张其胜

偏关正兴扩区煤层风氧化规律初探

张其胜

(山西焦煤投资有限公司，山西 太原 030021)

偏关正兴扩区受特殊地理影响，煤层风氧化呈现出了区域性分布特征。本文通过对偏关正兴扩区自然环境、盖山厚度、产状、岩性组成和煤层变质程度、煤岩组成等情况的风氧化条件分析，指出了正兴扩区煤层风氧化区域分布的原因是风氧化作用垂向发展的结果;影响扩区风氧化的关键因素是煤层上方黏土矿的厚度;煤层呈串珠状分布的原因是扩区内密布的冲沟内风氧化垂向作用和水平作用的结果。对同类型矿井的勘探、设计、投入等生产经营活动具有一定的借鉴意义。

煤层;风氧化;规律

1 问题的提出

山西焦煤集团投资有限公司是偏关县煤炭资源唯一的开发企业，2009年8月该公司整合重组了偏关县5座煤矿，成立了山西焦煤集团正兴煤业有限公司和山西焦煤集团正仁煤业有限公司。2010年正兴煤业在井田东南扩区进行了勘探，并编制了《山西省河东煤田偏关县山西焦煤集团正兴煤业有限公司井田及东南扩区煤炭资源勘探地质报告》，该报告风氧化情况借鉴了正兴、正仁煤业井下实测资料和前期详查地质报告资料，认为扩区煤层风氧化区域主要位于关河以西的扩区东部边界区域，风氧化宽度按50 m圈定，并以此计算了扩区储量［1］。但在矿井随后的采掘活动中，却发现正兴扩区的风氧化情况与勘探地质报告存在严重偏差，正兴煤业13－105工作面设计施工的轨道顺槽掘进了1 200 m，距离关河西岸达到了1 700 m，仍未走出风氧化区域，见图1。

图1 偏关矿区分布图

扩区13#煤风氧化情况具有如下特征：

1)工作面揭露的13#煤层及上部岩层大部分风化成泥状，仅在煤层中下部残存厚0～4.5 m煤层，锚杆、锚索无法施工，支护困难。

2)有残煤区域煤层呈串珠状，煤层厚度变化迅速，常常出现“十米不同天”的状况。

3)从钻孔和巷道揭露情况看，煤层风氧化区域与该区域盖山厚度没有明显关系。

上述情况给矿井的采掘设计、安全管理、资金投入带来了很大困难。导致正兴扩区风氧化情况异于矿井区域的原因，扩区风氧化情况的影响程度，是正兴公司、乃至整个偏关矿区急需搞清的问题。

2 影响煤层风氧化的主要因素

煤层风氧化指出露于地表或埋藏在地表浅处的煤，在大气和水的作用下受到不同程度的风化、氧化，其物理、化学和工艺性质发生了变化，以至丧失了工业价值的现象。影响煤层风氧化作用的因素：

2.1 气候、地形、地貌等自然环境影响

自然环境决定了煤层的通风条件，对煤层风氧化会产生重大影响。如水分含量过高时，煤的内部孔隙和煤粒之间都被水充满，空气不易进入，难以氧化;相反，若煤含的水分很低，煤的内部孔隙和煤粒间容易充满空气，煤氧化就容易发生。

2.2 盖山影响

2.2.1 盖山厚度

一般盖山越厚，空气和水越不容易透过地层，接触煤层，风氧化作用越弱，煤层越不容易受风化;反之，则煤层易受侵蚀。

2.2.2 盖山岩性组合

盖山的岩性组合影响煤层上部岩层的裂隙发育度，裂隙是风氧化发生作用的通道与途径。通常砾岩、砂砾岩、砂岩、灰岩、黄土等岩层裂隙发育。煤层上部若存在的有效隔水层可以有效隔断垂向的风氧化作用。

2.2.3 盖山岩层产状

煤层露头区发生风氧化作用，风氧化煤延展宽度往往受煤层倾角影响，煤层向下倾角变化越快，越容易摆脱风氧化侵蚀，风氧化宽度相对越窄。

2.3 煤变质程度［2］

变质程度越高的煤越不容易风氧化。通常腐植煤中年轻的褐煤最易风化，随着煤化程度的加深，煤的着火温度升高，风化作用下降。

2.4 煤的显微组分和煤岩类型［2］

不同岩相组分氧化不同，各种岩相组分的氧化活性一般按下列顺序递减：镜煤＞亮煤＞暗煤＞丝炭。丝炭具有较大的内表面积，低温下能吸附大量的氧气，丝炭内又常夹杂着黄铁矿，黄铁矿易氧化，生成SO2和Fe2O3，所以丝炭促进煤的氧化。

3 正兴扩区的地质特点

3.1 自然地理状况

3.1.1 地形、地貌

正兴扩区位于吕梁山系管涔山西北缘，地处黄土丘陵区，区内地形南高北低.最高点位于矿区西南，海拔1 248.99 m，最低点位于矿区西北关河河床，海拔1 010 m，相对高差238.99 m，区内广为黄土覆盖，为典型的黄土地貌;地表植被稀少，冲沟密布，深度在0～130 m，局部区域冲沟下切进入了基岩。

3.1.2 气 候

扩区属大陆性气候，干旱、风沙大，春冬两季多西北风，最大风力可达8～9级;雨量稀少，多年平均降雨量448 mm，多年平均蒸发量1 810 mm，年平均气温8℃。

3.2 盖山情况

3.2.1 盖山厚度、产状

正兴扩区大部分被第三系、第四系松散层覆盖，主采 13#煤层厚 0.2 ～17.44 m，平均 5.66m;倾角 5°～7°，上部基岩厚20～30 m，盖山总厚度22～169 m。

3.2.2 盖山岩性组合［1］

正兴扩区内地层主要有奥陶系、石炭系及二叠系，盖山岩层主要包括石炭系太原组二段、第三系、第四系三部分，见表1。

1)石炭系太原组(C3t)。

可分为太原组一段和二段。13#煤层位于太原组一段上部或顶部;13#煤层顶部黏土岩扩区内基本缺失，只在ZK－80钻孔揭露，厚0～2 m。二段地层出露不全，区内零星可见，厚0～40.13 m，平均 14.50 m，多为含砾粗砂岩、12#煤层，炭质页岩及黏土岩等，含砾粗砂岩平均厚度13.43 m。

2)第三系上新统(N2)。

分一段和二段，与下伏地层为不整合接触。一段由砂砾石层组成，砾石为巨砾—卵石，钙质胶结，未完全固结成岩。厚0～59.32 m，平均18.09 m。二段主要由红色亚黏土组成，厚0～61.27 m，平均26.83 m。与上覆黄土层呈波状起伏接触。

3)第四系(Q)。

上更新统(Q3)：由黄色亚砂土组成，广泛分布于区内各处，最厚＞100 m，与下伏地层呈不整合接触。

全新统(Q4)：由冲洪积物、残坡积组成，分布于区内各沟谷及河床，厚度＜20 m，一般3 m左右。

表1 正兴扩区区域地层表

3.3 13#煤层情况

3.3.1 煤变质程度

13#煤层25个样品的镜煤平均最大反射率(Romax%)测定值为0.643，故13#煤层总体属Ⅰ变质阶段。

3.3.2 显微组分和煤岩类型

1)有机组分。

占煤岩组分含量的90%以上，由镜质组(30.31%)、半镜质组(3.79%)、“丝 + 半丝质”组(51.54%)及稳定组(6.60%)组成，以“丝 +半丝质”组为主，其次是镜质组。

2)矿物组分。

约占煤岩组分的5% ～6%，主要由黏土组成，占5%，其次为硫化物(0.42%)，碳酸盐(0.07%)。

硫化物：由黄铁矿组成，多以晶粒状散布在煤岩有机组分之间，含量极不稳定，0.06% ～1.57%。

4 正兴扩区的风氧化规律

综上所述，正兴扩区气候干燥、风力强大，具有良好通风条件;煤层盖山极薄，盖山岩性多为砂砾石、中粗粒砂岩、黄土冲积物、洪积物，裂隙较易发育;煤层煤化程度低，有机组分中丝炭、半丝炭含量高，煤层自身抗氧化能力弱。无论内因还是外因，正兴扩区13#煤层都有很强的受风氧化条件。综合矿区的钻孔、地形、巷探资料，可以总结出正兴扩区风氧化规律如下：

1)正兴扩区煤层风氧化是以垂向发展为主，水平发展为辅，风氧化是区域性的，而不是局部性的。在扩区关河西岸风氧化以水平发育为主，在扩区中部以垂向发育为主。

2)地表广泛发育的冲沟是煤层风氧化发育不均匀的直接原因，在冲沟底部不仅有垂向风化，而且顺着沟底裂隙发生了不均匀的水平向风化，造成煤层的串珠状分布。

3)13#煤层顶部黏土岩厚度是正兴扩区、乃至整个偏关矿区风氧化发育的关键所在，正兴煤业、正仁煤业虽与正兴扩区处于同一地质单元，但风氧化条件完全不同，正兴煤业、正仁煤业13#煤上部广泛存在1#、2#黏土矿，该黏土矿有效截断了来自煤层上部的垂向风化，使得煤层得以保全，正兴扩区未认真分析黏土矿的展布范围，机械套搬资料，造成风氧化区域整体性判断失误。

［1］ 山西省河东煤田偏关县山西焦煤集团正兴煤业有限公司井田及东南扩区煤炭资源勘探地质报告［R］.太原：山西省地质勘查局二一一地质队，2011：8 －17.

［2］ 煤堆自燃原因及预防措施［DB/OL］.2012［2012 －1 －3］.http：//wenku.baidu.com/view/5c129b609b6648d7c1c746c2.html.

Preliminary Study on Wind Oxidation of Coal Seam in Zhengxing Expanding Area of Pianguan

Zhang Qi－sheng

Zhengxing expanding area of Pianguan is affected by special geography，the coal seam wind oxidation shows the regional distribution characteristics.This article by analyzing wind oxidation conditions of Zhengxing expanding area of Pianguan such as the natural environment，the thickness of covered mountain，the occurrence，lithological composition and seam metamorphic grade，the composition of the coal and rock and so on，points out the reason of coal seam wind oxidation regional distribution in Zhengxing expanding area is that vertical development of the air oxidation;the key factors of affecting air oxidation in the expanding area is the thickness of the clay mine above the coal seam;the reason which the coal seam is a string of beads distribution is that the results of vertical and level role of wind oxidation in filled gullies of the expanding region.It has certain reference significance for production and business activities of exploration，design，investment and so on in the same type mine.

Coal seam;Wind oxidation;Rule

TD166

A

1672－0652(2012)04－0020－03

2012－02－29

张其胜(1972—)，男，山西原平人，2012年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事矿山地质测量工作(E － mail)zhangqisheng.my265@yahoo.com.cn