准格尔煤田高铝煤物质组成及成因

刘霖松石松林孙俊民李锦涛王兆国李佳星刘钦甫

1. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083；2. 河南工程学院资源与环境学院,河南郑州 451191；3. 大唐国际发电股份有限公司高铝煤炭资源开发利用研发中心,内蒙古鄂尔多斯 010321；4. 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083

据统计,2019年我国煤炭产量达38.46×10 t8[1],接近全球煤炭总产量的一半。目前,煤炭的消耗在我国能源结构中仍占60% 左右[2]。内蒙古自治区作为我国第一煤炭储量大省,境内分布着神府东胜煤田、霍林河煤田、准格尔煤田等十几个大型煤田及大量中小型煤田[3]。其中,准格尔煤田的煤炭为高铝煤,其燃烧后的粉煤灰中氧化铝含量高达40% ～50% 。高铝煤燃烧后产生的高铝粉煤灰具有极大的综合利用价值。但迄今为止,对这种高铝煤的形成机制仍不是十分清楚。

本文运用岩石学、矿物学和地球化学等方法,研究了准格尔煤田黑岱沟矿区和哈尔乌素矿区6 号煤及夹矸的物质组成,探讨了高铝煤成因及形成机制,旨在为高铝煤资源勘探及高效利用提供理论指导。

1 地质背景

准格尔煤田位于中国北部内蒙古自治区的西南部,南北长约65 km,东西宽约26 km,面积在1 700 km2左右,已探明煤炭储量为26.8 Gt[4]。区内地层包括奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系、古近系和第四系,其中石炭-二叠系为主要含煤地层。

准格尔煤田的大地构造位置处于鄂尔多斯盆地的东北缘,总体构造为南北走向,倾向西,倾角小于10°,构造形态简单(图1)[5-6]。区域内发育一系列小型波状起伏的褶曲构造,断层较少,规模不大。在早寒武-中奥陶世期间,研究区沉积了一套以碳酸盐为主的岩系。中奥陶世末期在加里东运动的影响下,华北地台整体上升,处于长期风化剥蚀状态,因此导致区内地形平坦,为后期的沉积奠定基础。而在晚石炭-晚三叠世期间,区内缓慢下降接受沉积,形成了太原组和山西组的煤层[7]。

图1 研究区构造简图（改自石松林[8]）Fig.1 Tectonic outline map of the study area（modified from Shi Songlin[8]）

黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿位于准格尔煤田中部,上石炭统太原组和下二叠统山西组是研究区的2 个主要含煤单元(图2),总厚度约150 m。太原组沉积期间,沉积环境由海相逐渐演化为陆相,沉积了一套以河流三角洲环境相为主的含煤岩系[9],主要由粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、黏土岩和煤层(6 号、8 号、9 号、10 号煤)组成。山西组为一套纯陆相含煤岩系,在河流沉积体系中形成[10],主要由粗砂岩、中砂岩、砂质泥岩、泥岩、黏土岩和煤层(1 号、3 号、5 号煤)组成。山西组最下部的厚层状中粗粒长石石英砂岩(K3)是山西组和太原组界线的关键标志。

图2 准格尔煤田含煤地层综合柱状图及6 号煤采样柱状图Fig.2 Coal-bearing strata column of Jungar coalfield and sampling histogram for coal No.6

2 样品采集与测试方法

采用连续刻槽法在黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿太原组的6 号煤层剖面上采取煤样及夹矸样品,共64 件,其中黑岱沟6 号煤样14 件,夹矸样品17 件；哈尔乌素6 号煤样17 件,夹矸样品16 件(图2)。选取部分块状煤样和夹矸样品制成岩石薄片,选取200 g 煤样粉碎筛分,将粒径为0.1 ～1 mm的煤样制作成粉煤光片,观察煤岩学特征。使用碳化钨磨样机将选取的煤和夹矸样品粉碎成200 目的粉末进行矿物学和地球化学分析。

采用《GB/T 212—2008 煤的工业分析方法》对煤进行工业分析。对煤样中的全硫含量按《GB/T 214—2007 煤中全硫的测定方法》 测定。根据《GB/T 14506.28—2010 硅酸盐岩石化学分析方法》采用X 射线荧光光谱仪(XRF)测试各样品的常量元素。煤样工业分析结果见表1。

表1 煤样工业分析和煤灰中矿物组成及相对含量Tab.1 Proximate analysis and mineral composition of the samples %

将粉碎后的煤样采用低温灰化仪进行处理。使用中国矿业大学(北京)的D/max-2500PC 全自动粉末X 射线衍射仪对煤样、夹矸和低温灰的矿物成分进行分析。测试条件为:扫描范围2.5° ～70°,扫描速度4°/min,信息采集步宽0.02°,电压40 kV,电流150 mA。使用RockQuan 软件对所测得的XRD图谱进行全岩矿物成分定量分析。

使用光学显微镜和带能谱仪的扫描电镜(SEMEDX)对煤及夹矸中的显微组分及矿物成分进行定性分析和形貌、赋存状态观察。扫描电镜分析在北京理化测试中心完成,仪器为日本HITACHI 公司的S-4800 冷场发射扫描电镜及德国蔡司公司的SUPRA 55 SAPPHIRE 热场发射扫描电子显微镜。

3 结果与讨论

3.1 煤质与煤岩特征

3.1.1 煤质特征

黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿煤样灰分平均值分别为12.65%和19.28%,挥发分平均值分别为33.89%和35.38%,全硫含量在0.24% ～0.44% 之间。依据《GB/T 15224.1—2018 煤炭质量分级 第1 部分:灰分》,可将准格尔煤田6 号煤归为中低灰、中高挥发分、特低-低硫煤。

3.1.2 煤岩特征

黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿6 号煤的显微组分中惰质组平均含量为59% ,镜质组28% ,壳质组13% 。

惰质组含量较高,反映研究区煤层形成时地表水供给充分[11],提供了充分的氧,在这种氧化环境下丝炭化作用较强。

惰质组主要为碎屑惰质体和半丝质体,其次为丝质体、粗粒体及菌类体等。半丝质体有时显示出保存相对完好的细胞结构,有时以降解形式出现[图3(a)(b)],这表明其处于降解过程中,可能降解为粗粒体。此外,可见勃姆石充填在半丝质体细胞中。丝质体具有保存较好的细胞结构,细胞腔一般中空或被矿物、有机质充填[图3(c)],由树木的氧化形成。粗粒体常呈无定形形态[图3(d)],可能是由絮凝的腐殖质基质形成。菌类体表现为圆形或椭圆形,多呈堆积出现[图3(e)(f)],可能是由真菌体或高等植物的分泌物所形成。

镜质组以基质镜质体和结构镜质体为主,见少量均质镜质体和团块镜质体。其中,结构镜质体内部细胞结构完整,胞腔多呈椭圆形[图3(g)],为成煤植物经腐殖化作用和凝胶化作用的结果[12]。基质镜质体没有固定形态,常与石英、黏土矿物胶结在一起产出[图3(h)]。均质镜质体均一、纯净,呈条带状或透镜状,发育内生裂隙[图3(i)]。团块镜质体为圆形或椭圆形且轮廓清晰的均质块体[图3(j)]。

壳质组以孢子体为主,孢子体主要是成煤植物的繁殖器官,可分为大孢子体和小孢子体。小孢子体长度一般小于100 μm,常表现为分散状个体[图3(k)],偶尔可见小孢子体堆或囊堆；大孢子体长度普遍超过100 μm,多为封闭的扁环状,可见褶皱状,转折处呈钝圆形[图3(l)]。

图3 研究区煤岩组分特征Fig.3 Characteristics of coal macerals in the study area

3.2 煤和夹矸中矿物组成及特征

3.2.1 煤中无机矿物组成及特征

原煤及低温灰化样品XRD 分析结果(图4)表明,研究区6 号煤中无机矿物主要为高岭石和勃姆石,部分样品有少量的石英、方解石、菱铁矿、黄铁矿、硬石膏、锐钛矿和磷锶铝矾等(表1)。

图4 黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿原煤及低温灰化样品的典型XRD 图谱Fig.4 Typical XRD patterns of raw coal and low temperature ashing samples from Heidaigou and Harwusu open-pit Mine

煤中矿物含量垂向分布如图5 所示。可以看出,黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿6 号煤层煤灰中主要矿物高岭石和勃姆石在垂向上具有大致相同的变化趋势,即2 个矿区的上部和下部煤灰中高岭石含量相对较高,而中部则相对富集勃姆石。在透射偏光显微镜下可以发现,煤中高岭石主要为晶粒结构和隐晶质结构(图6)。隐晶质高岭石多呈不规则团块状集合体,填充在结构镜质体或丝质体的胞腔中[图6 (a)(b) ]。煤中勃姆石主要呈隐晶质团块状[图6(c)(d)],分散在基质镜质体中及部分丝质体、半丝质体胞腔中。这些团块显示出不同的形状和尺寸,团块直径从几微米到几百微米不等,单偏光镜下呈黄褐色。

图5 准格尔煤田6 号煤层煤灰中矿物成分相对含量垂向变化Fig.5 Variations of mineral composition in coal No.6 of Jungar coalfield

图6 煤中无机矿物偏光显微镜照片Fig.6 Polarizing microscope photos of inorganic minerals in coal

3.2.2 煤层夹矸中矿物组成及特征

通过显微镜观察可以发现,煤层夹矸中高岭石多以隐晶质基质形式存在[图7(a)]。此类型高岭石有序度较高,可能由硅铝胶体直接沉淀结晶形成,也可能由陆源搬运来的细粒黏土碎屑在酸性沼泽环境下沉积形成[13]。此外,部分夹矸样品中可见大量晶粒高岭石,具有长石或云母假象,晶粒多呈板状或蠕虫状[图7(b)(c)],有序度一般,是由火山灰中长石和云母在聚煤环境中蚀变形成,这与最近在土耳其通塞比利克盆地褐煤夹矸中发现的晶粒高岭石具有相同成因[14]。在煤层夹矸中,勃姆石有2 种存在形式:一种为团块状集合体[图7(d)],团块呈不规则椭圆形,大致定向排列,显示出压实作用现象；另一种与晶粒状高岭石共生,呈现斑块状或条纹状,与高岭石纹层互生[图7 (c)(e)(f)]。前者可能是富铝胶体原始沉积而成,团块为原始沉积的富铝胶体絮团,在上覆沉积物的压实作用下经脱水作用形成,因此表现为近于定向排列的椭圆状。后者则是在成岩环境中由高岭石脱硅蚀变形成。

图7 研究区夹矸样品的偏光显微镜照片Fig.7 Polarizing microscope photos of partings in the study area

3.3 煤的常量元素地球化学特征

研究区6 号煤中Al2O3含量在2.63% ～19.26% ,而黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿6 号煤层中Al2O3的平均含量分别为9.30% 和8.47% ,高于中国煤中Al2O3均值(5.98% )(表2和表3)。煤灰样品中Al2O3含量在30.94% ～93.24% (无水基), 大多数样品 Al2O3含量在40% ～80% 之间。

研究区6 号煤中SiO2含量在0.06% ～21.10% ,黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿6 号煤层中的平均含量分别为4.48% 和4.06% ,低于中国煤中SiO2均值(8.47% )(表2 和表3)。煤中Na2O、MgO、K2O,CaO、MnO、Fe2O3和P2O5的含量均小于中国煤均值[15],仅TiO2含量高于均值,这是由于样品中普遍存在锐钛矿所致(表3)。

表2 研究区6 号煤煤样的常量元素含量Tab.2 Major element composition of samples from coal No.6 in the study area

表3 研究区煤中常量元素权衡均值及富集系数Tab.3 Average value and enrichment coefficient of elements of coal No.6 in the study area

研究区6 号煤层煤灰样品的矿物分析表明,灰分中不含或仅含微量石英,说明煤中Si 主要富集在黏土矿物中。样品中除了高岭石和勃姆石外,几乎不存在其他含铝矿物,这表明高岭石和勃姆石是Al 的载体。

常量元素垂向分布图(图8)表明,研究区6 号煤中SiO2/Al2O3比值较低,均值约为0.74,小于中国煤均值(1.42)[15]。高岭石理论化学组成中,SiO2/Al2O3的质量比为1.18,若低于此值,说明存在富铝矿物；若高于此值,说明存在石英或其他富硅矿物。从图8 可以发现,黑岱沟和哈尔乌素露天矿6 号煤层中部煤样的SiO2/Al2O3比值分别在0.01 ～0.5 和0.02 ～1.03之间,远低于中国煤均值,说明煤层中部含有大量的勃姆石,这正是准格尔煤田煤高铝的原因。而夹矸中SiO2/Al2O3比值则比煤的比值要高(表4 和图8),一般在0.4 ～1.15 之间,绝大多数在1.1 左右,说明夹矸中勃姆石的相对含量没有煤中高,勃姆石更倾向富集于煤中。由此可见,研究区6 号煤层的煤及夹矸中无机矿物赋存规律存在明显差异,勃姆石倾向于煤中富集,特别是在煤层中部富集,而高岭石倾向于在夹矸中富集。

图8 研究区煤及夹矸中常量元素含量垂向分布Fig.8 Variations of major elements of coal No.6 in the study area

表4 研究区6 号煤夹矸样品的常量元素含量Tab.4 Major element composition of parting samples in coal No.6 in the study area

3.4 高铝煤成因分析

已有研究表明[11],准格尔煤田泥炭聚积期间有丰富的水源供给,潜水位较高,陆源养分供给充分。根据林万智等[16]对石炭系古地磁研究,准格尔煤田晚石炭世的古纬度应在14°左右,距离赤道较近,气候湿热。程东等[17-18]利用哈尔乌素煤层夹矸中高岭石的氢氧同位素计算表明,哈尔乌素6号煤层形成时期古温度为26.7 ～34 ℃,这种炎热湿润的环境有利于成煤植物大量的生长和繁殖。

准格尔煤田属于华北赋煤构造区鄂尔多斯盆地北部赋煤构造带内的三级赋煤构造单元[19]。加里东运动以后,由于晚石炭世发生缓慢的地壳升降运动,造成区域内海水时进时退的现象,最终形成海陆交互相的沉积[8,20]。太原组沉积早期,河流由北向南进入沉积区,携带的碎屑物质沿山前附近堆积,形成面积较大的冲积扇体,两侧为泛滥盆地亚环境,河流入海时所夹带的泥沙沉积后形成三角洲环境,因此泥炭沼泽广泛发育[3]。泥炭沼泽发育的最佳部位为三角洲平原及三角洲前缘的分流间湾。准格尔煤田位于阴山古陆南缘,处于阴山古陆隆起与华北大型聚煤凹陷之间过渡地带,位于最佳的盆山耦合部位,持续的沉降与泥炭堆积之间的长期平衡导致该地区聚积了巨厚的泥炭层,由此形成了全区广泛分布的6 号煤层。

煤中灰分是煤中的无机矿物质。前述研究表明,该区太原组6 号煤层中的主要无机矿物为勃姆石和高岭石,特别在煤层的中部,勃姆石的相对含量大于高岭石,最高可达无机矿物总量的90% 以上。勃姆石中Al2O3含量的理论值为85% ,高岭石为39.5% ,在组成地壳的矿物中为高铝及富铝矿物,这是导致研究区煤中铝含量高的直接因素。

煤中无机矿物的来源一般有以下几种:

(1) 陆源输入:由河流将陆源矿物(主要是黏土矿物)带入泥炭沼泽中形成。

(2) 自生矿物:在泥炭沼泽堆积或成煤过程中由溶液或胶体溶液中结晶形成。

(3) 空降火山灰:火山喷发出的火山灰,经空气搬运一定距离后,降落至泥炭沼泽中形成。

(4) 热液矿物:煤层形成以后,各种地质作用中岩浆热液或热水溶液沿裂隙或孔隙进入煤层,矿物从岩浆热液或热水溶液中结晶形成。

成岩过程中这些矿物会随着成岩温度和压力的变化发生转变。例如,在无烟煤阶段会发生高岭石向伊利石或铵伊利石的转变。

准格尔煤田太原组6 号煤层及夹矸中勃姆石的超常富集是一个很特殊的现象[21],值得予以特别关注。早在1997年,刘钦甫和张鹏飞[22]就报道了该区黑岱沟露天矿6 号煤层中勃姆石含量高达65% ～85% 的煤层夹矸,并称之为勃姆石岩,其结构为隐晶质,被认为是原生沉积成因；同时还发现勃姆石交代蠕虫状高岭石现象,认为是成岩阶段由高岭石脱硅作用形成。代世峰等[23]认为,该区6号煤层中的勃姆石成矿母岩为准格尔盆地北偏东方向本溪组风化壳铝土矿,三水铝石以胶体溶液的形式从铝土矿中被短距离带入泥炭沼泽中,在泥炭聚积阶段和成岩作用早期经压实作用脱水凝聚,从而形成勃姆石。

隐晶质的勃姆石,不管是在煤层中还是在夹矸中,其形态大部分为规则或不规则椭球状及斑块状,显示压实扁平的痕迹[图7(d)],其结构和产出状态显示,此种勃姆石应该是由富铝胶体凝聚沉积形成的。目前对铝胶体的来源有不同的看法,一种认为来自盆地东北部隆起部位本溪组风化壳铝土矿[23],另一种认为由陆源搬运而来[18,22]。氧化铝作为胶体粒子,在pH 值5 ～8 的地表水环境中的溶解度几乎为零,二氧化硅则以硅酸的形式在水中有一定的溶解度[24]。而在pH 值为4 或10 的水体中,氧化铝胶体的溶解度则急剧升高[24]。由于泥炭沼泽环境中的pH 值最低可达4[25-26],现代泥炭沼泽pH 值一般在5 左右[27],也就是说,在原始的pH 值4 ～5 的泥炭沼泽水体中氧化铝的溶解度较高,可以把泥炭沼泽中的铝硅酸盐矿物(如长石)溶解。这些氧化铝胶体溶液被沼泽水搬运到其他pH 值较高的地方,就会凝聚沉淀下来形成絮团,而后在成岩压实作用过程中形成扁平椭球结构的团块。在偏光显微镜下,勃姆石以似砂岩胶结物形式充填在砂屑高岭岩颗粒之间的孔隙中(图9),高岭石砂屑颗粒是先前形成的隐晶质高岭石在流水作用下被侵蚀再沉积形成的。勃姆石的此种产出状态是比较可靠的原生胶体成因证据。

图9 砂屑高岭岩偏光显微镜照片Fig.9 Polarizing microscope photos of sand-debris kaolinite rock

夹矸中呈纹层状或斑块状与蠕虫状或板状高岭石晶体共生的勃姆石,则可能是在成岩过程中高岭石经脱硅蚀变作用形成的。在地表与风化煤共生的软质高岭土中,经常发现勃姆石的含量较高,如平朔露天矿太原组4 煤风化形成的木节土中和内蒙古准格尔黑岱沟露天矿太原组6 煤地表风化形成的木节土中,均见有含量高达10% 的勃姆石[20,22,28]。

煤或夹矸中高岭石的成因有3 种:①胶体成因,如一些细胞中充填的隐晶质高岭石[图6(b)]；②陆源搬运成因,常呈隐晶质不规则片状(图10)；③火山灰蚀变成因,常呈现黑云母和长石假象[图7(b)(c)(e)(f)]。

图10 夹矸样品扫描电镜照片（HW-06P）Fig.10 SEM images of parting sample （HW-06P）

4 结 论

本文采用连续刻槽法在黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿的6 号煤层剖面采集煤样和矸石样共64 件。通过偏光显微镜、扫描电镜对煤样和矸石样的显微组分进行鉴定,利用XRD 对其矿物成分进行分析和定量,通过XRF 对煤样和矸石样中常量元素的含量进行分析,得到如下结论:

(1) 准格尔煤田太原组6 号煤层中铝含量高的原因是煤及夹矸中主要矿物为勃姆石和高岭石。这两种矿物的赋存规律存在明显差异,前者倾向于煤中富集,特别是中部煤中富集,后者倾向于夹矸中富集。

(2) 研究区6 号煤层中勃姆石存在超常富集现象,相对含量占无机矿物的60% ～90% 。其产出状态有两种:一种为隐晶质团块状,为原生胶体沉积成因,是由酸性较强(pH 值约为4)的泥炭沼泽水溶解盆内铝硅酸盐矿物所形成的氧化铝胶体溶液迁移到pH 值较高(大于5)环境絮凝而成；另一种为纹层状或斑块状与蠕虫状和晶粒状高岭石共生,为高岭石成岩或表生过程脱硅作用形成。

(3) 煤及夹矸中的高岭石有三种成因:胶体成因、陆源搬运成因和火山灰蚀变成因。

(4) 聚煤期炎热潮湿的气候条件和泥炭沼泽盆地酸性环境条件提供了适合高岭石和勃姆石形成和保存的场所。