四川省达州市金刚煤矿煤层物性及煤质特征

李明彬 吴 昊

(四川省煤田地质局一三七队)

金刚煤矿是川东地区重要的煤炭资源基地之一[1]，属国家规划的绿色老矿山企业，在川东煤矿资源研究中占据重要地位[1]。前人的研究工作主要集中于金刚煤矿的开采、选矿、洗煤等方向[2-5]，对于含煤层的对比研究则集中于上三叠统须家河组[7-8]，对于金刚煤矿煤层的研究涉及较少[1]。本研究结合相关地质工作成果，着重对金刚煤矿煤层物性特征及煤质特征进行分析，为进一步揭示煤矿成因提供有益参考。

1 矿区地质概况

1.1 地质构造形态

金刚矿区位于新华夏系第三沉降带川东弧形褶皱带，上三叠统须家河组含煤地层沉积之后，经历了印支、燕山和喜山3期构造运动，致使矿区发生了多期复杂的构造叠加与改造，塑造了本区主体构造——中山背斜(又称“铜锣峡背斜”)NNE向的构造形式。喜山晚期，由于区域应力场发生了变化，自北东向西南的挤压应力作用为主导，对早期形成的NNE向构造进行了改造，形成了走向NNW的线形褶曲以及与其走向一致的逆冲断裂[1]。金刚矿区浅部构造极为发育，向深部逐渐变小或尖灭。

(1)褶皱。金刚矿区褶皱构造极为发育，属中山背斜东西两翼，地表上，由南至北发育一系列次级褶皱，往深部逐渐倾伏、消失。矿区南段为一轴向N15°～20°E大致对称的倾伏背斜，北侧倾伏，倾伏角一般为3°～10°；轴部倾角一般小于20°，较为平缓，东翼倾角为25°～45°，西翼倾角为25°～40°[1]。矿区北段构造破坏较严重，主背斜轴向为N10°～15°E，南侧倾伏，倾伏角约为5°；东翼倾角较陡，倾角为30°～51°；西翼南部倾角为25°～40°，以北处于密集的褶皱带，倾角局部达60°以上。总体上，矿区深部地层倾角多大于浅部倾角，且地层倾角由南向北逐渐变大。

(2)断层。矿区浅部断层极为发育，为脆性断层，地表已识别出断层37条，钻孔揭露的隐伏断层有12条。根据断层特征及发育规律可以认为，浅表断层逐渐向深部尖灭或消失，仅有4条较大规模的断层对矿体有较大影响[2-4]，其特征为：①F1逆断层，展布于矿区北段，长3.1 km，北段走向为N35°W，向南转为N70°W，倾向SW，倾角由北往南，且由浅到深逐渐变小，水平断距为290 m，该断层破坏了矿体；②F4隐伏逆断层，走向为N31°E，倾向SW，倾角52°，最大落差为65 m，该断层破坏了矿体；③F44隐伏逆断层，根据钻孔资料，推断该断层走向为N33°W，对矿区西翼北侧300 m水平以下内外连煤层开采有影响[2]；④F50断层，为一隐伏断层，破坏了东西两翼的各个煤层，该断层走向N50°E，倾向NW，倾角约58°。

1.2 矿区地层特征

矿区地层出露由老至新依次为上三叠统须家河组(T3xj)、下侏罗统珍珠冲组(J1zh)、中—下侏罗统自流井组(J1-2z)、中侏罗统新田沟组(J2x)、中侏罗统下沙溪庙组(J2xs)和上侏罗统沙溪庙组(J2s)[1]。其中，上三叠统须家河组(T3xj)为矿区内主要的含煤地层，由深灰色泥岩、页岩、细粒砂岩、粉砂岩及煤层组成，为一套陆相沉积环境，可分为7段，第一、三、五、七段为含煤段，第二、四、六段为砂岩段；下侏罗统珍珠冲组(J1zh)为一套河流相沉积，由泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、煤线、长石石英砂岩组成[6]；中—下侏罗统自流井组(J1-2z)为一套湖泊相沉积，该组岩相、岩性较稳定，动物化石丰富，总体厚度为176～218 m，一般厚度为190 m；中侏罗统新田沟组(J2x)为河流—湖泊相沉积，由泥岩、砂岩、粉砂岩组成[7]；中侏罗统下沙溪庙组(J2xs)为一套冲积相—浅湖相沉积，为紫红、绿灰色粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，中、上部泥岩中含有大量钙质结核及团块，顶部含叶肢介化石；中侏罗统上沙溪庙组(J2s)为一套浅湖及河湖交替相沉积，由泥岩、砂质泥岩、长石砂岩、细—粉砂岩组成[7-8]。

1.3 含煤地层

矿区内的含煤地层主要为上三叠统须家河组第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)(图1)。其中，须家河组第七段(T3xj7)为矿区最主要的含煤层位，可对比含煤层数达9层，编号分别为外连煤层、内连煤层、底连煤层和25#、24#、23#、22-1#、22#等煤层，煤层平均厚度为1.86 m，含煤系数为4.06%；须家河组第五段(T3xj5)的可对比含煤层为4层，编号依次为11#、12#、14#、15#煤层，煤层平均厚度为1.73 m，含煤系数为1.54%。

2 煤层对比

2.1 对比标志选择

上三叠统须家河组(T3xj)为一套陆相沉积物，岩性变化较大，含煤层数多，但含煤层的稳定性较差，加之古河流冲蚀，增加了煤层对比难度。为更精确地分析金刚矿区的含煤层特征，本研究在煤层对比过程中除了采用标志层、层间距外，还结合了测井曲线等进行综合对比。

2.2 含煤层位特征

矿区含煤地层的岩性组合特征明显，沉积韵律较清楚，自下而上岩石粒度显示由粗变细的正粒序旋回结构。区内含煤地层按岩性、岩相组合和沉积旋回特征可分为7个岩性段，其中，上三叠统须家河组第一、三、五、七段(T3xj1、T3xj3、T3xj5、T3xj7)为含煤层段，第二、四、六段(T3xj2、T3xj4、T3xj6)为砂岩段，未见含煤层位。由矿区钻孔揭露情况可知，矿区主要的含煤层为须家河组第五段(T3xj5)和第七段(T3xj7)。

上三叠统须家河组第七段(T3xj7)由煤层、泥岩、粉砂岩、砂岩组成，该段可对比煤层为外连煤层、内连煤层、底连煤层和25#、24#、23#、22-1#、22#等煤层，煤层较好区分，含煤性较稳定。上三叠统须家河组第五段(T3xj5)由煤线、薄煤层、泥岩、粉砂岩、砂岩组成，该段可对比煤层为11#、12#、14#、15#煤层，该段沉积环境不稳定，煤层厚度变化较大，具有中煤组在矿区背斜西翼含煤性较好、背斜东翼含煤性较差的特征。

2.3 含煤标志层特征

图1 须家河组第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)地层柱状

根据岩性组合特征，在矿区须家河组地层内共确定了5个标志层作为该矿区煤层的对比标志，各标志层特征如下。

(1)1#标志层。岩性为须家河组第七段第二亚段(T3xj7-2)砂岩，厚7～25 m，平均17 m，距离外连煤层0.76～9.78 m，平均3.05 m。该层砂岩颜色较浅、粒度较粗，含较多黑色燧石岩屑，俗称“芝麻砂岩”，一般厚17 m。测井曲线上电阻率曲线呈高阻，中下部随着泥质成分增加幅值降低，自然伽玛曲线上呈低异常似“箱状”。

(2)2#标志层。外连煤层外顶常见0.10 m厚的碳质泥岩，在煤层顶界以上0.60～3.70 m可见1～3条煤线或碳质泥岩，含菱铁矿结核，顶板泥岩产有较多完整的植物化石，可与内连煤层顶板相区别，且测井电阻率电位曲线上呈低阻反应，自然伽玛曲线上呈高异常反应，是对比外连煤层与内连煤层的良好标志。

(3)3#标志层。内连煤层之下0.45～4.68 m处常见1层煤或碳质泥岩(即底连煤层)，顶板完整的植物化石少见，且测井电阻率电位曲线上呈低矮异常、伽玛伽玛曲线上呈中等偏低异常、自然伽玛曲线呈中异常或高异常反应。

(4)4#标志层。须家河组第五段第三亚段(T3xj5-3)褐灰色铝土质泥岩一般厚度为0.09～0.61 m，平均为0.24 m，距离须家河组第五段第四亚段(T3xj5-4)砂岩底部0.87～8.07 m，平均3.20 m。

(5)5#标志层。须家河组第五段第三亚段(T3xj5-3)浅灰色铝土质泥岩一般厚度为0.03～1.07 m，平均为0.32 m，距离4#标志层2.90～13.25 m，平均6.75 m。

2.4 含煤层位特征

矿区煤层对比层位稳定，无较大变化，对比标志明显，层序清晰，界线明显，易于对比。外连煤层赋存于须家河组第七段第二亚段，上距1#标志层(第七段第二亚段(T3xj7-2))0.76～9.78 m，平均3.23 m，下距内连煤层0.25～6.89 m，平均2.91 m；内连煤层下距底连煤层1.26～5.50 m，平均3.47 m；14#煤层上距5#标志层0.20～2.39 m，平均1.50 m。

2.5 测井曲线特征

矿区内主要可对比的外连、内连、底连、14#煤层与其顶底板的泥岩、砂质泥岩相比，电阻率呈高异常、天然放射性含量低、密度低的特征，在三侧向电阻率曲线上表现为相对高异常，在伽玛曲线上表现为明显突出的高异常，在自然伽玛曲线上表现为相对低幅值异常。因此正连、内连、底连和14#煤层的各参数曲线形态多为单尖峰状。

2.6 煤层对比的可靠性分析

矿区参与对比的主采煤层(外连、内连煤层)厚度大且层位稳定，对比标志明显，因此煤层对比结果较可靠，尚有22#、底连、14#、15#、11#、11-1#煤层也有个别点达到可采厚度。在勘查过程中，本研究综合采用了煤层层间距、标志层、煤岩特征、煤质特征、岩矿特征、古生物特征和地球物理测井曲线等资料进行了煤层对比和命名，证实此次煤层对比依据充分，煤层对比结果正确可靠。

3 煤质特征

矿区可对比的煤层共有12层，可分为上煤组和中煤组。上煤组为上三叠统须家河组第七段(T3xj7)，由外连煤层、内连煤层、底连煤层和25#、24#、23#、22-1#、22#煤层组成；中煤组为上三叠统须家河组第五段(T3xj5)，由11#、12#、14#、15#煤层组成。其中，外连、内连煤层为区内主采煤层，14#煤层为局部可采煤层。

3.1 煤的物理性质

(1)外连煤层。呈黑色，条痕为棕黑—黑色，沥青光泽—玻璃光泽，参差状及阶梯状断口，线理状结构，以块状构造为主，次为层状构造，硬度较大，裂隙不发育。

(2)内连煤层。呈深黑色，条痕为黑色，玻璃光泽，参差状断口，条带状结构，以块状构造主，次为层状构造，性脆，裂隙发育，多为方解石脉充填。

(3)底连煤层。呈深黑色，条痕为黑色，玻璃光泽，参差状断口，煤层以块状构造为主，次为层状构造。

(4)14#煤层。呈深黑色，条痕棕黑—黑色，沥青光泽—玻璃光泽，参差状断口，呈条带状结构，块状构造。

3.2 宏观煤岩类型

(1)外连煤层。上部煤岩组分以暗煤为主，光泽暗淡，夹少量镜煤和丝炭的透镜体线理，属暗淡煤；下部煤岩组分以暗煤为主，光泽较弱—较强，亮煤次之，局部夹镜煤条带，属半暗—半亮煤。

(2)内连煤层。煤岩组分以亮煤为主，光泽较强，夹镜煤、暗煤、丝炭薄层，呈条带状结构，属半亮煤。

(3)底连煤层。煤岩组分以亮煤为主，局部夹镜煤条带，属半亮煤。

(4)14#煤层。一般上分层中亮煤与暗煤约各占1/2，下分层以亮煤为主，暗煤次之，光泽较弱—较强，煤中夹薄层褐色硬质黏土岩。该煤层上部属半暗煤，下部属半亮煤。

3.3 显微煤岩组分

本研究在钻孔中共采集了4件煤岩样品进行了化验分析。结果表明：矿区内所测煤层有机组分中的主要成分为镜质组，次为惰质组，壳质组少量；镜质组以均质镜质体、基质镜质体为主，碎屑镜质体次之；惰质组以丝质体、半丝质体为主[8]，微粒体、惰屑质体次之；外连煤层有机组分含量为83.7%，无机组分含量为16.3%，最大反射率为1.136；内连煤层有机组分含量为74.4%～81.9%，平均为78.15%，无机组分含量为18.1%～25.6%，平均为21.85%，最大反射率为1.011～1.106 3，平均为1.040；底连煤层有机组分平均含量为55.8%，无机组分平均含量为44.2%，最大反射率为1.096；内连及底连煤层的有机组分含量均低于外连煤层有机组分含量，无机组分含量均高于外连煤层无机组分含量。

3.4 水 分

外连煤层原煤水分含量为0.37%～1.07%，平均为0.67%，浮煤水分含量为0.37%～1.05%，平均为0.82%；内连煤层原煤水分含量为0.27%～1.27%，平均为0.83%，浮煤水分含量为0.40%～1.05%，平均为0.85%；14#煤层原煤水分含量为0.64%～1.16%，平均为0.89%，浮煤水分含量为0.43%～1.15%，平均为0.89%。

3.5 灰分产率(Ad)

外连煤层原煤灰分产率为9.55%～59.02%，平均为30.37%，为中灰煤；内连煤层原煤灰分产率为5.60%～36.54%，平均为17.39%，为低灰煤；14#煤层原煤灰分产率为31.09%～38.63%，平均为35.23%，为中高灰煤；外连煤层浮煤灰分产率为5.21%～11.73%，平均为9.08%，为特低灰煤；内连煤层浮煤灰分产率为4.98%～11.14%，平均为7.96%，为特低灰煤；14#煤层浮煤灰分产率为7.39%～14.01%，平均为10.52%，为低灰煤。

3.6 挥发分(Vdaf)产率及CO2含量

本研究试验所采用的挥发分产率计算公式以浮煤900 ℃值为准，得出的外连浮煤挥发分产率为30.53%～36.04%，平均为33.36%；内连浮煤挥发分产率为30.65%～34.40%，平均为32.46%；14#煤层浮煤挥发分产率为27.35%～30.75%，平均为29.04%；上述煤层均为中高挥发分煤。根据6件煤样的二氧化碳(CO2)含量测试结果可知，样品中CO2含量最低为0.99%，最高为1.27%，平均为1.15%，未超过2%，故未校正挥发分产率。

3.7 硫分(S)

(1)全硫(St,d)。外连煤层原煤全硫含量为0.19%～0.60%，平均为0.45%，为特低硫煤；内连煤层原煤全硫含量为0.34%～1.22%，平均为0.54%，为低硫煤；14#煤层原煤全硫含量为0.44%～0.46%，平均为0.45%，为特低硫煤；外连煤层浮煤全硫含量为0.40%～0.62%，平均为0.52%，为低硫煤，具有西翼向东翼逐渐增大的趋势；内连煤层浮煤全硫含量为0.42%～1.03%，平均为0.55%，为低硫煤，具有西翼向东翼逐渐减小的趋势；14#煤层浮煤全硫含量为0.51%～0.69%，平均为0.58%，为低硫煤。本研究对煤层硫分按实测的干基高位发热量对基准发热量进行了折算，煤层折算后的平均硫分含量为0.67%(底连煤层)～1.417%(14#煤层)，较折算前的硫分降低了0.17%(外连煤层)～0.19%(14#煤层)，浮煤全硫脱硫率为67%，脱硫效果中等。

(2)形态硫。外连、内连、14#煤层原煤、浮煤全硫组成均以硫铁矿硫(Sp,d)、有机硫(So,d)为主，硫酸盐硫(Ss,d)含量甚微。

3.8 恒容干燥基高位发热量(Qgr,d)

外连煤层原煤发热量为13.77～31.85 MJ/kg，平均为24.27 MJ/kg，属中发热量煤，具有西翼向东翼逐渐减小的趋势，东翼均为高发热量煤；内连煤层原煤发热量为21.90～33.73 MJ/kg，平均为28.96 MJ/kg，属高发热量煤，除了局部为特高发热量煤外，其余均为高发热量煤；14#煤层原煤发热量为20.14～22.95 MJ/kg，平均为21.69 MJ/kg，属中发热量煤；外连煤层经洗选后，浮煤发热量增高，为35.06～36.11 MJ/kg，平均为35.40～35.79 MJ/kg，属特高发热量煤，矿区内无明显的变化趋势；内连煤层经洗选后，浮煤发热量增高，为35.41～36.11 MJ/kg，平均为35.79 MJ/kg，属特高发热量煤，矿区内无明显的变化趋势；14#煤层经洗选后，浮煤发热量增高，为35.11～35.81 MJ/kg，平均为35.40 MJ/kg，属特高发热量煤，矿区无明显的变化趋势。

4 结 论

(1)金刚矿区主要的含煤层位为上三叠统须家河组第五段(T3xj5)及第七段(T3xj7)，且须家河组第七段(T3xj7)为矿区最主要的含煤层位，煤层较好区分，含煤性较稳定。

(2)矿区以亮煤为主，暗煤次之。亮煤光泽较强，夹镜煤、暗煤、丝炭薄层，暗煤光泽暗淡，夹少量镜煤和丝炭的透镜体线理。

(3)煤层原煤水分平均小于0.9%，挥发分(Vdaf)产率平均为29.04%～33.36%，CO2含量不超过2%，煤层折算后的平均硫分含量比折算前的硫分降低0.17%～0.19%，浮煤全硫脱硫率为67%，脱硫效果中等。