宁夏红墩子矿区富油煤赋存特征及其沉积环境研究

2021-11-02黄鹏程王力圆梁永平毛兴军赵振明郭伟勇

中国煤炭地质 2021年10期

黄鹏程，王力圆，王贝,梁永平，毛兴军，赵振明,郭伟勇

(1.宁夏回族自治区煤炭地质局，银川 750001；2.中国地质大学(武汉)，武汉 430074；3.福州大学紫金地质与矿业学院，福州 350108)

0 引言

现阶段我国的能源禀赋特点是“相对富煤、贫油、少气、缺铀”[1]，2020年，我国石油和天然气对外依存度升至73.5%和43.2%[2]。面对国内油气对外依存度持续攀升的不利局面，立足我国煤炭资源优势，推动煤炭清洁高效利用已然成为保障国家能源安全和实现我国“双碳”目标的战略选择[3-4]。煤田地质学中将焦油产率大于7%的煤定义为富油煤，富油煤通过低温干馏热解方式可以实现“提油炼气”[5]。王双明院士也明确指出“富油煤不仅是煤，更是煤基的油气资源，若在煤炭热解技术和规模化发展上取得突破，西部地区丰富的煤炭资源可替代一至两个大油田”。因此，查明我国富油煤赋存规律对合理高效使用富油煤资源推进煤炭清洁高效利用和实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义[4-6]。

宁夏红墩子矿区煤炭资源丰富，但目前针对该区富油煤赋存特征方面的研究相对欠缺，这在一定程度上限制了红墩子矿区富油煤的清洁高效利用。笔者在前人研究成果的基础上，全面收集红墩子矿区地质勘探资料和煤样化验测试资料，以山西组4煤和太原组 8煤为研究对象，以煤焦油产率为切入点，探讨富油煤时空分布规律，并从沉积环境演化的角度分析富油煤赋存特征的地质成因。旨在为该区富油煤的理论研究、勘探开发和高效利用提供地质依据。

1 矿区地质

红墩子矿区位于宁夏宁东煤田北部，隶属宁夏回族自治区银川市管辖，矿区西距银川市约30km(图1)。矿区呈南北向条带状展布，西以黄河断裂和煤层隐伏露头为界，东部及南部以宁夏回族自治区和内蒙古自治区区界为界，南北长约30km，东西宽约7km，面积约为200km2。

图1 红墩子矿区位置Figure 1 Hongdunzi mining area position

矿区无基岩出露，全部被第四系(Q)和古近系(E)所覆盖，地层由老至新分别为：石炭系上统土坡组(C2t)；石炭二叠系太原组(C2P1t)；二叠系下统山西组(P1s)、石盒子组(P2sh)、上统孙家沟组(P3sj)；古近系渐新统清水营组(E3q)；第四系(Q)[7]。

矿区含煤地层为石炭二叠系太原组(C2P1t)和二叠系山西组(P1s)。山西组平均总厚89.99m，含煤5层，煤层编号自上而下依次为1、2、3、4、5煤，其中可采煤层为2、4、5煤，总厚5.64m，可采含煤系数为6.27%。太原组地层平均总厚102.65m，含煤6层，煤层编号自上而下依次为7、8、9-1、9、10、11煤，其中可采煤层为8、9-1、9、10煤，总厚8.97m，可采含煤系数为8.74%。矿区内4、5、8、9-1、9、10煤层可采范围大，分布范围和厚度较稳定，结构简单—复杂，煤质变化不大，煤层稳定程度为较稳定，2煤为不稳定煤层。宏观煤岩成分以亮煤为主，暗煤次之，夹镜煤条带和丝炭薄层，宏观煤岩类型以半亮型煤和半暗型煤为主，暗淡型煤次之(表1)。

表1 红墩子矿区可采煤层情况Table 1 Mineable coal seams status in Hongdunzi mining area m

2 富油煤的赋存特征

根据《矿产资源工业要求手册(2014 修订版)》中焦油产率的分级标准，煤炭可分为高油煤(Tard>12%)、富油煤(Tard=7%～12%)和含油煤(Tard≤7%)三类，广义的富油煤包括高油煤和富油煤[8]。通过对红墩子矿区勘查资料中原煤的焦油产率进行分级划分发现，红墩子矿区4煤和8煤层主要以富油煤为主，局部分布高油煤。分类结果见表2。

表2 红墩子矿区低温干馏 600℃原煤焦油产率Table 2 Low temperature pyrolysis 600℃ raw coal tar yields in Hongdunzi mining area %

根据原煤的焦油产率分级标准，4煤焦油产率为2.1%～15.3%，平均值为7.6%，属于富油—高油煤，其高油煤主要分布在红墩子矿区的南部，分布特征如图2所示。8煤焦油产率为2.4%～13.6%，平均值为8.5%，属于富油—高油煤，其富油煤主要分布在红墩子矿区的西北部，东南部煤层焦油产率较低，其分布特征如图3所示。红墩子矿区4煤的焦油产率值小于8煤。

图2 4煤层富油煤分布特征Figure 2 Coal No.4 oil-rich coal distribution features

图3 8煤层富油煤分布特征Figure 3 Coal No.8 oil-rich coal distribution features

3 富油煤的沉积环境及物质来源

3.1 富油煤的沉积环境

3.1.1 显微煤岩组分分析

显微煤岩组分是分析煤层成因环境的良好标志，镜质组是成煤植物遗体在覆水的还原条件下，经凝胶化作用而形成，惰质组主要形成于缺水多氧、森林火灾或微生物腐解等条件。成煤植物的组织在温暖和潮湿的还原条件下以凝胶化作用为主，所以镜惰比(V/I)在一定程度上可以反映成煤环境的覆水程度、氧化还原程度及成煤期的温度、湿度等古气候条件[9-11]。一般镜惰比(V/I)高则沼泽覆水较深,处于较还原环境；反之镜惰比(V/I)低则沼泽覆水较浅，处于较氧化环境[9]。红墩子矿区4煤镜惰比为1.2、8煤镜惰比为1.1(表3)，均大于 1，表明4煤和8煤成煤环境属于覆水较深的还原环境，且成煤的古气候条件形比较温暖、潮湿。

表3 红墩子矿区煤显微组分Table 3 Coal macerals in Hongdunzi mining area

3.1.2 灰成分参数分析

代世峰等研究表明煤的灰分与煤中所含矿物质具有一定的相关性[12]，灰分参数对古盐度、古气候、氧化还原条件、水动力条件等聚煤环境信息有较好的指示意义[12-14]。目前主要用SiO2+Al2O3、Fe2O3+CaO+MgO、K值、SO3+Fe2O3、CaO/MgO、CaO/Fe2O3等灰成分特征参数反映成煤环境和沉积介质条件[15]。

煤中CaO、MgO、Fe2O3大部分是泥炭聚积时海水入侵的产物，而SiO2、Al2O3主要源于泥炭聚积时陆源碎屑的供给[12]。因此Fe2O3+CaO+MgO值可反应泥炭沼泽受到海水影响程度，SiO2+Al2O3值可反映泥炭沼泽接受陆源物质的供给程度。由表4可得，红墩子矿区4煤和8煤Fe2O3+CaO+MgO为10.24%和12.54%、SiO2+ Al2O3为83.37%和80.28%。表明红墩子矿区4煤泥炭沼泽陆源物质供给丰富，受到海水影响较小，而8煤泥炭沼泽陆源物质供给少，受到海水影响较大[16-17]。

灰成分指数(K)=(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+ Al2O3)，K的变化可以反映成煤期沉积环境的还原性强弱，即煤的灰成分指数越高，还原性越强[13-15]。由表4可得，红墩子矿区4煤和8煤灰成分指数K分别为0.13和0.17，表明8煤的还原性强于4煤，且红墩子矿区成煤期沉积环境的还原性在逐渐减弱。

一般而言，SO3+ Fe2O3的值越大表明煤中含有较多的硫铁矿，成煤环境还原程度越高[4]；CaO/MgO的值越大表明煤中矿物质以方解石及腐殖酸钙盐为主，反映温暖潮湿—半潮湿气候条件[14]；CaO/Fe2O3的值越高，反映沉积水介质的盐度越高[15]。由表4可得，红墩子矿区4煤和8煤SO3+Fe2O3的值分为4.16和9.65，表明8煤的还原性强于4煤，这与灰成分指数(K)指示的结果相同；4煤和8煤CaO/Fe2O3为1.77和0.47，表明4煤的成煤环境盐度高于8煤；4煤和8煤CaO/MgO为3.35和5.03，表明8煤的成煤气候较4煤温暖潮湿。

表4 红墩子矿区主要煤层灰成分参数Table 4 Main coal seams ash component parameters in Hongdunzi mining area

3.2 成油物质来源

干酪根是沉积岩中主要的有机质和生油母质，在不同沉积环境中，不同来源有机质形成的干酪根的性质和生油气潜能差别较大[18-19]。根据元素组成将干酪根分为三类五型，即Ⅰ1型(标准腐泥型)、Ⅰ2型(含腐殖腐泥型)、Ⅱ型(混合型)、Ⅲ1型(含腐泥腐殖型)和Ⅲ2型(标准腐殖型)[16]。目前广泛采用范氏图(VanKrevelen)划分干酪根特征，进而确认成烃母质类型[13]。通过计算，发现红墩子矿区山西组4煤和延安组8煤的H /C原子比在1.0～0.8、O /C 原子比均<0.2，则红墩子矿区4煤与8煤干酪根以含腐泥的腐殖型Ⅲ1为主(表5)。腐泥质组分主要由水中浮游生物及一些底栖生物、水生植物等在滞水盆地条件下沉积演化而来，是成油的主要物质来源[13]。因此，红墩子矿区含腐泥型母质是成油的主要物质来源。由于太原组为海陆交互相含煤沉积，其成煤物质除了大量的植物遗体外，还包括对生烃具有一定促进作用的浮游生物，因此红墩子矿区太原组8煤焦油产率较山西组4煤偏高。

表5 红墩子矿区原煤元素分析Table 5 Hongdunzi mining area raw coal ultimate analysis results

4 结果及讨论

红墩子矿区4煤和8煤均形成于比较温暖、潮湿的古气候条件下，且8煤的成煤气候较4煤温暖潮湿，表明温暖、潮湿的古气候有利于富油煤的形成；8煤的覆水深度、还原性均高于4煤，且8煤的焦油产率高于4煤，表明覆水深度大，还原性强的成煤环境有利于富油煤的富集。综合而言，越是温暖、潮湿、高还原的沉积环境，越利于富油煤赋存[4]。

晚石炭世晚期—早二叠世早期宁东煤田发育潟湖-潮坪沉积体系，早二叠世早期末地壳缓慢抬升，海水逐渐退却，此时河流作用明显增强，宁东煤田开始陆相碎屑岩沉积。到早二叠世晚期，海水的影响基本消失，煤田内逐渐转化为陆相河流体系，形成河流-三角洲沉积体系。

8煤形成于障壁岛-潟湖沉积体系(图4)，成煤作用受海水的影响较大[17]。矿区东南部由于距海岸较近，受潮汐作用影响，成煤沼泽覆水不稳定且周期性暴露，还原性较低，而矿区西北部煤层发育于障壁岛后的潟湖-潮坪带，成煤沼泽覆水较深且稳定，还原性较强，最终形成了8煤在矿区西北部以富油—高油煤为主，而东南部煤层焦油产率较低的特征。

图4 8煤成煤期古地理环境示意[17]Figure 4 Schematic diagram of coal No.8 coal-forming stage paleogeographic environment (after reference[17])

4煤形成于河流三角洲沉积体系(图5)，成煤环境主要受到河流的影响，以淡水沼泽为主[17]。矿区南部成煤时更靠近滨海环境，其覆水深度深，还原性较强，为4煤在矿区南部形成富油煤提供了有利的沉积环境；向北由于成煤环境为三角洲平原分流间湾的淡水泥炭沼泽，覆水深度逐渐变浅，其还原性也随之降低，导致4煤在矿区北部煤层焦油产率较低。在垂向上，自下而上，沉积环境由海相逐渐过渡到陆相，沉积环境的覆水深度逐渐降低，还原性随之逐渐减弱，所以8煤的焦油产率大于4煤。