陕北三叠纪煤田中—特高油产率煤分布规律及成因机理

马 丽，段中会，贺 丹，周 蕾，吕婷婷，闫和平，王 锐

(1.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021；2.陕西省煤田地质集团有限公司，西安 710021；3.西安科技大学 地质与环境学院，西安 710054)

陕西省煤炭的主要成煤时代为古生代石炭纪—二叠纪、中生代三叠纪和侏罗纪。其中三叠纪煤炭资源主要分布于延安市富县以北、榆林市横山县以南的横山、子长、宝塔、安塞、子洲等县(区)，呈北东-南西向带状分布，面积约24 000km2，含煤地层为上三叠统瓦窑堡组，共含煤7～15层，煤层埋深0～300m，其中主要可采煤层有两层：3号煤层和5号煤层。总体上三叠纪煤炭资源具有资源量小、煤层薄的特点，其研究和开发利用程度远不及陕北侏罗纪和石炭纪—二叠纪煤层。前人主要研究了矿区内的煤炭资源量，查明了煤炭资源量；研究了三叠系瓦窑堡地层的分布特征、煤系地层层序、古地理及聚煤规律；以及5号煤层的煤岩煤质特征和稀土元素；研究了蟠龙至高家屯煤矿5号煤层顶板工程地质特征和煤层气赋存规律等。陕北三叠纪煤田子长矿区查明煤炭资源37.27亿t，占全省煤炭资源总量的2.14%。李智学、申小龙等[1-2]研究了矿区内蟠龙飞至高家屯5号煤层顶板工程地质特征和煤层气赋存规律；张永生等[3]研究了子长矿区和延安中南部矿区3号煤层的硫分、灰分组成特征及成因；李丽、尹锦涛等[4-5]研究了矿区三叠系瓦窑堡组层序、古地理及聚煤规律；贺丹[6]研究了矿区瓦窑堡组分布特征及聚煤规律；周国庆等[7-8]研究了5号煤层的煤岩煤质特征和稀土元素。

本文利用子长矿区内300余口钻孔的煤质资料，研究了三叠系瓦窑堡组煤层的焦油产率分布规律、预测了中—特高油产率煤的资源量，研究了其成因机理，为后期煤炭资源合理开发利用提供了地质依据。

1 主要煤层焦油产率分布规律

主要煤层5号煤层的焦油产率由156个数据点控制，焦油产率介于7.1%～16.39%，平均11.97%，近60%钻孔数据的焦油产率值大于12%。在矿区北部石湾勘查区、南部边界一带焦油产率值在7.1%～12%，为中油产率煤，中油产率煤的面积约占矿区面积的1/6；在矿区中部绝大部分地段为高一特高油产率煤，焦油产率最高的地段位于中庄井田、涧峪岔勘查区、杨家山勘查区、车村煤矿一带(图1)；其中，特高油产率煤在永兴煤矿、杨家山勘查区南、中庄井田零星分布。

图1 5号煤层焦油产率等值线

主要煤层3号煤层的焦油产率由122个数据点控制，焦油产率介于8%～15.5%，平均11.75%，50%焦油产率值介于8%～12%，50%焦油产率值介于12%～15.5%。3号煤层的焦油产率在矿区南部低，北部高。在矿区偏南部贯屯煤矿-车村煤矿-中庄井田-余家峁设置区-羊马河井田-泰丰煤矿一带为焦油产率的分界线，南部焦油产率较低，一般在8%～12%，为中油产率煤；在此界线东北为高-特高油产率煤，焦油产率最高点位于涧浴岔勘查区中部，最高值为15.5%(图2)。

图2 3号煤层焦油产率等值线

4号煤层焦油产率平均为10.7%；3-1号煤层焦油产率平均为9.28%；3-2号煤层焦油产率平均为11.46%；3-3号煤层焦油产率平均为9.31%；2号煤层焦油产率平均为10.43%；1号煤层焦油产率平均为10.16%。

2 中—特高油产率煤资源量预测

2.1 资源量计算方法

以2012年陕西省煤炭矿产资源利用现状调查中储量核查报告为基础，以焦油产率等值线分割各块段资源量，按面积占比预计中—特高油产率煤的资源量，对各块段煤资源量求和获得本煤层中—特高油产率煤资源量。

Q富n=Q·S富/S

(1)

式中：Q富n为第n块段中—特高油产率煤保有资源储量，103t；Q为块段内保有煤炭资源储量，103t；S富为块段内中—特高油产率煤面积，km2；S为块段内含煤面积，km2。

矿区中—特高油产率煤资源量26.3亿t，占71.7%，中油产率煤10.3亿t，占28.3%；低油产率煤资源零星分布，资源量忽略不计，详见表1。

表1 研究区煤中焦油产率煤资源量统计

根据现有资料，对中—特高油产率煤资源划分为三种控制程度类型：≤2km网格控制，此类资源量占25.5%；2～4km网格控制，此类控制程度的煤炭资源占矿区总资源的68%，是一种主要的控制类型；>4km网格控制，此类资源量较少，占6.5%。

2.2 内蕴焦油资源量

以本段内煤的平均焦油产率与本区块中—特高油产率煤资源量相乘，获得各区块的焦油资源量总和，同一煤层各区块焦油资源量总和即为该煤层内蕴的焦油资源量；不同煤层的焦油资源量总和即为矿区焦油资源量。获得矿区内蕴焦油资源量4.3亿t，占全省焦油资源量的3%。

Q焦=Q富×Tard

(2)

式中：Q焦为某块段内焦油资源量，103t；Q富为某块段内中-特高油产率煤资源量，103t；Tard为该块段内煤层平均焦油产率，%。

3 中—特高油产率煤富集机理分析

3.1 煤的性质与成分

陕北三叠系煤层主要含煤地层为含煤地层为上三叠统瓦窑堡组，瓦窑堡组地层一般厚度约200m，含煤层数十余层。

3.1.1 瓦窑堡煤层物性特征

煤层均为黑色，条痕褐黑色，沥青—玻璃光泽，阶梯状、参差状断口，少量棱角状断口，硬度中等，性脆。外生裂隙较发育，裂隙面常被方解石和黄铁矿薄膜充填。结构以条带状为主，线理状次之，层状构造，煤层水平层理发育。3号煤层视密度1.03～1.65g/cm3，平均视密度1.35g/cm3；5号煤层视密度1.24～1.6g/cm3，平均视密度1.38g/cm3。

3.1.2 宏观煤岩特征

各煤层主要由亮煤、暗煤、镜煤、丝炭或少量矿物杂质组成。其中主要以亮煤为主，暗煤和镜煤次之，丝炭少量。煤岩类型均以半亮型煤为主。

3.1.3 显微组分

瓦窑堡组各煤层以镜质组为主，丝质组次之，惰质组含量较低，有机组分总量一般占80%～95.4%。显微煤岩结构主要为条带状、线理状、透镜状、粒状、团块状、不规则状等。有机组分中，煤层的镜质组、半镜质组以均质镜质体、基质镜质体及结构半镜质体为主。腐殖组多为均匀凝胶体，碎屑凝胶体及充分分解腐殖体。惰性组一般以丝质体、半丝质体、粗粒体为主。稳定组均为小孢子体。无机组分以黏土类和硫酸盐为主，硫化物少量，无机显微组分总体含量不高，一般为4.0%～14.0%。硫化物类含量一般约0.6%，碳酸盐类含量一般2.7%～4.5%。3号煤层最大镜质组反射率为0.61%～0.78%，平均0.74%；5号煤层最大镜质组反射率为0.663%～0.83%，平均0.75%(表2)，最大镜质组反射率表明，两组煤层均处于由低成熟向成熟演化的阶段，正是良好的生油阶段。

表2 3号煤层和5号煤层显微组分分析

3.1.4 工业组分

3号煤层原煤水分为0.97%～5.44%，平均值为2.70%；5号煤层原煤水分为0.85%～4.48%，平均值为2.26%。垂向上，煤层水分含量随着煤层埋深的增加而减少。3号煤层原煤灰分为6.42%～32.59%，平均值为17.48%；5号煤层原煤灰分为11.36%～30.32%，平均值为18.65%。5号煤层、3号煤层均属低灰煤，5号煤较3号煤略高。3号煤层原煤挥发分为35.78%～45.24%，平均值为39.64%；5号煤层原煤挥发分为37.28%～45.64%，平均值为41.65%，5号、3号均属高挥发分煤，垂向上煤的挥发分由上至下有降低的趋势。两层煤的煤类以气煤为主，气煤主要分布在矿区中部。

3.2 影响因素分析

对煤的工业成分、元素成分及煤灰成分与焦油产率之间相关性进行分析，其中相关性较密切的有：挥发分、视密度、灰分、氢含量和Fe2O3含量，其相关系数(R2)分别为0.658 7、-0.468 2、-0.737 8、0.307、0.569 7(图3)。说明焦油产率与富氢的显微组分[9]含量有关、与煤的变质作用和成煤环境有关。

图3 焦油产率相关性分析

3.3 成因机理分析

古气侯条件控制着植物生长、湖泊与河流的沉积及煤层发育，瓦窑堡组含丰富的古生物化石，植物化石以蕨类为主，如：Danaeopsisfecunda、Neocalamitescarrerei、Bernoulliazeilleri等；动物化石以双壳类和叶肢介为主，如：Shaanxiconchalonga、S.triangulata、Euestheriashensiensis、Euestheriadeforma等，成煤期以温暖湿润气候为主。瓦窑堡煤层主要发育在河流、三角洲和湖湾环境，沉积物源来自盆地北部地区，三角洲平原为主要聚煤区，受地层垂直升降作用，湖泊消亡，形成三角洲-湖湾环境，直至浅湖区消失，成煤作用结束。

平面上：在矿区中部以气煤为主，挥发分38.95%～45.82%，平均42.17%，以三角洲平原相及三角洲前缘相、浅湖相等沉积相为主，氢元素含量一般为5.57%、碳元素含量一般为82.08%，煤层沉积时间长、厚度大、煤的变质程度低，煤的焦油产率较高；矿区贯屯井田以南逐渐过渡到气肥煤、肥煤，挥发分37.28%～41.84%，平均值为39.85%，沉积相以洪泛平原相为主，沉积时间短，煤层薄，变质程度略高，焦油产率逐渐降低；天云煤矿以北逐渐过渡为气煤及长焰煤类，挥发分35.20%～44.04%，平均38.76%，沉积相以洪泛平原相和河道相为主，成煤范围较大，沉积时间短，变质程度较矿区中部煤层略低，煤层焦油产率低。

垂向上：瓦窑堡组第一段为曲流河相沉积体系，发育不可采煤层1号煤层，焦油产率稍低；第二段、三段为三角州和湖泊沉积体系，主要发育3号煤及其分岔煤层，该过程中地壳垂直升降运动频繁，导致湖泊水体频繁进退，其中3号煤层沉积较稳定，厚度较大，焦油产率较高；末期地壳抬升幅度较大，湖泊逐渐萎缩，第四段为河控三角洲沉积体系为主，煤层沉积范围小，其中5号煤层较为稳定，5号煤焦油产率较高。垂向上煤层沉积时间、沉积相和变质程度不同，煤层焦油产率呈直立的纺锤状曲线变化，浅湖相和滨湖、三角州相沉积的煤层焦油产率略高(图4)。

图4 子长矿区岩相古地理图

4 结论

1)利用子长矿区300余口钻孔的煤质检测资料，研究了陕北三叠纪煤田主要可采煤层3号煤层和5 号煤层的焦油产率变化规律：矿区主体为中—特高油产率煤，平面上矿区中部煤层焦油产率较高，东南部和北部边界附近焦油产率略低；垂向上5号煤层焦油产率较3号煤层焦油产率略高，这两组煤层又较沉积初期和沉积末期的其他煤层焦油产率高。初步预测了矿区内中—特高油产率煤资源量。

2)矿区主要可采煤层为三叠系瓦窑堡组煤层，煤层沉积背景是大型内陆盆地沉积，在温暖潮湿的古环境下，蕨类为主要成煤植物，成煤体系以湖泊三角州体系为主；煤层的镜质体反射率在0.61%～0.83%，变质程度是影响焦油产率的主要因素；煤的焦油产率与H元素含量和挥发分有较好的正相关性。

感谢为本项目提供数据支持的陕西省煤田地质一九四公司和陕西省煤田地质一三一公司！