大同煤田东周窑井田接触变质煤的煤质特征研究

张 强,李宇坤,宋晓夏,李凯杰

(1.晋能控股集团 同发东周窑煤业有限公司,山西 大同 037103;2.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024)

大同煤田是典型的双纪煤田,赋存有中生代侏罗系含煤地层及晚古生代石炭-二叠系含煤地层。中生代大同组煤层经过长期开采已趋于枯竭,目前主要开采石炭-二叠系煤层。以往研究表明,大同煤田石炭-二叠系煤层经历了多期较大规模的岩浆侵入[1-3],尤以东周窑井田最为严重[4-5],火成岩侵入体已成为制约煤矿安全高效生产的主要地质因素。

煤层相较于其他岩层属于软弱岩层,岩浆在向上侵入时会优先侵入煤层[6],破坏原有煤层结构,减少煤炭可采储量,影响正常的煤炭开采。岩浆侵入时的高温及带来的大量矿物质使其周围煤层变为接触变质煤。接触变质煤宏观上光泽暗淡,致密坚硬,表面含有大量被矿物充填的裂隙;微观上形成多种显微组分,包括各向异性小球体、镶嵌结构体和热解碳等[7]。由于宏观和显微煤岩特征的改变,接触变质煤的灰分升高,挥发分和发热量下降,经济利用价值降低[8]。目前仍没有接触变质煤类型的划分指标,因而不能合理估算其资源量。本文通过煤芯煤质数据分析,煤岩学观测对井田接触变质煤的煤质特征进行较深入的研究,为未来煤炭资源分质合理利用提供依据。

1 井田地质概况

东周窑井田位于大同煤田西部,总体为一单斜构造。地层走向185°～190°,倾向95°～100°,倾角2°～10°。井田内断层、陷落柱较发育,煤矿地质构造复杂程度为中等[9]。

井田内主要含煤地层为侏罗系中统大同组、二叠系下统山西组、石炭系上统太原组。山西组底部以K3砂岩与太原组整合接触,主要岩性为灰色、深灰色粗砂岩、中砂岩、粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩及煤层,主要可采煤层为山4#煤层。太原组底部以K2砂岩为界平行整合于本溪组之上,主要岩性为灰白色中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、灰黑色泥岩及煤层,主要可采煤层为5#、8#煤层。未受火成岩影响的正常煤属于低煤级的气煤和长焰煤。

大同煤田内岩浆活动主要发生在中生代(印支期—燕山期),主要岩性为煌斑岩、碳酸岩和辉绿岩,产状为岩墙或岩床[10]。火成岩主要侵入至山西组地层和太原组地层,在煤层中的产状以岩床为主。根据现有井田勘探资料,东周窑井田内224个钻孔中共有84个钻孔发现了火成岩侵入体,山4#、5#煤层中分别有19个、71个钻孔揭露火成岩侵入体[11]。

2 研究方法

2.1 数据及样品采集

本次煤质分析的数据均来自东周窑井田现有的224个钻孔的煤质化验资料,采用煤芯分层样品的工业分析和全硫(St,d)数据。

接触变质煤样品均来自于东周窑井田山西组煤层2100巷道(图1)。接触变质煤颜色多为钢灰色和灰黑色,光泽暗淡,致密坚硬,裂隙发育,多数裂隙被灰白色的碳酸盐细脉充填。正常煤为黑色,主要为亮煤夹镜煤条带,密度低,层理清晰,含较多黄铁矿。

2.2 样品观察

依据GB/T16773—2008《煤岩分析样品制备方法》对采集的煤样进行破碎并采用冷胶法制备粉煤光片。采用徕卡DM4500P偏光显微镜在油浸反射光下观察煤样的显微组分,对样品进行显微组分定量和镜质体反射率测定。

图1 东周窑样品照片Fig.1 Coal samples in Dongzhouyao minefield

3 结果与讨论

3.1 接触变质煤煤质特征

对224个钻孔中的煤质数据进行筛选,提取了同时含有接触变质煤和正常煤钻孔,对其煤质数据进行分析。可以发现在正常煤受火成岩侵入后形成的接触变质煤的挥发分质量分数w(Vdaf)介于5%～32%(多数在5%～20%),会显著低于正常煤(>32%)。

水分在接触变质煤和正常中变化幅度不明显(3%～6%)。w(Vdaf)<8%的接触变质煤孔隙度较大,所含水分普遍较高(3%～8%),挥发分含量中等的接触变质煤(8%

接触变质煤的灰分产率高。挥发分含量低(w(Vdaf)<8%)的接触变质煤灰分产率可以达到50%～80%,而挥发分含量中等的接触变质煤(8%

接触变质煤的发热量较低。挥发分含量低的接触变质煤(w(Vdaf)<8%)由于芳香结构缩合程度较高,侧链多数脱落,导致其发热量最低,多数为5～10 MJ/kg,最高不超过15 MJ/kg。随着挥发分产率的升高,变质程度的降低,挥发分含量中等的接触变质煤(8%

接触变质煤的全硫含量较低。挥发分含量低的接触变质煤(w(Vdaf)<8%)的全硫含量低于0.6%;挥发分含量中等的接触变质煤(8%

图2 接触变质煤与正常煤水分、灰分、发热量和全硫含量与挥发分关系图Fig.2 Relationship of moisture, ash, calorific value, total sulfur content, and volatile matter in contact metamorphosed coal and normal coal

3.2 接触变质煤显微煤岩特征及镜质体反射率

1)显微煤岩特征。正常煤在油浸反射光下为灰色,含量约为75%;惰质组主要为丝质体和碎屑惰质体,在油浸反射光下亮度高于镜质组,呈灰白-亮白色,含量约为15%;壳质组以孢子体为主,在显微镜下呈深灰色,含量为7 %。正常煤中矿物含量较少,主要为黄铁矿、石英,偶有碳酸盐矿物充填裂隙,见图3(a)所示。

在正常煤和最靠近火成岩煤样之间的样品变质程度中等。这一位置的煤遭受了一定的接触变质作用,但变质作用强度小于临近侵入体的煤层,岩浆热效应在此处发生衰减。其结果为显微组分大部分为各向同性。各向异性体包括中间相小球体,热变孢子体和热解碳,镶嵌结构体和流动结构体含量较少,见图3(b)所示。

最靠近侵入体的接触变质煤火成岩侵入的影响最大,根据显微组分的差异可分为原有组分、天然焦基质和新生成的组分三类。原有组分即在正交镜下完全消光的部分,主要包括煤中原有的矿物和惰性组分,以及少量未热变或轻微热变的镜质组、壳质组。原有惰性组分包括碎屑惰质体、丝质体和粗粒体,它们通常只出现轻微热变。天然焦基质是主要由镜质组和壳质组在高温条件下生成的物质,包含多种热变组分[12],如中间相小球体、镶嵌结构体、流动结构体等。新生成的组分包括石墨球粒、热解碳和以碳酸盐为主的新矿物,见图3(c)、3(d)所示。

2)镜质体反射率。越靠近侵入体则煤级越高,相应地镜质体反射率越大,而随着远离侵入体,镜质体反射率呈明显下降趋势。距火成岩0～1 m的煤样镜质体反射率Ro为2.71%～3.32%,平均3.04%;距火成岩1～3 m的煤样Ro为1.71%～2.02%,平均1.85%;距火成岩超过3 m的正常煤样Ro为0.49%～0.55%,平均0.52%。

3.3 接触变质煤划分及资源量估算

1)接触变质煤划分。尽管国内外学者对煤的接触变质作用进行过大量的研究,但目前对接触变质煤仍没有统一的划分标准。因此,本文综合东周窑井田正常煤和接触变质煤的宏观、显微煤岩特征及煤质数据,参考《中国煤炭分类》(GB/T 5751-2009)和《Standard Classification of Coals by Rank》(ASTM D388-17),把接触变质煤分成热变煤和天然焦两类。

在煤岩特征方面,天然焦受岩浆的直接烘烤,原生结构消失,视密度与矿物含量显著上升,出现大量新生成的各向异性组分;热变煤不与岩浆直接接触,主要受到岩浆热作用,原生结构仍然保留,视密度与矿物含量小幅上升,出现部分各向异性的显微组分。在煤质数据方面,热变煤的w(Vdaf)在8%～32%范围内,与正常煤相比,灰分略有增加,发热量略有降低;天然焦的w(Vdaf)<8%,煤的灰分显著上升,发热量显著下降。

综上,主要通过井田范围内煤岩特征及挥发分含量w(Vdaf),辅以镜质体反射率(Ro)提出如下表1的划分指标。

表1 天然焦、热变煤和正常煤的划分指标Table 1 Classification indicators for natural coke, thermally altered coal, and normal coal

2)接触变质煤资源量估算。由于接触变质煤的煤质较差,利用率较低。但接触变质煤的潜在效益目前仍没有得到开发,因此估算接触变质煤的资源量将为未来接触变质煤的开发与利用提供参考。

通过前文的钻孔煤质数据和接触变质煤的判定标准和现有勘查资料,可以确定各个钻孔中接触变质煤的厚度并绘制东周窑井田中山西组山4#和太原组5#煤层接触变质煤的等厚线图(图4)进而估算出接触变质煤的分布面积。利用煤炭资源量估算方法可以对井田内接触变质煤的资源量进行估算,见公式(1)。

接触变质煤的计算公式为:

Q=S×h×ρ/10 000.

(1)

式中:Q为资源量,万t;S为区域面积,m2;h为接触变质煤在区域内的平均厚度,m;ρ为接触变质煤的平均视密度,t/m3。经统计,山4#煤层接触变质煤平均视密度为1.75 t/m3,太原组5#煤层接触变质煤平均视密度为1.89 t/m3。

通过计算可知,山4#煤层接触变质煤的资源量为1 731万t,5#煤层接触变质煤的资源量为15 664万t(表2)。

图4 接触变质煤的等厚线图Fig.4 Isopachous maps of contact metamorphosed coal

表2 接触变质煤资源量计算表Table 2 Calculation table for resources of contact metamorphosed coal

4 结论

1)东周窑井田接触变质煤相比于正常煤,其灰分含量显著增高,挥发分、发热量和硫含量较低,且越靠近火成岩差异越明显。

2)与正常煤相比,接触变质煤宏观上光泽暗淡、致密坚硬、裂隙发育、含较多碳酸盐矿物,微观上可见较多各向异性的显微热变组分。越靠近火成岩煤的镜质体反射率越高。

3)根据煤岩特征、挥发分及镜质体反射率的差异及国内外煤类划分标准,提出了东周窑井田范围内接触变质煤的分类指标,将接触变质煤分为天然焦和热变煤。山4#和5#煤层接触变质煤的资源量分别为1 731万t和15 664万t。