哈尔乌素煤矿煤层煤质特征及地质成因

2020-05-19刘爱兄

露天采矿技术 2020年2期

关键词：泥岩分值底板

刘爱兄

（神华准能集团有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

随着煤炭资源高强度开采，后备常规储量不足的问题日益凸显，因此探讨煤层赋存及煤质特征，研究成煤环境，为合理开采煤炭资源提供技术支撑，为高效利用煤炭资源提供一定依据具有重要意义[1-2]。

哈尔乌素煤矿是我国“十一五”期间重点建设的特大型煤矿，初步设计生产能力2 000 万t/a，经扩能改造后，目前生产能力已达到3 500 万t/a。矿区面积约61.43 km2，已探明煤炭资源储量17.3 亿t。

1 研究区概况

2 区内含煤地层特征

2.1 山西组

山西组是本区次要含煤地层，含煤3 层，从上到下的编号为1、3、5 号煤，5 号煤局部可采，1、3 号煤均不可采。其地层岩性段为：上段为夹黏士岩、粉砂岩和泥岩，灰白色、深灰中粗粒致密砂岩，含有小砾石及云母片；中段由泥岩灰白色、黏土岩、灰黑色中细粒砂岩组成，含有1、3 号煤层；下段主要是灰色细砂岩及深灰色泥岩，5 号煤层位于砂岩中上部，煤层厚度为0～2.88 m。

2.2 太原组

太原组是本区主要含煤地层，含有6、7、8、9、10号煤。6 号煤层为主采煤层，根据其结构及煤质特征可分为6 个分煤层（6I、6II、6III、6IV、6V、6VI）。该组地层可划分为上、下2 个岩性段：上段的主要组成部分是6 号煤和其顶底板砂质泥岩、铝土质泥岩、黏土岩，夹有灰色透镜状砂岩；下段主要的组成部分是砂质泥岩、黏土岩夹多层砂岩、灰黑色深灰色泥岩。含7、8、9、10 号煤，该段岩性及厚度在倾向上变化很大、走向上变化也很大，相变也较大。8、9 号煤层之间有1 层较稳定的泥灰岩，厚度约1 m，海相动物化石和生物碎屑发育其中，作为煤层对比标志是很好的，相向北逐渐变为泥岩、钙质泥岩，以至砂岩。本段各煤层结构复杂，经常变簿以至消失。底部发育有较稳定的灰白色细-粗粒石英砂岩，发育有致密坚硬的富含铁质的硅质胶结[3]。

3 煤层赋存特征

3.1 5 号煤

5 号煤层分布在矿区东南、西南和中部，可采面积为5.308 km2，处于山西组中下部，与6 号煤层间距变化较大，间距范围7.61～28.58 m，平均14.03 m。5 号煤层含有夹矸0～5 层，一般是1～2 层，夹矸厚度0～1.01 m，煤层厚度约0～2.88 m。在本矿区北部较厚，南部较薄，西部较厚，东部较薄。顶板为砂岩、泥岩，底板是泥岩或黏土岩，属于较稳定大部分可采煤层。钻孔编号为BK1806 对应的煤层厚度值最大是2.88 m。钻孔编号为522 对应的煤层厚度值最小是0.1 m[4]。受构造和沉积环境的影响，煤层厚度在平面上呈现出了差异。

3.2 6 号煤

6 号煤层是本矿区复煤层，位于太原组上段，与上部5 号煤层平均间距为14.02 m，厚度25.53～39.32 m，平均33.70 m，含夹矸层5～20 层，夹矸总厚度范围1.05～11.47 m。6 号煤厚度巨大，结构非常复杂，层位相对稳定，是本矿区较稳定的可采煤层[5]。

1）6I 煤层位于6 号复煤层顶部，区内106 个钻孔中，见煤点106 个，其中可采点101 个。煤层总厚度0.45～7.03 m，平均厚度3.11 m，钻孔编号为BK2005 对应的煤层厚度值最高是7.03 m，钻孔编号为HS143 对应的煤层厚度值最低是0.45 m。小范围无煤或者毫无开采价值，剩余的大部分均具有可采价值，西北较厚，东南较薄，中部部分地区较厚。含有夹矸0～3 层，夹矸总厚度范围在0.32～4.91 m，平均夹矸厚度2.04 m。夹矸岩性以黏土岩、泥岩为主。煤层顶板岩性为黏土岩，底板的岩性是黏土岩。

2）6II 煤层是高灰煤，赋存于6 号复煤层的上段，6II 煤层的厚度范围0.78～7.56 m，平均厚度是4.25 m，钻孔编号为BK1906 对应的煤层厚度值最高是7.55 m，钻孔编号为BK2002 对应的煤层厚度值最低是0.77 m。西北较厚，东南较薄，大部分均具有可采价值。顶板岩性一般为泥岩，变薄地段可见砂岩。为全区可采煤层。

3）6III 煤层位处6 号复煤层的中上部，厚度在0.41～6.38 m。结构单一，不含夹矸，钻孔编号为H292 对应的煤层厚度值最高是6.37 m，钻孔编号为508 对应的煤层厚度值最低是0.4 m。厚度变化较小，属较稳定煤层。

4）6IV 煤位处6 号复煤层中部位置，上距6Ⅲ煤层约0.27 m，平均厚度18.19 m。钻孔编号为BK1501 对应的煤层厚度值为23.29 m，钻孔编号为BK1906 对应的煤层厚度值最小为2.88 m。含夹矸1～18 层，夹矸平均厚度1.22 m，煤层顶板岩性以黏土岩、泥岩为主，具有东南薄，西北厚的变化规律。6V 煤位于6 号复煤层的底部，厚度差异较大，距6VI 分煤层平均约0.36 m。

据了解，根据《江西省2018－2020年农机新产品购置补贴试点实施方案》，江西将在全省范围内开展水果分级机购置补贴试点工作，并在省内蔬菜发展力度较大的22个县（市、区）开展温室大棚购置补贴试点工作。相关试点工作截止时间为2020年10月31日，试点期间江西将安排9000万元用于相关农机新产品购置补贴；补贴对象为江西省行政区域内从事农业生产的个人和各类农业生产经营组织。

5）6V 煤位于6 号复煤层的下部，厚度变化较大，上距6IV 分煤层0～1.17 m，平均0.36 m。区内厚度0～5.23 m，平均1.52 m。钻孔编号为282 对应的煤层厚度值最高是5.23 m，钻孔编号为BK1904 对应的煤层厚度值最低是0.25 m。含夹矸0～4 层，其夹矸岩性多为黏土岩、炭质泥岩，具有北部、西部薄，南部、东部厚的规律。

6）6VI 煤层位于6 号复煤层的底部。上距6V 分煤层0～2.17 m，厚度0～3.40 m，平均1.52 m，含夹矸0～3 层，钻孔编号为283 对应的煤层厚度值最高为3.4 m，钻孔编号为N53 对应的煤层厚度值最小为0.28 m。其顶底板及夹矸岩性多为炭质泥岩、泥岩，具有西南薄，东北厚的煤厚变化特征。

3.3 煤层底板标高

5 号煤层底板等高线及构造纲要图如图1，6 号煤层底板等高线及构造纲要图如图2。从煤层底板标高等值线可以看出，5 号煤层底板标高平均值是977.94 m，东部的煤层底板等高线较西部高，呈东高西低分布，东西煤底板落差约50 m 之多，东部有背斜出现，南部有向斜出现，并伴有微小断层构造。6煤层底板标高平均值为951.89 m，西部煤层底板较低，东部煤层底板较高，东西部煤层底板落差约60 m，东部有背斜出现，南部有向斜出现，并伴有微小断层构造。5 煤层和6 煤层底板均呈现东高西低的分布特征，背向斜褶皱变化宽缓，微小型断层稀疏，构造简单。

图1 5 号煤层底板等高线及构造纲要图

图2 6 煤层底板等高线及构造纲要图

4 煤质特征

4.1 物理性质和煤岩特征

在详细分析本区地质资料之后，在物理性质上各煤层变化不大。6 号煤层与上部煤层比较，光泽略强，但是其它的特征有相同的地方。以6 号煤为例叙述于下：颜色为黑色，条痕色为黑褐色，断口参差状，油脂光泽，宽条带状结构，水平层理，暗煤和亮煤是其主要煤岩成分，有少量的镜煤条带和较发育的丝炭，为半暗型煤。5 号煤层视密度为1.5，真密度为1.65；6 号煤层视密度为1.40，真密度为1.53[6]。6 号煤层主要是由于煤中矿物含量降低导致视密度降低。各煤层密度汇总见表1。

4.2 煤的化学性质

4.2.1 水分

5 号煤层水分平均值是3.84%，南部和西部水分含量低，北部和东部水分含量高。6I 煤层水分含量平均值在3.82%。6II 煤层的水分含量平均值为3.66%。6III 煤层水分含量平均值约4.08%。6IV 煤层水分含量平均值是3.96%。6V 煤层水分含量平均值3.55%。6VI 煤层水分含量平均值3.45%。6I～6VI 煤层水分值特征都是中部地区较低，四周偏高，其中6III 煤层水分值平均含量最高，6VI 煤层水分含量平均值最低。各煤层的水分值相对一致，微小的差异是由沉积环境和构造所导致。

表1 各煤层密度汇总

4.2.2 灰分

5 号煤层干燥基灰分范围7.88%～39.81%，平均25.91%，属中灰煤。钻孔编号为HS137 对应的灰分值最低，是7.88%。灰分整体上是西北高，东南低。6I煤层灰分范围为9.09%～39.82%，平均为26.54%，属于中灰煤。

在平面上，H292 钻孔灰分值最高为39.82%，HS142 对应的灰分值最低是9.09%，灰分整体上是东北高，西南低。6II 煤层原煤灰分范围20.05%～39.94%，平均为30.16%，属中高灰煤。在平面上，钻孔编号为HS176 对应的灰分值最高，达到了39.94%。灰分值特征是西北高，东南低。6III 煤层灰分是8.43%～35.14%，平均灰分21.36%，属中灰煤。平面上，钻孔编号为HS185 对应的灰分值最高，达到35.14%，钻孔编号为HS146 对应的灰分值最低是8.43%。灰分值特征是东北高，西南低。6IV 煤层灰分11.56%～31.57%，灰分值平均17.41%，属低灰煤。平面上，钻孔编号BK1706 对应的灰分值最高为31.57%，钻孔编号H1502 对应的灰分值最低是11.56%。灰分值特征是西北高，东南低。6V 煤层灰分是10.33%～39.61%，平均灰分值为19.92%，属低灰煤。平面上，BK1903 编号孔灰分最高为39.61%，钻孔编号为BK2003 灰分值最低是10.33%。灰分值特征东北高，西南低。6VI 煤层原煤灰分值范围是9.19%～37.33%，灰分值平均为22.44%。属中灰煤。平面上，钻孔编号660 对应的灰分值最高为37.33%，钻孔编号为HS135 灰分值是9.19%。灰分值特征整体上西北低，东南高。

总之，6II 煤层平均灰分值最高，6IV 煤层平均灰分值最低。各煤层的灰分不一致，但5 号煤层、6I、6III、6IV 煤层的灰分值特征规律基本一致。

4.2.3 挥发分

5 号煤挥发分值范围是35.59%～44.11%，平均40.64%。属高挥发分煤。6I 煤层平均挥发分为39.01%，6II 煤层平均挥发分为38.02%，6III 煤层平均挥发分为38.41%，6IV 煤层平均挥发分为38.66%，6V 煤层挥发分平均为38.58%，6VI 煤层挥发分平均为38.97%，依据MT/T 849—2000 煤炭行业标准，6I、6II、6III、6IV、6V、6VI 煤层属高挥发分煤。整体上而言，各个煤层的挥发分值含量基本相同，各煤层干燥无灰基挥发分29.39%～75.07%，因沉积环境和构造的差异导致了灰分数值在平面上的差异。

4.2.4 硫分

5 号煤层原煤干燥基全硫值范围在0.27%～1.22%，平均为0.52%，特低硫、低硫煤是主要的组成部分。钻孔编号为HS141 对应的硫分值最高是1.22%，钻孔编号为N53 对应的硫分值最低为0.27%。由等值线图可以知道，矿区中部地区硫分值较低，四周偏高，其中北部局部地方较高。

6I 煤分层全硫在0.18%～1.91%之间，少量中硫煤占7.35%，主要组成部分特低硫煤占57.35%。硫分值特征是中部地区较低，四周较高。6II 煤分层全硫0.18%～1.50%，平均为0.48%，特低硫煤为主要的组成部分，占67.16%，一少部分的低硫煤，占26.86%。硫分值特征是中部地区较低，四周较高，有2 个硫分值较高的区域分别在西北和东部矿区[2]。6III 煤分层全硫0.33%～1.68%，平均0.55%。特低硫煤为主要的组成部分，占61.76%，少量的低硫煤，占33.82%。硫分值特征是中部地区较低，四周较高。6IV 煤分层全硫0.35%～2.12%，平均0.57%。特低硫、低硫煤为主要的组成部分，分别占43.48%、53.62%。硫分值特征是中部相对四周较低，其中东北部区域硫分值异常高。6V 煤分层全硫0.18%～1.15%，平均为0.55%。特低硫、低硫煤为主要的组成部分，分别占42.86%、52.38%，少量的中、中高硫煤，占4.76%。硫分值特征是中部较低，四周较高，硫分值离散值较小。6VI 煤分层全硫0.27%～3.38%，平均为0.55%。其组成部分特低硫煤占58.73%，低硫煤占36.51%，中硫煤和高硫煤占3.17%、1.59%。硫分值特征是中部较低，四周较高。其中矿区北部硫分值异常高。依据GB/T 15224.2—2010 硫分等级标准，各煤层硫分等级为特低硫煤～低硫煤[7]。总体上而言，沉积环境和构造的差异导致了硫分数值在平面上的变化。

4.2.5 发热量

5 号煤原煤干燥基低位发热量平均为21.47 MJ/kg，一般为6.57～28.56 MJ/kg。6I 煤分层原煤干燥基低位发热量平均为20.60 MJ/kg，一般为6.61～27.95 MJ/kg；6II 煤分层6.46～27.70 MJ/kg，平均为19.52 MJ/kg；6III 煤分层16.19～28.56 MJ/kg，平均为23.60 MJ/kg；6IV 煤分层19.44～27.20 MJ/kg，平均为25.11 MJ/kg；6V 煤分层10.63～28.10 MJ/kg，平均为23.99 MJ/kg；6VI 煤分层14.85～27.78 MJ/kg，平均为23.70 MJ/kg。

5 煤层煤质地质成因

5.1 沉积环境的影响

在石炭纪之前，经过一系列的地质作用准格尔地区地形相当平坦，一定程度上奠定了石炭、二叠系的稳定沉积。在晚石炭世本溪期，准格尔地区东部接受了沉积，本溪组沉积具有填平补齐的特征，并伴有来自东南方向的华北陆表海侵，障壁海岸和局限台地一套沉积组合岩系。晚石炭世太原期：继续海侵，互相沟通的华北和北祁连海，统一的滨浅海形成，全区大范围内接受沉积，以河流三角洲沉积环境为主的一套含煤岩系形成。巨厚的泥炭层积聚，全区广泛分布的6 号巨厚煤层形成。早二叠世山西期：由于一系列的地质作用，以河流体系为主的一套碎屑岩系形成[8]。整体而言，从晚石炭世本溪期开始，准格尔煤田逐渐整体沉降，一直到二叠纪山西期水体浅化至萎缩，准格尔煤田沉积体系表现是：本溪期是局限台地和障壁海岸沉积体系；太原期是河流三角洲沉积体系；早二叠世山西期是以海退沉积序列为主的河流沉积体系。

5.2 构造的影响

准格尔煤田属于华北赋煤构造区内鄂尔多斯盆地北部赋煤构造带内的三级赋煤构造单元[9]，经历了一系列的地质作用后，在晚石炭世才有缓慢的地壳升降运动，导致海水时进时退，上石炭世形成海陆交互相的沉积。在晚石炭世海水缓慢退出，泻湖海湾、沼泽相、三角洲、和泥炭沼泽相的沉积形成，地壳下降速度与沉积速度相对平衡，湿润的气候，非常有利于成煤植物生长[10]，太原组与山西组巨厚的煤层形成。走向近SN，向W 倾斜、东部隆起、西部坳陷是准格尔煤田总的构造轮廓，属于构造简单。煤田构造主要形成于地壳升降运动[11]，以褶皱和正断层的构造为主。哈尔乌素煤矿矿区内断层很少，地形较为平坦。

5.3 煤中元素指示成煤环境

煤灰中的常量元素，可以指示成煤环境。一般而言，在淡水环境中磷酸盐主要形成磷酸铁，在咸水环境中主要形成磷酸钙，氧化钙与氧化钙和氧化铁含量之和的比值可以体现沉积水介质的盐度，比值越大，反映沉积水介质的盐度越大[12]。煤中灰指数，氧化铁、氧化钙、氧化镁含量之和与氧化硅、氧化铝含量之和的比值是反映环境的参数之一，将0.23 作为界限划分泥炭沼泽类型。测定哈尔乌素煤矿6 号复煤层灰分在10%～20%之间，灰分值平均为15.23%，构成灰分的主体是氧化铝和氧化硅，反映哈尔乌素煤矿6 号复煤形成于弱还原环境。就大多数样品而言，氧化铝的含量明显高于氧化硅，含有其他矿物较少。氧化钙与氧化钙和氧化铁含量之和的比值平均是0.68，氧化铁、氧化钙、氧化镁含量之和与氧化硅、氧化铝含量之和的比值变化范围是在0.01～2.1，比值均值为0.19，沉积水介质盐度总体上是比较稳定的，表明可能在煤形成过程中受到了海侵作用的影响。总之，太原组6 号复煤层的成煤环境是海退背景下浅覆水森林沼泽环境。