李 潔

(山西省煤炭地質114勘查院，山西 長治 041600)

0 引言

掌石溝煤礦經(jīng)歷了多年的地面地質勘查，目前已經(jīng)進入礦井生產(chǎn)階段，在地質勘查階段、礦井生產(chǎn)階段積累了大量的煤巖煤質測試化驗、水文地質、工程地質以及其他開采技術條件相關的地質資料。如何合理的利用這些資料，讓其更好地為礦井的開采設計、煤炭資源的加工利用以及礦井安全生產(chǎn)提供參考，實現(xiàn)地質資料的最大化利用是礦井地質工作所面臨的一項重要工作。

目前國內(nèi)外相關的研究現(xiàn)狀可以歸納為，地質勘查階段煤巖煤質特征分析、勘查與生產(chǎn)階段的探采對比研究[1-5]、單一的水文地質[6-10]、工程地質[11]和其他開采技術條件地溫[12]、瓦斯煤層氣[13]的研究以及勘查與開采相結合的煤質特征及其開采技術條件的綜合研究[14]。但是，針對掌石溝煤礦尚未開展過煤質及其開采技術條件的綜合研究。

1 地質概況

1.1 煤巖系特征

礦井概況：掌石溝煤礦位于沁水煤田東翼南部的高平礦區(qū)，如圖1所示，屬于華北石炭二疊紀煤田[15]。區(qū)域地層總體走向近NE，傾向NW。地質調(diào)查及鉆探揭露區(qū)內(nèi)由東向西依次出露有奧陶系馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、石盒子組、石千峰組和三疊系劉家溝組以及第四系黃土層等地層。其中本溪組是煤系地層的沉積基地，石炭-二疊系的太原組、山西組是區(qū)內(nèi)主要的含煤巖系，石盒子組至黃土是沉積蓋層。太原組鉆探揭露地層厚度0～86.27 m，平均84.92 m；巖性以黑色、灰黑色泥巖、砂質泥巖與淺灰、灰色砂巖、石灰?guī)r及煤層互層組成。

圖1 掌石溝煤礦相對位置

可采煤層：含編號煤層5、6、8-1、8-2、9、10、11、12、13、14、15號煤層11層，含煤厚度0～8.72 m，含煤系數(shù)為9.33%，可采含煤系數(shù)6.9%。其中9、15號煤層全區(qū)可采，其他為局部可采煤層或不可采煤層。9號煤層厚度1.28～1.88 m，平均厚1.54 m；15號煤層厚度3.05～4.75 m，平均4.03 m；山西組地層厚度為0～38.15 m，平均22.15 m；巖性由灰黑-淺灰色泥巖、砂質泥巖、泥質細粒砂巖、灰白色中、細粒砂巖及煤層組成，含編號煤層2層，即1、3號煤層，其中3號煤層為全區(qū)可采煤層，煤層厚度1.60～6.00 m，平均4.44 m；其他為局部可采或不可采煤層。上述煤層根據(jù)每次厚度、在煤礦內(nèi)的賦存范圍、煤層結構、煤類等綜合評價為局部-大部分可采的不穩(wěn)定-穩(wěn)定煤層。

1.2 巖性及水文地質

研究區(qū)的中部背斜軸部和東部隆起區(qū)域內(nèi)煤系遭受剝蝕，殘存部分，太原組形成于濱海三角洲沉積環(huán)境，而山西組形成于河流三角洲沉積環(huán)境。煤層頂板以泥巖、粉砂質泥巖為主，粉砂巖次之，局部為中-細粒砂巖，頂板的抗壓強度低，屬于極軟巖-軟巖類，屬于不穩(wěn)定性頂板。礦井正常涌水量為37.5 m3/h，最大礦井涌水量為56.3 m3/h，頂板砂巖含水層是礦井直接充水含水層，礦井水文地質類型中等。煤礦總體構造簡單，呈近南北向的單斜構造，地層傾角3°～8°。礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱。礦區(qū)內(nèi)未見巖漿巖侵入，因此礦井地質構造復雜程度屬簡單類。

2 煤質特征

重點對礦井內(nèi)的主要可采煤層3、9、15號煤3層煤進行研究分析，通過現(xiàn)場鉆探取心和井下工作面煤壁宏觀煤巖類型觀測與描述以及顯微煤巖樣品的采集測試。

2.1 煤巖分析

煤巖特征：宏觀煤巖觀測結果表明各煤層以半亮型-半暗型煤為主，其中3號煤含有較多的暗淡型煤，15號煤含有光亮型煤透鏡體。煤層的光澤以玻璃光澤或強玻璃光澤為主，具絲絹光澤和油脂光澤；煤層內(nèi)生節(jié)理和次生節(jié)理較發(fā)育，具中、細條帶狀，線理狀和透鏡狀結構，貝殼狀和階梯狀新口；裂隙被黃鐵礦散晶、方解石細脈、石英等礦物填充。

顯微煤巖特征：顯微煤巖觀測統(tǒng)計結果見表1。3號煤層鏡質組含量為89.0%，惰質組為9.5%，少量殼質組為1.5%；9號煤層鏡質組含量為78.0%，惰質組含量為22.0%。礦物質含量不高，含量為16.3%，多為分散狀的粘土，有的呈層狀分布，也有的呈浸染狀、充填狀等等。有少量黃鐵礦結核；15號煤層鏡質組含量為87.9%，惰質組含量為12.1%。礦物含量不高，含量為8.1%，多為分散狀的粘土，有的呈層狀分布，也有的呈充填狀、浸染狀等，含有少量的細晶狀黃鐵礦，有個別黃鐵礦結核狀。這3層煤層的顯微煤巖組分中有機礦物含量相差不大，相比而言，鏡質組含量煤層從高到低為3號、15號、9號；惰質組含量煤層從高到低為9號、15號、3號；惰質組9號煤層最高，15號煤層相差不大。無機礦物組分中總含量相差不大，相比9號煤層最高，3號煤層次之，15號煤層最低；無機礦物組分以黏土、硫化鐵為主。鏡質體最大反射率相差不大，具有煤層編號由上向下逐漸增大的特征。這3層編號煤層顯微煤巖類型均屬于微鏡惰煤，反映了中煤級煤Ⅶ-高煤級煤Ⅰ的煤變質階段的特征。

表1 各煤層顯微煤巖組分特征

2.2 煤的工業(yè)分析

根據(jù)地面鉆孔和井下工作面采集的3、9、15號3層煤層的44個煤樣，對44個煤樣進行煤的工業(yè)分析、元素分析、有害元素、發(fā)熱量碳、煤的工藝性能等測試化驗，并按照現(xiàn)行的相關的國家規(guī)范、行業(yè)標準進行評價，煤的工業(yè)分析結果見表2。

表2 各煤層工業(yè)分析特征

全水分含量：各煤層原煤的全水分含量為0.52%～3.40%，平均1.76%，各煤層的原煤水分含量相差不大，總體上屬于低水分煤，其中3號煤層含量最高、15號煤層最低，具有隨煤層埋深增加原煤水分含量降低的特征，與煤的變質程度呈負相關性，相關性顯著，如圖2(d)所示；經(jīng)浮選后各煤層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：各煤層原煤灰分14.30%～34.18%，平均19.31%，總體上屬于中灰-中高灰分煤，相比而言9號煤層的灰分較高，煤層的灰分具有隨著埋深的增加灰分含量先升高后降低的規(guī)律，如圖2(b)所示；浮煤的灰分含量均小于10%，因此，經(jīng)洗選后各煤層的灰分可以大幅度的降低，可以滿足精煤對灰分的要求。

揮發(fā)分含量：各煤層原煤揮發(fā)分9.14%～14.96%，平均10.48%，為特低揮發(fā)分煤，各煤層揮發(fā)分相差不大，相比而言9號煤層最高，由上向下灰分先增大后降低，與灰分的變化具有一致性，如圖2(e)所示。

圖2 煤巖組分及工藝分析特征

原煤固定碳(FCd)含量：各煤層的原煤固定碳(FCd)含量變化在74.13%～78.76%，平均75.87%，屬中固定碳-高固定碳煤。

2.3 煤的元素分析

分析煤中的常規(guī)元素碳、氫、氧、氮和有害元素硫、磷、氟、氯、砷等元素，結果如圖2、見表3。

表3 各煤層有害元素分析特征

常規(guī)元素：各煤層中原煤與浮煤的元素分析結果相差不大，浮煤的碳元素含量為90.49%～92.43%，平均91.92%；氫元素含量為3.66%～3.71%，平均3.68%；氧元素含量為3.08%～3.50%，平均3.29%；氮元素含量為1.30%～1.43%，平均1.41%。

有害元素：①硫元素。各煤層中有害元素以硫元素為主，而硫元素中以硫化鐵類無機硫為主，有機硫次之，同時含有少量的硫酸鹽硫，總體上各煤層中原煤的硫分含量<3%，總體上屬于低硫-高硫煤，局部地段存在個別的特高硫異常點；浮煤的硫分較原煤有所降低，體現(xiàn)了無機硫的特征。因此，對于原煤經(jīng)過洗選可以降低煤中硫分，滿足銷售用煤的要求；②硫分。煤層中9號煤層的硫分含量最高、15號煤層次之、3號煤層最低，反映了區(qū)內(nèi)由15號煤層向9號煤層海侵過程，9號煤層值3號煤層區(qū)域性海退，由海陸交互相沉積環(huán)境向陸相河流三角洲沉積環(huán)境演化過程；③其他有害元素磷元素。各煤層原煤磷(Pd)含量介于0.003%～0.022%，均屬于特低磷-低磷煤，相比而言3號煤層最高、15號煤層次之、9號煤層最低；氟元素(F)含量為80×10-6～319×10-6，15號煤的含量最高，屬于低氟煤；氯元素含量為0.023%～0.046%，均為特低氯煤；砷元素含量在1×10-6～4×10-6，均為一級含砷煤。

2.4 煤的工藝性能

煤灰成分：各煤層的灰成分以酸性的二氧化硅、三氧化二鋁為主，占煤灰成分的70.0%以上，其次為堿性的三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂等。經(jīng)過計算，各煤層中3號煤的堿酸比為0.22，結渣指數(shù)為0.48，結污指數(shù)為0.10；9號煤層堿酸比為0.21，結渣指數(shù)為0.46，結污指數(shù)為0.07；15號煤層堿酸比為0.28，結渣指數(shù)為0.63，結污指數(shù)為0.17。各煤層煤灰成分含量不同，其煤灰軟化溫度(ST)也不等，因此，按《MT/T 853—2000》煤灰熔融性分級標準測試，各煤層均屬較高軟化溫度灰，見表4。

表4 各煤層工藝性能特征

其他指標：①各煤層哈氏可磨性指數(shù)為43～68，屬較難磨-中等可磨煤。②各煤層對CO2的反應性試驗為9號、15號煤層煤對CO2反應性較低。③經(jīng)測定，當鼓風強度為0.3 m/s時，3煤層的煤灰結渣率為25.0%，9號煤層煤灰結渣率為22.0%，屬中等結渣煤。15號煤層煤灰結渣率為0～10.4%，均屬難結渣-中等結渣煤。④各煤層的原煤Qgr，d發(fā)熱量為22.632～31.580 MJ/kg，平均27.958 MJ/kg；浮煤的Qgr，d發(fā)熱量為31.222～33.276 MJ/kg，平均32.096 MJ/kg；各煤層屬于中高-特高發(fā)熱量煤。浮選后煤層的發(fā)熱量顯著提高，如圖2(f)所示。

2.5 洗選特征

煤層可選性：以15號煤層為例，采用±0.1含量法評價，假定精煤灰分為8.0%，理論分選比重為1.47，扣除沉矸后的±0.1含量為70.7%，為極難選。假定精煤灰分為9.0%，理論分選比重為1.51，扣除沉矸后的±0.1含量為54.2%，為極難選。假定精煤灰分為10.0%，理論分選比重為1.60，扣除沉矸后的±0.1含量為10.1%?？蛇x性評價按照GB/T 16417—2011的規(guī)定執(zhí)行，編繪15號煤層可選性曲線，如圖3所示，將其評定為中等可選。

圖3 15號煤層的13～0.5 mm可選性曲線

浮選回收率：煤層經(jīng)過1.5比重液洗選后浮煤回收率分別為：3號煤層為28.63%～71.39%，平均50.01%；9號煤層浮煤回收率為40.74%～63.83%，平均為50.06%；15號煤層浮煤回收率為33.98%～86.00%，平均61.89%，各煤層的浮選回收率均屬良等。

煤類劃分：各煤層的煤類按照中國煤炭分類國家標準GB 5751—2009進行，以浮煤揮發(fā)分產(chǎn)率900 ℃(Vdaf)測定值為主要分類指標，浮煤氫為輔助指標劃分煤類，各煤層均屬于無煙煤三號(WY3)。

無煙煤分類：煤礦的內(nèi)各煤層可以作為動力用煤和民用用煤，灰分、硫分等局部煤層的局部區(qū)域較高可以通過配煤或者是洗選后達到降灰和降硫，完全可以滿足精煤要求。

2.6 風氧化特征及自燃傾向性

風氧化特征：煤礦內(nèi)有3號、9號和15號煤層在西部存在露頭或隱伏露頭，露頭線一帶存在煤的風化和氧化現(xiàn)象。根據(jù)風氧化帶深度探查施工的4個鉆孔結合礦井生產(chǎn)揭露各煤層的腐植酸含量分別為7.32%、8.96%和10.32%，為低腐植酸煤，而施工的其他鉆孔揭露的3號、9號和15號煤層埋藏較深，從各項煤質化驗指標顯示煤層正常，未發(fā)現(xiàn)煤的風化和氧化現(xiàn)象，因此，綜合分析將煤礦的風氧化帶劃分從煤層露頭線至基巖界面以下小于25 m埋深的煤層范圍，煤層露頭線以勘探線剖面露頭點連線確定，劃定的風氧化帶水平寬度50 m。

爆炸性、自燃傾向性：根據(jù)鉆孔和井下工作面采集的煤巖進行測試分析，結果顯示：①各煤層的火焰長度為0 mm，撲滅火焰巖粉量為0，因此，各煤層的煤塵無爆炸危險性；②3號煤層全硫含量為0.31%～0.36%，吸氧量為0.98～1.22 cm3/g，自燃等級為Ⅲ，屬不易自燃煤層；9號煤層吸氧量為0.95～1.20 cm3/g，自燃傾向等級為Ⅰ～Ⅱ類，屬于容易自燃-自燃煤層；15號煤層全硫含量為2.98%～3.83%，吸氧量為0.99～1.08 cm3/g，自燃等級為Ⅰ～Ⅱ，屬于容易自燃-自燃煤層。

3 結論

(1)掌石溝煤礦內(nèi)發(fā)育山西組、太原組含煤巖系，山西組的3號煤層、太原組的9號和15號煤層是礦井的主力煤層，各煤層的宏觀煤巖類型為半暗淡型-半光亮型煤，各煤層煤質具有低灰-中灰、低硫-高硫、中發(fā)熱量-高發(fā)熱量、較高軟化溫度的特點；煤類均屬無煙煤(WY3)，可作為動力用煤和民用煤；煤塵無爆炸危險性、具有自燃傾向性特征等較好的開采技術條件。

(2)礦井內(nèi)的各煤層煤質存在一定的差異性，表現(xiàn)為煤的灰分、揮發(fā)分、硫分等工業(yè)分析、元素以及有害元素的差異性，這些煤質的差異性反映了煤的形成演化以及煤的變質程度的差異性，同時還反映了研究區(qū)乃至華北地區(qū)不同成煤時期沉積環(huán)境及其基地構造演化過程。

(3)研究區(qū)局部存在高灰點和高硫點，但是整體上并不高，為了達到精煤對灰分、硫分的要求，可以通過不同煤層或相同煤層不同煤質特征區(qū)域煤層的配比或簡單的洗選達到降灰、降硫的目的。

(4)在研究區(qū)的中部背斜構造的隆起區(qū)域發(fā)育煤層露頭或隱伏露頭，導致該區(qū)域內(nèi)煤層發(fā)生或曾經(jīng)發(fā)生風氧化現(xiàn)象，通過工程探查基本查明了風氧化帶在橫向和縱向上的展布特征，進而為煤礦生產(chǎn)提供基礎地質資料。