青龍煤礦煤系沉積環(huán)境及煤質(zhì)變化規(guī)律淺析

鄭 建 段杜娟 賈楠生

（兗礦東華地礦建設(shè)分公司，山東 鄒城 273500）

1 煤礦概況

青龍煤礦位于貴州省黔西縣城以東約17km，隸屬于黔西縣谷里鎮(zhèn)所轄。青龍煤礦面積20.6503km2（圖1），可采量9102.4萬(wàn)t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，服務(wù)年限54a，斜井開(kāi)拓，走向長(zhǎng)壁后退式采煤。

青龍煤礦于2003年6月建井，2007年底正式投產(chǎn)。截至2018年底，青龍煤礦保有資源儲(chǔ)量約2.7億t，現(xiàn)開(kāi)采煤層為16、18煤層。井田內(nèi)出露的地層自老至新有：二疊系中統(tǒng)茅口組、上統(tǒng)峨眉山玄武巖組、龍?zhí)督M、長(zhǎng)興組，三疊系下統(tǒng)夜郎組、茅草鋪組及第四系。按巖性組合，煤系地層龍?zhí)督M劃分為下段和上段兩段，上下組煤以18煤層底板為界，以上稱(chēng)之為上組煤，之下為下組煤。龍?zhí)督M含大部可采和局部可采煤層7層，主要可采煤層為16煤層和18煤層（該兩層煤層均以中厚煤層為主）。各煤層為中低灰分，特低揮發(fā)分，中高硫～高硫分煤，中高熱值～特高熱值煤。

圖1 青龍煤礦范圍及相對(duì)位置圖

2 煤系沉積環(huán)境分析

青龍煤礦位于黔北煤田中部，構(gòu)造上處于北東向的格老寨背斜的北西翼，其構(gòu)造特點(diǎn)與黔北煤田的構(gòu)造格局相一致。井田地層整體為一單斜構(gòu)造，局部伴有小型褶曲構(gòu)造。青龍煤礦含煤巖系系海陸交互相含煤建造，為一套海陸交互相的碎屑巖、碳酸鹽巖含煤沉積。井田的形成受西部路源河流的控制，礦區(qū)位于古河流入?？谔?，聚煤作用整體以超覆式海進(jìn)成煤為主，煤層直接頂板或間接頂板普遍發(fā)育有薄—中厚層石灰?guī)r。燕山運(yùn)動(dòng)對(duì)該區(qū)地層的影響主要表現(xiàn)為以褶曲構(gòu)造為主，煤系及上覆地層的剝蝕和保存主要受控于區(qū)域內(nèi)褶曲構(gòu)造—格老寨背斜，致使格老寨背斜核部剝蝕茅口組灰?guī)r出露，背斜核部附近各地層保留不完整，燕山運(yùn)動(dòng)控制了青龍煤礦含煤地層保存狀態(tài)。喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)對(duì)該區(qū)的影響主要表現(xiàn)為以大型斷裂構(gòu)造為主，從而形成了礦井的自然邊界（如青龍煤礦西部邊界F1、F2斷層，西南部F3斷層等）。

在煤系地層沉積的前期，本區(qū)位于峨眉山玄武巖溢流區(qū)的邊緣地帶，茅口組灰?guī)r地層上部普遍沉積有峨眉山玄武巖組地層，受基底不平的影響，青龍煤礦區(qū)域峨眉山玄武巖地層厚度差別較大，井田北部沉積缺失，10勘探線以南逐漸變厚，最大揭露厚度66.0m（未揭穿）。該地層巖性以深灰、深灰綠色凝灰?guī)r為主，為華力西運(yùn)動(dòng)過(guò)程中峨眉山地區(qū)地?；詭r漿噴溢而出，或火山爆發(fā)彌漫的火山灰沉積而成。峨眉山玄武巖組地層的堆積為含煤巖系沉積起到基底填平的作用。之后，該區(qū)地層進(jìn)入緩慢下沉階段，陸源碎屑物開(kāi)始不斷堆積，植被也開(kāi)始繁茂，植物遺體開(kāi)始堆積，開(kāi)始沉積發(fā)育薄煤層（30煤層），但成煤作用不強(qiáng)烈，煤層普遍較薄、灰分大且含多層夾矸，厚度變化大（圖2）。之后礦床進(jìn)入海進(jìn)期，煤系地層之上發(fā)育泥灰?guī)r（L14），泥灰?guī)r中含多種動(dòng)物化石。之后再一次進(jìn)入小的海退期，據(jù)有關(guān)學(xué)者研究顯示，該區(qū)可詳細(xì)劃分為25個(gè)小旋回，沉積旋回與煤層、石灰?guī)r編號(hào)相一一對(duì)應(yīng)。成煤作用的早期煤層普遍發(fā)育較薄，多為局部可采的薄煤層或不可采煤層。

16、18 煤層的形成是在成煤作用的中期河流三角洲平原區(qū)，植被繁茂程度、路源碎屑物的搬運(yùn)強(qiáng)度、地層下降速度等為泥炭的堆積提供了時(shí)間和空間，為16、18煤層的形成奠定了良好的基礎(chǔ)。

成煤作用后期，地層下降速度變快，不利于泥炭的堆積，在海相環(huán)境中沉積的一灰、二灰等標(biāo)志層具有比其他煤系中灰?guī)r厚度大、純度高的特點(diǎn)，灰?guī)r下含煤一般較薄、不可采，甚至無(wú)煤層賦存。成煤作用之后，煤田完全進(jìn)入海平面之下，沉積形成長(zhǎng)興組灰?guī)r地層（含豐富的燧石條帶，16煤層上距長(zhǎng)興組灰?guī)r底29.10～75.43m，平均54.36m）。

圖2 30號(hào)煤層厚度等值線圖

3 煤層煤質(zhì)特征分析

（1）煤層揮發(fā)分和煤類(lèi)

本區(qū)龍?zhí)督M煤層浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率均小于10%（圖3），屬特低揮發(fā)分煤，煤的類(lèi)型為無(wú)煙煤3號(hào)。促使煤的變質(zhì)程度較高的主要原因是本區(qū)煤礦床受深成變質(zhì)作用的影響，由于含煤巖系下部煤層或煤組經(jīng)受的溫度和壓力大于上部，煤的揮發(fā)分產(chǎn)率含量在垂向上表現(xiàn)為變低的趨勢(shì)（16煤層浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率7.17%，各煤層中最高；30煤層浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率6.33%，各煤層中最低），因而下部煤的變質(zhì)程度也高于上部。這種煤變質(zhì)依沉降深度而呈現(xiàn)的規(guī)律性變化，即煤變質(zhì)的垂直分帶符合希爾特規(guī)律的結(jié)論。本區(qū)龍?zhí)督M在燕山運(yùn)動(dòng)期存在過(guò)中溫?zé)嵋夯顒?dòng)，造成本區(qū)古地溫梯度偏高（地溫梯度大于3℃/100m），為煤的變質(zhì)奠定了溫度的基礎(chǔ)。

按中國(guó)煤炭分類(lèi)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5751-2009）劃分，本井田各煤層均屬于高變質(zhì)類(lèi)無(wú)煙煤。

（2）灰分

16煤層原煤平均灰分產(chǎn)率21.10%，屬中灰煤；17、18煤層原煤平均灰分16.63%和17.68%，均屬低灰煤（圖3）。經(jīng)-1.5密度液洗選后，各煤層浮煤平均灰分均屬特低灰煤，脫灰率50%～56%。

其他煤層：22、24煤層原煤平均灰分均屬中高灰煤，27、30煤層原煤平均灰分均屬中灰煤；22、24煤層原煤變化在低灰～高灰煤之間，30煤層變化在中灰～中高灰煤之間，27煤層變化在低灰～中高灰煤之間。經(jīng)-1.5密度液洗選后，各煤層浮煤平均灰分均屬特低灰煤，脫灰率56%～72%。

煤中的灰分是煤燃燒剩下的殘?jiān)?，煤中礦物質(zhì)的來(lái)源有3種：原生礦物質(zhì)、次生礦物質(zhì)、外來(lái)礦物質(zhì)。從青龍煤礦可采煤層脫灰效果看，煤層中的灰分以外來(lái)礦物質(zhì)為主，可用選煤方法除去。煤中灰分高的原因是受沉積期陸源碎屑物搬運(yùn)影響，攜帶外來(lái)礦物質(zhì)成分較多。

（3）硫分

主采煤層：16、17、18煤層原煤硫分平均值均為中高硫煤，含量分別為2.69%，2.67%，2.32%，煤層變化于特低硫～高硫煤之間（圖3）。經(jīng)過(guò)-1.5密度液洗選后，全硫含量均有所降低，16、18煤層平均值均降為低硫煤，脫硫系數(shù)分別為0.60、0.63，17煤層降為中硫煤，脫硫系數(shù)0.51。其他煤層：22、24、27、30煤層原煤硫分平均值屬中高硫～高硫煤，含量分別為3.1%，2.92%，3.6%，5.61%，煤層變化于中硫～高硫煤之間。經(jīng)過(guò)-1.5密度液洗選后，全硫含量均有所降低，22、24、27、30煤層平均值均降為中硫煤。16、17、18煤層原煤硫分均以黃鐵礦硫?yàn)橹?，次為有機(jī)硫；16、18煤層浮煤則以有機(jī)硫?yàn)橹?，次為硫鐵礦硫。17煤層硫化物硫略高于有機(jī)硫。硫化物硫易洗選，其脫硫系數(shù)0.76～0.88，有機(jī)硫難以洗選，脫硫系數(shù)均為負(fù)值，硫酸鹽硫含量極少，脫硫效果極好，為0.81～0.97。硫的賦存狀態(tài)以微粒狀、球粒狀、微晶粒狀、結(jié)核狀為主。其他各煤層原煤硫分以硫鐵礦硫?yàn)橹?，次為有機(jī)硫；各煤層浮煤則以有機(jī)硫?yàn)橹?，次為硫鐵礦硫。

圖3 青龍煤礦各煤層原煤煤質(zhì)特征變化曲線圖

青龍礦區(qū)各煤層中下組煤原煤硫分含量普遍比上組煤要高，分析原因是下組煤處于成煤作用的前期，受煤層沉積期海水以及峨眉山玄武巖漿期后熱液的雙重作用造成的；這2種作用提供了大量的鐵離子與硫離子，是煤中高硫、高黃鐵礦的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且?guī)r漿期后熱液活動(dòng)較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致煤層中后生黃鐵礦也較為發(fā)育，海水的進(jìn)退導(dǎo)致各主采煤層中硫的分布特征在垂向和平面上都具有明顯的差異性。上組煤處于成煤作用的中晚期，盆地周邊富含鐵離子與硫離子的碎屑物已得到充分沖刷沉積，其含量也越來(lái)越少，從勘探施工的鉆孔巖芯上分析，下組煤各煤層、頂?shù)装彘g的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖中的黃鐵礦可見(jiàn)粒度較大的結(jié)核，其含量普遍要比上組煤的高。

4 結(jié)論

青龍煤礦含煤巖系系海陸交互相含煤建造，為一套海陸交互相的碎屑巖、碳酸鹽巖含煤沉積。井田的形成受西部路源河流的控制?？档峁抨憣?duì)成煤作用貢獻(xiàn)最大，是煤田最主要的陸源供給區(qū)，燕山運(yùn)動(dòng)控制了青龍煤礦含煤地層保存狀態(tài)，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成了礦井的自然邊界。

青龍煤礦各煤層均屬高變質(zhì)無(wú)煙煤，浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率均低于10%，煤層變質(zhì)程度隨埋深的增加有一定的相關(guān)關(guān)系，分析其主要原因是本區(qū)煤礦床受深成變質(zhì)作用影響疊加了中溫?zé)嵋鹤冑|(zhì)作用。

各煤層煤中灰分以外來(lái)礦物質(zhì)為主，較易脫除，高灰分受沉積期陸源碎屑物攜帶礦物質(zhì)較多造成的。各煤層硫分普遍較高，下組煤硫分高于上組煤，原因是受煤層沉積期海水以及峨眉山玄武巖漿期后熱液的雙重作用造成的。