青龙煤矿煤系沉积环境及煤质变化规律浅析

郑 建 段杜娟 贾楠生

（兖矿东华地矿建设分公司，山东 邹城 273500）

1 煤矿概况

青龙煤矿位于贵州省黔西县城以东约17km，隶属于黔西县谷里镇所辖。青龙煤矿面积20.6503km2（图1），可采量9102.4万t，设计生产能力120万t/a，服务年限54a，斜井开拓，走向长壁后退式采煤。

青龙煤矿于2003年6月建井，2007年底正式投产。截至2018年底，青龙煤矿保有资源储量约2.7亿t，现开采煤层为16、18煤层。井田内出露的地层自老至新有：二叠系中统茅口组、上统峨眉山玄武岩组、龙潭组、长兴组，三叠系下统夜郎组、茅草铺组及第四系。按岩性组合，煤系地层龙潭组划分为下段和上段两段，上下组煤以18煤层底板为界，以上称之为上组煤，之下为下组煤。龙潭组含大部可采和局部可采煤层7层，主要可采煤层为16煤层和18煤层（该两层煤层均以中厚煤层为主）。各煤层为中低灰分，特低挥发分，中高硫～高硫分煤，中高热值～特高热值煤。

图1 青龙煤矿范围及相对位置图

2 煤系沉积环境分析

青龙煤矿位于黔北煤田中部，构造上处于北东向的格老寨背斜的北西翼，其构造特点与黔北煤田的构造格局相一致。井田地层整体为一单斜构造，局部伴有小型褶曲构造。青龙煤矿含煤岩系系海陆交互相含煤建造，为一套海陆交互相的碎屑岩、碳酸盐岩含煤沉积。井田的形成受西部路源河流的控制，矿区位于古河流入海口处，聚煤作用整体以超覆式海进成煤为主，煤层直接顶板或间接顶板普遍发育有薄—中厚层石灰岩。燕山运动对该区地层的影响主要表现为以褶曲构造为主，煤系及上覆地层的剥蚀和保存主要受控于区域内褶曲构造—格老寨背斜，致使格老寨背斜核部剥蚀茅口组灰岩出露，背斜核部附近各地层保留不完整，燕山运动控制了青龙煤矿含煤地层保存状态。喜马拉雅运动对该区的影响主要表现为以大型断裂构造为主，从而形成了矿井的自然边界（如青龙煤矿西部边界F1、F2断层，西南部F3断层等）。

在煤系地层沉积的前期，本区位于峨眉山玄武岩溢流区的边缘地带，茅口组灰岩地层上部普遍沉积有峨眉山玄武岩组地层，受基底不平的影响，青龙煤矿区域峨眉山玄武岩地层厚度差别较大，井田北部沉积缺失，10勘探线以南逐渐变厚，最大揭露厚度66.0m（未揭穿）。该地层岩性以深灰、深灰绿色凝灰岩为主，为华力西运动过程中峨眉山地区地幔基性岩浆喷溢而出，或火山爆发弥漫的火山灰沉积而成。峨眉山玄武岩组地层的堆积为含煤岩系沉积起到基底填平的作用。之后，该区地层进入缓慢下沉阶段，陆源碎屑物开始不断堆积，植被也开始繁茂，植物遗体开始堆积，开始沉积发育薄煤层（30煤层），但成煤作用不强烈，煤层普遍较薄、灰分大且含多层夹矸，厚度变化大（图2）。之后矿床进入海进期，煤系地层之上发育泥灰岩（L14），泥灰岩中含多种动物化石。之后再一次进入小的海退期，据有关学者研究显示，该区可详细划分为25个小旋回，沉积旋回与煤层、石灰岩编号相一一对应。成煤作用的早期煤层普遍发育较薄，多为局部可采的薄煤层或不可采煤层。

16、18 煤层的形成是在成煤作用的中期河流三角洲平原区，植被繁茂程度、路源碎屑物的搬运强度、地层下降速度等为泥炭的堆积提供了时间和空间，为16、18煤层的形成奠定了良好的基础。

成煤作用后期，地层下降速度变快，不利于泥炭的堆积，在海相环境中沉积的一灰、二灰等标志层具有比其他煤系中灰岩厚度大、纯度高的特点，灰岩下含煤一般较薄、不可采，甚至无煤层赋存。成煤作用之后，煤田完全进入海平面之下，沉积形成长兴组灰岩地层（含丰富的燧石条带，16煤层上距长兴组灰岩底29.10～75.43m，平均54.36m）。

图2 30号煤层厚度等值线图

3 煤层煤质特征分析

（1）煤层挥发分和煤类

本区龙潭组煤层浮煤挥发分产率均小于10%（图3），属特低挥发分煤，煤的类型为无烟煤3号。促使煤的变质程度较高的主要原因是本区煤矿床受深成变质作用的影响，由于含煤岩系下部煤层或煤组经受的温度和压力大于上部，煤的挥发分产率含量在垂向上表现为变低的趋势（16煤层浮煤挥发分产率7.17%，各煤层中最高；30煤层浮煤挥发分产率6.33%，各煤层中最低），因而下部煤的变质程度也高于上部。这种煤变质依沉降深度而呈现的规律性变化，即煤变质的垂直分带符合希尔特规律的结论。本区龙潭组在燕山运动期存在过中温热液活动，造成本区古地温梯度偏高（地温梯度大于3℃/100m），为煤的变质奠定了温度的基础。

按中国煤炭分类国家标准（GB/T 5751-2009）划分，本井田各煤层均属于高变质类无烟煤。

（2）灰分

16煤层原煤平均灰分产率21.10%，属中灰煤；17、18煤层原煤平均灰分16.63%和17.68%，均属低灰煤（图3）。经-1.5密度液洗选后，各煤层浮煤平均灰分均属特低灰煤，脱灰率50%～56%。

其他煤层：22、24煤层原煤平均灰分均属中高灰煤，27、30煤层原煤平均灰分均属中灰煤；22、24煤层原煤变化在低灰～高灰煤之间，30煤层变化在中灰～中高灰煤之间，27煤层变化在低灰～中高灰煤之间。经-1.5密度液洗选后，各煤层浮煤平均灰分均属特低灰煤，脱灰率56%～72%。

煤中的灰分是煤燃烧剩下的残渣，煤中矿物质的来源有3种：原生矿物质、次生矿物质、外来矿物质。从青龙煤矿可采煤层脱灰效果看，煤层中的灰分以外来矿物质为主，可用选煤方法除去。煤中灰分高的原因是受沉积期陆源碎屑物搬运影响，携带外来矿物质成分较多。

（3）硫分

主采煤层：16、17、18煤层原煤硫分平均值均为中高硫煤，含量分别为2.69%，2.67%，2.32%，煤层变化于特低硫～高硫煤之间（图3）。经过-1.5密度液洗选后，全硫含量均有所降低，16、18煤层平均值均降为低硫煤，脱硫系数分别为0.60、0.63，17煤层降为中硫煤，脱硫系数0.51。其他煤层：22、24、27、30煤层原煤硫分平均值属中高硫～高硫煤，含量分别为3.1%，2.92%，3.6%，5.61%，煤层变化于中硫～高硫煤之间。经过-1.5密度液洗选后，全硫含量均有所降低，22、24、27、30煤层平均值均降为中硫煤。16、17、18煤层原煤硫分均以黄铁矿硫为主，次为有机硫；16、18煤层浮煤则以有机硫为主，次为硫铁矿硫。17煤层硫化物硫略高于有机硫。硫化物硫易洗选，其脱硫系数0.76～0.88，有机硫难以洗选，脱硫系数均为负值，硫酸盐硫含量极少，脱硫效果极好，为0.81～0.97。硫的赋存状态以微粒状、球粒状、微晶粒状、结核状为主。其他各煤层原煤硫分以硫铁矿硫为主，次为有机硫；各煤层浮煤则以有机硫为主，次为硫铁矿硫。

图3 青龙煤矿各煤层原煤煤质特征变化曲线图

青龙矿区各煤层中下组煤原煤硫分含量普遍比上组煤要高，分析原因是下组煤处于成煤作用的前期，受煤层沉积期海水以及峨眉山玄武岩浆期后热液的双重作用造成的；这2种作用提供了大量的铁离子与硫离子，是煤中高硫、高黄铁矿的物质基础，而且岩浆期后热液活动较为强烈，导致煤层中后生黄铁矿也较为发育，海水的进退导致各主采煤层中硫的分布特征在垂向和平面上都具有明显的差异性。上组煤处于成煤作用的中晚期，盆地周边富含铁离子与硫离子的碎屑物已得到充分冲刷沉积，其含量也越来越少，从勘探施工的钻孔岩芯上分析，下组煤各煤层、顶底板间的泥岩、泥质粉砂岩中的黄铁矿可见粒度较大的结核，其含量普遍要比上组煤的高。

4 结论

青龙煤矿含煤岩系系海陆交互相含煤建造，为一套海陆交互相的碎屑岩、碳酸盐岩含煤沉积。井田的形成受西部路源河流的控制。康滇古陆对成煤作用贡献最大，是煤田最主要的陆源供给区，燕山运动控制了青龙煤矿含煤地层保存状态，喜马拉雅运动过程中形成了矿井的自然边界。

青龙煤矿各煤层均属高变质无烟煤，浮煤挥发分产率均低于10%，煤层变质程度随埋深的增加有一定的相关关系，分析其主要原因是本区煤矿床受深成变质作用影响叠加了中温热液变质作用。

各煤层煤中灰分以外来矿物质为主，较易脱除，高灰分受沉积期陆源碎屑物携带矿物质较多造成的。各煤层硫分普遍较高，下组煤硫分高于上组煤，原因是受煤层沉积期海水以及峨眉山玄武岩浆期后热液的双重作用造成的。