铜川矿区韩古庄-演池勘探区煤质特征及沉积环境分析

2018-08-28张永强侯丁根薛海军常宇飞

中国煤炭 2018年8期

张永强侯丁根薛海军,2 常宇飞

(1. 陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西省西安市，710005；

煤中煤质参数不仅起到煤炭质量评价的作用，其各参数含量的变化蕴含了丰富的地质地球化学信息，对成煤沉积环境研究有着十分重要的指导意义。前人学者基于煤质参数特征，对不同时代、不同地区煤的成煤沉积环境进行探讨、研究，为含煤岩系古地理及沉积环境特征研究提供了新的、有效的方法。研究区位于有“渭北黑腰带”之称的渭北煤田的西部，煤炭资源丰富，是我国主要煤炭产地，煤类以瘦煤、贫瘦煤为主，以往研究仅对区内煤质特征进行了归纳总结，而对煤质参数，特别是硫分、灰分的成因及与沉积环境关系的研究相对较少。以研究区地质勘探时期取得的煤层煤质分析数据为基础，对区内主要煤层煤质参数特征进行了分析，讨论了原始成煤沉积环境特征，以期为该区煤炭资源综合开发利用提供理论指导。

1 研究区概况

勘查区位于鄂尔多斯盆地西南缘，整体为倾向北西的单斜构造，北部地层倾角为6°～8°。区内主要含煤地层为石炭系太原组，为一套主要由泥岩、砂质泥岩、砂岩、石灰岩及煤组成的海陆交互相沉积地层，含煤层6层，主要可采煤层2层，为5#煤层和10#煤层；零星可采煤层2层，为4#煤层和10上煤层，10#煤层底部发育一层较稳定的铝土质泥岩，作为太原组与下伏奥陶系地层的分界标志，如图1所示。

图1 研究区地层综合柱状示意图

2 煤质特征

2.1 煤岩特征

5#、10#煤层煤岩特征如表1所示。由表1可知，区内5#、10#煤层的平均镜质组反射率均为1.71%，表明区内煤层变质程度一致，为中等变质阶段烟煤。宏观煤岩类型方面，5#、10#煤层以半亮煤为主。各煤层有机总量及有机显微组分镜质组相差不大，均大于90%和70%。10#煤层矿物质含量高于5#煤层，且均以粘土类及氧化物为主。另外，二者碳酸盐含量相差较大，这可能与二者不同的成煤环境有关。

2.2 化学性质特征

5#、10#煤层各样品灰分含量和硫分含量见图2，煤质特征见表2。由此可知，平面上，区内5#、10#煤层水分变化范围为0.61%～1.43%，均为特低全水分。灰分变化范围为13.36%～19.83%，为低灰煤(参照《煤炭质量分级》(GB/T15224.1-2010))。各煤层煤的干燥无灰基挥发分变化不大，主要变化范围位于15.08%～19.89%，总体属于低挥发分煤，这与镜质组反射率反映的各煤层变质程度接近的结果一致。硫分变化范围为1.47%～7.39%，属中-高硫煤，其中5#煤层以中-中高硫煤为主，分布少量高硫煤，10#煤层为全层高硫煤。

图2 5#、10#煤层各样品灰分、硫分含量

煤层编号样品数/个Ro,max/%有机总量/%有机显微组分/%镜质组惰质组矿物质含量/%粘土类硫化物碳酸盐氧化物5#41.70～1.721.7193.69～95.0194.1273.85～74.8874.4618.93～19.7319.264.77～5.805.130.80～1.100.930.23～1.620.802.44～5.523.7810#51.70～1.721.7193.87～95.7094.5578.10～79.5078.6415.80～16.2016.073.50～4.203.990.80～1.701.301.48～6.373.905.29～7.726.46

表2 煤层煤质特征表

3 煤质特征与沉积环境关系分析

3.1 煤中硫与沉积环境关系

3.1.1 硫分的空间分布规律

5#、10#煤层硫含量平面分布特征如图3所示。由图3可以看出，平面上，5#、10#煤层硫含量分布特征基本一致，呈由西北向东南逐渐递增的趋势；垂向上，硫含量随着煤层埋深的增加呈增大的趋势，且同一煤层不同钻孔的全硫分含量差异较大。综上，研究区内煤层中硫含量的空间分布具有“上低下高、东高西低”的特征。

图3 硫含量平面分布特征

形态硫测试数据显示，各煤层煤中的硫以黄铁矿硫为主，其次为有机硫，硫酸盐硫含量极少，其中5#煤层有机硫、无机硫平均占比分别为30.59%、66.82%，10#煤层有机硫、无机硫平均占比分别为26.67%、72.54%，且黄铁矿硫平均值与全硫分平均值的纵向变化规律趋于一致，如图1所示。黄铁矿硫含量与全硫分含量呈明显线性正相关，如图4所示，而有机硫含量与全硫分含量之间的相关性不明显，如图5所示，说明黄铁矿硫是引起煤层硫分高的主要原因，即本区高硫煤中的硫为无机成因。

图4 黄铁矿硫含量与全硫含量的变化关系

图5 有机硫含量与全硫含量的变化关系

3.1.2 煤中硫与沉积环境关系

不同煤层硫分含量在纵向上的递变规律可以实际反映不同地质历史时期形成的煤层受海水活动影响的强弱程度。区内干燥基全硫分平均值纵向上表现为随着煤层埋深的减小，煤系地层中硫的含量呈逐渐降低的趋势，其中上部的5#煤层干燥基全硫分平均值相对较低，为2.54%，10#煤层干燥基全硫分平均值明显增大，平均值达到5.76%。说明上部的5#煤层受海水影响程度较小，而10#煤层受海水影响程度较大。

同时根据勘探时期钻孔岩心编录资料，煤系地层上部的5#煤层上下岩性以粉砂岩、砂质泥岩等碎屑岩为主，下部地层岩性以海侵体系域的铝土质泥岩、石英砂岩、煤层、泥岩、粉砂岩为主，同时发育多层泥质灰岩(10#煤层顶部)，各煤层中硫的含量在泥质灰岩消失后减小幅度明显增大。据此推测，10#煤层底部灰岩形成后海水迅速退却，之后依次形成上部煤层，沉积环境由潮坪相逐渐过渡到碳酸盐台地。即10#煤层成煤沉积环境属瀉湖、潮坪环境海进成煤，5#煤层成煤沉积环境属潮坪、障壁岛环境海退成煤，10#煤层顶部的泥质灰岩即为二者成煤环境的过渡层。根据各煤层硫含量的水平分布特征，推断海退方向为由东南向西北。

前人研究表明，形成于浅水潟湖—潮坪体系的中高硫煤中黄铁矿硫一般占全硫的50%～80%，研究区内各煤层硫分中黄铁矿硫所占比例变化范围为66.82%～72.54%，黄铁矿硫占全硫比重较大，进一步说明了研究区成煤沉积环境应属于浅水潟湖—潮坪体系。

3.2 煤中灰分与沉积环境关系

3.2.1 灰分的空间分布规律

煤中灰分主要来自于成煤环境中的外来物质(包括成煤期混入和后期变质作用带入)，其含量变化与沉积期的古地理环境有一定联系，总体规律是由海向陆呈渐次递增的特点，可作为判断成煤沉积环境的辅助方法。

5#、10#煤层灰分含量平面分布特征如图6所示。由图6可以看出，平面上，5#、10#煤层灰分含量变化较一致，均表现为由西北向东南呈递减的趋势。剖面上，10#煤层灰分含量较5#煤层低，即随着煤层埋深的增加，灰分含量逐渐降低，总体上研究区内灰分空间分布特征大致呈“上高下低、西高东低”的特点，与硫分含量的空间变化趋势相反。

根据煤中灰分高低与成煤环境受陆源物质影响强弱的对应关系可推测，5#煤层受海水影响较小，泥炭沼泽距物源区较近，造成灰分偏高，而10#煤层在海水覆盖下形成，距物源区较远，导致灰分偏低。综上所述，研究区下部煤层受海水影响大于上部煤层，东部煤层受海水影响大于西部煤层，这与依据硫分分布特征所得结论相吻合。

图6 灰分含量平面分布特征

3.2.2 煤中灰成分的沉积环境控制

煤中常量元素Si、Al、Mg、Ca、Fe、Na、K、Ti等元素是灰分的主要组成部分，不同灰成分含量及构成特征代表不同的迁移、沉淀条件，在一定程度上反映了不同的泥炭聚集介质条件，因此多数学者利用(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)灰成分指数特征进行煤层沉积环境的判别，并取得了较好的效果。研究区煤层灰成分组成上均以Fe2O3、SiO2、Al2O3为主，MnO2、P2O5的含量最低；其中10#煤层Fe2O3含量显著高于5#煤层，这与10#煤层高硫、高硫化铁硫的特点相符。

统计研究区5#、10#煤层的灰成分指数平均值分别为0.15、0.54。前人研究认为，灰成分指数变化于0.03～0.22之间属较弱还原型，变化于0.23～1.23之间则属较强还原型。因此，区内10#煤层成煤环境属于较强还原型，而5#煤层成煤环境为较弱还原型。

程伟等通过煤灰成分三角端元图解法对成煤环境进行了剖析，认为3个灰成分端元百分含量实际反映了聚煤环境的不同介质条件，接近SiO2+Al2O3端元反映粘土矿物为代表的陆源矿物类型，多与淡水介质注入有关；接近CaO+MgO端元反映煤中钙镁矿物含量较高，属半潮湿气候条件下的弱氧化—弱还原环境，且碱度相对较高，Ca2+、Mg2+等易于沉淀；接近Fe2O3+SO3端元表明煤中硫铁矿含量较高，一般代表相对闭塞的局限沼泽环境。

本次研究借鉴上述方法，利用灰成分测试数据，见表3，对研究区内煤层成煤环境进行了进一步分析，得出煤灰成分三角端元图见图7。

图7 灰成分三角端元图

区内SiO2+Al2O3组分在两个分组中含量差异明显，5#煤层中含量相对较高，一般变化于72.94%～81.78%之间，10#煤层含量相对较低，一般变化于54.63%～64.06%；Fe2O3+SO3组分在两组中含量差异亦明显，5#煤层含量明显低于10#煤层；CaO+MgO组分在两组中含量相差不大，含量均小于5%。据此可知，5#煤层代表还原性较弱的聚煤环境，而且总体上可能更接近陆源区，10#煤层聚煤环境则处于覆水较深、水动力较弱而还原性较强的环境，为沼泽成煤，这与硫分作为成煤环境判别取得的认识一致。