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[摘要]本文在对万全煤田含煤地层等地质特征叙述的基础上,重点对煤岩特征、煤的化学性质、煤质、煤类及煤的工业用途进行了研究论述。
[关键词]含煤地层,煤质,煤类,万全煤田,河北
中图分类号:TE39 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)13-0288-02
万全煤田位于河北省张家口市万全县境内,面积约600 km2,含煤地层为白垩系下统青石砬组。区内交通、通迅发达,工业设施完善,为煤炭开发利用造就了有利条件。目前已查明煤炭资源量近11亿吨,预测煤炭资源总量达21亿吨,据最新分析测试成果,煤质为长焰煤。其特点是大型、整装、尚未开发。
1 煤田地层特征
1.1 煤系基底与盖层
万全煤田周边由数条断裂所围辖,总体呈一单斜构造,倾向SW,倾角4°~25°。次级构造以断层为主,褶皱不发育。
煤系基底地层为太古宇桑干群变质岩或中生界侏罗系上统张家口组。
煤系的直接盖层为中生界白垩系上统南天门组或第四系。南天门组与下伏青石砬组煤系呈平行不整合接触,并可划分为两个岩性段:
一段:巨厚层状砾岩段(K2n1)
底部为黄褐色—灰白色,中—粗砾岩,粗砂岩、砂质泥岩。砾岩,中砾结构,巨厚层状构造,粒径一般为5~10cm,次圆状,分选性差,铁、泥质胶结。砾石成分为流纹岩、安山岩、流纹质凝灰岩、石英斑岩、硅质白云岩、石英岩及少量变粒岩等。部分砂岩斜层理、交错层理发育。上部为灰褐色—灰白色砾岩、砂岩、粉砂岩及泥岩,泥岩为灰或紫红色。段厚427m。
二段:巨厚层中细粒砂岩段(K2n2)
下部为巨厚层状灰色砾岩、粗砂岩夹砖红色粘土岩。砾岩,中、细粒结构,粒径1~7cm,砂质填充,磨圆度好,分选性差。砾石成分为流纹岩、石英斑岩、片麻岩、石英岩等。上部以砾岩、粗砂岩、红、白、灰色砂岩、粉砂岩为主,砂岩、粉砂岩红白相间互层产出,常见于207国道两侧,结构松散,成岩度低。段厚152m。
1.2 含煤地层
含煤地层为中生界白垩系下统青石砬组(K1q),大面积隐伏于盖层之下,零星出露于万全煤田的东部及东北部。主要岩性为灰—灰白色砾岩、砂岩、含砾砂岩、粘土岩,含煤10余层,为本区主要含煤地层,厚度78.60~694.61m,平均403.74m。按岩性岩相将本组自下而上划分为五个岩性段。
一段、粗碎屑杂色砾岩段:底部为杂色砾岩、灰白色中砾岩—粗砂岩。砾岩的砾径1~3cm,部分为3~5cm,砾石成分主要为安山岩、流纹岩、石英斑岩、流纹质凝灰岩及少量变粒岩;磨圆度较好,但分选性差,砂质充填,成岩度高,岩石坚硬。中部为灰白色—灰色砂岩、粉砂岩夹薄层砾岩。上部为深灰色粉砂岩、粉砂质泥岩等。段厚34.7~85.4m,平均49.6m。
二段、灰绿色粉砂—砂砾岩段:下部为灰白色砾岩、粗砂岩、砂岩,砾岩中—粗粒结构,块状构造 ,砂质充填,砂岩多为泥质胶结;上部为灰色—灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩互层,煤田西部见有黑色炭质泥岩夹煤层数层,属第Ⅲ煤组,个别煤层零星可采,可采煤层3层。段厚49.5~124.6m,平均厚95.2m。
三段、主要含煤段:下部为灰—灰白色砂岩、粉砂岩、泥岩为主,局部夹砂砾岩透镜体。中部为深灰—灰黑色泥岩、粉砂岩、炭质泥岩,含煤5~8层,可分为两个煤组,即Ⅰ、Ⅱ煤组。上部为灰—灰白色砂岩、粉砂岩及泥岩。段厚77~137.2m,平均98m。
四段、砖红—灰绿色粉砂—砂砾岩段:本段韵律特征明显,每一小旋回自砾岩—砂岩—粉砂岩—泥岩而结束,旋回重复3~8次,下部见1~4层砖红色泥岩,层位稳定,为区内见煤标志层。该段粉砂岩中植物化石丰富,常见煤线或薄层,段厚50.3~133.7m,平均109m。
五段、粗碎屑砾岩段:主要为浅灰、灰白色砾岩、砂砾岩,局部夹粉砂岩或泥岩透镜体。砾岩,中砾结构,粒径2~6cm,砾石呈次圆状,砾石成分主要为石英岩、流纹岩、英安岩、流纹质凝灰岩等,局部含炭屑。段厚40~314m,平均153m。
2 煤层与煤质
2.1 煤层
依据煤层分布特征、沉积相—旋回特征,将煤层划分为三个煤组,14个煤层,煤层编号自上而下依次为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27号煤层。其中1号煤层为较稳定煤层,全区分布,但厚度变化较大,属大部可采煤层。3、5号煤层为不稳定煤层,属局部可采煤层。9、11号煤层为较稳定位煤层,但厚度较薄,属零星可采煤层,煤层结构简单—极复杂,全区大部可见,个别部位尖灭。其余煤层均为极不稳定煤层,厚度较薄,少数煤层见零星可采点。主要煤层地质特征如下:
2.1.1 1号煤层
赋存于青石砬组第三岩性段中部,埋藏底板标高为682.34~63.91m。该煤层全区均有分布,层位较稳定,全区21个钻孔中,见到该煤层的钻孔有19个,其中可采见煤点11个。煤层总厚为0.40~8.35m,平均2.45m,夹矸0~5层,夹矸岩性为泥岩,煤层结构简单—复杂。可采厚度为0.87~7.35m,平均厚1.91 m。顶板岩性主要为泥岩和粉砂岩,其次为粉砂质泥岩、细砂岩,个别钻孔见到砾岩。底板岩性多为泥岩,个别为砂质泥岩和粉砂岩。
2.1.2 3号煤层
位于1号煤层以下0.90~2.36 m,平均间距1.73 m。埋藏底板标高为677.75~310.67m。该煤层在区内发育较好,层位较稳定,全区21个钻孔中,有10个钻孔见到该煤层,其中可采见煤点8个。煤层总厚为0.50~12.18 m,平均厚3.57 m,夹矸0~8层,夹矸岩性主要为泥岩,极个别为砂质泥岩和粉砂岩,煤层结构简单—极复杂。可采厚度为0.84~9.05 m,平均厚2.83 m。顶板岩性多为泥岩,个别为砂质泥岩和炭质泥岩。底板岩性主要为泥岩,其次为炭质泥岩。 2.1.3 5号煤层
位于3号煤层以下0.85~3.9 3m,平均间距2.24m。埋藏底板标高为672.95~389.59m。该煤层在全区的中部发育好,主要集中在纵24线中部,即ZK2407以东至ZK2424。全区21个钻孔中,有7个钻孔见到该煤层,其中可采见煤点6个。煤层总厚为0.45~5.04m,平均2.11m,夹矸0~2层,夹矸岩性为泥岩,煤层结构简单—较简单。可采厚度为0.88~4.50m,平均1.81m。顶板岩性有泥岩,还有炭质泥岩、粉砂岩、砂质泥岩。底板岩性为泥岩和砂质泥岩。
其它煤层由于煤层较薄或煤层厚度不稳定等原因,多属零星可采煤层,工业价值不大。
2.2 煤质
2.2.1 煤的物理性质及煤岩特征
全区煤的变质程度基本相同,煤质变化不大,均为长焰煤。呈黑色、黑褐色,条痕为褐色、褐黑色。光泽明亮—暗淡,常见沥青光泽、玻璃光泽。常见条带状结构,层状及块状构造。断口呈参差状、贝壳状、阶梯状等。煤的刻划硬度2.0~2.5,可见少量内生裂隙,外生裂隙不发育。
①宏观煤岩成分及类型
各煤层一般以暗煤、亮煤为主,夹镜煤条带及少量丝炭,内生裂隙偶见黄铁矿结核及散晶,外生裂隙不发育。煤岩类型多以光亮型煤、半亮型煤为主,暗淡型煤、半暗型煤次之。
②显微煤岩组分
有机显微组分:主要为镜质组,其次为惰质组,壳质组含量极少。镜质组含量除3号煤层外,其余各层均超过80%,其中7号煤层高达84.16%。无机组分:主要是粘土组和少量的硫化物组及极少量氧化硅组,部分煤层含极微量的碳酸盐,硫酸盐含量为零。
2.2.2 煤的化学性质
①水分(Mad):全区原煤水分在2.16%~14.77%范围内,因受灰分等杂质的影响,原煤水分无明显变化规律。精煤水分在5.48%~12.50%范围内,上部煤层水分较高,随煤层深度增加,水分呈逐步下降趋势。
②灰分(Ad):1号煤层原煤灰分在17.50%~43.85%之间,平均为26.00%,属中灰份煤。精煤平均灰分为10.08%。3号煤层原煤灰分在16.11%~26.92%之间,平均为22.78%,属中灰份煤。精煤平均灰分为10.12%。5号煤层原煤灰分在21.19%~40.76%之间,平均为31.18%,属高灰份煤。精煤平均灰分为9.80%。
由上述可以看出,原煤灰分变化范围较大,这与煤层结构复杂程度有关,原煤经洗选后,其精煤水份相对稳定,属低中灰分煤。
③挥发分产率(Vdaf):原煤平均38%,精煤47%,属中高挥发分煤。
④固定碳(FCad):原煤一般在36.39%~39.51%,平均38%,精煤一般在66.58%~48.22%,平均47. 38%,属低固定碳煤。
⑤全硫及各种硫:可采煤层全硫(St.d)含量较高,原煤平均达2%,为中高硫煤。煤层中各种硫以硫化物硫和有机物硫为主,硫酸盐硫次之。通过煤的选洗试验可知,原煤中的无机硫可以除去50%~40%,浮煤全硫(St.d)平均含量降至1.2%。
2.2.3 煤的工艺性能
①发热量:全区各可采煤层的原煤干燥基高位发热量在(Qgr,d)22.77~23.54MJ/kg,原煤干燥基低位发热量为(Qnet,d)22.00~22.77MJ/kg;浮煤干燥基高位发热量(Qgr,d)为27.01~27.66MJ/kg。属中——高热值煤。
②粘结性、结渣性:可采煤层的粘结指数(GR.I)均为0,属不粘结煤;结渣特性均为2,属不易结渣煤。
③煤灰的熔融性:全区各可采煤层煤灰的成分比较稳定,故煤灰的熔融性也比较接近。各可采煤层煤灰的平均软化温度(ST)均大于1300℃,属于中等软化温度灰,平均流动温度(FT)均大于1350℃,属于中等流动温度灰。
2.2.4 煤的分类及工业用途
①煤的分类:全区煤层原煤干燥无灰基挥发分(Vdaf)均大于37%,一般在38.86%~47.78%,透光率(PM)变化范围在48%~72%,平均数值58.77%,最大可达72%, 只有个别煤样的透光率(PM)接近50%,为48%~49%,且恒温无灰基高位发热量(Qgr.daf)均大于24MJ/kg。按《中国煤炭分类》(GB/T 5751—2009)国家标准,本区煤类均为长焰煤,代号CY。粘结指数(G)<5,焦渣特征均为2,煤类编码为41。
②煤的工业用途:各煤层均为低变质程度的烟煤,煤类为长焰煤。煤的粘结性差,原煤挥发分均大于38%,各煤层均属于中—高灰煤层,原煤硫分较高,属中硫—高硫分煤,发热量较高,属中—高热值煤,煤灰熔融性(ST)在1300~1500°C之间,属中等软化温度灰分,有害元素含量低,腐植酸、苯萃取物等产率低。故本区煤适合用做火力发电用煤和液化用煤。
参考文献
[1] 冀北地区中新生代聚煤盆地形成演化及找矿方向[R].河北张家口:河北地矿局地质三队,1992.
[2] 张国斌,韩桂平.张家口市万全煤田煤层地下气化开发条件研究[J].中国煤田地质,2005(3).
[3] 河北省万全县李虎庄煤炭普查与外围预查地质报告[R].河北张家口:河北地矿局地质三队,2011.
作者简介
肖学军 (1965—),男,工程师,长期从事煤田地质勘查工作。
[关键词]含煤地层,煤质,煤类,万全煤田,河北
中图分类号:TE39 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)13-0288-02
万全煤田位于河北省张家口市万全县境内,面积约600 km2,含煤地层为白垩系下统青石砬组。区内交通、通迅发达,工业设施完善,为煤炭开发利用造就了有利条件。目前已查明煤炭资源量近11亿吨,预测煤炭资源总量达21亿吨,据最新分析测试成果,煤质为长焰煤。其特点是大型、整装、尚未开发。
1 煤田地层特征
1.1 煤系基底与盖层
万全煤田周边由数条断裂所围辖,总体呈一单斜构造,倾向SW,倾角4°~25°。次级构造以断层为主,褶皱不发育。
煤系基底地层为太古宇桑干群变质岩或中生界侏罗系上统张家口组。
煤系的直接盖层为中生界白垩系上统南天门组或第四系。南天门组与下伏青石砬组煤系呈平行不整合接触,并可划分为两个岩性段:
一段:巨厚层状砾岩段(K2n1)
底部为黄褐色—灰白色,中—粗砾岩,粗砂岩、砂质泥岩。砾岩,中砾结构,巨厚层状构造,粒径一般为5~10cm,次圆状,分选性差,铁、泥质胶结。砾石成分为流纹岩、安山岩、流纹质凝灰岩、石英斑岩、硅质白云岩、石英岩及少量变粒岩等。部分砂岩斜层理、交错层理发育。上部为灰褐色—灰白色砾岩、砂岩、粉砂岩及泥岩,泥岩为灰或紫红色。段厚427m。
二段:巨厚层中细粒砂岩段(K2n2)
下部为巨厚层状灰色砾岩、粗砂岩夹砖红色粘土岩。砾岩,中、细粒结构,粒径1~7cm,砂质填充,磨圆度好,分选性差。砾石成分为流纹岩、石英斑岩、片麻岩、石英岩等。上部以砾岩、粗砂岩、红、白、灰色砂岩、粉砂岩为主,砂岩、粉砂岩红白相间互层产出,常见于207国道两侧,结构松散,成岩度低。段厚152m。
1.2 含煤地层
含煤地层为中生界白垩系下统青石砬组(K1q),大面积隐伏于盖层之下,零星出露于万全煤田的东部及东北部。主要岩性为灰—灰白色砾岩、砂岩、含砾砂岩、粘土岩,含煤10余层,为本区主要含煤地层,厚度78.60~694.61m,平均403.74m。按岩性岩相将本组自下而上划分为五个岩性段。
一段、粗碎屑杂色砾岩段:底部为杂色砾岩、灰白色中砾岩—粗砂岩。砾岩的砾径1~3cm,部分为3~5cm,砾石成分主要为安山岩、流纹岩、石英斑岩、流纹质凝灰岩及少量变粒岩;磨圆度较好,但分选性差,砂质充填,成岩度高,岩石坚硬。中部为灰白色—灰色砂岩、粉砂岩夹薄层砾岩。上部为深灰色粉砂岩、粉砂质泥岩等。段厚34.7~85.4m,平均49.6m。
二段、灰绿色粉砂—砂砾岩段:下部为灰白色砾岩、粗砂岩、砂岩,砾岩中—粗粒结构,块状构造 ,砂质充填,砂岩多为泥质胶结;上部为灰色—灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩互层,煤田西部见有黑色炭质泥岩夹煤层数层,属第Ⅲ煤组,个别煤层零星可采,可采煤层3层。段厚49.5~124.6m,平均厚95.2m。
三段、主要含煤段:下部为灰—灰白色砂岩、粉砂岩、泥岩为主,局部夹砂砾岩透镜体。中部为深灰—灰黑色泥岩、粉砂岩、炭质泥岩,含煤5~8层,可分为两个煤组,即Ⅰ、Ⅱ煤组。上部为灰—灰白色砂岩、粉砂岩及泥岩。段厚77~137.2m,平均98m。
四段、砖红—灰绿色粉砂—砂砾岩段:本段韵律特征明显,每一小旋回自砾岩—砂岩—粉砂岩—泥岩而结束,旋回重复3~8次,下部见1~4层砖红色泥岩,层位稳定,为区内见煤标志层。该段粉砂岩中植物化石丰富,常见煤线或薄层,段厚50.3~133.7m,平均109m。
五段、粗碎屑砾岩段:主要为浅灰、灰白色砾岩、砂砾岩,局部夹粉砂岩或泥岩透镜体。砾岩,中砾结构,粒径2~6cm,砾石呈次圆状,砾石成分主要为石英岩、流纹岩、英安岩、流纹质凝灰岩等,局部含炭屑。段厚40~314m,平均153m。
2 煤层与煤质
2.1 煤层
依据煤层分布特征、沉积相—旋回特征,将煤层划分为三个煤组,14个煤层,煤层编号自上而下依次为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27号煤层。其中1号煤层为较稳定煤层,全区分布,但厚度变化较大,属大部可采煤层。3、5号煤层为不稳定煤层,属局部可采煤层。9、11号煤层为较稳定位煤层,但厚度较薄,属零星可采煤层,煤层结构简单—极复杂,全区大部可见,个别部位尖灭。其余煤层均为极不稳定煤层,厚度较薄,少数煤层见零星可采点。主要煤层地质特征如下:
2.1.1 1号煤层
赋存于青石砬组第三岩性段中部,埋藏底板标高为682.34~63.91m。该煤层全区均有分布,层位较稳定,全区21个钻孔中,见到该煤层的钻孔有19个,其中可采见煤点11个。煤层总厚为0.40~8.35m,平均2.45m,夹矸0~5层,夹矸岩性为泥岩,煤层结构简单—复杂。可采厚度为0.87~7.35m,平均厚1.91 m。顶板岩性主要为泥岩和粉砂岩,其次为粉砂质泥岩、细砂岩,个别钻孔见到砾岩。底板岩性多为泥岩,个别为砂质泥岩和粉砂岩。
2.1.2 3号煤层
位于1号煤层以下0.90~2.36 m,平均间距1.73 m。埋藏底板标高为677.75~310.67m。该煤层在区内发育较好,层位较稳定,全区21个钻孔中,有10个钻孔见到该煤层,其中可采见煤点8个。煤层总厚为0.50~12.18 m,平均厚3.57 m,夹矸0~8层,夹矸岩性主要为泥岩,极个别为砂质泥岩和粉砂岩,煤层结构简单—极复杂。可采厚度为0.84~9.05 m,平均厚2.83 m。顶板岩性多为泥岩,个别为砂质泥岩和炭质泥岩。底板岩性主要为泥岩,其次为炭质泥岩。 2.1.3 5号煤层
位于3号煤层以下0.85~3.9 3m,平均间距2.24m。埋藏底板标高为672.95~389.59m。该煤层在全区的中部发育好,主要集中在纵24线中部,即ZK2407以东至ZK2424。全区21个钻孔中,有7个钻孔见到该煤层,其中可采见煤点6个。煤层总厚为0.45~5.04m,平均2.11m,夹矸0~2层,夹矸岩性为泥岩,煤层结构简单—较简单。可采厚度为0.88~4.50m,平均1.81m。顶板岩性有泥岩,还有炭质泥岩、粉砂岩、砂质泥岩。底板岩性为泥岩和砂质泥岩。
其它煤层由于煤层较薄或煤层厚度不稳定等原因,多属零星可采煤层,工业价值不大。
2.2 煤质
2.2.1 煤的物理性质及煤岩特征
全区煤的变质程度基本相同,煤质变化不大,均为长焰煤。呈黑色、黑褐色,条痕为褐色、褐黑色。光泽明亮—暗淡,常见沥青光泽、玻璃光泽。常见条带状结构,层状及块状构造。断口呈参差状、贝壳状、阶梯状等。煤的刻划硬度2.0~2.5,可见少量内生裂隙,外生裂隙不发育。
①宏观煤岩成分及类型
各煤层一般以暗煤、亮煤为主,夹镜煤条带及少量丝炭,内生裂隙偶见黄铁矿结核及散晶,外生裂隙不发育。煤岩类型多以光亮型煤、半亮型煤为主,暗淡型煤、半暗型煤次之。
②显微煤岩组分
有机显微组分:主要为镜质组,其次为惰质组,壳质组含量极少。镜质组含量除3号煤层外,其余各层均超过80%,其中7号煤层高达84.16%。无机组分:主要是粘土组和少量的硫化物组及极少量氧化硅组,部分煤层含极微量的碳酸盐,硫酸盐含量为零。
2.2.2 煤的化学性质
①水分(Mad):全区原煤水分在2.16%~14.77%范围内,因受灰分等杂质的影响,原煤水分无明显变化规律。精煤水分在5.48%~12.50%范围内,上部煤层水分较高,随煤层深度增加,水分呈逐步下降趋势。
②灰分(Ad):1号煤层原煤灰分在17.50%~43.85%之间,平均为26.00%,属中灰份煤。精煤平均灰分为10.08%。3号煤层原煤灰分在16.11%~26.92%之间,平均为22.78%,属中灰份煤。精煤平均灰分为10.12%。5号煤层原煤灰分在21.19%~40.76%之间,平均为31.18%,属高灰份煤。精煤平均灰分为9.80%。
由上述可以看出,原煤灰分变化范围较大,这与煤层结构复杂程度有关,原煤经洗选后,其精煤水份相对稳定,属低中灰分煤。
③挥发分产率(Vdaf):原煤平均38%,精煤47%,属中高挥发分煤。
④固定碳(FCad):原煤一般在36.39%~39.51%,平均38%,精煤一般在66.58%~48.22%,平均47. 38%,属低固定碳煤。
⑤全硫及各种硫:可采煤层全硫(St.d)含量较高,原煤平均达2%,为中高硫煤。煤层中各种硫以硫化物硫和有机物硫为主,硫酸盐硫次之。通过煤的选洗试验可知,原煤中的无机硫可以除去50%~40%,浮煤全硫(St.d)平均含量降至1.2%。
2.2.3 煤的工艺性能
①发热量:全区各可采煤层的原煤干燥基高位发热量在(Qgr,d)22.77~23.54MJ/kg,原煤干燥基低位发热量为(Qnet,d)22.00~22.77MJ/kg;浮煤干燥基高位发热量(Qgr,d)为27.01~27.66MJ/kg。属中——高热值煤。
②粘结性、结渣性:可采煤层的粘结指数(GR.I)均为0,属不粘结煤;结渣特性均为2,属不易结渣煤。
③煤灰的熔融性:全区各可采煤层煤灰的成分比较稳定,故煤灰的熔融性也比较接近。各可采煤层煤灰的平均软化温度(ST)均大于1300℃,属于中等软化温度灰,平均流动温度(FT)均大于1350℃,属于中等流动温度灰。
2.2.4 煤的分类及工业用途
①煤的分类:全区煤层原煤干燥无灰基挥发分(Vdaf)均大于37%,一般在38.86%~47.78%,透光率(PM)变化范围在48%~72%,平均数值58.77%,最大可达72%, 只有个别煤样的透光率(PM)接近50%,为48%~49%,且恒温无灰基高位发热量(Qgr.daf)均大于24MJ/kg。按《中国煤炭分类》(GB/T 5751—2009)国家标准,本区煤类均为长焰煤,代号CY。粘结指数(G)<5,焦渣特征均为2,煤类编码为41。
②煤的工业用途:各煤层均为低变质程度的烟煤,煤类为长焰煤。煤的粘结性差,原煤挥发分均大于38%,各煤层均属于中—高灰煤层,原煤硫分较高,属中硫—高硫分煤,发热量较高,属中—高热值煤,煤灰熔融性(ST)在1300~1500°C之间,属中等软化温度灰分,有害元素含量低,腐植酸、苯萃取物等产率低。故本区煤适合用做火力发电用煤和液化用煤。
参考文献
[1] 冀北地区中新生代聚煤盆地形成演化及找矿方向[R].河北张家口:河北地矿局地质三队,1992.
[2] 张国斌,韩桂平.张家口市万全煤田煤层地下气化开发条件研究[J].中国煤田地质,2005(3).
[3] 河北省万全县李虎庄煤炭普查与外围预查地质报告[R].河北张家口:河北地矿局地质三队,2011.
作者简介
肖学军 (1965—),男,工程师,长期从事煤田地质勘查工作。