汾西矿区10号煤层硫分布特征

赵正福，唐跃刚，贺成成，胡耀峰

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083）

汾西矿区10号煤层硫分布特征

赵正福1，2，唐跃刚2＊，贺成成2，胡耀峰2

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083）

采用工业分析和形态硫分析的方法，定量研究了汾西矿区10号煤层的43个高有机硫煤样。结果表明，受潟湖泥炭沼泽沉积环境和海侵转换面影响，全硫在平面上以中高-高硫煤为主，并以位于汾西盆状复向斜轴部的河东井田为中心，呈环带状向外递减，推测与向斜受白壁关-偏店、汾河、孝义三条正断层控制，造成深水还原环境有关。煤层海相顶板或近距离上覆层在沉积过程中带入丰富的海水硫酸盐，全硫含量高但有机硫占比低，下渗时被厌氧细菌还原成的S0易与有机质结合生成有机硫，但受下渗深度限制，垂向上有机硫占比呈现往底部先升后降的规律。

汾西矿区；10号煤层；全硫；有机硫；分布特征

0　引言

中国是世界上最大的煤炭生产与消费国，燃煤造成的环境污染备受关注［1-2］。硫是煤中常见的有害元素，在煤的开采、气化及燃烧利用过程中，硫的转移排放会腐蚀设备，污染土壤水体，影响动植物生存，并与酸雨形成和臭氧层破坏密切相关［3-4］，是制约中国煤炭资源开发和利用的重要因素之一。随着储量的消耗和开采深度的加大，高有机硫煤（So，d＞1.00%）在我国保有储量中的比例不断增多，开展煤中硫分布规律研究，不仅有利于优化中国能源结构，保障能源安全，合理规划煤炭的加工利用，还对制定环境保护法规及减少大气污染问题等具有重要的意义［5-6］。笔者以华北赋煤区汾西矿区为研究对象，基于工业分析和形态硫分析数据，重点研究煤中全硫和有机硫平面以及垂向分布规律，为矿区煤炭资源的高效合理开发利用，提供一些基础的理论参考和依据。

1　研究区概况

汾西矿区位于山西省中部，地跨晋中、吕梁两地区的介休、灵石、孝义、汾阳、交口五县市。矿区主体位于霍西煤田，井田面积625 km2，地质储量58亿t。内含煤层为石炭系太原组和二叠系山西组，含煤12层，含煤总厚度为18～20 m，其中，太原组9、10+11号煤层区内稳定可采。从煤质看，山西组灰分较高，但硫分较低，一般在1.0%以下；太原组煤层灰分较低，但硫分较高，一般在1.5%以上［7］。矿区内中兴矿、双柳矿、曙光矿、宜兴矿、紫金矿均以开采二叠系山西组煤层为主；而贺西矿、新峪矿、新阳矿含煤地层则由二叠系山西组和石炭系太原组构成；河东矿则开采石炭系太原组含煤地层；新柳矿井田内主要含煤地层为石炭系上统本溪组，上统太原组和二叠系下统山西组［8］。本次研究以矿区内稳定发育的10号煤层为例。

2　实验样品及方法

采样选自山西汾西新峪煤矿、宜兴煤矿、河东煤矿上石炭统10号煤层的43个高有机硫煤分层样，工业分析、形态硫分析分别按照GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》、GB/T 214—2007《煤中全硫的测定方法》和GB/T 215—2003《煤中各种形态硫的测定方法》进行测定。

3　结果

煤中的硫主要包括无机硫（硫酸盐硫，硫化铁硫）和有机硫，有机硫是含硫有机官能团的总称，其组成复杂，主要由硫醚或硫化物、二硫化物、硫醇类化合物、噻吩类杂环硫化物（如噻吩、苯并噻吩等）、硫醌化合物等组分或官能团构成［9］。无机硫通常可用物理方法脱除，但有机硫因其化学结构的特殊性，至今尚未找到廉价、有效且实用的脱除方法［10-12］。本次研究将探讨全硫特别是有机硫的平面和垂向分布特征。样品硫分分级依据（表1）GB/T15224《煤炭质量分级》第2部分：硫分。

如表2所示，新峪煤矿10号煤各分层中灰分范围2.58%～13.55%，平均8.54%；挥发分产率21.71%～25.88%，平均23.04%；全硫2.73%～6.18%，平均3.78%；硫化铁硫0.14%～3.02%，平均0.86%；硫酸盐硫≤0.05%，平均0.02%；有机硫2.51%～3.11%，平均2.89%，属于高硫、高有机硫煤。宜兴煤矿10号煤各分层中灰分16.22%～2.94%，平均6.46%；挥发分产率26.00%～32.57%，平均29.29%；全硫1.37%～2.51%，平均1.73%；硫化铁硫0.07%～1.56%，平均0.52%；硫酸盐硫占比近于零；有机硫0.90%～1.61%，平均1.27%，属于中硫、高有机硫煤。河东煤矿10号煤各分层中灰分4.9%～29.41%，平均13.71%；挥发分产率14.6%～19.61%，平均16.83%；全硫1.83%～16.63%，平均6.12%；硫化铁硫0.2%～15.2%，平均2.77%；硫酸盐硫个别异常达到0.38%（HD10-1，HD10-16），平均0.04%；有机硫0.91%～1.91%，平均1.6%，属于高硫、高有机硫煤［14］。

表1　煤炭资源评价硫分分级Table1　Sulfur content classification in coal resources assessment

表2　工业分析及硫分检测结果Table2　Proximate analysis and sulfur content tested results

为研究汾西矿区全硫平面分布规律，在收集汾西矿区14个井田大量全硫数据的基础上，绘制了上石炭统太原组10号煤层全硫分布等值线图（图1）。为弄清全硫和有机硫的垂向分布规律，重点选取新峪、宜兴、河东三矿，绘制10号煤层各分层样的全硫和有机硫垂向变化图（图2）。

图1　汾西矿区10号煤层全硫平面分布图Figure1　Coal No.10 total sulfur content planar distribution in Fenxi mining area

4　讨论

4.1全硫平面分布特征

图1显示，汾西10号煤层具有环状分布的特点，环带中心位于河东井田，全硫平均含量达到了6.12%，属于高硫煤。这可能与河东井田位于汾西盆状复向斜的轴部有关，并且向斜三面为白壁关-偏店、汾河、孝义三条正断层控制，造成河东与周围井田的高差更大，沉积物覆水最深，优越的还原条件更利于硫的生成和保存。河东井田向外硫分递减，西部以西阳城、新柳、新峪、宜兴、曙光、灵北为代表，东部以贾郭、和善井田为代表，硫分介于2.75%～2.94%，中高硫煤广泛分布。中硫煤在汾西矿区东部和西部靠近边界位置存在小范围分布，以西沟、李家庄井田东部，紫金、中盛井田西部为代表。汾西矿区10号煤层全硫含量总体高于上覆9号煤层，以中高硫-高硫煤为主，主要是受10号煤层的沉积环境和构造特征控制，太原组主采10号煤层主要形成于碳酸盐岩陆棚-障壁岛-潟湖沉积体系中的泥炭沼泽环境［15］，常被认为是潟湖泥炭坪成煤序列，煤层分布广泛，厚度大，层位较稳定，常受海侵打断，容易分叉尖灭，横向变化比较显著，硫分一般较高，灰分中等，相反形成于障壁岛后侧泥炭坪沉积环境的山西组4号、5号煤层，硫分相对于太原组下部的煤层就要低得多。

汾西矿区太原组含煤9层，其中9、10、11号煤层属全区可采的稳定煤层，且在汾阳孝义一带9、10、11号煤合并为一个煤组，称丈八煤，总厚达5～12 m。该煤组以庙沟灰岩作为直接顶板，以吴家峪灰岩作为近距下伏层（图3）。近年来研究表明，庙沟一毛儿沟海侵期是华北晚古生代最大的海侵，10号煤层上方存在海侵方向转换面，在太原组下部10号煤层沉积之后，9号煤层沉积之前古地势是北低南高，海水由北东方向侵入，9号煤层沉积之后，受同生构造控制，古地势出现北高南低，海水由原先的北东方向变为南东方向侵入，这一界面已经通过区域古地理分析被识别出来，代表着新的沉积事件的开始［16］。海侵方向的短时间改变带入大量海水硫酸盐，导致了10号煤层呈现出硫分高且特殊的环带状分布的特点，并以河东井田及其邻近井田为中心呈环带状向四周递减分布。

图2　新峪、宜兴、河东矿10号煤层全硫，有机硫及有机硫占比垂向变化Figure2　Vertical variation of total sulfur，organic sulfur contents and organic sulfur proportion in coal No.10 in Xinyu，Yixing and Hedong coalmines

图3　汾西矿区9+10+11煤组岩性柱状图Figure3　Lithological column of coal group 9+10+11

4.2全硫及有机硫垂向分布特征

沉积背景不同的煤层，由于在整个泥炭沼泽演化过程中的影响因素不同，导致煤层剖面中硫分垂向分布模式的不同。具有海相顶、底板的煤层中硫的含量要远远高于具有陆相顶、底板的煤层，可见煤层顶、底板的沉积环境与煤层剖面硫的垂向分布也有密切的联系。总之，由于受到多方面综合因素的影响，煤层剖面中硫的垂向分布规律复杂多样，下面以新峪煤（XY）、宜兴煤（YX）、河东煤（HD）为例描述其垂向分布规律。

根据新峪、宜兴、河东三矿的垂向全硫、有机硫及有机硫占比分布图（图2）可以看出，新峪煤矿10号煤全硫最大值出现在顶部XY10-1（St，d=6.18%），属于高硫煤，向底部全硫和有机硫均有减少。根据硫分分级标准，即使全硫含量最低的XY10-9（St，d= 2.73%）仍属于中高硫煤，有机硫含量最低的XY10-8（So，d=2.51%）仍归属于高有机硫煤。宜兴10号煤层YX10-0*炭质泥岩为10号煤层顶板，有机硫和全硫出现异常高值，顶部YX10-1全硫含量高（St，d= 3.99%），有机硫占比最低，向下具有先上升再下降的趋势。河东10号煤层全硫呈顶底高，中间低而稳定的特征，特别是底部波动特别大，除去粉砂岩夹矸（HD10-11，HD10-11-2，HD10-17）中出现的全硫和有机硫异常值，有机硫含量稳定在0.91%～1.91%，有机硫占比自顶至底先升后降，底部全硫远高于有机硫含量，说明以硫酸盐硫和硫化铁硫相对于有机硫含量增多。

全硫和有机硫在炭质泥岩顶板出现极高值，往下各分层样呈现递减趋势，粉砂岩夹矸呈现低值并在其相邻层中也有类似特征，进一步说明煤中硫分的富集是与顶板及夹矸的沉积环境直接相关的，泥炭在成岩阶段被海水覆盖和浸泡，带入丰富的硫酸盐，煤的上部分层中硫酸盐硫和硫化铁硫占比很高（如XY10-1，HD10-1），导致硫分高但有机硫占比并不高，随着埋深加大，经历的成岩阶段加长，海水沿泥炭孔隙裂隙下渗，在下渗过程中，厌氧细菌特别是硫酸盐还原菌逐渐将其还原成S0，而泥炭中有机质丰富，二者结合生成大量有机硫使其占比上升，但受渗透能力限制，海水对煤层底部影响有限，底部的有机硫含量并不高。这也验证了顶部有机硫在各种形态硫中的占比较低，随后出现先上升后下降的原因。根据煤中硫的分布规律分析，煤中硫的赋存状况，不仅受成煤环境的影响，而且受其顶板沉积环境的影响。深凹构造特征，覆水还原条件奠定煤中硫的分布基础，顶板或近距离上覆层海水下渗则对煤中硫的分布加以改造。

5　结论

（1）受潟湖泥炭沼泽沉积环境和海侵转换面影响，汾西矿区10号煤层全硫在平面上以中高-高硫煤为主，并以为河东井田为中心，呈环带状向外递减分布，推测与河东井田位于汾西盆状复向斜轴部有关，向斜三面为正断层控制，水体深优越的还原环境造成高硫。

（2）海相沉积的煤层顶板或近距离上覆层中海水硫酸盐丰富，全硫高但有机硫占比并不高。随着埋深加大，经历的成岩阶段加长，硫酸盐随海水向下渗透过程中被厌氧细菌还原成S0，进而与泥炭中有机质结合生成有机硫，但受下渗深度限制，垂向上有机硫占比呈现先升后降的规律。

致谢

本次实验得到了山西省地质矿产研究院大力支持，在此表示感谢！

［1］Dai Shifeng，Ren Deyi，Chou Chen-Lin，et al.Geochemistry of trace elements in Chinese coals：A review of abundances，genetic types，im⁃pacts on human health，and industrial utilization［J］.lnternational Journal of Coal Geology，2012，94：3-21.

［2］Diehl S F，Goldhaber M B，Koenig A E et al.Distribution of arsenic，selenium，and other trace elements in high pyrite Appalachian coals：Evi⁃dence for multiple episodes of pyrite formation［J］.lnternational Journal of Coal Geology，2012，94：238-249.

［3］胡振琪，马保国，张明亮，等.高效硫酸盐还原菌对煤矸石硫污染的修复作用［J］.煤炭学报，2009，34（3）：400-404.

［4］陈鹏.中国煤中硫的赋存特征及脱硫［J］.煤炭转化，1994，17（2）：1-9.

［5］么秋香，杜美利，杨喜圆.甲烷和氢气气氛下高有机硫煤的热解脱硫研究［J］.煤炭工程.2013（5）：105-108.

［6］唐贵云.中国洁净煤技术与大气环境保护［J］.煤炭技术，2010，29（9）：11-12.

［7］孟红芳.汾西矿业集团建设精煤配煤系统的探讨［J］.煤炭加工与综合利用，2004，（6）：40-42.

［8］赵国爱.汾西矿区炼焦煤煤质特征及炼焦性能指标研究［J］.科技创新与应用，2013，（35）：65.

［9］全小盾，孙传庆.煤化学与煤分析［M］.北京：中国质检出版社，2012：151-152.

［10］唐跃刚，张会勇，彭苏萍，等.中国煤中有机硫赋存状态、地质成因的研究［J］.山东科技大学学报（自然科学版），2002，（4）：1-4.

［11］李梅，杨俊和，张启锋，等.用XPS研究新西兰高硫煤热解过程中氮硫官能团的转变规律［J］.燃料化学学报，2013，41（11）：1287-1293.

［12］韩玥.不同脱硫剂脱除煤中硫的研究［J］.2010，33（3）：56-58.

［13］于小磊.华北石炭纪高有机硫煤煤岩煤质特征研究［D］.北京：中国矿业大学（北京），2013.

［14］唐跃刚，程爱国，王海生，等.山西省太原组和山西组煤质特征分析［J］.煤炭科学技术，2013，41（7）：10-15.

［15］汤达祯，杨起，周春光，等.华北晚古生代成煤沼泽微环境与煤中硫的成因关系研究［J］.中国科学（D辑：地球科学），2000，（6）：584-591.

［16］张庆辉，曹爱国，屈晓荣，等.山西省煤炭资源潜力评价报告［M］.北京：煤炭工业出版社，2011：154.

Sulfur Distribution Features in Fenxi Mining Area Coal No.10

Zhao Zhengfu1，2，Tang Yuegang2，He Chengcheng2and Hu Yaofeng2
（1.College of Geosciences，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249；2.School of Geosciences and Surveying Engineering，CUMTB，Beijing 100083）

By the means of proximate analysis and determination of sulfur forms，43 high organic sulfur coal samples from No.10 coal seam in the Fenxi mining area have been quantitatively analyzed.Due to the influence from lagoon peat bog sedimentary environment and the transgression transformation surfaces，coal categories according to the total sulfur content have mainly med-high to high sulfur coals and present annular zones descending distribution by taking the Hedong minefield in the Fenxi synclinal axis as a center on plane，which also controlled by three normal faults.It is speculated that the causation is related to deep water reducing environment. During the sedimentary process of marine facies coal roof or near by overlying strata had brought into abundant sea water sulfate.Al⁃though the total sulfur content is high，yet the proportion of organic sulfur content is low.In the process of seawater downward infiltra⁃tion，the sulfates can be reduced into S0by anaerobic bacteria which combined with organic matter to generate organic sulfur easily.Re⁃stricted by depth of infiltration，organic sulfur increases first and then decreases later vertically.

Fenxi mining area；coal No.10；total sulfur；distribution features

TQ533.1

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.02

1674-1803（2016）10-0004-05

国家重点基础研究发展计划“973”项目（2012CB214901）；国家自然科学基金项目（41172146D0208）

赵正福（1993—），男，湖北宜昌人，硕士在读，从事能源地质方面的研究。

唐跃刚（1958—），男，重庆人，博士，教授，博士生导师，从事煤岩学、煤地球化学、煤地质学方面的研究。

2016-04-19

责任编辑：宋博辇