山西省河保偏矿区13#煤层煤岩煤质特征

赵 彦

( 中国煤炭地质总局第一勘探局，河北邯郸 056004 )

1 地质背景

位于鄂尔多斯盆地东缘的河东煤田是山西省六大煤田之一，也是我国著名的优质炼焦基地之一，主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，含煤十余层，煤层总厚达15m左右，煤炭资源丰富，煤的种类齐全，构造相对简单。河保偏矿区位于河东煤田的北端，行政区划属忻州市河曲、保德、偏关三县管辖，以黄河为界与陕西省和内蒙古自治区相邻。矿区地理坐标为110°57″～111°34″E、38°39″～39°30″N。南北长约82km，东西宽约13km，面积约1597km2。河保偏矿区为晋北煤炭基地的重要组成部分，向西连接特大型神东煤炭基地，是黄河两岸东西连接的桥头堡，地理位置十分优越(图1)。

13#煤层所赋存的太原组是一套海陆交互相含煤建造，据其沉积环境和岩性的变化可以大略分为三段，下段为层位较为稳定的灰白色石英砂岩段，局部含有晋祠砂岩、粉砂岩，中间夹一层石灰岩；中段发育有黑色泥岩、砂质泥岩、石灰岩；上段主要发育黑、灰、灰白泥岩，夹数层薄煤层。

图1 河保偏矿区交通位置

图2 采样位置示意

2 采样与测试

本次野外工作采取了河保偏矿区太原组13#煤层煤样12个，煤样由上至下编号为1～12(图2),采取到一个完整的煤层剖面。本次样品的采集均按照《煤层煤样采取方法》(GB/T482—2008)进行[1]。按GB/T474—2008 进行样品制备，将采集回来的样品在通风条件下自然晾干，使用粉碎机将样品粉碎至80目和200目[2]。煤中水分按照《煤中全水分的测定方法》(GB/T211—2007)[3]进行测定，煤中灰分、挥发分按照《煤的工业分析方法》(GB/T212—2008)[4]进行测定，煤中全硫含量照《煤中全硫的测定方法》(GB/T214—2007)[5]进行测定。

3 煤岩特征

3.1 宏观煤岩类型

根据采取到的12个煤样的相对光泽强度和《煤岩术语》(GB/T12937—2008)，在煤层分层样品中划分出1种宏观煤岩类型，即暗煤[6]。宏观煤岩类型垂向分布特征显示，13#煤层是在微生物活动较弱，凝胶化作用较弱，覆水程度较低时期形成的，成煤植物的结构保存较好。

3.2 煤的显微组分

3.2.1 显微组分含量

依次对13#煤层中各个煤分层进行了显微组分鉴定[7]和定量统计(表1)。各显微组分值取12个煤分层样品的加权平均值，镜质组含量为19.7%，惰质组含量为64.7%，壳质组含量为7.7%，矿物8.0%。在镜质组中，基质镜质体的含量最高(17.0%)，团块镜质体(0.7%)次之，均值镜质体(0.6%)含量较低；惰质组主要由半丝质体(37.6%)、惰屑体(16.9%)组成，含少量丝质体和粗粒体等；壳质组主要由孢粉体(6.4%)、角质体(0.3%)和树脂体(0.5%)组成；矿物主要为碳酸盐类矿物和黏土类。上述数据显示13#煤层具惰质组含量高、镜质组含量低的特点(图3)，这也是河保偏矿区的总体特点[8]。

图3 13#煤层各分层显微组分组成特征

3.2.2 垂向变化

煤层的宏观煤岩类型和显微组分[9]含量在垂向上变化不明显，煤层大部分为暗煤，煤层上段出现较少量半暗型煤。反映出成煤时期泥炭沼泽环境中覆水较浅，泥炭沉积活动较多在氧化环境下进行，凝胶化作用较弱，形成过程中经历了由深到浅再到深的过程，整个过程氧化作用较好，形成的惰质组含量较高。

镜质组以基质镜质体为主，说明成煤植物凝胶化作用比较彻底，微生物活动较强[5]；而惰质组以半丝质体为主。在垂向上，随着宏观煤岩类型的变化，基质镜质体的含量也有所变化，宏观煤岩类型为半暗型煤时，基质镜质体含量最高，丝质体含量则为最低。

表1 13#煤层剖面各分层的显微组分含量 (无矿物基)

3.2.3 煤中的矿物

煤层中的矿物主要为黏土矿物，其次是碳酸盐类。

3.3 煤相类型划分

煤相即一定泥炭沼泽环境下形成的煤的成因类型和煤岩组成。煤的显微组分和显微煤岩类型是煤相识别标志中最重要的元素。煤的显微组分一定程度上可以反映成煤时期植物类型、成煤环境、成煤气候和覆水条件等[10-13]。

以下主要采用植物结构保存指数(TPI)、凝胶化指数(GI)与流动性指数(MI)及地镜惰比(V/I)等煤相结构指数对13#煤进行煤相分析。

3.3.1 煤相划分参数的确定依据

3.3.1.1 凝胶化指数(GI)和结构保存指数(TPI)

Dissel[14]提出植物结构保存指数(TPI)和凝胶化指数(GI)可作为反映沉积环境、成煤条件的参数。其中，凝胶化指数(GI)一般用于反映泥炭沼泽的潮湿程度和植被残体的凝胶化程度。GI数值较大表示当时的形成环境潮湿且覆水较深，GI数值较小表示当时的形成环境干燥且覆水较浅。结构保存指数(TPI)用来反映植物组织降解强度及植物细胞保存的完好程度，TPI值较大时说明植物结构保存完好，降解度低，反之，TPI值较小时说明植物结构保存较差，降解度高。

3.3.1.2 镜惰比(V/I)

通常情况下，潮湿还原的环境下有利于镜质组的形成，干燥氧化的环境下有利于惰质组的形成。沼泽的覆水情况很大程度上决定了氧化还原程度，因此镜惰比在一定程度上能够直观的反映成煤环境的覆水程度与气候的干湿度。

3.3.1.3 其他指数

用流动性指数(MI)表述沼泽水的流动性。

3.3.2 煤相类型

13#煤层各分层凝胶化指数(GI)为0.2～0.9，植物保存指数(TPI)为1.1～4.4，凝胶化指数和植物保存指数呈周期性变化，说明覆水程度呈周期性变化；镜惰比(V/I)为0.1～0.6，全部位于1下方，成煤环境为干燥环境；12个分层的流动性指数为0.8～2.8，均属于流动相，水动力条件强。

根据表2和图4可以得到1种煤相类型：干燥森林泥炭沼泽相。GI值小于1，TPI值大于1。宏观煤岩类型以暗煤为主。代表泥炭沼泽环境[15]是干燥的森林泥炭沼泽，处于较强的氧化环境。

根据GI-TPI关系图可得知：成煤泥炭开始覆水较浅，位于潜水面附近，覆水程度相对较弱，其后覆水逐渐变弱，随着水位逐渐变浅，凝胶化作用变得更弱，微生物活动变弱，成煤植物结构保存指数较高，泥炭沼泽处于氧化环境，水动力较强，受外来物质干扰，植物细胞结构保存较好，TPI值较大，泥炭沼泽始终处于氧化环境，植物遗体凝胶化作用弱，形成镜质组较少，惰质组含量高。

总体而言，河保偏矿区13#煤层形成环境以干燥森林泥炭沼泽相为主，成煤环境干燥，植物组织凝胶化程度低。这是造成河保偏矿区13#煤层惰质组含量高，镜质组含量低，宏观煤岩类型以暗煤为主的主要原因。

表2 13#煤层剖面各分层的显微组分含量及有关煤相分析参数

图4 GI-TPI关系

4 煤质特征

4.1 煤的工业分析

煤层剖面各个分层样品测试的工业分析[16]、全硫分析和黏结指数测定数据见表3。

12个煤分层样品挥发分产率(Vdaf)为 30.80%～39.20%，挥发分从上至下变化不大，平均33.04%，属于中高挥发分煤。灰分(Ad)为 13.61%～27.25%，平均17.32%，12个煤层分层样品均属于低灰煤。灰分较低的原因一是煤层形成于陆表海背景下的潮坪和潟湖环境；二是河流活动性弱，陆源碎屑物较少，混入泥炭沼泽的无机矿物质较少。全硫含量(St,d)为 0.83%～1.16%，平均值为0.95%，全部属于低硫煤，13#煤层属于太原组含煤地层，主要为海陆交互相沉积体系,因此硫分普遍低。综上，13#煤为中高挥发、低灰分、低硫煤。

表3 13#煤层剖面各分层的工业分析、全硫分析和黏结指数统计

4.2 灰成分分析

4.2.1 灰成分指数

灰成分指数K[K=(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]的变化在一定程度上能够很好地反映灰分的来源情况。SiO2、Al2O3主要由来自于陆面的地表流水及大气飞尘带到泥炭沼泽，CaO、MgO则主要来自于海水的供给，在低位沼泽中含量比较高。分析数据表明；本区灰成分中SiO2和 Al2O3含量偏高，导致河保偏矿区13#煤层各分层的灰成分指数也较高，为4.12～42.36，平均为15.13，变化范围较大。相应的，灰熔融性温度普遍较高(表4)。

4.2.2 沾污指数

煤灰对高温受热面沾污的倾向，可以用类似的基于煤灰组成成分计算的沾污指标Rf来衡量，Rf=(碱性氧化化合物/酸性氧化化合物)×Na2O，煤灰中碱性氧化化合物为Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O，酸性氧化化合物为SiO2+Al2O3+TiO2，Na2O为煤灰中Na2O成分的干燥基重量百分数。依据煤灰的Rf值，可将煤灰的沾污特性分成四类：当Rf值<0.2时为轻微沾污；当Rf值为0.2～0.5时为中等沾污；当Rf值为0.5～1.0时为强沾污；Rf>1.0时为严重沾污。13#煤层各分层的平均沾污指数为0.01，属于轻微沾污。

5 煤岩煤质综合分析

根据13#煤层垂向上的宏观煤岩类型、显微煤岩组分、部分煤质[17]数据，绘制了13#煤层剖面的综合柱状示意图(图5)。图中可以直观显示各个指标垂向上的变化规律。从图中可以看出该煤层镜质组和惰质组含量呈相互消长关系；灰分在煤层上半段变化幅度较小，下半段2号样处变化较大；硫分垂向上除5号样外其余变化范围较小；挥发分垂向上变化比较小，趋于平缓。

5.1 硫分和灰分相关性分析

从图6可以看出，13#煤层各分层的硫分和灰分基本呈正相关关系，即硫分变高，灰分也相应变高。

表4 13#煤层剖面各分层的灰成分统计

图5 13#煤层剖面各分层的煤质指标综合柱状示意

图6 13#煤层剖面各分层的硫分和灰分之间的关系

5.2 灰分和无机矿物相关性分析

从图7可以看出，13#煤层各分层的灰分和无机矿物呈正相关关系，也就是无机矿物含量高，对应的灰分也高。

图7 13#煤层剖面各分层的灰分和无机矿物之间的关系

5.3 显微组分和挥发分相关性分析

由图8可知，镜质组含量与挥发分呈正相关，也就是镜质组含量越高，挥发分含量越高。

图8 13#煤层剖面各分层的镜质组含量和挥发分之间的关系

6 结论

河保偏矿区13#煤层为低硫分、低灰分、中高挥发分煤。煤分层显微组分平均含量，镜质组为19.7%，惰质组为64.7%，壳质组为7.7%，具有惰质组含量高，镜质组、壳质组含量低的特征；13#煤层形成环境以干燥森林泥炭沼泽为主，覆水程度低，植物组织凝胶化程度不高；结合13#煤层的煤岩煤质特征可以得出13#适合作为一般液化用煤[18]。