)內(nèi)煤炭資源開發(fā)利用前景，供區(qū)內(nèi)開采設計參考。

1 區(qū)域成礦地質背景

黔山煤礦區(qū)域大地構造位置位于揚子準地臺(一級)黔北臺窿(二級)六盤水斷陷(三級)的普安旋扭構造變形區(qū)(四級)中部(圖1)[1-3]。區(qū)域出露的地層由老至新為茅口組(P2m)、峨嵋山玄武巖(P3β)、龍?zhí)督M(P3l)、長興組(P3c)、飛仙關組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)及第四系(Q)。其中，二疊系龍?zhí)督M為區(qū)域上主要的含煤地層，巖性主要為碳酸鹽巖、碎屑巖、玄武巖等。區(qū)域主要發(fā)育有NE向斷裂及褶皺。其中，褶皺主要有放馬坪背斜、下山向斜、下茅坪背斜，且多為寬緩；斷裂主要有安谷斷裂、紫馬斷裂及潘家莊斷裂帶，礦區(qū)主要位于下山向斜與下茅坪背斜之間。下山向斜軸跡呈NE—SW向展布，為一NE向揚起的寬緩向斜，區(qū)域延伸長約6 km，核部出露的最新地層為長興組(P3c)。下茅坪背斜為一寬緩背斜，背斜軸跡為NE向，區(qū)域延伸長約7 km，核部出露的最老地層為龍?zhí)督M第一段。此外，二疊紀后區(qū)域內(nèi)無巖漿活動。

圖1 黔山煤礦區(qū)域地質特征

2 礦區(qū)地質特征

2.1 地 層

黔山礦區(qū)內(nèi)及其周邊地層由老至新分別為二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)、上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)及長興組(P3c)，三疊系下統(tǒng)飛仙關組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)及第四系(Q)。其中，龍?zhí)督M主要由瀉湖相、泥炭沼澤相、分流河道相、潮坪相、潮道相、前三角洲相、三角洲前緣相、砂洲砂壩相及沼澤相組成[1-6]。該組大面積出露于礦區(qū)，為礦區(qū)的含煤層位，巖性主要為碎屑巖，含煤18～23層，按巖性組合特征可分為2段[1-4]。

龍?zhí)督M一段(P3l1)底部巖性為灰黃—深灰色厚層—塊狀強硅化灰?guī)r，凝灰?guī)r中見有豆粒構造；中部巖性為泥灰?guī)r、鈣質黏土巖、粉砂質黏土巖夾硅化灰?guī)r；上部巖性為灰、深灰色中—厚層強硅化泥晶生物屑灰?guī)r，上部夾1層大部可采煤層，平均厚度為83.16 m。該段具有晶洞構造、角礫狀構造，角礫呈棱角、次棱角狀，膠結物為方解石，地表風化呈灰黃、褐黃色，具有硅化、褐鐵礦化。

龍?zhí)督M二段(P3l2)巖性為灰、深灰、灰黑色薄—中層黏土巖、粉砂質黏土巖，灰色中—厚層粉砂巖、含鈣質細粒巖屑砂巖夾含礫砂巖及煤層，上部夾灰色中—厚層泥晶生物屑灰?guī)r、泥質生物屑泥晶灰?guī)r。該段具有條帶、條紋構造，發(fā)育水平層理、波狀層理、脈狀層理、透鏡狀層理，為礦區(qū)內(nèi)主要的含煤層位。該段含大部及全區(qū)可采煤層6層，煤層平均厚度為246.13 m。

2.2 構 造

2.2.1 褶 皺

(1)下山向斜。向斜軸向NE，為一NE向揚起的寬緩向斜，核部出露的最新地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關組，兩翼為長興組、龍?zhí)督M地層，巖層產(chǎn)狀變化較大，傾角一般為5°～20°。

(2)下茅坪背斜。位于礦區(qū)南東角小茅坪一帶，為一寬緩背斜，背斜軸呈NE向延伸，礦區(qū)內(nèi)軸向延伸長約3 km。軸部出露的最老地層為龍?zhí)督M第一段，巖層產(chǎn)狀變化較大，兩翼出露有龍?zhí)督M第一、二段，傾角一般為6°～20°。

2.2.2 斷 裂

礦區(qū)斷裂構造較發(fā)育，主要發(fā)育有F1、F2、F3斷層，其中，F(xiàn)2斷層斷距較大，為區(qū)域性斷層。

(1)F1斷層。為區(qū)域上的潘家莊斷層[6-8]，呈NE向展布于礦區(qū)外南東角，礦區(qū)內(nèi)延伸長約2 km，傾向SE，傾角約65°，為正斷層。斷層北西盤出露地層為龍?zhí)督M第一段，南東盤出露地層為永寧鎮(zhèn)組。經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)，該斷層對礦區(qū)煤層無影響。

(2)F2斷層。位于礦區(qū)中部，為區(qū)域上的下山斷層，呈NE向發(fā)育于礦區(qū)南東部，區(qū)內(nèi)延伸長約4 km。該斷層傾向NW，傾角約46°，在礦區(qū)內(nèi)該斷層斷距自南西至北東逐漸變小，垂直斷距為70～110 m，為正斷層。該斷層北西盤主要出露龍?zhí)督M第二段，南東盤出露龍?zhí)督M第一段。經(jīng)鉆探揭露發(fā)現(xiàn)，該斷層對礦區(qū)煤層的破壞作用較大。

(3)F3斷層。發(fā)育于礦區(qū)中部，呈近SN向展布，南端交于F2斷層上。礦區(qū)內(nèi)F3斷層延伸長約2.8 km，傾向E，傾角約65°，垂向斷距為20～40 m，為逆斷層，該斷層對煤層的破壞作用較大。

2.3 水文地質特征

礦區(qū)地表水屬珠江流域北盤江水系[2,4]，礦區(qū)及其外圍主要發(fā)育有新寨河支流田壩溪溝。新寨河位于礦區(qū)外東部，由南西向北東徑流，在納壩附近匯入波秧河。礦區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水等。經(jīng)鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)，在鉆進過程中F2斷層沖洗液漏失較明顯，說明該斷層具有良好的導水性及透水性，而該斷層切割了礦區(qū)內(nèi)煤層，局部使得煤層與巖溶含水層茅口組直接接觸，因此，在開采過程中在該斷層附近可能存在側向突水威脅。礦區(qū)沿斷層帶發(fā)育有大壩溪溝，其溪溝水沿斷層帶直接充水，對礦床頂板造成巨大威脅，因此當上述煤層開采至近斷層地段時應注意開展探放水工作，并預留防水煤柱，預防巖溶含水層茅口組對礦層進行側向突水以及地表溪溝水沿斷層破碎帶對礦井底板產(chǎn)生突水威脅。

3 煤層地質特征

3.1 含煤性及可采煤層

礦區(qū)含煤巖系(龍?zhí)督M)厚度為341.24～372.05 m，平均357.42 m。區(qū)內(nèi)共含煤18～23層，煤層總厚度為14.13～20.66 m，平均17.16m，含煤系數(shù)8.10%。其中，可采煤層有7層，其中全區(qū)可采煤層6層，局部可采煤層1層，平均總厚11.41 m。礦區(qū)內(nèi)上部可采煤層已基本風化剝蝕，殘留部分多被老窯采空破壞，主要賦存下部可采煤層5層。礦區(qū)內(nèi)主要可采煤層厚度有一定變化，煤層結構較簡單，煤質變化中等，屬較穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，但C20煤層厚度有較大變化，煤層結構較簡單，煤質變化中等，屬不穩(wěn)定的局部可采煤層。

3.2 煤質特征及煤巖類型

3.2.1 物理特性

礦區(qū)內(nèi)煤的顏色為黑色、褐黑色，以粉粒狀為主，少量為碎塊狀、塊狀和粒狀；煤層結構主要為中—細條帶狀，少量為寬條帶狀和線理狀；以金屬光澤為主，少量為似金屬光澤、金剛光澤；斷口形狀主要為參差狀、平坦狀，少量為貝殼狀、階梯狀[9]。礦區(qū)內(nèi)生裂隙較發(fā)育，偶見少量外生裂隙，并充填薄膜狀、網(wǎng)格狀、脈狀方解石，含較多結核狀、透鏡狀、浸染狀、星散狀、團塊狀黃鐵礦[9]。礦區(qū)各煤層多以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤和絲炭透鏡體，煤巖類型主要為半亮型、半暗型，半暗—半亮型次之，少量暗淡型。由煤巖鑒定成果得知，各煤層的鏡質體和惰質體含量總和為100%，均大于95%，根據(jù)《顯微煤巖類型分類》(GB/T 15589—2013)，確定區(qū)內(nèi)可采煤層的微觀煤巖類型均為微鏡惰煤。區(qū)內(nèi)各煤層鏡煤最大反射率為2.77%～2.86%，顯微硬度為3.05%～3.21%。礦區(qū)各煤層變質程度高，為Ⅶ1變質階段[9]。

3.2.2 煤巖成分特征

3.2.2.1 基本化學特征

礦區(qū)內(nèi)5層可采煤層灰分含量統(tǒng)計表明，大部分原煤灰分平均值大于10.01%，為低灰煤；C12煤層原煤灰分平均值大于20.01%，為中灰煤。礦區(qū)內(nèi)可采煤層揮發(fā)分均小于10.00%，為特低揮發(fā)分煤，區(qū)內(nèi)所有煤層原煤干燥基全硫(St,d)均值均大于2.01%，小于3.00%，均為中高硫煤。礦區(qū)內(nèi)原煤硫成分以黃鐵礦硫(Sp,d)為主，有機硫(So,d)其次，硫酸鹽硫(Ss,d)少量。其中，黃鐵礦硫(Sp,d)最小為1.52%，最大為2.18%；有機硫(So,d)最小為0.7%，最大為1.11%；硫酸鹽硫(Ss,d)最小為0.08%，最大為0.22%(表1)。

表1 煤層各種硫分析結果 %

3.2.2.2 有益、有害元素

礦區(qū)C10、C12、C15、C17、C20煤層原煤磷含量平均值分別為0.08%、0.009%、0.06%、0.005%、0.007%，根據(jù)《煤中磷分分級》(MT/T 562—1996)，礦區(qū)內(nèi)所有的煤層均為特低磷分煤。本研究對各煤層(C10、C12、C15、C17、C20煤層)采集了一定數(shù)量的樣品并進行了有益有害元素含量測試分析，結果見表2。由表2可知：①除C12煤層為一級含砷煤(ⅠAs)外，其余煤層均為二級含砷煤(ⅡAs)，As含量高對人體有害，因此，在今后礦井開采過程中需注意監(jiān)測As含量并采取相關的環(huán)境保護措施；②根據(jù)《煤中氟含量分級》(MT/T 966—2005)，除C10煤層為中氟煤(MF)外，其余煤層均為低氟煤(LF)；③全區(qū)可采煤層中原煤氯含量平均值均小于0.050%，根據(jù)《煤中氯含量分級》(MT/T 597—1996)，礦區(qū)內(nèi)所有煤層均為特低氯煤。

表2 煤層有益有害元素含量

注：表中各數(shù)值均為各樣品測試數(shù)據(jù)的平均值。

3.2.2.3 原煤灰成分及其性質

本研究對各煤層(C10、C12、C15、C17、C20)進行了采樣，并進行了原煤灰成分測試分析，結果見表3。由表3可知：原煤灰成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主，平均含量分別為31.32%、19.60%、19.12%，占灰成分總量的80.39%。

表3 煤層灰成分測試分析結果 %

4 開發(fā)利用前景

4.1 資源儲量

本研究采用了地質塊段法[10-11]估算了礦區(qū)煤炭資源量，累計查明C10、C12、C15、C17、C20煤層總資源儲量為2 634萬t，其中，開采消耗量(111) 423萬t，保有資源量2 211萬t。其中探明的經(jīng)濟基礎儲量(111b) 991萬t，控制的經(jīng)濟基礎儲量(122b) 289萬t，推斷的內(nèi)蘊經(jīng)濟資源量(333) 931萬t。

4.2 伴生資源評價

4.2.1 煤層氣

煤層氣是煤礦中一種中島的伴生非常規(guī)天然氣資源，其保存效果明顯受控于地層巖性、構造、水文等地質條件。區(qū)內(nèi)煤層區(qū)域蓋層為上二疊統(tǒng)長興組、龍?zhí)督M，主要巖性為黏土巖、粉砂巖、黏土質粉砂巖以及粉砂質黏土巖。從理論上講，在主體部位煤系層段中，煤層多被泥巖包圍，因此煤層氣逸散較慢，故而有利于煤層氣保存。但由于該區(qū)煤層大多距離地表較近，且老窯分布較多，其逸散速度快，底板巖性為茅口組灰?guī)r，溶洞較為發(fā)育，此外，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的F1、F3斷層及下山向斜增加了煤層氣的外溢通道。因此，礦區(qū)的地層條件不利于煤層氣保存。

綜合前人研究成果及本研究勘查分析，統(tǒng)計出的礦區(qū)各可采煤層中的煤層氣含量如表4所示。由表4可知：礦區(qū)煤層氣資源含量普遍較低，且分布不均，瓦斯含量均小于4 mL/g，因此，在現(xiàn)階段的經(jīng)濟技術水平條件下，礦區(qū)煤層氣資源并不具有開采價值。

表4 各煤層中煤層氣含量 mL/g

4.2.2 伴生有益元素

本研究對礦區(qū)可采煤層進行了取樣，并進行了稀散元素測試分析，結果見表5。由表5可知：區(qū)內(nèi)w(Ge)為(0.45～0.70)×10-6，平均為0.58×10-6，總體變化幅度小，由于含量較低，該元素無工業(yè)利用價值；w(Ga)為(3.93～8.35)×10-6，平均為5.44×10-6，在現(xiàn)階段的經(jīng)濟技術條件下暫無工業(yè)利用價值。

表5 煤層有益元素測試結果 ×10-6

礦區(qū)各煤層頂?shù)装迮家妴螌雍?.03～0.05 m的層狀、似層狀黃鐵礦，另在各可采煤層內(nèi)見結核狀和似層狀黃鐵礦和沿煤裂隙充填的脈狀黃鐵礦，但由于其厚度薄，且分布零散，故無工業(yè)利用價值。

4.3 礦床開發(fā)意義

4.3.1 煤炭市場供應現(xiàn)狀

我國煤炭行業(yè)經(jīng)過2000—2013年連續(xù)14年的快速發(fā)展，已經(jīng)從2000年產(chǎn)量不足10億t的低谷上升至2013年37億t，年平均增長率大于7%(圖2)。2014年以來，由于我國經(jīng)濟增速放緩以及能源結構調整，主要耗煤行業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量增幅均有所下降，煤層產(chǎn)量出現(xiàn)下降；2015年1—5月，全國煤炭產(chǎn)量為14.6億t，同比下降6%。 貴州省受全國煤炭行業(yè)影響，2014年產(chǎn)量為1.85億t，同比下降3.2%；商品煤銷量1.77億t，同比下降2.3%。2015年1—3月煤炭產(chǎn)量3 731萬t，同比下降14.8%(圖3)。

圖2 2006—2013年我國原煤產(chǎn)量及增幅

圖3 2015—2017年我國原煤產(chǎn)量變化

“十二五”期間貴州省新建煤礦產(chǎn)量8 730萬t，釋放3 170萬t產(chǎn)能，“十三五”期間將繼續(xù)釋放5 560萬t 產(chǎn)能，預計“十三五”前期貴州省煤炭產(chǎn)量增幅將維持在7%左右。由于礦區(qū)煤炭資源煤質好，除了可作動力用煤、發(fā)電用煤外，還可滿足化工、冶金等行業(yè)的用煤需求，市場前景好。此外，從地理位置上分析，礦區(qū)與重慶、湖南等省份的距離相對于我國北方煤炭產(chǎn)區(qū)具有較強的競爭力，礦區(qū)鄰近的興仁電廠對煤炭的需求也較大，從而顯示了區(qū)內(nèi)煤炭資源具有較大的市場潛力。

4.3.2 礦山開發(fā)外部條件

礦區(qū)具有良好交通運輸條件，該礦位于興仁縣城以北，距興仁縣城32 km，興仁—晴隆公路通過礦區(qū)，距南(寧)—昆(明)鐵路的頂效火車站73 km，交通較為便利[12-16]。可利用潘家莊鎮(zhèn)的自來水解決礦區(qū)供水問題，水量供應充足，能夠滿足礦區(qū)開采及生活用水需求。區(qū)內(nèi)電力設施齊全，動力用電均能滿足煤礦生產(chǎn)及職工生活需求，并且礦區(qū)周邊農(nóng)耕土地稀少，存在大量過剩勞動力，可為礦區(qū)生產(chǎn)提供充足的勞動力資源。綜合分析可知，礦區(qū)開發(fā)所需的外部條件良好。

4.3.3 礦井資源量及開采設計方案

在黔山煤礦預留礦區(qū)6.105 4 km2范圍內(nèi)，累計查明C10、C12、C15、C17、C20煤層總資源量達2 634萬t，礦井工業(yè)資源儲量為2 024.8萬t。礦床永久煤柱有井田邊界煤柱、露頭煤柱、斷層防水煤柱和村寨保護煤柱，其中，井田邊界煤柱以所劃定的礦區(qū)開采邊界的鉛垂線至所采煤層的投影線內(nèi)推20 m計算。經(jīng)計算，礦井設計可采儲量為1 521.44萬t。

結合礦區(qū)實際情況，礦井建設規(guī)模有60，45萬t/a 2種備選方案[17-18]。前者礦井服務年限為19 a ，井下僅需布置1個采區(qū)1個綜采工作面便可達產(chǎn)，但相對礦井保有資源儲量設計而言，井型較大，服務年限較少，初期投資較大，故不推薦。后者礦井服務年限為25 a，井下僅需布置1個采區(qū)1個高檔普采工作面便可達產(chǎn)，經(jīng)濟效益相對較好。綜合分析可知，本研究推薦采用生產(chǎn)能力為45萬t/a的礦井建設方案。

4.3.4 投資收益情況

黔山煤礦兼并重組前生產(chǎn)規(guī)模分別為15萬t/a和9萬t/a，擴能后的黔山煤礦要達到45萬t/a的生產(chǎn)規(guī)模，須對工業(yè)場地進行技術改造，類比同類礦區(qū)情況，按噸煤綜合投資300元估算，礦山建設投資約需增加7 200萬元。該礦山近3 a煤炭綜合售價為450元/t，生產(chǎn)成本和管理成本約220元/t，政府各種稅費總和按108元/t計算，企業(yè)按20元/t提取風險成本。根據(jù)目前煤炭市場價格，生產(chǎn)1 t煤，企業(yè)可獲得102元的毛利潤，據(jù)此估算礦山達產(chǎn)后企業(yè)每年可獲利4 590萬元，同時每年可為國家上繳4 860萬元稅費，礦井建成達產(chǎn)后2 a左右可收回建設投資。根據(jù)上述投資效益估算，稅后財務內(nèi)部收益率可達36%，大于行業(yè)基準收益率(10%)，投資回收期較短，投資利潤率、投資利稅率均較高，表明礦井有一定的盈利能力，適宜進行投資建設。

5 結 論

(1)礦區(qū)含煤地層為龍?zhí)督M，可采煤層平均總厚11.41 m，區(qū)內(nèi)煤層多以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤和絲炭透鏡體，煤巖類型主要為半亮型、半暗型，半暗—半亮型次之，少量暗淡型。

(2)C10、C12、C15、C17、C20煤層總資源儲量為2 634萬t，但煤層氣及鍺、鎵等伴生礦產(chǎn)均不具備工業(yè)利用價值。

(3)將該礦山的生產(chǎn)能力提升至45萬t/a具有較好的可行性，礦山擴能投產(chǎn)后僅需2 a左右便可收回建設投資，稅后財務內(nèi)部收益率可達36%。

參 考 文 獻

[1] 貴州省地質礦產(chǎn)局.貴州省區(qū)域地質志[M].北京：地質出版社，1987.

[2] 楊瑞琴,唐顯貴.貴州省六盤水煤田含煤地層特征分析[J].中國煤炭地質，2014(7)：28-32.

[3] 金 軍，徐宏杰，桑樹勛，等.貴州省黔北煤田含煤地層特征分析[J].中國煤炭地質，2015(6)：1-7.

[4] 金 軍，唐顯貴.貴州省織金—納雍煤田構造特征及其成因[J].中國煤炭地質，2010(3)：8-12.

[5] 舒萬柏.雨谷井田地質構造特征及成因分析[J].中國煤炭地質，2007(1)：14-16.

[6] 劉珍奇，趙訓林，鄭振華.貴州省黔西煤礦區(qū)箐口煤礦巖石與煤層特征對比分析[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2012，14(5)：82-85.

[7] 唐顯貴.貴州省煤炭資源賦存規(guī)律[J].煤田地質與勘探，2012(5)：1-5.

[8] 程瑪莉，崔玉朝.貴州安家寨煤礦龍?zhí)督M煤層特征及對比[J].煤炭科學技術，2011，39(10)：104-107.

[9] 梁 云.有益煤礦12號煤層煤質特征分析及評價[J].煤質技術，2014(S1)：23-25.

[10] 余牛奔,齊萬濤，王立歡，等.基于3DMin軟件的三維地質建模及諸量估算——以新疆巴里坤礦區(qū)某井田為例[J].金屬礦山，2015(3)：138-142.

[11] 羊勁松 余 璨，馮興隆，等.云南普朗銅礦三維地質建模及儲量估算[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(5)：48-53.

[12] 宋洪柱.中國煤炭資源分布特征與勘查開發(fā)前景研究[D].北京：中國地質大學(北京)，2013.

[13] 吳 攀，裴廷權，馮麗娟，等.貴州興仁煤礦區(qū)土壤表土與沉積物中砷的環(huán)境調查研究[J].地球與環(huán)境，2006，34(4)：31-35.

[14] 裴廷權.貴州興仁縣煤礦區(qū)砷的表生地球化學初步研究[D].貴州：貴州大學，2006.

[15] 王毅剛，岳宗洪.貴州煤層氣開采技術和綜合利用的研究[J].中國礦業(yè)，2010，19(7)：114-116.

[16] 吳 攀，裴廷權，馮麗娟，等.貴州興仁煤礦區(qū)土壤表土與沉積物中砷的環(huán)境調查研究[J].地球與環(huán)境，2006，34(4)：31-35.

[17] 陶振鵬.貴州普安—晴隆一帶晚二疊世煤層中微量、稀土元素富集特征研究[D].貴陽：貴州大學，2016.

[18] 孟 振.貴州青龍礦構造煤及瓦斯非均質性分布規(guī)律研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2016.