贵州省金沙县官田坝向斜煤质参数特征及沉积环境分析

杨 雪 韩明辉

（1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550008；2.贵州省煤田地质局，贵州 贵阳 550008）

0 引言

金沙县是贵州省重要的煤炭生产基地之一，上二叠统煤层分布广泛，煤类以无烟煤为主，储量巨大。通过煤中的煤质参数特征研究，在分析煤炭资源清洁利用、成煤环境识别和矿产综合开发等方面已取得较大进展［1-5］。近年来，对金沙县官田坝向斜的含煤地层特征、煤质特征、硫元素分析等已开展少量研究工作［6-8］，但缺乏对该区龙潭组煤层中硫分、灰分等煤质参数与成煤沉积环境的关系研究。笔者以官田坝向斜地质勘查时期取得的大量煤层工业分析数据为基础，研究该区上二叠统龙潭组主采煤层中煤质参数对成煤沉积环境的指示意义。

1 地质背景

贵州省金沙县官田坝向斜位于扬子陆块内部的黔北台隆遵义断拱中部，次级构造单元属于毕节北东向构造变形区。区域内构造形迹为一系列南西向及北西向的断裂和北东向的褶皱。区域主体构造为官田坝向斜，在该向斜南东翼，北西向和南西向的断裂构造交错展布，广泛发育［7］155。上二叠统龙潭组为区内主要的含煤地层，厚度介于87.66～140.72 m，平均为115.90 m。龙潭组含煤地层有6～15 层，一般为10 层，含煤总厚度介于3.43～14.01 m，平均为6.88 m，含可采煤层5 层，可采煤层总厚度为2.70～11.72 m。上覆地层为上二叠统长兴组，下伏地层为中二叠统茅口组。从上到下为4、7、9、13、15 号煤层，岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层为主［7］155（图1）。区内煤层较稳定，各煤层热演化程度高，煤类均为无烟煤（WY3）。

2 研究方法

图1 官田坝向斜某钻孔龙潭组地层综合柱状图

试验样品均来自官田坝向斜钻孔。针对研究区5层可采煤层，本次收集了117个煤层样品的工业分析参数（水分、灰分、挥发分）、全硫分、灰成分测试数据。对数据进行整理分析统计，考虑到数据的真实性和完整性，本次工作统计了该煤层样品测试数据的最大值、最小值，而某一煤层最后的煤质评价数据由该区不同钻孔中该煤层样品测试数据的算术平均值求得。煤层样品的工业分析参数（水分、灰分和挥发分）试验依据《煤的工业分析方法：GB／T212—2008》测定；煤层中全硫分采用库伦测硫仪测定；各种形态硫依据《煤中全硫测定方法：GB／T214—2007》测定；煤灰成分依据《煤灰成分分析法：GB／T1574—2007》测定。

3 煤的化学性质特征及成煤沉积环境分析

已有大量研究表明，煤质参数特征对成煤沉积环境的分析和判断具有重要意义［9-12］，众多学者根据煤层样品中硫分组成与分布［13-18］、灰分分布与组成及其变化规律进而推测成煤环境［19-21］，曹志德［22］、王胜建［23］等分别探讨了黔北安洛勘探区、林华地区元素特征与成煤沉积环境的关系。笔者基于金沙县官田坝向斜主力煤层的大量硫分、灰分等煤质参数，分析该区上二叠统主采煤层的煤质参数变化规律，探讨其对成煤沉积环境的意义。

3.1 煤的化学性质概况

5个可采煤层样品的水分、灰分、挥发分及全硫分含量均值相似（表1）。全区煤层样品的空气干燥基水分含量变化较小，范围为0.42%～3.68%，平均值为1.24%；干燥基全硫分含量为1.47%～11.70%，平均为8.97%；干燥基灰分含量为7.83%～38.35%，平均为23.10%。总体上属于特低全水分、低灰—中灰分、中硫—高硫分、特低挥发分煤。

表1 可采煤层样品工业分析和硫分组分表

3.2 硫分特征及成煤沉积环境分析

3.2.1 硫分特征

全区煤层全硫分含量变化较大，根据《煤炭质量分级：GB／T15224.2-2010》中煤炭资源硫分分级的标准判断，从中硫分煤（1.01%～2.00%）到高硫分煤（大于3.00%）均有分布。纵向上各个煤层干燥基全硫分平均值表现为先降低后升高的趋势。全硫分频率分布较为接近（图2），表现出中硫煤、中高硫煤和高硫煤频率分布依次递增的规律。各煤层均以高硫煤为主、中高硫煤次之，特别是13 号煤，高硫煤占比达84.00%，中硫煤占比较小。

图2 不同煤层干燥基全硫分分布图

硫分组成由多到少为黄铁矿硫、有机硫、硫酸盐硫。全硫分平均值的纵向变化规律与黄铁矿硫一致（图3）。黄铁矿硫含量与全硫分含量呈线性正相关（图4a）；有机硫含量与全硫分含量无明显相关性（图4b）。说明硫的组分以黄铁矿硫为主，有机硫较少。

图3 不同煤层干燥基全硫分和灰分平均值变化图

图4 煤层样品中黄铁矿硫、有机硫与全硫分含量的关系图

3.2.2 硫分的成煤沉积环境分析

有学者发现，各个煤层中全硫分平均值在纵向上的变化趋势反映了不同地质历史时期煤层受海水影响的程度［24-25］，干燥基全硫分值低反映煤层受海水影响程度较弱，全硫分值高则反映煤层受海水影响程度较强。研究区内不同煤层干燥基全硫分的平均值纵向上表现为先降低后升高的变化规律（图3），龙潭组上部的4号煤、7号煤干燥基全硫分平均值较低（小于4.10%），表明该煤层形成时期受海水影响较小，而9 号煤、13 号煤、15 号煤干燥基全硫分平均值比较高，接近于5%或者大于5%，表明煤层受海水影响程度相对较大。研究表明，灰岩的出现总是与煤层全硫分增大严格对应的，从图1可见，下部的9号煤至15 号煤之间多以灰岩、碳质泥岩、铝土质泥岩等为主，推断9 号煤、13 号煤和15 号煤形成时期受海水活动影响较强，导致全硫分逐渐升高，此阶段属于海进期，形成潟湖相环境。7 号煤全硫分较低，为3.12%，且低于4 号煤，岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩为主，推测可能形成于相对短暂的海退期，之后海水活动缓慢增强，形成4号煤，导致全硫分含量升高，直至出现灰岩，沉积环境发生变化，由潮坪相过渡至碳酸盐台地。

不同沉积环境下形成的煤层不仅全硫分含量不同，硫分组成也有一定的变化规律。学者对贵州西部煤硫分分布的研究表明，三角洲、潮坪等滨海环境下形成的中高硫煤（硫分0.60%～4.00%）以黄铁矿硫为主，黄铁矿硫占全硫分比重的50%～80%，有机硫占全硫分比重的8%～67%。研究区内各煤层样品硫分中黄铁矿硫所占比例在62%～95%（图4），虽然个别煤层中有机硫含量有所升高，但是总体上，其占全硫分含量的比重仍比黄铁矿硫低，因此，根据煤层硫分分析认为研究区龙潭组煤层形成于潮坪—潟湖相。

3.3 灰分特征及成煤沉积环境分析

3.3.1 灰分特征

各煤层干燥基灰分含量变化较大。根据《煤炭质量分级：GB／T15224.2-2010》中煤炭资源灰分分级标准，煤层灰分分布在特低灰煤（小于等于10.00%）和中高灰煤（30.01%～40.00%）之间，且以低灰煤和中灰煤为主。各煤层干燥基灰分的平均值表现为先降低后升高的趋势，与干燥基全硫分变化规律一致。不同煤层不同级灰分分布频率有所变化（图5），其中，4号煤和7号煤灰分分布频率比较接近，表现为以低灰煤为主，特别是7 号煤，低灰煤占比达77.78%。13 号煤和15 号煤灰分分布频率比较接近，表现为以中灰煤为主，特别是13 号煤，中灰煤占比达70.59%。

图5 不同煤层干燥基灰分分布图

不同煤层的干燥无灰基挥发分变化不大，变化范围为6.19%～14.88%，平均为8.97%，属于低—中等挥发分煤，这与该区煤类均为无烟煤相符合。

官田坝向斜煤层样品中的各常量元素氧化物含量测试结果见表2，从表2 可知，各煤层中灰分常量元素含量略有差异：SiO2、Al2O3和Fe2O3含量较高，其中SiO2含量最高。4号煤、7号煤、9号煤的灰分含量较为一致，13 号煤和15 号煤的灰分含量更为接近，这可能是4 号煤、7 号煤、9 号煤的成煤沉积环境与13号煤、15号煤有所不同。

通过元素富集指数（C=煤／中国煤）可以反映元素富集程度，元素富集程度可分为6 级：C 小于0.5为亏损，C大于等于0.5且小于等于2表示相似，C大于2 且小于等于5 表示轻度富集，C 大于5 且小于等于10 表示富集，C 大于10 且小于等于100 表示高度富集［24］108。对比中国地区煤层均值（图6），总的来说，SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 表 现 为 轻 度 富 集，其 中Fe2O3质量分数在不同煤层中的元素丰度存在差异，4号煤和13 号煤均表现为富集，7 号煤表现为相似，CaO 质量分数在13 号煤和15 号煤表现为富集，7 号煤与中国煤相似。MgO除在7号煤和9号煤表现为轻度富集，其他煤层均表现为富集。

3.3.2 灰分的成煤沉积环境分析

煤的灰分组成常以Ca、Mg、Si、Fe、Al、K 等常量元素的氧化物表示，元素与其氧化物在种类、数量上具有一定的相关性，水动力、水体氧化还原、古气候与古盐度等条件在沉积过程中会影响元素富集［18］22。因此煤的灰成分中的一些参数比值可在一定程度上反映成煤环境特征，如SiO2／Fe2O3、CaO／MgO、（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）等。

根 据 学 者 的 研 究 表 明［25］27，当（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）在0.03～0.22 时，反映了煤层形成于陆相沼泽环境，受海水影响较弱，反之，当比值介于0.23～1.23 时，反映煤层受到较强的海水影响，形成于障壁岛—潮坪—潟湖沼泽环境。叶道敏等学者通过对西南地区煤灰与成煤沉积环境的关系分析［26］得出，当（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）大于或等于0.23 时，说明受海水影响较强，形成泥炭沼泽，当（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）小于0.23 时，说明受海水影响较弱，形成陆相泥炭沼泽。研究区内可采煤层样品中煤灰成分参数（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）均大于0.23，表明成煤环境是沼泽环境，并且不同煤层全硫分均值与（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）灰成分参数均值的垂向变化规律基本趋于一致，总体表现为先降低后升高（图7），反映了不同煤层的成煤环境有所差异。

表2 煤层样品中常量元素氧化物含量统计表

图6 各煤层常量元素富集程度图

图7 不同煤层全硫分和灰成分参数均值变化规律图

综合区内主要煤层煤质参数、岩性特征和区域沉积背景分析认为，4 号煤、7 号煤受海水影响较弱，其成煤沉积环境为潮坪相泥炭沼泽，9号煤、13号煤、15 号煤受海水影响较强，其成煤沉积环境为潟湖相泥炭沼泽。

4 结论

1）研究区龙潭组煤层总体上属于特低全水分、低灰—中灰分、中硫—高硫分、特低挥发分煤，煤类为无烟煤三号（WY3）。

2）煤层硫分以高硫煤为主，9 号煤、13 号煤、15 号煤干燥基全硫分平均值明显高于4 号煤、7 号煤，硫分组成以黄铁矿硫为主，与全硫分含量呈线性正相关关系。4号煤和7号煤灰分分布频率比较接近，表现为以低灰煤为主，13 号煤和15 号煤灰分分布频率比较接近，表现为以中灰煤为主。

3）不同煤层灰成分中的常量元素氧化物以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，与中国地区煤层均值相比，SiO2、Al2O3表现为轻度富集，Fe2O3和CaO 表现为富集或相似。MgO在7号煤和9号煤表现为轻度富集，在其他煤层表现为富集。

4）纵向上，不同煤层全硫分均值与（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）灰成分参数均值的垂向变化规律基本趋于一致，总体表现为先降低后升高，反映了不同煤层的成煤环境有所差异。综合分析认为，4 号煤、7 号煤受海水影响较弱，其成煤沉积环境为潮坪相泥炭沼泽，9号煤、13号煤、15号煤受海水影响较强，其成煤沉积环境为潟湖相泥炭沼泽。