張其勝

偏關(guān)正興擴區(qū)煤層風(fēng)氧化規(guī)律初探

張其勝

(山西焦煤投資有限公司，山西 太原 030021)

偏關(guān)正興擴區(qū)受特殊地理影響，煤層風(fēng)氧化呈現(xiàn)出了區(qū)域性分布特征。本文通過對偏關(guān)正興擴區(qū)自然環(huán)境、蓋山厚度、產(chǎn)狀、巖性組成和煤層變質(zhì)程度、煤巖組成等情況的風(fēng)氧化條件分析，指出了正興擴區(qū)煤層風(fēng)氧化區(qū)域分布的原因是風(fēng)氧化作用垂向發(fā)展的結(jié)果;影響擴區(qū)風(fēng)氧化的關(guān)鍵因素是煤層上方黏土礦的厚度;煤層呈串珠狀分布的原因是擴區(qū)內(nèi)密布的沖溝內(nèi)風(fēng)氧化垂向作用和水平作用的結(jié)果。對同類型礦井的勘探、設(shè)計、投入等生產(chǎn)經(jīng)營活動具有一定的借鑒意義。

煤層;風(fēng)氧化;規(guī)律

1 問題的提出

山西焦煤集團投資有限公司是偏關(guān)縣煤炭資源唯一的開發(fā)企業(yè)，2009年8月該公司整合重組了偏關(guān)縣5座煤礦，成立了山西焦煤集團正興煤業(yè)有限公司和山西焦煤集團正仁煤業(yè)有限公司。2010年正興煤業(yè)在井田東南擴區(qū)進行了勘探，并編制了《山西省河?xùn)|煤田偏關(guān)縣山西焦煤集團正興煤業(yè)有限公司井田及東南擴區(qū)煤炭資源勘探地質(zhì)報告》，該報告風(fēng)氧化情況借鑒了正興、正仁煤業(yè)井下實測資料和前期詳查地質(zhì)報告資料，認為擴區(qū)煤層風(fēng)氧化區(qū)域主要位于關(guān)河以西的擴區(qū)東部邊界區(qū)域，風(fēng)氧化寬度按50 m圈定，并以此計算了擴區(qū)儲量［1］。但在礦井隨后的采掘活動中，卻發(fā)現(xiàn)正興擴區(qū)的風(fēng)氧化情況與勘探地質(zhì)報告存在嚴重偏差，正興煤業(yè)13－105工作面設(shè)計施工的軌道順槽掘進了1 200 m，距離關(guān)河西岸達到了1 700 m，仍未走出風(fēng)氧化區(qū)域，見圖1。

圖1 偏關(guān)礦區(qū)分布圖

擴區(qū)13#煤風(fēng)氧化情況具有如下特征：

1)工作面揭露的13#煤層及上部巖層大部分風(fēng)化成泥狀，僅在煤層中下部殘存厚0～4.5 m煤層，錨桿、錨索無法施工，支護困難。

2)有殘煤區(qū)域煤層呈串珠狀，煤層厚度變化迅速，常常出現(xiàn)“十米不同天”的狀況。

3)從鉆孔和巷道揭露情況看，煤層風(fēng)氧化區(qū)域與該區(qū)域蓋山厚度沒有明顯關(guān)系。

上述情況給礦井的采掘設(shè)計、安全管理、資金投入帶來了很大困難。導(dǎo)致正興擴區(qū)風(fēng)氧化情況異于礦井區(qū)域的原因，擴區(qū)風(fēng)氧化情況的影響程度，是正興公司、乃至整個偏關(guān)礦區(qū)急需搞清的問題。

2 影響煤層風(fēng)氧化的主要因素

煤層風(fēng)氧化指出露于地表或埋藏在地表淺處的煤，在大氣和水的作用下受到不同程度的風(fēng)化、氧化，其物理、化學(xué)和工藝性質(zhì)發(fā)生了變化，以至喪失了工業(yè)價值的現(xiàn)象。影響煤層風(fēng)氧化作用的因素：

2.1 氣候、地形、地貌等自然環(huán)境影響

自然環(huán)境決定了煤層的通風(fēng)條件，對煤層風(fēng)氧化會產(chǎn)生重大影響。如水分含量過高時，煤的內(nèi)部孔隙和煤粒之間都被水充滿，空氣不易進入，難以氧化;相反，若煤含的水分很低，煤的內(nèi)部孔隙和煤粒間容易充滿空氣，煤氧化就容易發(fā)生。

2.2 蓋山影響

2.2.1 蓋山厚度

一般蓋山越厚，空氣和水越不容易透過地層，接觸煤層，風(fēng)氧化作用越弱，煤層越不容易受風(fēng)化;反之，則煤層易受侵蝕。

2.2.2 蓋山巖性組合

蓋山的巖性組合影響煤層上部巖層的裂隙發(fā)育度，裂隙是風(fēng)氧化發(fā)生作用的通道與途徑。通常礫巖、砂礫巖、砂巖、灰?guī)r、黃土等巖層裂隙發(fā)育。煤層上部若存在的有效隔水層可以有效隔斷垂向的風(fēng)氧化作用。

2.2.3 蓋山巖層產(chǎn)狀

煤層露頭區(qū)發(fā)生風(fēng)氧化作用，風(fēng)氧化煤延展寬度往往受煤層傾角影響，煤層向下傾角變化越快，越容易擺脫風(fēng)氧化侵蝕，風(fēng)氧化寬度相對越窄。

2.3 煤變質(zhì)程度［2］

變質(zhì)程度越高的煤越不容易風(fēng)氧化。通常腐植煤中年輕的褐煤最易風(fēng)化，隨著煤化程度的加深，煤的著火溫度升高，風(fēng)化作用下降。

2.4 煤的顯微組分和煤巖類型［2］

不同巖相組分氧化不同，各種巖相組分的氧化活性一般按下列順序遞減：鏡煤＞亮煤＞暗煤＞絲炭。絲炭具有較大的內(nèi)表面積，低溫下能吸附大量的氧氣，絲炭內(nèi)又常夾雜著黃鐵礦，黃鐵礦易氧化，生成SO2和Fe2O3，所以絲炭促進煤的氧化。

3 正興擴區(qū)的地質(zhì)特點

3.1 自然地理狀況

3.1.1 地形、地貌

正興擴區(qū)位于呂梁山系管涔山西北緣，地處黃土丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地形南高北低.最高點位于礦區(qū)西南，海拔1 248.99 m，最低點位于礦區(qū)西北關(guān)河河床，海拔1 010 m，相對高差238.99 m，區(qū)內(nèi)廣為黃土覆蓋，為典型的黃土地貌;地表植被稀少，沖溝密布，深度在0～130 m，局部區(qū)域沖溝下切進入了基巖。

3.1.2 氣 候

擴區(qū)屬大陸性氣候，干旱、風(fēng)沙大，春冬兩季多西北風(fēng)，最大風(fēng)力可達8～9級;雨量稀少，多年平均降雨量448 mm，多年平均蒸發(fā)量1 810 mm，年平均氣溫8℃。

3.2 蓋山情況

3.2.1 蓋山厚度、產(chǎn)狀

正興擴區(qū)大部分被第三系、第四系松散層覆蓋，主采 13#煤層厚 0.2 ～17.44 m，平均 5.66m;傾角 5°～7°，上部基巖厚20～30 m，蓋山總厚度22～169 m。

3.2.2 蓋山巖性組合［1］

正興擴區(qū)內(nèi)地層主要有奧陶系、石炭系及二疊系，蓋山巖層主要包括石炭系太原組二段、第三系、第四系三部分，見表1。

1)石炭系太原組(C3t)。

可分為太原組一段和二段。13#煤層位于太原組一段上部或頂部;13#煤層頂部黏土巖擴區(qū)內(nèi)基本缺失，只在ZK－80鉆孔揭露，厚0～2 m。二段地層出露不全，區(qū)內(nèi)零星可見，厚0～40.13 m，平均 14.50 m，多為含礫粗砂巖、12#煤層，炭質(zhì)頁巖及黏土巖等，含礫粗砂巖平均厚度13.43 m。

2)第三系上新統(tǒng)(N2)。

分一段和二段，與下伏地層為不整合接觸。一段由砂礫石層組成，礫石為巨礫—卵石，鈣質(zhì)膠結(jié)，未完全固結(jié)成巖。厚0～59.32 m，平均18.09 m。二段主要由紅色亞黏土組成，厚0～61.27 m，平均26.83 m。與上覆黃土層呈波狀起伏接觸。

3)第四系(Q)。

上更新統(tǒng)(Q3)：由黃色亞砂土組成，廣泛分布于區(qū)內(nèi)各處，最厚＞100 m，與下伏地層呈不整合接觸。

全新統(tǒng)(Q4)：由沖洪積物、殘坡積組成，分布于區(qū)內(nèi)各溝谷及河床，厚度＜20 m，一般3 m左右。

表1 正興擴區(qū)區(qū)域地層表

3.3 13#煤層情況

3.3.1 煤變質(zhì)程度

13#煤層25個樣品的鏡煤平均最大反射率(Romax%)測定值為0.643，故13#煤層總體屬Ⅰ變質(zhì)階段。

3.3.2 顯微組分和煤巖類型

1)有機組分。

占煤巖組分含量的90%以上，由鏡質(zhì)組(30.31%)、半鏡質(zhì)組(3.79%)、“絲 + 半絲質(zhì)”組(51.54%)及穩(wěn)定組(6.60%)組成，以“絲 +半絲質(zhì)”組為主，其次是鏡質(zhì)組。

2)礦物組分。

約占煤巖組分的5% ～6%，主要由黏土組成，占5%，其次為硫化物(0.42%)，碳酸鹽(0.07%)。

硫化物：由黃鐵礦組成，多以晶粒狀散布在煤巖有機組分之間，含量極不穩(wěn)定，0.06% ～1.57%。

4 正興擴區(qū)的風(fēng)氧化規(guī)律

綜上所述，正興擴區(qū)氣候干燥、風(fēng)力強大，具有良好通風(fēng)條件;煤層蓋山極薄，蓋山巖性多為砂礫石、中粗粒砂巖、黃土沖積物、洪積物，裂隙較易發(fā)育;煤層煤化程度低，有機組分中絲炭、半絲炭含量高，煤層自身抗氧化能力弱。無論內(nèi)因還是外因，正興擴區(qū)13#煤層都有很強的受風(fēng)氧化條件。綜合礦區(qū)的鉆孔、地形、巷探資料，可以總結(jié)出正興擴區(qū)風(fēng)氧化規(guī)律如下：

1)正興擴區(qū)煤層風(fēng)氧化是以垂向發(fā)展為主，水平發(fā)展為輔，風(fēng)氧化是區(qū)域性的，而不是局部性的。在擴區(qū)關(guān)河西岸風(fēng)氧化以水平發(fā)育為主，在擴區(qū)中部以垂向發(fā)育為主。

2)地表廣泛發(fā)育的沖溝是煤層風(fēng)氧化發(fā)育不均勻的直接原因，在沖溝底部不僅有垂向風(fēng)化，而且順著溝底裂隙發(fā)生了不均勻的水平向風(fēng)化，造成煤層的串珠狀分布。

3)13#煤層頂部黏土巖厚度是正興擴區(qū)、乃至整個偏關(guān)礦區(qū)風(fēng)氧化發(fā)育的關(guān)鍵所在，正興煤業(yè)、正仁煤業(yè)雖與正興擴區(qū)處于同一地質(zhì)單元，但風(fēng)氧化條件完全不同，正興煤業(yè)、正仁煤業(yè)13#煤上部廣泛存在1#、2#黏土礦，該黏土礦有效截斷了來自煤層上部的垂向風(fēng)化，使得煤層得以保全，正興擴區(qū)未認真分析黏土礦的展布范圍，機械套搬資料，造成風(fēng)氧化區(qū)域整體性判斷失誤。

［1］ 山西省河?xùn)|煤田偏關(guān)縣山西焦煤集團正興煤業(yè)有限公司井田及東南擴區(qū)煤炭資源勘探地質(zhì)報告［R］.太原：山西省地質(zhì)勘查局二一一地質(zhì)隊，2011：8 －17.

［2］ 煤堆自燃原因及預(yù)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

張其勝(1972—)，男，山西原平人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事礦山地質(zhì)測量工作(E － mail)zhangqisheng.my265@yahoo.com.cn