山西離柳礦區(qū)不同程度風(fēng)氧化煤物質(zhì)元素及測(cè)井響應(yīng)分析

李風(fēng)明

（山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院有限公司，山西 太原 030006）

隨著對(duì)風(fēng)氧化煤研究程度的不斷加深，不同地區(qū)對(duì)風(fēng)氧化煤的研究、判定有著不同的認(rèn)識(shí)，然而風(fēng)氧化煤的特征具有區(qū)域性，不同煤質(zhì)、埋深、頂?shù)装鍘r性、地層富水性等都會(huì)對(duì)風(fēng)氧化煤產(chǎn)生不同影響。本文所研究的離柳礦區(qū)風(fēng)氧化煤賦存狀態(tài)變化較大，其風(fēng)氧化程度及特點(diǎn)僅憑經(jīng)驗(yàn)難于區(qū)分辨別，為此根據(jù)區(qū)內(nèi)風(fēng)氧化煤巖芯編錄、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，研究了該區(qū)不同風(fēng)氧化煤主要可燃有機(jī)質(zhì)元素（主要為碳、氫、氧）、發(fā)熱量、主要組分間的關(guān)系以及測(cè)井曲線響應(yīng)等特征[1-6]，為風(fēng)氧化煤的判定、風(fēng)氧化過程中所發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)的研究提供更多基礎(chǔ)性認(rèn)識(shí)。

1 風(fēng)氧化煤的分布及成因

我國(guó)的風(fēng)化煤儲(chǔ)量比較豐富，主要分布在山西、內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江、河南等地。風(fēng)化煤和氧化煤從煤的組成性質(zhì)上來說沒有嚴(yán)格的界限，主要是原煤受到風(fēng)化或氧化作用，使原煤的有機(jī)質(zhì)遭到大量破壞，碳、氧、氫及灰分含量發(fā)生了明顯變化。

風(fēng)氧化煤的成因一般主要有兩種：

（1）由于構(gòu)造、含水層等原因使煤接觸到大量水分或氧氣，從而導(dǎo)致煤層發(fā)生了一系列物理化學(xué)變化。

（2）由于煤層露頭或淺埋于地表，使煤長(zhǎng)期直接或間接受到大氣活動(dòng)的影響，從而緩慢發(fā)生了風(fēng)化和氧化作用。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

2.1 位置與主要構(gòu)造

研究區(qū)位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣河?xùn)|煤田中段離柳礦區(qū)東部邊緣，地表大部為黃土覆蓋。構(gòu)造總體為一向西傾斜、并伴有次一級(jí)起伏的單斜構(gòu)造，褶曲表現(xiàn)為5 條寬緩的褶皺，斷層目前發(fā)現(xiàn)有115條，落差在0.3～7.0 m 之間。

2.2 主要含煤地層

研究區(qū)主要含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，其中太原組主要穩(wěn)定可采煤層為6 號(hào)煤（平均厚1.13 m）和10 號(hào)煤（平均厚6.23 m），7、8號(hào)煤零星可采；山西組主要可采煤層為4 號(hào)煤（平均厚0.93 m），5 號(hào)煤零星可采。

2.3 風(fēng)氧化煤分布特征

根據(jù)已有的地質(zhì)資料，該區(qū)風(fēng)氧化煤主要分布在礦區(qū)東南部，其余地方偶見風(fēng)氧化煤，無(wú)明顯規(guī)律性。根據(jù)鉆孔ZK9-2、ZK10-2、ZK10-3、補(bǔ)1、補(bǔ)2及補(bǔ)3資料，礦區(qū)東南部風(fēng)氧化煤主要為4號(hào)煤、6 號(hào)煤、8 號(hào)煤，局部為10 號(hào)煤，風(fēng)氧化最嚴(yán)重的為補(bǔ)2 孔的4 號(hào)、6 號(hào)、8 號(hào)及10 號(hào)煤，其余5 個(gè)鉆孔4 號(hào)、6 號(hào)、8 號(hào)煤有中度或輕度風(fēng)氧化現(xiàn)象，補(bǔ)4 孔煤層基本接近正常煤層。

3 不同風(fēng)氧化煤煤質(zhì)實(shí)驗(yàn)及測(cè)井曲線分析

研究數(shù)據(jù)采用具有代表性且取芯與煤層檢測(cè)都較為完整的補(bǔ)2、補(bǔ)3、補(bǔ)4 等3 個(gè)鉆孔17 個(gè)煤樣數(shù)據(jù)，其中補(bǔ)2 孔風(fēng)氧化最嚴(yán)重，補(bǔ)3 孔風(fēng)氧化為中度或輕度，補(bǔ)4 孔基本為正常煤層。化驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 煤質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表1，煤層風(fēng)氧化程度較高的補(bǔ)2 孔灰分（Ad）含量、氧元素（Odaf）含量明顯高于補(bǔ)3 孔、補(bǔ)4 孔，而固定碳（FCd）含量、高位發(fā)熱量明顯低于補(bǔ)3 孔、補(bǔ)4 孔，水分含量（Mad）、揮發(fā)分含量（Vd）（補(bǔ)2 孔個(gè)別煤層含量較高）、干燥無(wú)灰基C、H、N 元素含量均沒有明顯區(qū)別。

3.1 煤層發(fā)熱量、碳、氫、氧、氮間關(guān)系

為研究不同風(fēng)氧化程度煤層各特征指標(biāo)之間的關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比,如圖1。

圖1 高位發(fā)熱量Q、Cdaf、Hdaf、Odaf、Ndaf 矩陣關(guān)系圖（單位Q 為：MJ/kg；其余為：%）

由圖1 可知，風(fēng)氧化煤干燥無(wú)灰基的碳、氧，碳、氫，氧、氫之間有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.991、0.809、0.825；碳、氫、氧與氮含量的相關(guān)系數(shù)R2低于0.30，碳、氫、氧均與氮沒有明顯的線性關(guān)系；高位發(fā)熱量與碳、氫、氧含量有較好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.855、0.682、0.851。經(jīng)曲線擬合與多元線性回歸得到：

式中：Cdaf、Odaf、Hdaf、Ndaf分別為干燥無(wú)灰基碳含量（%）、氧含量（%）、氫含量（%）、氮含量（%），Q為原煤高位發(fā)熱量（MJ/kg）。

3.2 煤的固定碳、灰分、揮發(fā)分間關(guān)系

由圖2 可知，不同風(fēng)氧化程度煤的空氣干燥基的固定碳與灰分有較好的線性關(guān)系（R2=0.981）；揮發(fā)分與固定碳及灰分沒有明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.220、0.117。經(jīng)曲線擬合得到：

圖2 FCd、Ad、Vd 矩陣關(guān)系圖（%）

式中：Ad、FCd分別為空氣干燥基灰分含量（%）、固定碳含量（%）。

3.3 測(cè)井響應(yīng)分析

因研究區(qū)部分鉆孔煤系井段無(wú)井液，因此主要對(duì)補(bǔ)償密度及自然伽馬曲線進(jìn)行了分析。

如圖3，補(bǔ)2 孔4 層煤在交會(huì)圖中密度與自然伽馬均表現(xiàn)為較分散，尤其是密度具有低值異常較明顯；補(bǔ)3、補(bǔ)4 孔在交會(huì)圖上沒有明顯異常，僅表現(xiàn)為補(bǔ)3 孔自然伽馬較補(bǔ)4 孔更分散一些。說明隨著煤層風(fēng)氧化程度加重密度會(huì)變低，自然伽馬也會(huì)隨著含泥量的增加而變大，但這之間沒有一個(gè)清晰的界限。

圖3 補(bǔ)償密度與自然伽馬交會(huì)圖

綜上所述，煤在風(fēng)氧化過程中隨著有機(jī)質(zhì)被破壞，碳、氫元素含量降低，氧元素含量升高，高位發(fā)熱量降低，灰分含量升高。從測(cè)井曲線來分析，隨著煤層風(fēng)氧化加劇，其密度緩慢變小，自然伽馬會(huì)局部或整體增高，但僅憑常規(guī)測(cè)井曲線難于判定煤層是否被風(fēng)氧化，風(fēng)氧化煤與正常煤之間沒有明顯界限，從表1 可以較清楚地得出，隨著煤層風(fēng)氧化程度增加，Odaf含量逐漸增高，Odaf含量對(duì)煤層風(fēng)氧化程度有著較強(qiáng)指示性。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)氧化煤高位發(fā)熱量、碳、氫、氧含量之間具有較好的線性關(guān)系。

（2）風(fēng)氧化煤固定碳與灰分含量之間具有較好線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.981。

（3）單憑常規(guī)測(cè)井曲線很難定性煤層是否被風(fēng)氧化。

（4）Odaf含量對(duì)煤層風(fēng)氧化程度有著較強(qiáng)指示性。