四川省達州市金剛煤礦煤層物性及煤質特征

李明彬 吳 昊

(四川省煤田地質局一三七隊)

金剛煤礦是川東地區重要的煤炭資源基地之一[1]，屬國家規劃的綠色老礦山企業，在川東煤礦資源研究中占據重要地位[1]。前人的研究工作主要集中于金剛煤礦的開采、選礦、洗煤等方向[2-5]，對于含煤層的對比研究則集中于上三疊統須家河組[7-8]，對于金剛煤礦煤層的研究涉及較少[1]。本研究結合相關地質工作成果，著重對金剛煤礦煤層物性特征及煤質特征進行分析，為進一步揭示煤礦成因提供有益參考。

1 礦區地質概況

1.1 地質構造形態

金剛礦區位于新華夏系第三沉降帶川東弧形褶皺帶，上三疊統須家河組含煤地層沉積之后，經歷了印支、燕山和喜山3期構造運動，致使礦區發生了多期復雜的構造疊加與改造，塑造了本區主體構造——中山背斜(又稱“銅鑼峽背斜”)NNE向的構造形式。喜山晚期，由于區域應力場發生了變化，自北東向西南的擠壓應力作用為主導，對早期形成的NNE向構造進行了改造，形成了走向NNW的線形褶曲以及與其走向一致的逆沖斷裂[1]。金剛礦區淺部構造極為發育，向深部逐漸變小或尖滅。

(1)褶皺。金剛礦區褶皺構造極為發育，屬中山背斜東西兩翼，地表上，由南至北發育一系列次級褶皺，往深部逐漸傾伏、消失。礦區南段為一軸向N15°～20°E大致對稱的傾伏背斜，北側傾伏，傾伏角一般為3°～10°；軸部傾角一般小于20°，較為平緩，東翼傾角為25°～45°，西翼傾角為25°～40°[1]。礦區北段構造破壞較嚴重，主背斜軸向為N10°～15°E，南側傾伏，傾伏角約為5°；東翼傾角較陡，傾角為30°～51°；西翼南部傾角為25°～40°，以北處于密集的褶皺帶，傾角局部達60°以上。總體上，礦區深部地層傾角多大于淺部傾角，且地層傾角由南向北逐漸變大。

(2)斷層。礦區淺部斷層極為發育，為脆性斷層，地表已識別出斷層37條，鉆孔揭露的隱伏斷層有12條。根據斷層特征及發育規律可以認為，淺表斷層逐漸向深部尖滅或消失，僅有4條較大規模的斷層對礦體有較大影響[2-4]，其特征為：①F1逆斷層，展布于礦區北段，長3.1 km，北段走向為N35°W，向南轉為N70°W，傾向SW，傾角由北往南，且由淺到深逐漸變小，水平斷距為290 m，該斷層破壞了礦體；②F4隱伏逆斷層，走向為N31°E，傾向SW，傾角52°，最大落差為65 m，該斷層破壞了礦體；③F44隱伏逆斷層，根據鉆孔資料，推斷該斷層走向為N33°W，對礦區西翼北側300 m水平以下內外連煤層開采有影響[2]；④F50斷層，為一隱伏斷層，破壞了東西兩翼的各個煤層，該斷層走向N50°E，傾向NW，傾角約58°。

1.2 礦區地層特征

礦區地層出露由老至新依次為上三疊統須家河組(T3xj)、下侏羅統珍珠沖組(J1zh)、中—下侏羅統自流井組(J1-2z)、中侏羅統新田溝組(J2x)、中侏羅統下沙溪廟組(J2xs)和上侏羅統沙溪廟組(J2s)[1]。其中，上三疊統須家河組(T3xj)為礦區內主要的含煤地層，由深灰色泥巖、頁巖、細粒砂巖、粉砂巖及煤層組成，為一套陸相沉積環境，可分為7段，第一、三、五、七段為含煤段，第二、四、六段為砂巖段；下侏羅統珍珠沖組(J1zh)為一套河流相沉積，由泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖、煤線、長石石英砂巖組成[6]；中—下侏羅統自流井組(J1-2z)為一套湖泊相沉積，該組巖相、巖性較穩定，動物化石豐富，總體厚度為176～218 m，一般厚度為190 m；中侏羅統新田溝組(J2x)為河流—湖泊相沉積，由泥巖、砂巖、粉砂巖組成[7]；中侏羅統下沙溪廟組(J2xs)為一套沖積相—淺湖相沉積，為紫紅、綠灰色粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖，中、上部泥巖中含有大量鈣質結核及團塊，頂部含葉肢介化石；中侏羅統上沙溪廟組(J2s)為一套淺湖及河湖交替相沉積，由泥巖、砂質泥巖、長石砂巖、細—粉砂巖組成[7-8]。

1.3 含煤地層

礦區內的含煤地層主要為上三疊統須家河組第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)(圖1)。其中，須家河組第七段(T3xj7)為礦區最主要的含煤層位，可對比含煤層數達9層，編號分別為外連煤層、內連煤層、底連煤層和25#、24#、23#、22-1#、22#等煤層，煤層平均厚度為1.86 m，含煤系數為4.06%；須家河組第五段(T3xj5)的可對比含煤層為4層，編號依次為11#、12#、14#、15#煤層，煤層平均厚度為1.73 m，含煤系數為1.54%。

2 煤層對比

2.1 對比標志選擇

上三疊統須家河組(T3xj)為一套陸相沉積物，巖性變化較大，含煤層數多，但含煤層的穩定性較差，加之古河流沖蝕，增加了煤層對比難度。為更精確地分析金剛礦區的含煤層特征，本研究在煤層對比過程中除了采用標志層、層間距外，還結合了測井曲線等進行綜合對比。

2.2 含煤層位特征

礦區含煤地層的巖性組合特征明顯，沉積韻律較清楚，自下而上巖石粒度顯示由粗變細的正粒序旋回結構。區內含煤地層按巖性、巖相組合和沉積旋回特征可分為7個巖性段，其中，上三疊統須家河組第一、三、五、七段(T3xj1、T3xj3、T3xj5、T3xj7)為含煤層段，第二、四、六段(T3xj2、T3xj4、T3xj6)為砂巖段，未見含煤層位。由礦區鉆孔揭露情況可知，礦區主要的含煤層為須家河組第五段(T3xj5)和第七段(T3xj7)。

上三疊統須家河組第七段(T3xj7)由煤層、泥巖、粉砂巖、砂巖組成，該段可對比煤層為外連煤層、內連煤層、底連煤層和25#、24#、23#、22-1#、22#等煤層，煤層較好區分，含煤性較穩定。上三疊統須家河組第五段(T3xj5)由煤線、薄煤層、泥巖、粉砂巖、砂巖組成，該段可對比煤層為11#、12#、14#、15#煤層，該段沉積環境不穩定，煤層厚度變化較大，具有中煤組在礦區背斜西翼含煤性較好、背斜東翼含煤性較差的特征。

2.3 含煤標志層特征

圖1 須家河組第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)地層柱狀

根據巖性組合特征，在礦區須家河組地層內共確定了5個標志層作為該礦區煤層的對比標志，各標志層特征如下。

(1)1#標志層。巖性為須家河組第七段第二亞段(T3xj7-2)砂巖，厚7～25 m，平均17 m，距離外連煤層0.76～9.78 m，平均3.05 m。該層砂巖顏色較淺、粒度較粗，含較多黑色燧石巖屑，俗稱“芝麻砂巖”，一般厚17 m。測井曲線上電阻率曲線呈高阻，中下部隨著泥質成分增加幅值降低，自然伽瑪曲線上呈低異常似“箱狀”。

(2)2#標志層。外連煤層外頂常見0.10 m厚的碳質泥巖，在煤層頂界以上0.60～3.70 m可見1～3條煤線或碳質泥巖，含菱鐵礦結核，頂板泥巖產有較多完整的植物化石，可與內連煤層頂板相區別，且測井電阻率電位曲線上呈低阻反應，自然伽瑪曲線上呈高異常反應，是對比外連煤層與內連煤層的良好標志。

(3)3#標志層。內連煤層之下0.45～4.68 m處常見1層煤或碳質泥巖(即底連煤層)，頂板完整的植物化石少見，且測井電阻率電位曲線上呈低矮異常、伽瑪伽瑪曲線上呈中等偏低異常、自然伽瑪曲線呈中異常或高異常反應。

(4)4#標志層。須家河組第五段第三亞段(T3xj5-3)褐灰色鋁土質泥巖一般厚度為0.09～0.61 m，平均為0.24 m，距離須家河組第五段第四亞段(T3xj5-4)砂巖底部0.87～8.07 m，平均3.20 m。

(5)5#標志層。須家河組第五段第三亞段(T3xj5-3)淺灰色鋁土質泥巖一般厚度為0.03～1.07 m，平均為0.32 m，距離4#標志層2.90～13.25 m，平均6.75 m。

2.4 含煤層位特征

礦區煤層對比層位穩定，無較大變化，對比標志明顯，層序清晰，界線明顯，易于對比。外連煤層賦存于須家河組第七段第二亞段，上距1#標志層(第七段第二亞段(T3xj7-2))0.76～9.78 m，平均3.23 m，下距內連煤層0.25～6.89 m，平均2.91 m；內連煤層下距底連煤層1.26～5.50 m，平均3.47 m；14#煤層上距5#標志層0.20～2.39 m，平均1.50 m。

2.5 測井曲線特征

礦區內主要可對比的外連、內連、底連、14#煤層與其頂底板的泥巖、砂質泥巖相比，電阻率呈高異常、天然放射性含量低、密度低的特征，在三側向電阻率曲線上表現為相對高異常，在伽瑪曲線上表現為明顯突出的高異常，在自然伽瑪曲線上表現為相對低幅值異常。因此正連、內連、底連和14#煤層的各參數曲線形態多為單尖峰狀。

2.6 煤層對比的可靠性分析

礦區參與對比的主采煤層(外連、內連煤層)厚度大且層位穩定，對比標志明顯，因此煤層對比結果較可靠，尚有22#、底連、14#、15#、11#、11-1#煤層也有個別點達到可采厚度。在勘查過程中，本研究綜合采用了煤層層間距、標志層、煤巖特征、煤質特征、巖礦特征、古生物特征和地球物理測井曲線等資料進行了煤層對比和命名，證實此次煤層對比依據充分，煤層對比結果正確可靠。

3 煤質特征

礦區可對比的煤層共有12層，可分為上煤組和中煤組。上煤組為上三疊統須家河組第七段(T3xj7)，由外連煤層、內連煤層、底連煤層和25#、24#、23#、22-1#、22#煤層組成；中煤組為上三疊統須家河組第五段(T3xj5)，由11#、12#、14#、15#煤層組成。其中，外連、內連煤層為區內主采煤層，14#煤層為局部可采煤層。

3.1 煤的物理性質

(1)外連煤層。呈黑色，條痕為棕黑—黑色，瀝青光澤—玻璃光澤，參差狀及階梯狀斷口，線理狀結構，以塊狀構造為主，次為層狀構造，硬度較大，裂隙不發育。

(2)內連煤層。呈深黑色，條痕為黑色，玻璃光澤，參差狀斷口，條帶狀結構，以塊狀構造主，次為層狀構造，性脆，裂隙發育，多為方解石脈充填。

(3)底連煤層。呈深黑色，條痕為黑色，玻璃光澤，參差狀斷口，煤層以塊狀構造為主，次為層狀構造。

(4)14#煤層。呈深黑色，條痕棕黑—黑色，瀝青光澤—玻璃光澤，參差狀斷口，呈條帶狀結構，塊狀構造。

3.2 宏觀煤巖類型

(1)外連煤層。上部煤巖組分以暗煤為主，光澤暗淡，夾少量鏡煤和絲炭的透鏡體線理，屬暗淡煤；下部煤巖組分以暗煤為主，光澤較弱—較強，亮煤次之，局部夾鏡煤條帶，屬半暗—半亮煤。

(2)內連煤層。煤巖組分以亮煤為主，光澤較強，夾鏡煤、暗煤、絲炭薄層，呈條帶狀結構，屬半亮煤。

(3)底連煤層。煤巖組分以亮煤為主，局部夾鏡煤條帶，屬半亮煤。

(4)14#煤層。一般上分層中亮煤與暗煤約各占1/2，下分層以亮煤為主，暗煤次之，光澤較弱—較強，煤中夾薄層褐色硬質黏土巖。該煤層上部屬半暗煤，下部屬半亮煤。

3.3 顯微煤巖組分

本研究在鉆孔中共采集了4件煤巖樣品進行了化驗分析。結果表明：礦區內所測煤層有機組分中的主要成分為鏡質組，次為惰質組，殼質組少量；鏡質組以均質鏡質體、基質鏡質體為主，碎屑鏡質體次之；惰質組以絲質體、半絲質體為主[8]，微粒體、惰屑質體次之；外連煤層有機組分含量為83.7%，無機組分含量為16.3%，最大反射率為1.136；內連煤層有機組分含量為74.4%～81.9%，平均為78.15%，無機組分含量為18.1%～25.6%，平均為21.85%，最大反射率為1.011～1.106 3，平均為1.040；底連煤層有機組分平均含量為55.8%，無機組分平均含量為44.2%，最大反射率為1.096；內連及底連煤層的有機組分含量均低于外連煤層有機組分含量，無機組分含量均高于外連煤層無機組分含量。

3.4 水 分

外連煤層原煤水分含量為0.37%～1.07%，平均為0.67%，浮煤水分含量為0.37%～1.05%，平均為0.82%；內連煤層原煤水分含量為0.27%～1.27%，平均為0.83%，浮煤水分含量為0.40%～1.05%，平均為0.85%；14#煤層原煤水分含量為0.64%～1.16%，平均為0.89%，浮煤水分含量為0.43%～1.15%，平均為0.89%。

3.5 灰分產率(Ad)

外連煤層原煤灰分產率為9.55%～59.02%，平均為30.37%，為中灰煤；內連煤層原煤灰分產率為5.60%～36.54%，平均為17.39%，為低灰煤；14#煤層原煤灰分產率為31.09%～38.63%，平均為35.23%，為中高灰煤；外連煤層浮煤灰分產率為5.21%～11.73%，平均為9.08%，為特低灰煤；內連煤層浮煤灰分產率為4.98%～11.14%，平均為7.96%，為特低灰煤；14#煤層浮煤灰分產率為7.39%～14.01%，平均為10.52%，為低灰煤。

3.6 揮發分(Vdaf)產率及CO2含量

本研究試驗所采用的揮發分產率計算公式以浮煤900 ℃值為準，得出的外連浮煤揮發分產率為30.53%～36.04%，平均為33.36%；內連浮煤揮發分產率為30.65%～34.40%，平均為32.46%；14#煤層浮煤揮發分產率為27.35%～30.75%，平均為29.04%；上述煤層均為中高揮發分煤。根據6件煤樣的二氧化碳(CO2)含量測試結果可知，樣品中CO2含量最低為0.99%，最高為1.27%，平均為1.15%，未超過2%，故未校正揮發分產率。

3.7 硫分(S)

(1)全硫(St,d)。外連煤層原煤全硫含量為0.19%～0.60%，平均為0.45%，為特低硫煤；內連煤層原煤全硫含量為0.34%～1.22%，平均為0.54%，為低硫煤；14#煤層原煤全硫含量為0.44%～0.46%，平均為0.45%，為特低硫煤；外連煤層浮煤全硫含量為0.40%～0.62%，平均為0.52%，為低硫煤，具有西翼向東翼逐漸增大的趨勢；內連煤層浮煤全硫含量為0.42%～1.03%，平均為0.55%，為低硫煤，具有西翼向東翼逐漸減小的趨勢；14#煤層浮煤全硫含量為0.51%～0.69%，平均為0.58%，為低硫煤。本研究對煤層硫分按實測的干基高位發熱量對基準發熱量進行了折算，煤層折算后的平均硫分含量為0.67%(底連煤層)～1.417%(14#煤層)，較折算前的硫分降低了0.17%(外連煤層)～0.19%(14#煤層)，浮煤全硫脫硫率為67%，脫硫效果中等。

(2)形態硫。外連、內連、14#煤層原煤、浮煤全硫組成均以硫鐵礦硫(Sp,d)、有機硫(So,d)為主，硫酸鹽硫(Ss,d)含量甚微。

3.8 恒容干燥基高位發熱量(Qgr,d)

外連煤層原煤發熱量為13.77～31.85 MJ/kg，平均為24.27 MJ/kg，屬中發熱量煤，具有西翼向東翼逐漸減小的趨勢，東翼均為高發熱量煤；內連煤層原煤發熱量為21.90～33.73 MJ/kg，平均為28.96 MJ/kg，屬高發熱量煤，除了局部為特高發熱量煤外，其余均為高發熱量煤；14#煤層原煤發熱量為20.14～22.95 MJ/kg，平均為21.69 MJ/kg，屬中發熱量煤；外連煤層經洗選后，浮煤發熱量增高，為35.06～36.11 MJ/kg，平均為35.40～35.79 MJ/kg，屬特高發熱量煤，礦區內無明顯的變化趨勢；內連煤層經洗選后，浮煤發熱量增高，為35.41～36.11 MJ/kg，平均為35.79 MJ/kg，屬特高發熱量煤，礦區內無明顯的變化趨勢；14#煤層經洗選后，浮煤發熱量增高，為35.11～35.81 MJ/kg，平均為35.40 MJ/kg，屬特高發熱量煤，礦區無明顯的變化趨勢。

4 結 論

(1)金剛礦區主要的含煤層位為上三疊統須家河組第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)，且須家河組第七段(T3xj7)為礦區最主要的含煤層位，煤層較好區分，含煤性較穩定。

(2)礦區以亮煤為主，暗煤次之。亮煤光澤較強，夾鏡煤、暗煤、絲炭薄層，暗煤光澤暗淡，夾少量鏡煤和絲炭的透鏡體線理。

(3)煤層原煤水分平均小于0.9%，揮發分(Vdaf)產率平均為29.04%～33.36%，CO2含量不超過2%，煤層折算后的平均硫分含量比折算前的硫分降低0.17%～0.19%，浮煤全硫脫硫率為67%，脫硫效果中等。