大南湖矿区同沉积断层对煤质特征及成煤环境的影响

樊君平，梁开华，鲁 楠，周丽丽，李东慧，黄春慧，陈 昊*

（1.国家能源集团国源电力（神东电力）有限公司，北京 100033；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东济南 250104；3.山东省煤炭资源数字化工程技术研究中心，山东济南 250104）

煤炭在我国能源消费中占主体地位，对国家能源安全和经济发展具有重要保障作用。新疆煤炭资源丰富，在“十四五”规划纲要的推动下，新疆将建设成为大型清洁能源基地；且随着运输条件改善，新疆在煤炭产销方面的核心地位得到持续强化。可以预见，新疆煤炭资源将在我国未来的煤炭消费中扮演愈发重要的角色。

在保障煤炭资源供应的条件下，提高煤的利用效率、构建低碳绿色发展模式是煤炭资源利用的新要求。在此要求下，发挥煤质研究的基础作用，并基于此开展煤的分质、分级利用具有重要意义。前人研究已经表明，构造沉降、沉积体系分布、水平面变化等诸多因素皆会对煤质造成影响［1-5］，但同沉积断层对两侧煤层煤质的影响尚不明晰。

大南湖矿区具有向东部地区运输煤电资源得天独厚的区位优势，同时，矿区西南部发育一条同沉积断层——F1断层，为研究同沉积断层两侧煤质差异提供了良好的研究样本［6-9］。因此，本文将以大南湖矿区为研究对象，阐述F1断层两侧煤质特征，分析同沉积断层对煤质的影响，并分析断层两侧成煤环境差异。

1 地质

1.1 研究区地质

大南湖煤田位于大南湖浅凹陷二级构造单元中，大南湖浅凹陷位于沙尔湖隆起之南，沙尔湖浅凹陷以东，与沙尔湖浅凹陷处于同一凹陷带上，南与觉罗塔格晚古生代岛弧带基底隆起相接，东部以基底弱隆起与北侧的骆驼圈子浅凹陷及东侧的梧桐窝子浅凹陷相隔。矿区由于沉积基地不均衡并受区域性断层（F1）控制，总体呈北东、西南部陡、中部宽缓的向斜构造，伴有次一级褶曲，并发育为数不多的北东、北北东向断层。矿区西南部发育古隆起一处。构造复杂程度为中等。

矿区内地层自老至新依次为上石炭统（C2）、中侏罗统西山窑组（J2x）、中侏罗统头屯河组（J2t）及第四系（Q）。其中，侏罗系不整合于老地层之上，中侏罗统西山窑组直接沉积于石炭系之上，缺失三工河组。

区域侵入岩属准噶尔－北天山构造－岩浆区北天山分区博格达带、哈尔力克－觉罗塔格带。侵入时代以石炭纪、二叠纪为主、次为三叠纪。岩性以中酸性岩为主。石炭纪侵入岩分为两个序列，辉长-辉绿岩序列岩体沿阿其克库都克断裂北侧分布，二长花岗岩序列由巨大二长花岗岩岩基组成，岩性为辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩和花岗斑岩。二叠纪侵入岩主要分布于南部觉罗塔格带，为正长花岗岩序列岩体。三叠纪侵入岩主要为白云母花岗岩、天河石花岗岩小岩株。由于岩浆侵入活动早在成煤之前，构成了中新生代沉积的基底，在中新生代地层中未见岩浆侵入。

矿区内含煤地层为中侏罗统西山窑组（J2x），其中，西山窑组上段（J2x3）最多含煤20 层，中段（J2x2）最多含煤52层，下段（J2x1）最多含煤14层，煤层总厚度平均85.62m。可采煤层赋存于中侏罗统西山窑组中段（J2x2），煤层总体上较为稳定。

1.2 F1断层

F1断层位于井田西北部边界附近，性质为正断层。走向NE，倾向NW，倾角70°，落差60～400m，井田内延展长度16 460m。该断层上、下盘煤层差异明显：断层以北，由北向南，煤系地层厚度变大，煤层间距变大，各煤层厚度变小，可采性变差；断层以南，由南向北，煤系地层厚度加大，煤层间距变大，同时煤层厚度变大。断层南北两侧附近钻孔揭穿的煤层特征明显不同：断层以北附近，煤层厚度一般较薄、间距较小；以南厚度一般较大，同时间距也较大。根据以上特征，认为F1断层为一同沉积断层。

2 样品与测试

本文所采样品均为钻孔岩心煤样，煤样平面上分布于177口钻孔，其中F1断层以南96口，F1断层以北81 口；垂向上来自17 个煤层，基本涵盖了研究区主要可采煤层。煤样所做测试包括显微组分鉴定、工业分析、元素分析、灰成分分析等。测试结果均取F1断层两侧各煤层所有样品测试结果的平均值，能够反映断层对煤质的影响。

所有样品的分析测试都遵循现行国家标准进行。煤的显微组分定量依据国家标准GB/T 15588—2013《烟煤显微组分分类》和GB/T 8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》进行；煤的工业分析基于国家标准GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》进行；煤的元素分析依据国家标准GB/T 31391—2015《煤的元素分析》进行；灰成分分析依据国家标准GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》进行。

3 研究结果

3.1 显微组分

图1综合了研究区F1断层两侧各煤层显微组分含量的变化趋势，从图1a 中可以发现，这17 层煤有机组分的总含量均在90%以上，其中F1断层以南各煤层有机组分的总含量较为稳定，能达97%以上；而F1断层以北各煤层有机组分的总含量波动较大，整体上表现出下部煤层有机组分含量高、上部煤层有机组分含量低的变化趋势，在此变化趋势下，除26#、28#、29#等下部煤层外，F1断层以北其余煤层的有机组分总含量均低于F1断层以南相应煤层。

图1 显微组分体积占比Figure 1 Volume content distribution of macerals

造成F1断层两侧有机组分总含量差异的主要原因是类脂组的含量差异。如图1b 至图d 所示，虽然类脂组含量均低于10%，远低于镜质组和惰质组含量，但断层两侧各煤层中镜质组和惰质组含量交替波动、互有高低，而对于类脂组而言，除2-4#煤层外，F1断层以南各煤层的类脂组含量均高于断层以北对应煤层，表明类脂组含量差异是造成总有机组分含量的主要因素。

图1b 和图1c 反映了研究区各煤层镜质组和惰质组含量，两者表现出反向变动的关系。垂向上，煤层自下而上，表现出镜质组含量升高、惰质组含量下降的垂向演化趋势。F1断层以北各煤层镜质组增加、惰质组减少的趋势更为明显，尤其在上部2-4#、2-2#等煤层中，镜质组含量明显升高。同时，F1断层以北煤层的镜质组和惰质组含量波动幅度更大，如在18#～26#煤层的范围内，从26#煤到22#煤，镜质组含量明显升高，惰质组含量明显降低；而从22#煤到18#煤，镜质组含量降低，惰质组含量升高。

3.2 煤质特征

3.2.1 工业分析结果

工业分析结果如图2a 至图2c 所示。各煤层水分含量介于10%～13.5%，随埋深增加水分含量逐渐降低，除2-2#煤层外，其他各煤层在F1断层以南部分均有更高的水分含量。各煤层灰分产率介于8%～16%，属于特低－低灰煤，而且从图2b 中可以发现，下部各煤层灰分产率低于上部各煤层的灰分产率。除2-4#、2#、22#煤层外，其他各煤层在F1断层以南部分均有更高的灰分产率。对比有机组分总含量可以发现，虽然F1断层以南各煤层有机组分的体积含量更高，但其灰分产率却更大，这一方面可能是由于部分无机质是以有机结合态形式存在于有机组分中，如钠元素等；另一方面可能表明F1断层以南煤层所含矿物密度较高。如图2c所示，各煤层干燥无灰基挥发分产率介于35%～46%，随埋深增加挥发分产率逐渐降低，但只有28#和29#煤在F1断层以北部分的挥发分产率低于37%，属于中高挥发分烟煤，其余煤层均属于高挥发分烟煤。相比于F1断层以南相应煤层的挥发分产率而言，断层以北各煤层的挥发分产率普遍较低，且下部诸煤层的挥发分产率差距更加明显。

图2 工业分析结果折线图Figure 2 Results of proximate analysis

3.2.2 元素分析结果

图3 汇总了样品的元素分析结果，包含碳、氢、氧、氮、硫质量百分比以及氢碳原子比。样品碳元素质量占比在72%～78%，且随煤层深度增加碳元素含量逐渐升高，其中F1断层以北碳元素含量升高的趋势更加明显，这与挥发分产率反映的规律是一致的。不同于碳元素含量随埋深增加而逐渐升高，氢、氧、硫元素含量表现出随埋深增加而逐渐降低的变化趋势；而氮元素在F1断层以南各煤层中含量较为稳定，在F1断层以北则表现出增加的趋势。

图3 元素分析结果折线图Figure 3 Results of ultimate analysis

通过横向上对比断层两侧各煤层的元素分析结果可以发现，断层以北各煤层氢元素含量普遍低于断层以南相应煤层的氢含量，同时由于氢元素含量的差异，氢碳原子比也表现出断层南侧普遍高于断层北侧的现象。造成断层两侧氢含量差异的原因应该与类脂组含量差异有关，断层北侧各煤层类脂组含量普遍较低，而类脂组相对富氢，因此造成了断层南侧氢元素含量及氢碳原子比较高的现象。断层以南上部煤层硫、氧元素含量低于断层以北相应煤层，而在下部煤层中硫、氧元素含量高于断层以北相应煤层；碳、氮元素则与硫、氧元素相反。

3.2.3 有害元素

对煤层的有害元素磷、氯、砷、氟进行了检测，检测结果如图4 所示。结果表明，除19#煤层断层以北部分磷含量超过0.05%为中磷煤外，其余各煤层煤均为低磷煤，且断层以北煤样含磷量普遍高于断层以南煤样含磷量。研究区煤层的氯含量为0.15～0.45μg/g，属于中氯煤及高氯煤，氯含量随埋深变浅而逐渐增加，上部各煤层以高氯煤为主，而下部煤层则为中氯煤。在下部煤层中，断层以南煤样的氯含量普遍高于断层以北煤样。研究区各煤层的砷含量分布在1～6 μg/g，属特低—低砷煤，且低砷煤主要集中在3#～8#煤层的范围内，深部各煤层砷含量均在4 μg/g 以下，满足特殊行业用煤需求。除3#煤层断层以南部分氟含量超过100 μg/g 归属于低氟煤外，研究区其余煤层均为特低氟煤。

图4 有害元素分布折线图Figure 4 Content of harmful elements

3.2.4 灰成分分析结果

灰成分分析结果见表1，对所有测试的煤层而言，SiO2是占比最多的灰成分，其含量为25%～43%；CaO 和Al2O3次之，前者质量占比在14%～25%，后者质量占比为12%～20%；再次为Fe2O3、SO3、Na2O、MgO 等，含量基本在5%以上；最后为TiO2、K2O、MnO2、P2O5等，含量基本在1%以下。需要特别注意的是，全部测试样品的Na2O 占比都达到了高钠煤（＞2%）的水平，在利用过程中容易造成沾污等现象，影响锅炉等设备的效率和安全。

表1 灰成分分析Table 1 Results of ash analysis%

基于灰成分分析结果计算的沾污指数（Rf= 碱性灰成分/酸性灰成分×Na2O［10-11］）值全部大于1，同样表明了严重沾污的特性（图5）。

图5 沾污指数（Rf）分布Figure 5 Distribution of fouling index Rf

4 讨论

4.1 成煤环境

4.1.1 陆源影响强弱

灰分及灰成分常被用来反映陆源影响的强弱，灰分含量较高以及灰成分中硅、铝氧化物占比较高往往反映陆源影响较强［2，4，12-14］。前述工业分析结果已经表明，F1断层以南灰分含量普遍较高。图6 展示了各煤层灰成分指数K（K=（SiO2+Al2O3）/（Fe2O3+CaO+MgO））的值，其值越高表明硅、铝氧化物在灰分中的占比越高，继而反映出陆源碎屑影响越大。从图6 中可以发现，除2-4#及26#煤层外，其余各煤层的灰成分指数K均在F1断层以南更高，表明F1断层以南受到的陆源影响更为强烈。

图6 灰成分指数K分布Figure 6 Distribution of ash component index K

如图7 所示的灰成分三元图，三个端员为SiO2-Al2O3、CaO-MgO、Fe2O3-SO3，分别代表陆源黏土矿物碎屑、化学沉积碳酸盐及闭塞环境黄铁矿。可以发现，各煤层投影点均更接近于SiO2-Al2O3端员，表明陆源碎屑的主导地位。但同时可以发现，F1以南各煤层的投影点相对更靠近SiO2-Al2O3端员，而CaO-MgO含量相对低于F1以北对应煤层，Fe2O3-SO3含量在断层两侧差异不大。这表明F1断层以南受陆源碎屑影响更为明显，而F1断层以北受水体中化学沉积的碳酸盐矿物影响更重。

图7 灰成分三元图Figure 7 Ternary diagram of ash component

4.1.2 母岩性质

母岩性质代表着盆地的背景值，而Al2O3/TiO2已经被证实受沉积过程影响小，能够指示源区母岩性质［15-17］。一般认为Al2O3/TiO2值介于21～70代表母岩为酸性岩，8～21时指示中性岩，3～8时代表基性岩。如图8所示，F1断层两侧的Al2O3/TiO2值恰好分布在中性岩和酸性岩的分界线两侧，表明研究区物源母岩性质以中酸性岩为主，这与区域地质概况中反映的中酸性岩浆岩岩性一致。而除29煤层断层两侧皆分布在中性岩区域外，其余各煤层的F1以南部分均分布于偏酸性岩区域，而F1断层以北部分均位于偏中性岩区域。造成这一母岩性质差异现象的原因可能与区域内多期次岩浆岩活动有关。该区域主要分布有石炭纪岩浆岩及二叠纪岩浆岩，前者岩性为辉长岩、闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、钾长花岗岩和花岗斑岩，后者岩性主要为正长花岗岩。

图8 母岩性质分布Figure 8 Distribution of the source rock nature

4.1.3 水平面变化

灰成分分析中已表明F1断层以北受到水体影响更高，而煤岩特征中镜惰比同样表现出了同样的水平面变化特征［18-20］。由于镜质组形成于凝胶化作用，而惰质组形成于丝炭化作用，前者需要在潮湿还原的环境下进行，而后者在干燥氧化时更易于发生，因此镜惰比可以反映出成煤环境的干湿情况。如图9所示，研究区各煤层镜惰比均分布在潮湿－弱覆水到极潮湿－覆水环境，且表现出煤层从下而上环境逐渐潮湿或水平面逐渐升高的变化趋势。断层以南各煤层（除2-4#及16#煤层外）均形成在潮湿－弱覆水环境，而断层以北镜惰比波动幅度大，尤其在22煤层与2-2煤层附近，镜惰比出现了明显升高，表明在这两个阶段水平面有较为剧烈的升高过程。

图9 镜惰比分布Figure 9 Ratio of vitrinite to inertinite

4.2 F1断层对两侧煤质特征差异的影响

通过上述结果可以发现，F1断层两侧煤岩煤质特征具有明显差异，这也反映出两侧成煤环境的差异。横向对比两侧煤岩、煤质特征，大南湖矿区煤层在F1断层南侧部分普遍具有类脂组含量高、水分高、灰分产率高、挥发分高、氢含量高、灰成分指数高、沾污指数低、母岩性质偏酸性的特点；而垂向上的演化特征在断层两侧也有明显差异，F1断层以北各项参数的垂向演化波动性强、变化趋势快，如F1断层以北镜质组及其反映出的水平面变化情况波动剧烈，而挥发分产率、碳含量等表征变质程度的参数表明同一煤层在F1断层以北变质程度增加更快。

同沉积断层的演化特点影响了断层两侧成煤环境差异，也造就了断层两侧煤岩、煤质特征的差异。由于F1断层为正断层，北盘为下降盘，其水平面相对更高，水体相对较深，因此受物源碎屑影响较小，灰分较低，而化学沉淀的碳酸盐类矿物稍多，灰成分指数较低。同时由于北盘相对下降速度更快，或者说水平面上升较快，因此在垂向变化上，镜质组含量的增加趋势、惰质组含量的下降趋势以及硫元素的上升趋势都因为还原环境的逐渐增强而更为明显。而碳元素含量、挥发分产率等表征煤变质程度的参数，在下降盘由于埋深的相对增加而变化得更加明显。断层南盘类脂组含量较高，推测是由于南盘相对氧化的条件下，其它组分易被氧化分解而保留了性质更稳定的类脂组组分。而通过比较两盘参数变化曲线可以发现，F1断层以北变化波动更为剧烈，表明北盘震荡更为剧烈。

5 结论

断层以南（即下盘）各煤层具有类脂组含量高、水分高、灰分产率高、挥发分高、氢含量高、灰成分指数高、沾污指数低等特点，而断层以北（即上盘）各煤层垂向演化波动强、变化快。这反映出F1同沉积断层对两侧成煤环境有重要影响：断层以北（即上盘）水体相对较深，偏还原环境，受物源影响小，但震动频次多、震动剧烈；断层以南（下盘）偏氧化环境，受物源影响较大，但沉降相对稳定。