湖南涟邵煤田北段寒婆坳矿区煤及石墨矿地质特征_周旭林.pdf

第 45 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.1 2017 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Hunan Coal Geological Exploration Institute, Changsha 410014, China; 3. Hunan Land and Resources Ination Center, Changsha 410007, China Abstract In order to determine the influence of the granitic rocks on coal graphitizing, to exploit mineral resources rationally, and to guide the prospecting work of the same kind of coal and graphite, we did sampling and testing, analyzed characteristics and distribution range of coal and graphite ore in Hanpoao mining area, summarized the metallogenic model of graphitizing in coal-bearing strata, determined that within 500～600 meters from the rock mass, the degree of coal graphitizing was high. It was predicted that there is a big potential to search for large-scale graphite ore in the sourth of Hanpoao mining area. Keywords Lianshao coalfield; Hanpoao mining area; coal; graphit; geologic characteristics 隐晶质石墨矿主要是由煤受热变质作用形成，其 化学性质稳定，不受强酸碱影响，有害杂质少，具有 耐高温、 传热、 导电、 润滑及可塑性， 素有“金砂”美称， 广泛用于铸造、涂抹、电池、碳素制品、铅笔及颜料 等方面[1]。湖南省隐晶质石墨矿资源丰富，但开发利用 方面，有不少地区仍将石墨作为煤炭资源开发。笔者 以湖南省涟邵煤田北段寒婆坳矿区为例，分析研究区 内煤与石墨矿床的地质特征与相互关系，对于指导区 内矿产资源开发利用及国内同类型地区的煤与石墨矿 床找矿工作具有实际意义。 1 区域地质概况 寒婆坳矿区位于涟源盆地的南部边缘，白马山 龙山东西向隆起的北部。区域地层出露较全，从元 古代震旦纪至中生代白垩纪地层均有出露， 主要地 层为晚古生界泥盆系中生界三叠系的一套浅海 相碳酸盐沉积夹滨海海陆交互相的含煤碎屑沉积。 区域构造以 NE 向构造为主，由一系列的 NE 向背 斜、向斜组成，向斜较为开阔，背斜较为紧闭，自 西向东发育了恩口、斗笠山、桥头河、晏家铺、杨 家山、青峰、冷水江、寒婆坳、李家湾等向斜。断 裂构造较发育，以 NE 向压性断裂为主，主要分布 于向斜两翼，有的形成了明显的推覆和滑脱构造。 岩浆岩主要有印支期的高坪岩体、天龙山岩体、沩山 岩体图 1。矿床以沉积型煤矿床为主，其他矿床还 有铜矿、锑矿等。 ChaoXing 10 煤田地质与勘探 第 45 卷 图 1 涟源盆地地质构造略图陈健明等[2] Fig.1 Tectonic sketch of Lianyuan basin 2 矿区地质 寒婆坳矿区出露地层由老至新依次有泥盆系上 统，石炭系下统孟公坳组、石磴子组、测水组、梓门 桥组；石炭系中上统壶天群；二叠系下统栖霞组、当 冲组等图 2。测水组为含煤石墨地层，为一套滨海 海陆交互相的含煤碎屑沉积，分为上、下两段，上段 不含煤， 厚约54.2 m。 下段厚60 m左右， 含煤石墨2～3 层，可采煤石墨层为 3 煤、5 煤石墨。 矿区构造总体呈近 SN 向的向斜构造，两翼不对 称。向斜西翼保存较完整，地层陡，局部直立乃至倒 转状，南部被天龙山岩体侵入破坏。东翼地层较缓，浅 部被寒婆坳推覆逆冲断裂的上盘推覆体掩盖[3]图 3。 矿区西部出露有天龙山岩体，岩体侵入的地层 是泥盆系中统至石炭系下统，锆石同位素年龄测定 为 202～208 Ma，属印支晚期侵入体，主要岩性为中 粒斑状黑云母二长花岗岩、黑云母花岗闪长岩。 岩体东部与围岩接触面呈不规则的锯齿状，接触带 总体向东倾斜，浅部倾角陡立，往深部逐渐变缓。 岩体围岩蚀变有矽卡岩化、角岩化、石英岩化、大 理岩化、千枚岩化、钾长石化等，其变质相主要属 于角闪石角岩相，属中级变质，岩浆温度 300～ 500℃。 根据围岩蚀变强度推测岩体周围热力变质圈 宽 0.3～3 km，东部宽 0.4～1.5 km[4]。 图 2 寒婆坳矿区地质图 Fig.2 Geological map of Hanpoao mining area 图 3 0 线剖面图 Fig.3 Section of line 0 区内矿床主要为煤和石墨矿，石墨矿为煤层受 天龙山岩体烘烤热变质而成。煤石墨矿层产于石 炭系下统测水组，含煤石墨为 2～3 层，可采 2 层， 由上往下编号为 3 煤、5 煤石墨层，呈层状产出。 3煤石墨层厚0.10～5.0 m； 5煤石墨层厚0.3～3.20 m， 均不稳定，但大部分可采。根据生产矿山开采情况 向斜东翼受推覆构造影响，煤层厚度变化大，局部 形成煤矿包，厚达 10 m 以上，部分地段相变为炭质 页岩，煤质总体较西翼差红寨煤矿；向斜西翼煤 与石墨矿层同时存在，煤石墨层呈陡倾斜产出， 厚度总体较为稳定，由北往南，煤层厚度总体变化 不大，5 煤石墨层厚度有变薄的趋势。3 煤和 5 煤 ChaoXing 第 1 期 周旭林等 湖南涟邵煤田北段寒婆坳矿区煤及石墨矿地质特征 11 石墨层间距 5 m 左右，矿层直接顶底板均为灰黑 色砂质页岩、炭质页岩。5 煤石墨层结构较为简单， 矸石含量低； 3 煤石墨层结构较复杂， 矸石含量较高。 3 矿体特征 为了解矿区煤层的石墨化情况，由北往南分别 从稠木煤矿 202 m 水平、胜利煤矿 150 m 水平、稗 冲煤矿 170 m 水平、石巷里煤矿 163 m 水平、石船 石墨矿 160 m 水平采取了 10 个样品，3 煤、5 煤石 墨层各 5 个，采样平面位置见图 2。采样方法为刻 槽法，采样规格为 5 cm3 cm。及时将样品送国家 石墨产品质量监督检验中心进行测试。 3.1 矿体宏观特征 矿区煤与石墨矿层宏观特征见表 1， 从表中可 以看出，煤与石墨矿颜色、结构、构造等宏观特征 区别不大。二者区别在于条痕颜色不同，石墨矿光 泽较强，密度偏大。石墨矿石裂隙中充填有细石英 脉或方解石脉等热液物质，与石墨矿产出部位距离 岩体较近有关。 3.2 矿体化学特征 煤与石墨矿的化学分析结果见表 2，从表中可以 看出，5 煤石墨层质量总体比 3 煤石墨层要好。由 北往南， 随着煤层的石墨化程度的增高， 各矿层水分、 挥发分均呈下降的趋势，其他指标无规律可循。 表 1 寒婆坳矿区煤与石墨矿物理特征对比表 Table 1 Comparison of mineral physical characteristics of coal and graphite in Hanpoao mining area 项目 颜色 结构构造 光泽 条痕密度/ tm-3 矸石含量 煤层 灰黑色、黑色 一般呈条带状或粒状结构，块状、 粉状、粒状、鳞片状构造。 玻璃-金刚光泽 黑色1.7～1.9 具炭质页岩夹矸 石墨 灰黑色、黑色 隐晶质结构，5矿层一般呈块状构 造，3矿层较松散，呈砂状构造。 似金属-金属光泽灰色1.98～2.02 夹页岩夹矸和极少量白色 细条带状石英或方解石脉 表 2 寒婆坳矿区 3 煤、5 煤矿层化验结果 Table 2 Laboratory report of seams 3 and 5 in Hanpoao mining area 煤层 编号 采样 编号 采样 位置 矿山 厚度/m Mad/Ad/ Vdaf/St,d/ 固定碳 FCd/ Qgr.d/MJkg-1 d002/nm 石墨 化度 红寨煤矿 2.2920.449.95 0.91 65.07 19.79 CM3-1 1 稠木煤矿 1.0 3.0312.587.45 1.22 76.94 27.81 3 SL3-1 2 胜利煤矿 1.5 18.408.1 1.05 73.55 25.96 BC3-4 4 稗冲煤矿 1.40 1.8121.795.15 0.80 73.06 20.56 3.389 658.6 SX3-4 5 石巷里煤矿 1.9 1.4013.913.10 0.54 82.99 27.5 3.372 179.0 SC3-1 6 石船石墨矿 0.6 1.5632.793.54 0.57 63.67 3.364 687.7 CM5-3 1 稠木煤矿 1.0 2.128.79 7.26 0.50 81.83 29.06 SL5-2 2 胜利煤矿 1.0 10.307.40 0.60 80.98 28.69 5 BC5-1 3 稗冲煤矿 0.9 1.2911.095.41 0.41 83.5 3.387 261.4 BC5-2 4 稗冲煤矿 0.8 1.419.94 5.42 0.49 84.64 23.38 3.389 758.5 SX5-3 5 石巷里煤矿 1.0 0.7211.474.33 0.11 84.20 26.8 3.383 465.8 a. 水分Mad 由北往南， 水分质量分数由3.03降低 到0.72， 水分明显下降， 石墨化煤或石墨矿的水分质量 分数一般在2以下， 而煤层的水分质量分数在2以上。 b. 挥发分Vdaf 以稗冲煤矿为界，稗冲矿的矿石挥 发分在 5左右，南部石墨化度较高，挥发分一般在 5 以下，北部以煤为主，挥发分一般在7及以上。挥发分 的含量变化亦反映出由北往南，煤的变质程度逐渐增高。 c. 固定碳FCd 由北往南呈波状起伏， 以石船 石墨矿的固定含量最低。这与石船石墨矿距离岩体 最近有关，在岩体侵入过程中，煤层及顶底板软弱 页岩层受到强大的挤压力产生流动，二者有时甚至 会混杂到一起，会增加矿层夹石的含量，导致矿层 固定碳含量降低。 d. 其他指标 由表 2 的其他指标可知煤与石墨没 有明显的区别，二者的灰分质量分数为8.79～20.58， 属于低、中灰；全硫质量分数平均 0.50～1.22，属于 低硫至低中硫，固定碳质量分数为 63.7～89.4，区内 煤层质量属于中低灰-低硫-中低硫、高发热量无烟煤。 石墨矿床属于由煤变质的隐晶质石墨，固定碳含量高， 有害组分少，质量较好。 3.3 X 射线衍射特征与石墨化度 矿区煤与石墨总体呈渐变关系，没有明显的接 触界线，肉眼观察区别不大。本文主要采用矿石的 X 衍射特征图计算石墨化度G来划分煤与石墨。石 墨化度即碳原子形成密排六方石墨晶体结构的程 度，其晶格尺寸愈接近理想石墨的点阵参数，石墨 化度就愈高，是衡量碳素物质从无定形碳通过结构 重排。文献[5]指出，晶体接近完善石墨的程度由 ChaoXing 12 煤田地质与勘探 第 45 卷 R．E．富兰克林提出，通过 X 射线衍射XRD所得 的石墨层间距 d002与理想石墨的层间距的相对差异 来表示，计算公式如下 G[0.344－d002]/[0.344－0.335 4] 式中 0.344 为完全未石墨化碳晶体层间距，nm；0.335 4 为理想石墨晶体的层间距，nm；d002为碳质材料的石墨 化试样用 X 射线衍射分析测定的层间距，nm[6]。 各煤矿 3 煤层 X 射线衍射图图 4显示， 从稗冲 煤矿北部样品就开始出现明显的驼峰，呈现石墨矿 的衍射图特征。d002 值由北往南逐渐减少，石墨化 度逐渐增强。3 煤层石墨化度从稗冲煤矿的 58.6 上 升到石船石墨矿的 87.7。蒋宏意[7]研究得出，石船 石墨矿碳相为 SG 石墨相碳。由此表明，至距离岩 体最近的石船石墨矿，煤层基本上石墨化。 图 4 寒婆坳矿区 3 煤层 X 射线衍射图 Fig.4 X-ray diffraction diagrams of seam 3 in Hanpoao mining area 3.4 矿体分布特征 根据矿山开采情况及采样测试分析，向斜东翼全 部为煤层。平面上向斜西翼，由北向南由煤层逐渐变 为石墨化煤、石墨矿层，煤层与石墨矿之间无明显的 界线；北部的稠木煤矿及以北全部为煤层，胜利煤矿 逐渐出现石墨化，其中稗冲、石巷里煤矿的煤层石墨 化较强，距离花岗岩体约 600 m 的稗冲煤矿的 BC5-1 号样品，石墨化程度达到 61.4，距离岩体约 300 m 的 石巷里煤矿南部 SX3-4 号样品，石墨化度达到 79；南 部的三尖镇石船石墨矿，距离岩体约 100 m，煤层基 本上石墨化，石墨矿化度达 87.7，煤层的石墨化现象 与天龙山岩体外接触带热变质圈基本一致。 由此可知， 距离天龙山岩体接触带约 1～1.2 km 的胜利煤矿， 开始 出现石墨化现象，往南到石巷里煤矿距离岩体 300～600 m，石墨化逐渐增强，至石巷里煤矿南部及 三尖镇石船石墨矿，距离岩体约 100～300 m，煤层石 墨化程度达到 80 及以上。 4 煤系石墨的成矿模式分析 杨起[8]研究指出，在单一深成变质作用及成岩 作用下， 我国晚古生代当煤的沉降幅度小于 2 000～ 2 500 m 时，一般形成气煤。湘中地区晚古生代煤层 沉降幅度在 2 500～2 700 m，区内岩浆活动强烈，在 区域中深层岩浆热变质的叠加作用下，晚古生代煤 层均变质达到无烟煤阶段。但寒婆坳矿区部分煤层 变质达到石墨化阶段，由此推断研究区必有进一步 变质作用的叠加。 据此分析区内煤系石墨化成矿模式为 晚古生代 测水期， 涟源盆地沉积了一套陆相含煤碎屑岩， 煤层 层数 2～7 层， 寒婆矿区位于涟源盆地的南部边缘， 煤 层层数为 2～3 层。 在深成变质作用及区域中深层岩浆 热变质作用下， 煤层达到无烟煤变质程度。 矿区南部 紧邻天龙山岩体， 局部地段岩浆侵入煤层。 在距离岩 体约 600 m 以内， 岩浆热液带来的高温、 挥发性气体 和压力使煤发生变质作用和破坏作用， 其中起主要作 用的是高温， 煤层受到高温后产生的挥发性气体较易 逸出，导致煤层的水分、挥发分含量降低[9]，同时岩 浆热液高温作用破坏了煤的结构， 使煤层碳质重结晶 生成石墨， 变质程度增高， 距离岩体越近， 温度越高， 石墨化程度愈强。矿床成因属于沉积变质型。 此外由于岩浆热液带来的一些硅质及碳酸盐成 分在煤层及围岩裂隙中沉淀使石墨矿石中充填有石 英及方解石微细脉。 5 结 论 a. 寒婆坳矿区内矿床是以煤、 石墨矿为主的沉积 变质型矿床，天龙山岩体岩浆接触热变质是煤层石 墨化的主要因素。距离天龙山岩体接触带 500～600 m 的范围内，煤层石墨化程度高，矿产可以作为石墨矿 开发利用。 围绕天龙山岩体热蚀变圈， 区内南部石船- ChaoXing 第 1 期 周旭林等 湖南涟邵煤田北段寒婆坳矿区煤及石墨矿地质特征 13 井门山一带及矿区深部岩体外接触带具有寻找大型隐 晶质石墨矿的潜力。且当岩体接触面产状与煤层倾角 基本一致时，是寻找隐晶质石墨矿的有利地区。 b. 煤与石墨矿的物理特征差异为石墨矿在 X 射线衍射图中具有明显的驼峰，石墨矿密度较大， 矿石夹有石英及方解石细脉。化学特征差异为石墨 的水分、挥发分低于煤层。 致谢 论文撰写过程中得到湖南省煤炭地质勘 查院马文华、 肖金成两位教授级高级工程师的指导， 在此表示感谢 参考文献 [1] 童曦， 伍江涛， 范德波. 隐晶质石墨的性能特点及其应用研究 进展[J]. 中国非金属矿工业导刊，201551-4. 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