钱家营矿煤层煤质特征及其成煤环境分析

文/周 垒

煤质特征研究是煤炭资源评价的重要内容，其包括煤的岩石学特征、矿物学特征、煤化学特征和地球化学特征。其主要受成煤环境和沉积环境背景、植物群落以及后期的煤化作用等的影响。不同的灰分、挥发分及硫分反映了不同的成煤环境，通过分析煤中水分、灰分、挥发分及硫分等特征，对了解成煤期的古地理环境、古气候及母岩性质具有重要意义，并为含煤盆地的形成演化提供了丰富的地质信息。开滦钱家营矿位于开平煤田南东翼，煤炭资源丰富，煤层主要为焦煤，其次为肥煤。通过大量钻孔煤岩煤质及工业分析资料，以钱家营矿研究区主采煤层煤质为研究对象，采用煤岩学、地球化学和煤相、煤质特征分析等方法，探讨灰分、硫分对沉积环境的指示意义，为聚煤盆地沉积环境研究提供理论参考。

一、地质概况

研究区位于开平煤田南东翼，研究区褶皱构造较为发育，主要分布在研究区的东北部及西南部，中部单斜构造。井田内褶曲线性排列明显，多呈不对称状，各褶曲轴向都与主向斜轴（开平向斜）斜交。断层多伴生在褶曲轴部和褶曲区与单斜区过渡带。

钱家营井田含煤地层为石炭系上统和二叠系中统及下统地层，基底为中奥陶统马家沟组石灰岩，含煤地层总厚度约为420m。主要由厚层状砂岩、黏土岩、石灰岩及煤层组成，煤系地层含煤二十余层，煤层总厚度达18.94m，主采煤层为7、9、12-1煤。

二、煤质特征

研究区各煤层均属腐殖质煤，颜色一般为黑色，煤岩组分以亮煤为主，镜煤及暗煤次之，丝炭少见，煤岩类型一般为光亮半亮型、次为半暗型。通过对原煤进行工业分析，钱家营煤矿煤质特征概述如下：

各煤层水分质量分数普遍较小，介于0.29%～0.67%，其中12-1煤水分质量分数相对较高。煤层中原煤灰分变化较大，5煤和12-1煤灰分质量分数在40%左右，为高灰煤，而7、8、9煤灰分质量分数在13%左右。各主要煤层的煤灰成分以二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3）为主，占煤灰成分总量的70%以上，三氧化二铁（Fe2O3）、氧化钙（CaO）次之。挥发分产率变化则与灰分质量分数变化趋势相反，5、12-1煤层挥发分产率相对较小，7、8、9煤层挥发分产率相对较大。基于这种现象对煤层灰分质量分数和挥发分产率进行拟合发现，煤层灰分和挥发分成反比关系。煤层中全硫含量总体上呈自上而下增加的趋势，其中5、7、8煤为特低硫煤，9煤为低中硫煤，12-1煤为中硫煤，在8煤至9煤煤中全硫含量增加近0.8%，9煤至12-1煤全硫含量增加了0.6%，煤中硫主要以黄铁矿散晶等无机硫为主，有机硫次之，硫酸盐硫只占微量。这种分布趋势主要与沉积环境自下而上由海陆交互相逐渐转变为陆相有关。煤中干燥基高位发热量主要介于18.3～31.05MJ/kg，其主要受煤中水分、灰分及煤化程度的影响；灰分越高，发热量越低；挥发分越高发热量亦越高。煤中磷含量自上而下总体呈降低的趋势，其中5煤中磷含量最高，为0.056%。

三、成煤标志及演化

1.成煤环境指标分析

钱家营煤矿井田的煤中灰分和硫分同样蕴含着丰富的地球化学信息。灰分主要来自成煤植物所含的无机元素、随成煤植物混入泥炭沼泽的物源杂质及与煤伴生的矿物质等，灰分含量主要受水动力强度等影响，水动力强则带入泥炭沼泽中的物源杂质增多，灰分增高，反之则降低。

由原煤灰分等值线图可知，随着深度的增加，煤中灰分总体呈现出在同一煤层矿井西翼煤中灰分较东翼小，主要是由于随着深度的增加煤的变质程度增大，使得煤中灰分减小。在同一采区不同煤层，研究区主采煤层的煤中灰分亦表现出下部煤层灰分较上部煤层中灰分少，这主要是由于沉积环境变化所产生的，其中12-1煤和7、9煤之间灰分变化较大，主要是研究区沉积相由早二叠世初期的三角洲前缘相的河口坝、远砂坝、前缘席状砂等沉积相逐渐向三角洲平原相的分流河道相转变。对于三角洲前缘上的沼泽来说，陆源碎屑物质大部分是由洪水期转移至此，距离物源相对较远；对于三角洲平原相来说，陆源碎屑由支流河道带来，距离支流河道越近，沼泽中的陆源碎屑物质越多，灰分产率就越高，煤质就越差。因此，研究区7、9和12-1煤灰分产率表现出较大差别。

煤中硫分分无机硫和有机硫两种，一般有机硫来自成煤植物，无机硫是由沉积环境提供，煤中无机硫主要以黄、白铁矿形式存在。煤中硫分含量反映了不同地质历史时期形成的煤层。硫分含量的高低主要受海水活动影响，一般受海水影响的煤层硫分含量较高。研究区煤中硫分变化较大，由7煤的低硫煤逐渐转变为12-1煤的高硫煤。在12-1煤中部分区域煤中硫分含量高达6%。煤层硫分的差异表明成煤过程中覆水程度的变化，由12-1煤的覆水程度较大的三角洲前缘水下分流河道相逐渐过渡到7、9煤的三角洲平原的分流河道相，成煤环境由还原环境变为弱还原环境，最终变为弱氧化—弱还原环境。

2.成煤演化

研究区自中奥陶世以后一直处于抬升状态，直至早石炭世开始沉陷。晚石炭世研究区为滨海平原环境，地壳缓慢沉降。晚石炭世后期该区域地壳多为振荡运动，但总的趋势是缓慢沉降，地表平缓，形成滨海湖泊、滨海沼泽以及浅海环境等海陆交互相沉积。晚石炭世后期开平组主要以灰色细砂岩及深灰色粉砂岩组成，夹薄层黏土岩及粗砂岩并夹三层质不纯的石灰岩，从下向上为K4、K5、K6（赵各庄灰岩），并含不稳定的薄煤层五层（17煤、16煤、15煤、14煤、13煤）。

早二叠世初期研究区为海陆交互相沉积环境，沉积了从K6顶至11煤顶板厚约73m的地层，含煤3至4层，即121/2煤、12煤（12煤又分为12-1煤、12-2煤）及11煤。整个层组可划分为两个沉积旋回，代表三角洲沉积过程中的不同演化阶段。

第Ⅰ个沉积旋回为从赵各庄组底界至12号煤层顶板腐泥质黏土岩，该旋回是在海退的背景上发育起来的三角洲沉积，垂向上下部主要为向上变粗的沉积粒序，从底部泥岩，向上变为粉砂岩、细砂岩至中粗砂岩，主要为三角洲前缘相沉积（河口坝、远砂坝、水下分流河道），上部主要为向上变细的沉积粒序，中粗砂岩有时为含砾砂岩，向上变为细砂岩、粉砂岩、炭质及腐泥质黏土岩乃至沉积了12号煤层，这种岩性变化反映了三角洲平原沉积从水上分流河道相至分流间湾相再至沼泽相的沉积相变化特征，12煤顶部的腐泥质黏土岩，见海相动植物化石，证明三角洲平原发育过程中发生了海侵现象。

第Ⅱ个旋回为12号煤层顶板腐泥质黏土岩顶界开始至11号煤层顶板黏土岩，该旋回主要为浅水三角洲沉积，矿井范围内向上岩性变化主要为由粉砂岩、黏土岩至11煤，为分流间湾相至沼泽相的变化，局部地区底部有中粗砂岩发育，为水下分流河道沉积相，11煤顶部的炭质黏土岩或粉砂岩，见海相动物化石及扁豆状、透镜状菱铁质结核，证明了浅水三角洲发育过程中的海侵现象。

早二叠世早期，研究区受小型脉动影响，升降缓慢，趋于稳定，为广阔滨海、湖沼沉积环境。沉积了从11煤顶板至5煤顶板厚约55m至90m的地层，含煤六层，其中5、7、8、9煤稳定分布在该区。

四、结论

（1）研究区主采煤层均属腐殖质煤，通过肉眼鉴定，颜色一般为黑色；条痕褐灰色；呈眼球状断口；呈条带状粒状及片状结构，少数为粉状。煤岩组分以亮煤为主，镜煤及丝炭少见，煤岩类型一般为光亮型，次为半暗型。

（2）研究区主采煤层灰分变化较大，同一煤层内东翼灰分较西翼高，这主要受煤层埋藏深度的影响，埋藏越深灰分产率越低，煤中灰分与挥发分成反比关系。

（3）研究区内主采煤层中全硫含量在井田东翼较小，西翼较大；硫分含量主要以黄铁矿等无机硫为主，其主要受沉积环境影响较大，由12煤的还原环境逐渐转变为7煤的弱还原环境最终转变为5煤弱氧化—弱还原环境。

（4）成煤演化表明研究区主采煤层12煤为三角洲前缘相沉积（河口坝、远砂坝、水下分流河道），随着地壳的抬升逐渐演变为7煤的三角洲平原分流河道相沉积，最终变为5煤的陆相河流相沉积。