辽宁抚顺煤矿始新世煤的煤岩学特征分析

张谷春， 朱士飞， 曹 磊， 姜尧发， 周国庆， 柯 妍， 毛礼鑫

(1.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006；2.中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室，江苏徐州 221006; 3.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州 221116)

0 引言

我国的能源现状是“富煤、贫油、少气”，煤炭作为我国的主要消费能源，在能源结构中始终占据主导地位[1-2]。煤经过长期沉降和地温不断作用的影响，由于变质作用、受热时间的不同等原因造成了其变质程度的不同[3-5]。故不同的煤质参数指示不同的煤炭质量[6]。煤岩煤质特征研究是煤炭资源利用和煤矿开采的有效科学依据，煤的工艺性研究对煤层性质和成因的认识有重要意义，是评价煤质及其合理开发的必要支撑[7-10]。随着我国能源结构的调整，煤炭的清洁高效利用成为当今煤化工的发展趋势，气/液化煤作为煤炭清洁转化利用的方式，对优化能源结构、改善环境等方面起着至关重要的作用[11-16]。

抚顺矿区是我国煤矿瓦斯抽放最早的矿区，目前井下瓦斯抽放量和利用量均居全国第一位。我国煤层气藏普遍具有低渗低压低饱和的特点，而抚顺矿区则不同，其特殊的煤层气地质条件和储层条件受到了人们广泛的关注[17]。目前，对该矿区煤的煤岩学研究较少，为此，本文从抚顺煤矿始新世煤样入手，分析研究区煤的煤岩学特征，为进一步完善抚顺矿区聚煤规律提供依据和参考。

1 地质背景

抚顺煤田位于辽宁省抚顺市，为一近东西向的不完整向斜，东西长18km，南北宽约2km，面积约36km2(图1)。含煤地层为古新统—始新统抚顺群，总厚度880～1 050m，自下而上划分老虎台组、栗子沟组、古城子组、计军屯组、西露天组和耿家街组等6个组。含煤3层(组)，分别称为B组煤、A组煤、本层煤(主煤层)；B组煤赋存在老虎台组、A组煤赋存在栗子沟组，本层煤赋存在古城子组。B组煤厚0.70～27.34m，平均7.52m；A组煤厚0.26～10.89m，平均3.60m；本层煤厚0.70～97.00m，平均50.00m。本层煤(主煤层)是抚顺矿区的主要煤层，其顶板为油页岩，底板为粉砂质泥岩或炭质泥岩。在抚顺煤田的主煤层中，常分布有树脂残殖煤(琥珀煤)夹层和煤精(烛煤)等特殊成因类型的煤。

图1 研究区构造地质图Figure 1 Study area structural map

2 实验方法

实验样品采自抚顺露天矿主煤层的各分层，样品编号FS-0～FS-37。对样品进行工业分析、全硫、镜质组反射率等测定，分析抚顺露天矿主煤层的煤质特征；遵循国际煤和有机岩石学委员会(ICCP, 1994)颁布的烟煤显微组分分类方案[18]，以及我国煤的显微组分和矿物测定方法(GB/T 8899—2013)，对采自抚顺露天煤矿主煤层各分层样品的煤砖光片进行了显微组分鉴定和定量统计，分析抚顺露天矿主煤层的煤岩组成以及显微组分特征。

3 结果与讨论

3.1 抚顺露天矿主煤层的煤质特征

由表1 可知，抚顺露天矿主煤层(28个煤分层)的水分(Mad)含量为3.00%～9.57%，加权平均5.00%；灰分产率(Ad)为0.66%～44.41%，加权平均8.54%；挥发分产率(Vdaf)为27.36%～50.60%，加权平均39.32%；全硫含量为0.27%～1.79%，加权平均0.45%；镜质组反射率(Ro,ran)为0.57%～0.70%，平均0.64%。数据显示，抚顺露天矿主煤层的各个煤分层是低灰、低硫、高挥发分烟煤(亚烟煤)。

树脂残殖煤夹层(FS-23M、FS-33M)的水分(Mad)含量为3.75%～4.23%，平均3.99%；灰分产率(Ad)为20.35%～23.23%，平均21.79%；挥发分产率(Vdaf)为52.79%～55.05%，平均53.92%；全硫含量为0.28%。树脂残殖煤夹层表现中灰、特高挥发分产率特征。

煤精(FS-37)的水分(Mad)含量为4.54%；灰分产率(Ad)为6.50%；挥发分产率(Vdaf)为52.41%；全硫含量为0.74%。煤精显示灰分产率低、挥发分产率特高的煤质特征。

3.2 抚顺露天矿主煤层的煤岩组成

遵循国际煤和有机岩石学委员会(ICCP, 1994)颁布的烟煤显微组分分类方案，以及我国煤的显微组分和矿物测定方法(GB/T 8899—2013)，对采自抚顺露天煤矿主煤层各分层样品的煤砖光片进行了显微组分鉴定和定量统计(表2)。

表1 抚顺露天煤矿本层煤样品的工业分析、全硫和镜质组反射率测试数据

表2 抚顺煤矿本层煤样品的显微组分(无矿物基)和矿物体积分数

续表2

由表2可见，在28个煤分层中，有机质总量为62.3%～99.5%，加权平均值为94.3%。其中镜质组含量为54.4%～96.2%，加权平均值为86.6%；惰质组含量为0.4%～4.2%，加权平均值为1.7%；类脂组含量为2.5%～44.4%，加权平均值为11.7%。在镜质组中，结构镜质体2(Ct)含量为7.0%～50.7%，加权平均值为31.3%；基质镜质体(Cd)含量为3.8%～74.4%，加权平均值为41.8%；结构镜质体2和基质镜质体是抚顺主煤层的优势显微组分。在类脂组中，孢子体(1.6%～22.2%，加权平均值为6.7%)是主要显微组分。

在2个树脂残殖煤夹层中，有机质总量为91.1%～95.7%，平均93.4%。其中镜质组含量为36.6%～38.4%，平均37.5%；惰质组含量为0.2%～2.7%，平均1.5%；类脂组含量为60.7%～61.4%，平均61.1%。在类脂组中，树脂体含量为51.0%～55.2%，平均53.1%；孢子体含量为5.3%～10.3%，平均7.8%；树脂体是树脂残殖煤的主要显微组分，其次是孢子体、结构镜质体2(18.7%)、基质镜质体(9.1%)和碎屑镜质体(5.7%)。

在煤精样品中，有机质总量为98.8%。其中镜质组含量为59.0%；惰质组含量为2.2%；类脂组含量为38.8%。在镜质组中，基质镜质体(47.1%)是主要显微组分，其次是结构镜质体2(6.6%)和碎屑镜质体(4.0%)。在类脂组中，孢子体(37.1%)是优势显微组分，含少量树脂体(1.5%)和角质体(0.2%)。

3.3 抚顺露天矿主煤层的显微组分特征

抚顺露天煤矿主煤层中的显微组分特征鲜明。在透射光下，镜质组分呈红色，惰质组分呈黑色，类脂组分呈黄色；在油浸反射光下，镜质组分呈灰色、浅灰色，惰质组分呈黄白色、白色，类脂组分呈深灰色；在蓝光激发下，类脂组分发亮黄色荧光，镜质组分和惰质组分不发荧光。

1)镜质组显微组分特征。煤层中的镜质组以基质镜质体为主，由结构镜质体、均质镜质体、基质镜质体、团块镜质体和碎屑镜质体组成。结构镜质体显示较好的植物细胞结构， 均质镜质体在煤薄片横切面上显示清晰的生长轮构造，年轮的宽度700～1 000μm，早材带很宽，晚材带较窄，如图2.1所示，基质镜质体大都呈基底状“胶结”着孢子体、角质体、碎屑惰质体等其他显微组分(图2.2)。团块镜质体普遍存在，以圆形、椭圆形颗粒为主，散布或聚集，粒径10～50μm，有时富集成层或充填木栓质体胞腔。碎屑镜质体含量也很高，主要由细小无定形的镜质组分颗粒组成，在油浸反射光下呈灰色—浅灰色。由于抚顺煤矿的主煤层处于亮褐煤向烟煤转变的过渡阶段，这种碎屑镜质体是由褐煤阶段的细屑体(图2.3)转变而成，或由密屑体转变而成(图2.4)。

图2 抚顺露天矿主煤层中的显微组分Figure 2 Macerals in main coal seam, Fushun surface coalmine

2)惰质组显微组分特征。煤层中的惰质组以半丝质体为主，由丝质体、半丝质体、粗粒体、真菌体和碎屑惰质体组成。抚顺煤矿主煤层中的丝质体较少，在FS-6分层中，丝质体被挤压破碎，弧形细胞壁中仍残留少量由晚材厚壁细胞形成的筛孔状丝质体(图2.5)；半丝质体普遍存在，在油浸反射光下呈白色—灰白色，植物细胞结构保存较差(图2.6)，粗粒体，在油浸反射光下呈黄白色或白色，圆粒或不规则块状，边界清晰，内部均质化，不显示结构(图2.7)。微粒体在油浸反射光下呈亮白色，反射率高，圆粒状，粒径1μm左右，仍可见微粒体与残留的多孔凝胶体共生(图2.8)。碎屑惰质体在油浸反射光下呈白色，粒径<30μm，无定形，常散布在基质镜质体中和烛煤夹层中，菌核体呈不规则圆形，内部多孔。

3)类脂组显微组分特征。层中的类脂组主要由孢子体、角质体、沥青质体等组成。孢子体在油浸反射光下孢子体呈黑灰色(图2.9)，在蓝光激发下发黄色荧光(图2.10)。角质体呈细条带状，在油浸反射光下呈深灰色、灰色(图2.11)，在蓝光激发下发黄色、绿黄色弱荧光(图2.12)。荧光体在油浸反射光下呈黑灰色、灰黑色(图2.11)，在蓝光激发下发黄色强荧光(图2.12)，可能是松科植物针叶组织的衍生物。树脂体在油浸反射光下呈深灰色、黑灰色，在蓝光激发下发黄色荧光。沥青质体在油浸反射光下，呈深灰色、灰黑色，在蓝光激发下发黄色荧光。

4)矿物特征。在抚顺煤矿主煤层中，常见的矿物有黏矿物、石英、黄铁矿、白铁矿、菱铁矿、方解石等。黏矿物，微粒状，灰黑色，有时呈褐红色；石英，次棱角状，反射光下深灰色或黑色，常与黏土矿物共生，有时密集分布；黄铁矿，亮黄白色，呈莓球状或细晶状；白铁矿，呈白色，放射状，有时分布在黄铁矿外圈；菱铁矿，呈结核状，深灰色或棕红色；方解石，呈脉状充填在煤的微裂隙中，脉体显示栉状构造。

4 结论

1)抚顺露天矿主煤层的各个煤分层是低灰、低硫、高挥发分烟煤(亚烟煤)。树脂残殖煤夹层表现中灰、特高挥发分产率特征。煤精显示灰分产率低、挥发分产率特高的煤质特征。

2)煤中显微组分以镜质组为主(86.6%) ，类脂组次之(11.7%) ，惰质组最少( 1.7%)。在2个树脂残殖煤夹层中，类脂组含量最高(61.1%)，镜质组次之(37.5%)，惰质组最少(1.5%)；在煤精样品中，镜质组含量最高(59.0%)，类脂组(38.8%)次之，惰质组含量最少(2.2%)。

3)抚顺露天煤矿主煤层中的显微组分特征鲜明。在透射光下，镜质组分呈红色，惰质组分呈黑色，类脂组分呈黄色；在油浸反射光下，镜质组分呈灰色、浅灰色，惰质组分呈黄白色、白色，类脂组分呈深灰色；在蓝光激发下，类脂组分发亮黄色荧光，镜质组分和惰质组分不发荧光。