云南小发路C5 煤层无烟煤特性与煤相分析

唐跃刚，郭鑫，李正越，王绍清，秦云虎，魏强，朱士飞，高伟程

1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.中国煤炭地质总局，北京 100039；3.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006

低灰、低硫、高热值煤被认为是优质煤[1-4]，优良的煤质特性(特低灰、特低硫)与其特殊的地质成因密不可分[5]。特殊煤的概念最早由戴和武、韩德馨等[6-7]提出。针对特殊煤，曾勇[8]曾在我国西北开展了专门的研究工作，中国煤炭标准委员会也对特殊煤概念进行过厘定[9]。我国湖南涟邵[10]、宁夏汝箕沟[11-12]的无烟煤以特低灰、特低硫为特征，是高品质碳素材料煤。云南小发路C5煤层无烟煤的某些煤质指标与国内外享有盛誉的“太西煤”[13]相比甚至更优，但以往研究[14-20]对小发路C5煤层无烟煤的认识大多局限于其优良的工艺性质，很少系统研究其煤岩煤质特性与地质成因。

1 样品采集、实验方法

小发路位于云南省昭通市东北60 km，行政区属彝良县洛泽河镇及毛坪乡，井田总体为一轴向北北东展布的背斜和轴向北西的向斜构造，褶皱构造北部被断层破坏而不完整。该井田含煤地层为下石炭统万寿山组(C1w)，含煤3—10层，一般7层左右。煤层总厚3.26～4.88 m，其中可采煤层为C3煤层和C5煤层，可采总厚度可达2.50～3.5 m。C5煤层为薄—中厚无烟煤[18]。

本次研究样品采自小发路C5煤层，共计17个煤样。其中刻槽样1个(编号为XFL5)，自上而下每10～20 cm采一次样，共采分层样16个(图1)，编号为XFL5-1至XFL5-16。

宏观煤岩类型分类，依据《GB/T 18023—2000 烟煤宏观煤岩类型分类》进行；粉煤光片制备根据《GB 16773—2008煤岩分析样品制备方法》进行；显微组分参考ICCP提出的分类方案[21-23]，但对应中文术语参考《煤化学》[24]中所用译文术语。煤相分析基于具有煤相指示意义的煤岩学特征[24]，数据来自样品的显微组分体积分数。

图1 小发路C5宏观煤岩类型柱状图Fig.1 Column diagram of lithotype of No.5 coal from Xiaofalu coal mine

样品的工业分析、元素分析以及发热量测定由江苏地质矿产设计研究院依据国家标准完成。煤炭灰分产率、硫分含量和发热量分级分别依据“煤炭质量分级”国家标准GB/T 15224.1—2018、GB/T 15224.2，3—2010。

2 实验结果与分析

2.1 煤层宏观煤岩特征

小发路C5煤层呈黑色、似金属光泽，条带状结构，阶梯状断口，内生裂隙不发育。煤岩成分以镜煤为主，亮煤次之，暗煤与丝炭极少见，镜煤可见贝壳状断口。煤矿井下从上而下采样，煤多光亮，类型简单。 XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9和XFL5-16分层可见黄铁矿结核与夹矸，肉眼下黄铁矿夹矸呈聚晶，层状、透镜状，易从煤中剥离。从小发路C5煤层宏观煤岩柱状图(图1)可看到，除XFL5-1、XFL5-8、XFL5-9和XFL5-16分层为半亮型煤(20.2%)外，其余煤分层为光亮型煤(79.8%)。根据煤层形成曲线[23]分析，C5煤层剖面宏观煤岩特征变化不大，从下至上有两个旋回。

2.2 显微组分及矿物特征

按照国家标准煤的镜质体反射率显微镜测定方法，测得小发路C5煤层镜质组平均最大反射率为3.41%。C5煤层中显微组分及矿物定量统计主要来自油浸显微镜观测，统计结果见表1。

总体上看，煤层以镜质组为主，各分煤层镜质组含量变化不大，为79.5%～82.6%(去矿物基)，刻槽样为82.5%。C5煤的镜质组以凝胶结构镜质体(32.3%～44.6%)、凝胶碎屑体为主(29.6%～39.6%，图2a)，结构镜质体(0.7%～4.4%)、团块凝胶体(<3.3%)、碎屑镜质体(2.5%～6.4%)次之；惰质组含量为17.4%～20.5%(去矿物基)，刻槽样为17.5%。C5煤的惰质组中丝质体含量最高(7.7%～14.7%，图2b)，其余为粗粒体(0.5%～3.1%，图2c)、半丝质体(0.4%～5.2%，图2d)和碎屑惰质体(2.1%～6.1%)。

在高煤阶煤中，由类脂组分演化而来的显微组分已经发生了不同的变化，某些类脂组分的各向异性超过共生的镜质组，使得其在高煤阶煤中不易识别，因此有人建议将类脂组冠以“变”(meta-)字，称为变类脂组[25]。这些变类脂组的共同特点是：光学各向异性极强，在反射单偏光下往往具有明显的多色性，在正交偏光加石膏板的条件下其干涉色一般均在一级黄以上，绝大部分达一级蓝。高煤阶煤中类脂组虽然发生了不同程度的形变，但原始轮廓仍可辨认[23]。所采C5煤层样品显微组分观察中可见变类脂组分(图2e)，但含量极少。

煤层显微组分中矿物含量为1.0%～39.4%，刻槽样为6.2%，以黏土矿物为主(0.4%～11.1%)，石英与方解石含量较少，石英呈颗粒状嵌布在凝胶结构镜质体中(图2f)。各分煤层黄铁矿含量以XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9较高，这与黄铁矿夹矸及煤层接近顶底板有关。

图2 C5煤层显微组分Fig.2 Macerals in C5 coal

依据ICCP-1994分类系统[21-23]将镜质组分为结构镜质亚组(Telovitrinite)、凝胶镜质亚组(Gelovitrinite)和碎屑镜质亚组(Detrovitrinite)，并把惰质组分为有细胞结构(Cell Structure Inertinite)、无细胞结构(Cell-free Structure Inertinite)和碎屑(Inertodetrinite)三类，C5煤层煤岩学特征图如图3所示。小发路C5煤中镜质组中结构镜质亚组与碎屑镜质亚组相近[图3(a)(c)]，大量的结构镜质亚组表明了植物细胞结构保存较好，同时也反映较低pH值的泥炭沉积环境。惰质组中以有细胞结构惰质组分(丝质体和半丝质体)为主[图3(b )(d)]，也可观察到少量的无细胞结构惰质组分(粗粒体、真菌体)。有细胞结构惰质组含量高，表明成煤植物细胞结构保存较完整。煤的显微组分组成与宏观煤岩变化一致，半亮煤细胞结构惰质组和结构镜质亚组常常有较高含量(表1，图1)。

表1 煤的显微组分含量(全煤基)及煤相参数

注：TV—结构镜质亚组；GV—凝胶镜质亚组；DV—碎屑镜质亚组；T—结构镜质体；CT—凝胶结构镜质体；CG—团块凝胶体；CD—凝胶碎屑体；VD—碎屑镜质体；V—镜质组总量；SF—半丝质体；F—丝质体；Ma—粗粒体；Fu—真菌体；ID—碎屑惰质体；I—惰质组总量；Clay—黏土；Py—黄铁矿；Ca—方解石；Q—石英；M—矿物总量；GI—凝胶化指数；TPI—植物组织保存指数；GWI-地下水流动指数；VI—植被指数

图3 煤岩特征图Fig.3 Petrological characteristics of coal samples

2.3 煤相特征

热姆丘日尼柯夫于1951年提出了煤相概念，指的是泥炭的堆积环境并由成因类型所体现。在众多煤相定义及划分方案中，得到广泛认同的是由德国煤岩学家Teichmüller M[26]于1962年提出的。对煤相概念的定义是“煤的原始成因类型，它取决于泥炭的形成环境”，即在某一成煤沼泽中所形成的煤的原始成因类型。

在煤岩组分成因参数中，凝胶化指数(GI)和植物组织保存指数(TPI)是可以反映成煤环境的、以显微组分数量比为基础的两个煤岩学指数，由澳大利亚学者Diessel[27]于1986年提出。Diessel运用这两个比值以单对数坐标作出煤相分析图解，说明沼泽形成发育的沉积环境。国内不少学者都利用了这两个煤相参数对不同地区的煤进行了煤相研究[28-36]。GI是煤中凝胶化产物和非凝胶化产物的比值，主要表示凝胶化程度的高低，反映煤沼泽的覆水程度、氧的供给、细菌和有机质的活性。GI值高表示地下水水位相对较高、泥炭沼泽相对潮湿、厌氧细菌活跃、有机质供给充分；反之，GI值低则反映地下水水位低、泥炭沼泽相对干燥、好氧细菌较活跃、营养缺乏。TPI是指有结构的植物组织与无结构的细小植物碎片之间的比值，表示植物组织的化学降解和自然破碎的程度，同时也能反映原始成煤植物中木本与草本植物的比例，极端干燥或潮湿的环境都会使TPI降低[37]。TPI在某种程度上也能反映成煤环境pH值。 pH值低时，细菌活动受到抑制，使得植物保存比较完整，TPI值就相对较高。形成于干燥氧化或极端潮湿条件下的煤，TPI值均低。TPI和GI可以反映泥炭沼泽的潮湿程度，TPI值和GI值越高，则泥炭堆积过程越潮湿，TPI值和GI值低则代表干燥沼泽环境。

地下水流动指数(GWI)主要是根据凝胶化作用的显微组分和矿物含量计算得来，可以在一定程度上反映泥炭堆积时的水位高低。植被指数(VI)能反映成煤植物的类型，较小VI值与草本植物密切相关。VI-GWI的概念是由Calder[38]提出的。根据GWI和VI的关系，可以把沼泽古环境分为开放水体草沼、树沼和藓沼等；按照水动力条件，分为低位泥炭沼泽、中位泥炭沼泽和高位泥炭沼泽。

本文在前人研究的基础上，煤相命名方案采用Diessel[27]提出的TPI和GI及Calder[38]提出的GWI和VI。根据小发路煤岩显微组分的特点，通过如下公式(仅对TPI与GWI做适当修正)计算C5煤的煤相参数，分析其成煤环境。

TPI=结构镜质体+凝胶结构镜质体+半丝质体+丝质体凝胶碎屑体+碎屑镜质体+粗粒体+碎屑惰质体GI=镜质体+粗粒体半丝质体+丝质体+碎屑惰质体GWI=凝胶碎屑体+碎屑镜质体+团块凝胶体+矿物结构镜质体+凝胶结构镜质体VI=结构镜质体+凝胶结构镜质体+半丝质体+丝质体凝胶碎屑体+碎屑镜质体+碎屑惰质体

由表1可知，小发路C5煤层样品GI高(大于4.0)，表示该煤层经历了较强的凝胶化作用，形成的煤中镜质组占优势，反映了该煤层形成于覆水较深、泥炭沼泽相对潮湿的强凝胶化强还原环境。TPI值也较高，在1.0左右，表明该煤层成煤植物中木本植物比例大，泥炭堆积速度较快，植物组织所受得化学降解和机械破碎相对较弱，水介质处于弱酸性环境，细菌活动受到抑制，故该煤形成于水流活动较弱、微生物活动较弱、沉积环境平静的环境中，泥炭沼泽中成煤原始物质得以保持较高的纯净度。在小发路C5煤层煤相图中(图4)，绝大部分点都落在潮湿森林沼泽相区域内，表明该煤矿C5煤层煤相主要为潮湿森林沼泽相。

GI和VI等煤相参数提供的信息一致说明，小发路C5煤层形成于较潮湿的强还原条件之下；TPI-GI相图表明，研究区为潮湿森林沼泽相。因此，综合小发路井田煤相参数，认为该区为潮湿低位森林沼泽煤相。

2.4 煤质特征

小发路C5煤样品工业分析与元素分析测试结果见表2。由表2知，各分煤层水分含量变化不大，其含量为0.25%～0.51%，原煤刻槽样水分含量值为0.32%。各分煤层挥发分含量为4.94%～24.23%，除了夹矸层外，多在4.94%～5.82%，原煤刻槽样挥发分含量为6.98%。

原煤灰分含量很低，灰分含量大多分布为1.49%～4.82%，根据国家标准达特低灰煤要求，灰分产率范围为1.49%～1.87%，实属罕见，这也是该煤层特点之一。从煤层剖面分析，灰分小于2.00%的煤占全煤层40.98%，小于5.00%的煤占76.50%，小于10.00%的煤占82.51%。煤层中XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9灰分含量稍高，这与该分层含有黄铁矿结核或夹矸有关。

图4 小发路C5煤层煤相图[27，38]Fig.4 Coal facie diagrams based on macerals and mineral matter of coal seam No.5 of Xiaofalu[27，38]

表2 小发路煤样工业分析、元素分析

注：XFL5-1、XFL5-9煤样品中因含有黄铁矿，氧元素检测异常。

煤的煤化程度越高，含碳量越高，因此常用煤的含碳量表征其煤级。小发路C5煤层各分煤层碳的含量很高，除XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9外，其余各分煤层碳含量均大于92%，原煤刻槽样碳含量为90.56%。

各分煤层煤中氢含量为2.2%～3.37%，原煤刻槽样氢含量为3.17%，煤分层大多为3.20%～3.37%。原煤氢含量很高是C5煤层的另一特性。相关性分析表明，原煤氢含量与煤中镜质组含量呈正比(图5)。

图5 氢含量与镜质组含量(含矿物基)关系Fig.5 Relation between vitrinite and hydrogen content

各分煤层中氧含量为0.14%～2.27%，原煤刻槽样氧含量为0.47%，排除灰分干扰，原煤各分层氧含量极低，是小发路煤层优质的又一特性。各分层氮含量为0.54%～0.8%，原煤刻槽样氮含量为0.72%。

C5煤层H/C原子比约为0.42，低于汝箕沟、焦作无烟煤H/C值，高于寺河、晋城等地无烟煤H/C值。O/C值为0.02，均低于或等于汝箕沟等地无烟煤O/C值[39-42](表3)。根据干燥无灰基的自由氢[43]公式w(Hdaf)=w(Hdaf)-w(Odaf)/8，计算小发路C5煤自由氢含量(表3)，同时计算与小发路C5煤层同等变质程度的煤的自由氢含量[39-42](表3)。比较可知，在相同变质程度的无烟煤中，小发路C5煤自由氢含量最高，这与其强还原的成煤环境密不可分。

表3 中国典型无烟煤部分煤质参数

小发路C5煤层中全硫含量变化比较大。除了XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9硫分含量很高外，其余分层中全硫含量为0.39%～1.96%，大多在0.56%～0.84%之间，以有机硫为主(表2)，属于低硫煤。XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9煤层煤岩分析中可见层状、透镜状黄铁矿结核，因此硫分含量很高。在这些全硫含量很高的分层中，黄铁矿硫含量占全硫含量的78%～80%，易洗选、易脱硫。在全硫较低的分层中，以有机硫为主，不易洗选。C5煤层刻槽样测试结果显示，硫铁矿硫含量约占全硫含量的78%，易洗选、易脱硫。

小发路C5煤各分层的发热量值见表2，各煤层发热量值为29.85～36.40 MJ/kg，原煤发热量加权平均值为35.54 MJ/kg，属于特高发热量煤。

2.5 无烟煤类型

根据国家标准煤的镜质体反射率显微镜测定方法，测得小发路C5煤层煤镜质组平均最大反射率为3.41%。根据《GB T5751—2009中国煤炭分类标准》，Vdaf在3.5%～6.5%为无烟煤二号，w(Hdaf)>3.0%为无烟煤三号。由表2知，样品挥发分划分标准与氢含量结果矛盾，因此以w(Hdaf)划分小类的结果为准，则将该区无烟煤划为三号(年轻)无烟煤。

综合小发路C5煤层煤质参数，依据煤炭国家标准，小发路C5煤属特低灰、低硫、特高发热量、三号(年轻)无烟煤。小发路C5煤炭质量特别优秀，属于稀缺活性炭材料，可作为炭材料原料，也可进行无烟煤石墨化，还可替代汝箕沟煤作为测试黏结指数的标样。

3 结 论

本文通过对小发路C5煤层剖面的煤岩煤质分析与研究，获得如下成果：

(1) 小发路C5煤层煤宏观煤岩类型以光亮煤为主，半亮煤次之，暗煤与丝炭极少见。17个煤样的煤显微组分以镜质组为主，含量74.9%～79.9%，结构镜质亚组与碎屑镜质亚组含量相近；惰质组含量16.0%～19.7%，其中以有细胞结构惰质组分为主；矿物含量2.9%～6.8%，以黏土矿物为主，黄铁矿次之，个别煤分层以黄铁矿为主。

(2) 小发路C5煤层煤(除含黄铁矿透镜体的煤分层外)灰分为1.49%～4.82%(灰分小于2.0%的煤分层占41%，小于5.00%的煤分层占76.5%)；C5原煤氢含量高、氧含量很低、自由氢极高，硫分为0.56%～0.84%，挥发分为4.94%～5.46%，发热量大于31 MJ/kg。该煤属特低挥发分、特低灰、低硫、特高发热量优质三号(年轻)无烟煤，可作为炭材料原料，也可进行无烟煤石墨化，还可替代汝箕沟煤作为测试黏结指数的标样。

(3) 小发路C5煤层煤的煤相参数TPI在1.0左右，多大于1.0；GI大于4.0，V/I多大于4.0，表明该区形成于强还原的潮湿森林覆水沼泽煤相。以结构镜质体、凝胶结构镜质体富集为标志，形成环境为一种极为潮湿、覆水较深的森林面貌，同时植物体遭受化学分解与机械破坏程度弱，水介质处于弱酸性环境，细菌活动受到抑制。因此，该煤形成于水流活动较弱、微生物活动较弱、沉积环境平静的环境，使得泥炭沼泽中成煤原始物质得以保持较高的纯净度，灰分、硫分较低，发热量较高。

(4) 小发路矿区C5煤层煤质优良，为稀缺煤炭资源。根据我国“稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用”，应该对这种资源实行保护性开采政策。