吐哈盆地大南湖矿区煤岩煤质特征及成煤环境分析

何建国，张 静，马 荣，项歆璇

(1.江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏省徐州市，221006；2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏省徐州市，221006;3.中国矿业大学(北京)，北京市海淀区，100083)

我国煤炭资源丰富，从能源消耗占比来看，煤炭在一段时间内仍将占据我国化石能源消耗的主体地位。党的十九大以来，随着生态文明建设大力推进以及“双碳”目标的制定，以煤制油、煤制气、洁净煤发电为代表的绿色、清洁、高效利用，必将成为煤炭清洁高效利用的主要方向[1-2]。煤岩煤质及煤相特征决定了煤的不同加工转化工艺和工业用途，煤相的研究有助于掌握区域内的成煤条件、成煤过程及成煤物质等特征[3]，通过对煤质化学性质综合性能的深入研究，有助于实现煤炭的洁净利用。

吐哈盆地是吐鲁番凹陷(即吐鲁番盆地)和哈密凹陷(即哈密盆地)的统称，位于新疆北部东天山地区，区域煤炭资源丰富，是我国重要的煤炭资源基地[4]。大南湖矿区位于吐哈盆地南缘大南湖凹陷内，目前已有的研究主要集中于古生物、煤层对比和水文地质等方面[5-6]，对于大南湖煤质、煤岩特征及煤相分析研究得相对较少。为此，笔者以大南湖煤矿25号煤层采样为研究对象，分析通过分析其煤质、煤岩和煤相特征，划分煤相特征，探讨成煤聚煤规律，为区域煤炭资源的综合利用和评价提供了可靠依据。

1 地质概况

吐哈赋煤带位于新疆东部、天山山脉之中，呈近东西向狭长扁豆状，面积约为4.9万km2，是我国海拔最低的内陆山间盆地，盆地处于伸张发育阶段，主要发育冲积扇、三角洲、湖泊沉积体系。大南湖煤田位于吐哈盆地南缘、东南缘大南湖凹陷，呈东西向-北东向展布。地貌特征东高西低，构造形态为斜列式复式向斜构造，北翼被断层破坏；东部为紧闭向斜褶皱，大南湖区为开阔式褶皱[7-8]。钻孔资料显示主要地层包括：新白垩系-古近系鄯善群(K2-E)、侏罗系中统西山窑组(J2x)、石炭系上统梧桐窝子组(C2wt)。侏罗系中统西山窑组是该区的主要含煤地层，根据岩性特征，可分为上段、中段、下段，中段为全区主要含煤层段，含煤29层，煤层总厚度36.47～143.39 m，可采煤层23层，其中15号、23号和25号煤层为全区可采的稳定煤层，25号煤层平均煤厚度为9.55 m[9]。

2 样品采集和分析方法

根据国家标准《煤层煤岩采样方法》(GB 482-1985)要求和方法，从煤层顶到煤层底刻槽采集大南湖矿区二矿主采煤层25号煤层样品共计34件，其中煤样31件、夹矸样1件、顶底板样各1件，采后将样品装入采样袋包装密封送至实验室。

首先，在采集样品及其制备前，对样品进行了宏观特征描述和宏观煤岩类划分；然后，对样品进行室内检测试验，测定水分、灰分、挥发分和全硫含量等工业分析参数；最后，利用X射线荧光光谱(XRF)分析煤中常量元素的种类及含量，利用偏光显微镜进行显微煤岩组分分析，确定煤岩类型，大南湖二矿25号煤层样品测试分析成果见表1。

表1 大南湖二矿25号煤层样品测试分析成果 %

续表1

3 结果与讨论

3.1 煤质特征

工业分析结果表明，25号煤层煤样属于特低灰分、高挥发分、特低硫煤。原煤水分(Mad)13.19%～21.17%，平均值18.18%，垂向上变化不明显，上部煤层水分含量整体略低于下部煤层；原煤灰分(Ad)含量5.88%～40.47%，平均值9.36%，垂向上变化不明显，仅DNH05、DNH06及DNH09出现异常高值，按照《煤炭灰分分级》(GB/T15224.1-2010)，25号煤层为特低灰煤；原煤挥发分(Vdaf)产率32.08%～47.08%，平均值37.49%，按照《煤炭挥发份分级》(MT/T849-2000)，25号煤层属于高挥发份煤，挥发分在煤层的上部较高，下部较低；原煤全硫(St.d)含量0.07%～1.78%，平均值0.59%，按照《煤炭硫分分级》(GB/T 15224.1-2010)，25号煤层属于低硫煤。

形态硫测试表明，25号煤中硫分以黄铁矿硫为主，煤层下部硫含量增高，其次为有机硫，靠近底板处，有机硫出现异常高值，黄铁矿硫和有机硫为煤分层硫含量的主要成分。

3.2 显微组分含量特征

由表1可以看出，大南湖矿区25煤层煤岩显微组分有机质含量高，平均含量达到93%以上。有机质以惰质组分为主，次为镜质组，壳质组占比最低；无机组分以粘土、氧化硅矿物为主。惰质组含量较高，其值为32.3%～91.3%，平均值为64.7%，主要以半丝质体为主；镜质组含量较低，其值为6.1%～65.6%，平均值为30.1%；壳质组比例最少，其值为0.4%～5.6%，平均值为2.4%。大南湖矿区惰质组含量偏高主要是由于西北地区侏罗纪煤大部分属于低变质程度的烟煤，富含惰质组组分[10]。

惰质组以半丝质体为主，其次为碎屑惰质体和氧化丝质体(多呈碎片状)，再次为粗粒体及微粒体，偶见火焚丝质体。惰质组显微煤岩组分特征如图1所示。

图1 惰质组显微煤岩组分特征

镜质组以基质镜质体为主(可见其中分布碎屑惰质体、小孢子体、薄壁角质体等)，结构镜质体和均质镜质体次之，偶见团块镜质体，镜质组显微煤岩组分特征如图2所示。

图2 镜质组显微煤岩组分特征

壳质组以孢子体为主，其次为角质体和树脂体，再次为木栓质体，壳质组显微煤岩组分特征如图3所示。

图3 壳质组显微煤岩组分特征

矿物主要以粘土类、石英等矿物为主，次为氧化硅类矿物，再次为硫化物类矿物主要为黄铁矿，多见充填状，少数粒状、团块状；偶见碳酸盐类矿物，呈片状、充填状、放射状分布，矿物显微煤岩组分特征如图4所示。

图4 矿物显微煤岩组分特征

3.3 煤相指标特征

本次研究主要统计了7项煤岩表征参数，主要包括植物组织保存指数(TPI)、凝胶化指数(GI)、地下水流动指数(GWI)、植被指数(VI)、镜惰比(V/I)、流动性指数MI和T-D-F相图等。

3.3.1GI-TPI煤相图解

凝胶化指数(GI)和组织保存指数(TPI)用于表征沉积环境类型[11]。将TPI=1作为森林沼泽和低位沼泽(芦苇草沼)的界线，用GI=1作为潮湿型沼泽与干燥型沼泽的界线。笔者将森林沼泽细分为干燥森林沼泽、较干燥森林沼泽、潮湿森林沼泽、较浅覆水森林沼泽和较深覆水森林沼泽这5个煤相。经计算之后进行相图投点，得出GI-TPI相图，大南湖二矿25号煤层GI-TPI相图如图5所示。

图5 大南湖二矿25号煤层GI-TPI相图

由图5图可以看出，采取的31件煤样品中27件煤样品分布在较干燥森林沼泽及干燥森林沼泽相中，DNH2-06、DNH2-19、DNH2-20则落在潮湿草本沼泽相，DNH2-18处于较潮湿森林沼泽相。该煤层样品总体的TPI>1，具有较高的结构保存指数；GI<1，具有较低的胶凝化指数，说明成煤植物类型以木本植物为主。

3.3.2GWI-VI煤相图解

采用地下水影响指数(GWI)和植物指数(VI)来表征泥炭沼泽类型[12]。将VI=1作为草本植物和木本植物的界线，GWI=1作为森林沼泽与流水沼泽的界线，之后进行相图投点，得出GWI-VI相图，大南湖二矿25号煤层GWI-VI相图如图6所示。

图6 大南湖二矿25号煤层GWI-VI相图

由图6可以看出，采取的31件煤样品均落在富营养的苔藓森林沼泽相，GWI小于0.5，水流流动指数较低，说明沼泽水动力较弱，水体流动不畅，营养成分富集，有利于木本植物的生长，同时覆水较浅，为泥炭沼泽的稳定发展提供了有利条件，VI值小于7，多介于1～4之间，均值为2.35，进一步指明成煤植物受到草本和木本共同的影响，且具有木本亲和性，这和GI-TPI反应的情况相似。

3.3.3T-D-F煤相图图解

依据T-D-F煤相图将煤层分为潮湿森林沼泽、开放沼泽和陆地森林沼泽三大类煤相类型。一般潮湿森林沼泽通过高的T值反映，开放沼泽通过高的D值反映，陆地森林沼泽通过高的F值反映。

其中：T=结构镜质体+均质镜质体；F=丝质体+半丝质体；D=碎屑镜质体+孢子体+碎屑壳质体+角质体+碎屑惰质体+碎屑矿物(黏土矿物+氧化硅类)。

大南湖二矿25号煤层T-D-F相图由图7所示。

图7 大南湖二矿25号煤层T-D-F相图

由图7可以看出，绝大部分样品集中于F区域，表明沼泽类型为陆地森林沼泽相，这与GI-TPI相图一致。

3.3.4 镜惰比(V/I)

一般来说，镜质组代表潮湿的还原环境，惰质组代表干燥的氧化环境，这一参数可以较为直观地反映沼泽的覆水程度及气候的干湿情况。根据许福美等研究人员[13]关于镜惰比的划分：I类，V/I>4；II类，1

大南湖二矿25号煤层分层镜惰比V/I为0.07～2.03，成煤环境处于经历了干燥-极干燥环境、潮湿弱覆水环境和极潮湿覆水环境3种环境，整体变化幅度不大。成煤初期，DNH2-31的镜惰比为0.22，氧化作用占主导地位，其后经历了水进的过程，DNH2-18的镜惰比升高至1.36；成煤中期， DNH2-17～DNH2-07的镜惰比经历高-低-高的变化，总体小于1；成煤后期，煤分层镜惰比再次升高后急剧下降，沼泽环境在DNH2-06再次升高，后下降。

3.3.5 流动性指数(MI)

流动性指数(MI)表述沼泽水的流动性，MI值大于0.4为流动相，MI值小于0.1为停滞相，MI值在0.1～0.4之间为较停滞相。

大南湖二矿25号煤层各煤分层流动性指数分布于0.04～1.77之间，成煤初期，MI值呈现先降后升趋势，值介于0.04～1.23之间；成煤中期趋于稳定，MI值介于0.19～0.61之间；成煤后期，MI值略有上升，介于0.24～0.58之间。

4 煤相演化序列

煤炭形成最重要的2个条件是植被的生长状况和适宜的地理环境，本研究煤相的划分按照覆水程度+成煤植物类型进行命名。根据以上煤相指标反映的泥炭沼泽类型，并结合煤岩煤质特征，对大南湖二矿25号煤层进行煤相的划分，主要有干燥森林沼泽、较干燥森林沼泽、潮湿泥炭沼泽、较潮湿泥炭沼泽和干燥森林泥炭沼泽5种类型。

大南湖二矿25号煤层共经历5个演化阶段。

第一阶段DNH2-31～DNH2-21，宏观煤岩类型以暗淡煤及半暗煤为主，成煤初期沼泽覆水较浅，氧化作用占主导地位，该阶段煤相类型主要为干燥森林泥炭沼泽及较干燥森林泥炭沼泽；

第二阶段DNH2-20～DNH2-18，宏观煤岩类型为光亮煤及半亮煤，较上一阶段，第二阶段经历了一次水进过程，成煤环境覆水较深，水动力较缓，成煤植被主要以草本植被为主，该阶段煤相类型主要为较潮湿森林泥炭沼泽；

第三阶段DNH2-17～DNH2-07，成煤中期的宏观煤岩类型以暗淡煤为主，成煤环境覆水变浅，水动力较强，以氧化环境为主，成煤植物以木本植物为主，该阶段煤相类型主要为干燥森林泥炭沼泽；

第四阶段DNH2-06，成煤中后期的宏观煤岩类型为半亮煤，该阶段沉积环境营养程度较高，成煤环境以还原环境为主，成煤植物以草本植物为主，该阶段煤相类型潮湿草本沼泽；

第五阶段DNH2-05～DNH2-01，成煤后期的宏观煤岩类型以暗淡煤为主，成煤环境覆水较浅，水动力较强，以氧化环境为主，成煤植物以木本植物为主，此阶段主要煤相类型为干燥森林泥炭沼泽。

5 结论

(1)此次研究的大南湖煤田研究区的25号煤层属于特低灰分、高挥发分、特低硫煤，垂向上水分(Mad)、灰分(Ad)无明显变化，(Vdaf)表现为在煤层上部较高、下部较低，硫分(St.d)表现为下部硫含量较上部增高，主要以黄铁矿硫为主。

(2)显微煤岩类型以惰质组为主、镜质组次之，少量壳质组，煤的矿物组成主要以粘土类、石英等矿物为主，次为氧化硅类矿物和黄铁矿。

(3)大南湖25号煤层煤相分析GI-TPI相图与GWI-VI相图可以看出，成煤植物主要为草本和木本共同混生型，主要成煤期为干燥森林泥炭沼泽、较干燥森林泥炭沼泽、较潮湿森林泥炭沼泽、干燥森林泥炭沼泽、潮湿草本沼泽和干燥森林泥炭沼泽5个阶段。

通过对大南湖矿区煤岩、煤质特征、煤相分析以及对聚煤规律进行的研究，既有利于进一步地按煤种研究煤炭资源的洁净转化利用，还可以为新疆吐哈盆地气候环境变化研究提供一定的科学依据。