掌石沟煤矿煤岩煤质特征综合分析

李 洁

(山西省煤炭地质114勘查院，山西 长治 041600)

0 引言

掌石沟煤矿经历了多年的地面地质勘查，目前已经进入矿井生产阶段，在地质勘查阶段、矿井生产阶段积累了大量的煤岩煤质测试化验、水文地质、工程地质以及其他开采技术条件相关的地质资料。如何合理的利用这些资料，让其更好地为矿井的开采设计、煤炭资源的加工利用以及矿井安全生产提供参考，实现地质资料的最大化利用是矿井地质工作所面临的一项重要工作。

目前国内外相关的研究现状可以归纳为，地质勘查阶段煤岩煤质特征分析、勘查与生产阶段的探采对比研究[1-5]、单一的水文地质[6-10]、工程地质[11]和其他开采技术条件地温[12]、瓦斯煤层气[13]的研究以及勘查与开采相结合的煤质特征及其开采技术条件的综合研究[14]。但是，针对掌石沟煤矿尚未开展过煤质及其开采技术条件的综合研究。

1 地质概况

1.1 煤岩系特征

矿井概况：掌石沟煤矿位于沁水煤田东翼南部的高平矿区，如图1所示，属于华北石炭二叠纪煤田[15]。区域地层总体走向近NE，倾向NW。地质调查及钻探揭露区内由东向西依次出露有奥陶系马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、石盒子组、石千峰组和三叠系刘家沟组以及第四系黄土层等地层。其中本溪组是煤系地层的沉积基地，石炭-二叠系的太原组、山西组是区内主要的含煤岩系，石盒子组至黄土是沉积盖层。太原组钻探揭露地层厚度0～86.27 m，平均84.92 m；岩性以黑色、灰黑色泥岩、砂质泥岩与浅灰、灰色砂岩、石灰岩及煤层互层组成。

图1 掌石沟煤矿相对位置

可采煤层：含编号煤层5、6、8-1、8-2、9、10、11、12、13、14、15号煤层11层，含煤厚度0～8.72 m，含煤系数为9.33%，可采含煤系数6.9%。其中9、15号煤层全区可采，其他为局部可采煤层或不可采煤层。9号煤层厚度1.28～1.88 m，平均厚1.54 m；15号煤层厚度3.05～4.75 m，平均4.03 m；山西组地层厚度为0～38.15 m，平均22.15 m；岩性由灰黑-浅灰色泥岩、砂质泥岩、泥质细粒砂岩、灰白色中、细粒砂岩及煤层组成，含编号煤层2层，即1、3号煤层，其中3号煤层为全区可采煤层，煤层厚度1.60～6.00 m，平均4.44 m；其他为局部可采或不可采煤层。上述煤层根据每次厚度、在煤矿内的赋存范围、煤层结构、煤类等综合评价为局部-大部分可采的不稳定-稳定煤层。

1.2 岩性及水文地质

研究区的中部背斜轴部和东部隆起区域内煤系遭受剥蚀，残存部分，太原组形成于滨海三角洲沉积环境，而山西组形成于河流三角洲沉积环境。煤层顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主，粉砂岩次之，局部为中-细粒砂岩，顶板的抗压强度低，属于极软岩-软岩类，属于不稳定性顶板。矿井正常涌水量为37.5 m3/h，最大矿井涌水量为56.3 m3/h，顶板砂岩含水层是矿井直接充水含水层，矿井水文地质类型中等。煤矿总体构造简单，呈近南北向的单斜构造，地层倾角3°～8°。矿区内未发现陷落柱。矿区内未见岩浆岩侵入，因此矿井地质构造复杂程度属简单类。

2 煤质特征

重点对矿井内的主要可采煤层3、9、15号煤3层煤进行研究分析，通过现场钻探取心和井下工作面煤壁宏观煤岩类型观测与描述以及显微煤岩样品的采集测试。

2.1 煤岩分析

煤岩特征：宏观煤岩观测结果表明各煤层以半亮型-半暗型煤为主，其中3号煤含有较多的暗淡型煤，15号煤含有光亮型煤透镜体。煤层的光泽以玻璃光泽或强玻璃光泽为主，具丝绢光泽和油脂光泽；煤层内生节理和次生节理较发育，具中、细条带状，线理状和透镜状结构，贝壳状和阶梯状新口；裂隙被黄铁矿散晶、方解石细脉、石英等矿物填充。

显微煤岩特征：显微煤岩观测统计结果见表1。3号煤层镜质组含量为89.0%，惰质组为9.5%，少量壳质组为1.5%；9号煤层镜质组含量为78.0%，惰质组含量为22.0%。矿物质含量不高，含量为16.3%，多为分散状的粘土，有的呈层状分布，也有的呈浸染状、充填状等等。有少量黄铁矿结核；15号煤层镜质组含量为87.9%，惰质组含量为12.1%。矿物含量不高，含量为8.1%，多为分散状的粘土，有的呈层状分布，也有的呈充填状、浸染状等，含有少量的细晶状黄铁矿，有个别黄铁矿结核状。这3层煤层的显微煤岩组分中有机矿物含量相差不大，相比而言，镜质组含量煤层从高到低为3号、15号、9号；惰质组含量煤层从高到低为9号、15号、3号；惰质组9号煤层最高，15号煤层相差不大。无机矿物组分中总含量相差不大，相比9号煤层最高，3号煤层次之，15号煤层最低；无机矿物组分以黏土、硫化铁为主。镜质体最大反射率相差不大，具有煤层编号由上向下逐渐增大的特征。这3层编号煤层显微煤岩类型均属于微镜惰煤，反映了中煤级煤Ⅶ-高煤级煤Ⅰ的煤变质阶段的特征。

表1 各煤层显微煤岩组分特征

2.2 煤的工业分析

根据地面钻孔和井下工作面采集的3、9、15号3层煤层的44个煤样，对44个煤样进行煤的工业分析、元素分析、有害元素、发热量碳、煤的工艺性能等测试化验，并按照现行的相关的国家规范、行业标准进行评价，煤的工业分析结果见表2。

表2 各煤层工业分析特征

全水分含量：各煤层原煤的全水分含量为0.52%～3.40%，平均1.76%，各煤层的原煤水分含量相差不大，总体上属于低水分煤，其中3号煤层含量最高、15号煤层最低，具有随煤层埋深增加原煤水分含量降低的特征，与煤的变质程度呈负相关性，相关性显著，如图2(d)所示；经浮选后各煤层的浮煤全水分含量相差不大，且水分有一定程度降低。

灰分含量：各煤层原煤灰分14.30%～34.18%，平均19.31%，总体上属于中灰-中高灰分煤，相比而言9号煤层的灰分较高，煤层的灰分具有随着埋深的增加灰分含量先升高后降低的规律，如图2(b)所示；浮煤的灰分含量均小于10%，因此，经洗选后各煤层的灰分可以大幅度的降低，可以满足精煤对灰分的要求。

挥发分含量：各煤层原煤挥发分9.14%～14.96%，平均10.48%，为特低挥发分煤，各煤层挥发分相差不大，相比而言9号煤层最高，由上向下灰分先增大后降低，与灰分的变化具有一致性，如图2(e)所示。

图2 煤岩组分及工艺分析特征

原煤固定碳(FCd)含量：各煤层的原煤固定碳(FCd)含量变化在74.13%～78.76%，平均75.87%，属中固定碳-高固定碳煤。

2.3 煤的元素分析

分析煤中的常规元素碳、氢、氧、氮和有害元素硫、磷、氟、氯、砷等元素，结果如图2、见表3。

表3 各煤层有害元素分析特征

常规元素：各煤层中原煤与浮煤的元素分析结果相差不大，浮煤的碳元素含量为90.49%～92.43%，平均91.92%；氢元素含量为3.66%～3.71%，平均3.68%；氧元素含量为3.08%～3.50%，平均3.29%；氮元素含量为1.30%～1.43%，平均1.41%。

有害元素：①硫元素。各煤层中有害元素以硫元素为主，而硫元素中以硫化铁类无机硫为主，有机硫次之，同时含有少量的硫酸盐硫，总体上各煤层中原煤的硫分含量<3%，总体上属于低硫-高硫煤，局部地段存在个别的特高硫异常点；浮煤的硫分较原煤有所降低，体现了无机硫的特征。因此，对于原煤经过洗选可以降低煤中硫分，满足销售用煤的要求；②硫分。煤层中9号煤层的硫分含量最高、15号煤层次之、3号煤层最低，反映了区内由15号煤层向9号煤层海侵过程，9号煤层值3号煤层区域性海退，由海陆交互相沉积环境向陆相河流三角洲沉积环境演化过程；③其他有害元素磷元素。各煤层原煤磷(Pd)含量介于0.003%～0.022%，均属于特低磷-低磷煤，相比而言3号煤层最高、15号煤层次之、9号煤层最低；氟元素(F)含量为80×10-6～319×10-6，15号煤的含量最高，属于低氟煤；氯元素含量为0.023%～0.046%，均为特低氯煤；砷元素含量在1×10-6～4×10-6，均为一级含砷煤。

2.4 煤的工艺性能

煤灰成分：各煤层的灰成分以酸性的二氧化硅、三氧化二铝为主，占煤灰成分的70.0%以上，其次为碱性的三氧化二铁、氧化钙、氧化镁等。经过计算，各煤层中3号煤的碱酸比为0.22，结渣指数为0.48，结污指数为0.10；9号煤层碱酸比为0.21，结渣指数为0.46，结污指数为0.07；15号煤层碱酸比为0.28，结渣指数为0.63，结污指数为0.17。各煤层煤灰成分含量不同，其煤灰软化温度(ST)也不等，因此，按《MT/T 853—2000》煤灰熔融性分级标准测试，各煤层均属较高软化温度灰，见表4。

表4 各煤层工艺性能特征

其他指标：①各煤层哈氏可磨性指数为43～68，属较难磨-中等可磨煤。②各煤层对CO2的反应性试验为9号、15号煤层煤对CO2反应性较低。③经测定，当鼓风强度为0.3 m/s时，3煤层的煤灰结渣率为25.0%，9号煤层煤灰结渣率为22.0%，属中等结渣煤。15号煤层煤灰结渣率为0～10.4%，均属难结渣-中等结渣煤。④各煤层的原煤Qgr，d发热量为22.632～31.580 MJ/kg，平均27.958 MJ/kg；浮煤的Qgr，d发热量为31.222～33.276 MJ/kg，平均32.096 MJ/kg；各煤层属于中高-特高发热量煤。浮选后煤层的发热量显著提高，如图2(f)所示。

2.5 洗选特征

煤层可选性：以15号煤层为例，采用±0.1含量法评价，假定精煤灰分为8.0%，理论分选比重为1.47，扣除沉矸后的±0.1含量为70.7%，为极难选。假定精煤灰分为9.0%，理论分选比重为1.51，扣除沉矸后的±0.1含量为54.2%，为极难选。假定精煤灰分为10.0%，理论分选比重为1.60，扣除沉矸后的±0.1含量为10.1%。可选性评价按照GB/T 16417—2011的规定执行，编绘15号煤层可选性曲线，如图3所示，将其评定为中等可选。

图3 15号煤层的13～0.5 mm可选性曲线

浮选回收率：煤层经过1.5比重液洗选后浮煤回收率分别为：3号煤层为28.63%～71.39%，平均50.01%；9号煤层浮煤回收率为40.74%～63.83%，平均为50.06%；15号煤层浮煤回收率为33.98%～86.00%，平均61.89%，各煤层的浮选回收率均属良等。

煤类划分：各煤层的煤类按照中国煤炭分类国家标准GB 5751—2009进行，以浮煤挥发分产率900 ℃(Vdaf)测定值为主要分类指标，浮煤氢为辅助指标划分煤类，各煤层均属于无烟煤三号(WY3)。

无烟煤分类：煤矿的内各煤层可以作为动力用煤和民用用煤，灰分、硫分等局部煤层的局部区域较高可以通过配煤或者是洗选后达到降灰和降硫，完全可以满足精煤要求。

2.6 风氧化特征及自燃倾向性

风氧化特征：煤矿内有3号、9号和15号煤层在西部存在露头或隐伏露头，露头线一带存在煤的风化和氧化现象。根据风氧化带深度探查施工的4个钻孔结合矿井生产揭露各煤层的腐植酸含量分别为7.32%、8.96%和10.32%，为低腐植酸煤，而施工的其他钻孔揭露的3号、9号和15号煤层埋藏较深，从各项煤质化验指标显示煤层正常，未发现煤的风化和氧化现象，因此，综合分析将煤矿的风氧化带划分从煤层露头线至基岩界面以下小于25 m埋深的煤层范围，煤层露头线以勘探线剖面露头点连线确定，划定的风氧化带水平宽度50 m。

爆炸性、自燃倾向性：根据钻孔和井下工作面采集的煤岩进行测试分析，结果显示：①各煤层的火焰长度为0 mm，扑灭火焰岩粉量为0，因此，各煤层的煤尘无爆炸危险性；②3号煤层全硫含量为0.31%～0.36%，吸氧量为0.98～1.22 cm3/g，自燃等级为Ⅲ，属不易自燃煤层；9号煤层吸氧量为0.95～1.20 cm3/g，自燃倾向等级为Ⅰ～Ⅱ类，属于容易自燃-自燃煤层；15号煤层全硫含量为2.98%～3.83%，吸氧量为0.99～1.08 cm3/g，自燃等级为Ⅰ～Ⅱ，属于容易自燃-自燃煤层。

3 结论

(1)掌石沟煤矿内发育山西组、太原组含煤岩系，山西组的3号煤层、太原组的9号和15号煤层是矿井的主力煤层，各煤层的宏观煤岩类型为半暗淡型-半光亮型煤，各煤层煤质具有低灰-中灰、低硫-高硫、中发热量-高发热量、较高软化温度的特点；煤类均属无烟煤(WY3)，可作为动力用煤和民用煤；煤尘无爆炸危险性、具有自燃倾向性特征等较好的开采技术条件。

(2)矿井内的各煤层煤质存在一定的差异性，表现为煤的灰分、挥发分、硫分等工业分析、元素以及有害元素的差异性，这些煤质的差异性反映了煤的形成演化以及煤的变质程度的差异性，同时还反映了研究区乃至华北地区不同成煤时期沉积环境及其基地构造演化过程。

(3)研究区局部存在高灰点和高硫点，但是整体上并不高，为了达到精煤对灰分、硫分的要求，可以通过不同煤层或相同煤层不同煤质特征区域煤层的配比或简单的洗选达到降灰、降硫的目的。

(4)在研究区的中部背斜构造的隆起区域发育煤层露头或隐伏露头，导致该区域内煤层发生或曾经发生风氧化现象，通过工程探查基本查明了风氧化带在横向和纵向上的展布特征，进而为煤矿生产提供基础地质资料。