川南煤田河壩礦段晚二疊世主要煤層中硫分含量及其形成因素分析

戴勝群,張行昱 (油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學),湖北武漢 430100)

祝旭雙 (四川省煤田地質局135五隊,四川瀘州 646000)

川南煤田河壩礦段晚二疊世主要煤層中硫分含量及其形成因素分析

戴勝群,張行昱 (油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學),湖北武漢 430100)

祝旭雙 (四川省煤田地質局135五隊,四川瀘州 646000)

研究硫的含量及其形態、成因是煤質工作的重點。對川南煤田河壩礦段晚二疊世含煤地層中主要煤層的硫分含量及其形成因素進行了分析研究。河壩礦段含煤巖系主要為上二疊統龍潭組(P3l),為海陸交互相沉積,其中第1段(P3l1)和第3段(P3l3)為主要含煤層段。其主要煤層中硫的賦存形態以硫化鐵(黃鐵礦)硫(Sp)為主,有機硫(So)次之;煤層硫分含量在垂向上與可采煤層的分布具有相似性:含煤巖系上部C10～C11煤層及下部C24～C25煤層含硫較高;在平面分布上規律性不明顯。其原因主要受控于該區所處的大地構造體系及海水的進退以及由此而形成的各種原生沉積環境。此外,后期斷層的擠壓和破壞、地表淺層風氧化裂隙及鉆探工藝等因素也對其含量和變化有較大影響。

川南煤田;河壩礦段;硫分;形成因素;沉積環境

硫是煤中的有害雜質,煤質分析時要充分研究硫的含量及其形態,以便為煤的工業用途作初步評價。河壩礦段內含有豐富的煤炭和硫鐵礦資源,區內可采煤層主要為中硫～中高硫煤。礦段已經進行了部分勘查工作,取得了較豐富的地質資料,筆者嘗試對所取得的地質資料進行分析,對礦區內硫分與主要煤層的賦存關系及影響其變化的控制因素進行研究。

1 區域概況

河壩礦段位于川南煤田古敘礦區西南部,礦區面積約248km2。2007～2009年在礦區內進行了普查勘查,2013年至今正在礦區內進行詳查勘查工作。礦段出露最新地層為第四系全新統及侏羅系,次為三疊系上統須家河組,最老為志留系中統韓家店組,其間缺失石炭系、泥盆系及志留系上統。含煤地層為二疊系上統龍潭組(P3l),厚101.80～150.00m,平均124.45m,與下伏地層二疊系中統茅口組(P2m)呈不整合接觸。

礦段位于古藺復背斜南翼的河壩向斜西段,基本構造形態為一呈近東西向展布,南翼陡、北翼緩、東端翹起的不對稱向斜構造,在礦段內走向長33km,南北寬5～10km。向斜軸走向變化不大,總體約為N80°E,僅東部翹起端向北偏轉為N40°E;向斜軸面向南傾斜[1]。斷層發育多受主體構造的影響,礦段北翼次級褶曲和斷層較發育,南翼次級褶曲不發育,斷層稀少。

2 煤層特征

礦區內含煤系為二疊系龍潭組(P3l),屬海陸交互相沉積??四川省煤田地質局135隊.四川省敘永縣川南煤田古敘礦區河壩礦段煤炭資源普查地質報告,2009.[1]。根據巖性組合特征及煤層賦存情況,自下而上細分為P3l1～P3l3段。第1段(P3l1)和第3段(P3l3)為主要含煤段,第2段(P3l2)僅見煤線分布,一般都不可采。其中P3l1厚27.87～54.48m,平均41.80m,P3l3厚27.30～54.42m,平均39.56m,全組共含煤9～20層,其中具有一定分布范圍、可對比的煤層有12層;全區可采和大部可采各1層(C11、C25煤層),局部可采4層(C10、C11-1、C13、C24)。各煤層層間距及主要可采煤層厚度(見表1)。

3 硫分

3.1 硫的賦存形態

礦區主要煤層中硫的賦存形態以硫化鐵(黃鐵礦)硫(Sp)為主(見圖1),平均為89.85%;其次是有機硫(So),平均為8.05%;硫酸鹽硫(Ss)含量極少(見表2)。

3.2 分布特征

各煤層硫分以中硫～中高硫煤為主。在垂向剖面上分布特征表現為上部C10～C11煤層及下部C24～C25煤層含硫較高,中部C13～C23煤層含硫較低(見表3),與可采煤層的垂向分布具有相似性。平面分布特征上C10煤層以中高硫煤為主,中硫煤次之,高硫煤呈零星分布;C11-1煤層北翼為中高硫煤,南翼為特低～高硫煤;C11煤層以中高硫煤為主,低硫、中硫、高硫煤呈零星分布(見圖2),該煤層頂部炭質泥巖或高灰分煤中一般富含黃鐵礦結核,硫分變化幅度中等;C13煤層在礦段北翼以中硫煤為主,零星點見中高硫煤,南翼以特低硫煤為主,低硫煤次之;C24煤層以低～特低硫煤為主,僅東部出現中～中高硫煤,零星點見高硫煤;C25煤層北翼以中高硫煤為主,次為中硫煤,特低、高硫煤零星分布,南翼硫分變化無規律,從高硫～特低硫煤均有分布,且分布零星(見圖3),硫分變化幅度大。

表1 各煤層層間距及主要可采煤層厚度統計表

圖1 123-2鉆孔C24頂板豆狀黃鐵礦

4 硫分變化的控制因素

4.1 大地構造條件

在地史時期中,地殼運動引起海陸變化、氣候更替,推動了植物界演化遷移和聚煤作用呈波浪式向前發展;同時,地殼運動引起的地殼變形,形成了一系列隆起和拗陷,在其成生過程中,對聚煤拗陷的形成和發展,煤、硫等沉積礦產的賦存和分布起著一定的控制作用。

圖2 C11煤層硫分等值線圖

圖3 C25煤層硫分等值線圖

河壩礦段位于揚子板塊西部,四川盆地南緣的古藺復背斜南翼。古藺復背斜地處川南-黔北區域性東西向構造帶與北東向的婁山斷褶帶之過渡地帶,總體呈近東西向展布,長約110km,構造形跡在平面上呈一組向南突出的弧形褶皺群。該復背斜北翼發育的次級褶皺較寬緩,主要有茶葉溝背斜、大安山向斜、三家壩背斜、落窩背斜、烏龍溝向斜、落葉壩背斜和堡子山背斜等;南翼次級褶皺較緊密,構造較復雜,主要有河壩向斜、新街(石壩)背斜、赤水河向斜、高田坎背斜、石寶向斜、吳家寨背斜和二郎壩向斜等。上述褶皺構造構成了區域內的主要構造框架,對煤、硫等沉積礦產的分布起著控制作用。

4.2 原生沉積環境

中二疊世晚期,東吳運動以后,礦段所在的上揚子盆地整體抬升為陸地,海水大規模退出。在黔北～川南隆起帶與康滇古陸的共同控制下,川南總體上為西高東低和南高北低的平緩地形,茅口組灰巖大面積裸露[2]。由于長期的風化剝蝕作用,在茅口組灰巖風化平面上,形成低平而略有起伏的古藺低地溶蝕殘積平原(見圖4),在地勢低洼處沉積了石巖殘積角礫巖。之后,峨嵋山玄武巖噴發,大量的基性火山凝灰物質降落在古藺低地溶蝕殘積平原上,經次生風化殘積,沉積了厚約3～5m的含黃鐵礦高嶺石化基性凝灰巖,形成了風化殘積平原,隨著大量植物的生長堆積,形成泥炭沼澤,沉積了C25煤層。之后隨著地殼緩慢下降、海水入侵,該區形成了湖泊沉積體系。先后沉積了淺湖相的黑、灰黑色高嶺石泥巖和濱湖相的逆粒序粉砂巖、砂巖。受海水的影響,該區該時期沉積普遍含有黃鐵礦結核,煤層中硫分含量較高。之后海水開始緩慢退卻,加之湖泊不斷淤積,植物大量生長和堆積,在其上發育了泥炭沼澤相,沉積了C24煤層。C24煤層沉積后,海水繼續退縮,該區進入三角洲平原沉積體系。三角洲平原中分流河道、泛濫盆地、決口扇、分流間洼地發育,在分流間洼地發育沼澤相和泥炭沼澤相,天然堤發育不完整或缺失。分流河道沉積物為正粒序砂巖、粉砂巖,對下伏巖層有較弱的沖刷;泛濫盆地沉積物為泥巖、砂質泥巖,沉積了黏土巖和煤層(如C13煤層);分流間洼地發育的沼澤、泥炭沼澤沉積了黏土巖和C23、C22、C21、C19、C16和C14等煤層。分流河道和泛濫盆地沉積物中富含菱鐵礦結核,局部可見泥礫,含豐富的植物根莖化石及碎片。由于該時期受海水的影響小,未見動物化石,黃鐵礦結核少見,各煤層硫分含量均較低。直到C11煤層沉積時,該區已處于一次大規模海侵之前的轉變時期,此時三角洲沉積體系處于停滯穩定階段,且持續時間較長,在廣闊的三角洲平原上沼澤相廣泛發育,沉積了穩定的淺灰～灰白色高嶺石泥巖,成為區域性的對比標志。并隨著植物的大量生長堆積,形成了該區厚度最大、層位穩定、分布最廣的C11煤層。C11煤層沉積后,受海水入侵的影響,造成煤層頂部劣質煤或炭質泥巖中含豐富的黃鐵礦結核,呈豆狀、透鏡狀,密集分布,其含量達7.18%～21.36%。之后,隨著海水的進一步大規模入侵,該區進入有障壁海岸沉積體系和澙湖沉積體系。有障壁海岸沉積體系發育有潮下帶、潮間帶和潮上帶亞相。潮下泥坪沉積物為泥巖、砂質泥巖,發育生物擾動構造;潮間砂坪沉積物為逆粒序的砂巖、粉砂巖,發育有條帶狀、透鏡狀潮汐層理;潮上沉積物為泥巖、沼澤相黏土巖、泥炭沼澤相炭質泥巖或煤層,沉積了C11-1、C10等煤層。潮下泥坪和潮間砂坪經常受海水淹沒,沉積物中含大量的動物化石,以及黃鐵礦和菱鐵礦結核;受海水的影響,潮上沉積的煤層,其頂板和底板含硫量高,煤質較差[3]。澙湖沉積體系發育于煤系頂部。沉積物主要為含生物碎屑的灰巖、泥灰巖、鈣質泥巖,含黃鐵礦結核。煤系地層沉積結束后,大規模海侵開始,該區進入長興組灰巖的沉積。

綜上所述,該區晚二疊世主要煤層及硫的沉積主要受控于海水的進退以及由此而形成的各種沉積體系。在含煤巖系頂底部由于2次海水不同規模的侵入而形成的湖泊沉積體系和有障壁海岸沉積體系、澙湖沉積體系,對硫分含量普遍較高具有決定性的控制作用,亦是該層段煤層硫分含量較高的直接原因。

4.3 斷層擠壓和破壞

該區處在南、北兩側由古生代志留紀+寒武紀地層組成的背斜擠壓下所形成的中生代三疊紀+侏羅紀向斜構造中,含煤巖系賦存于堅硬的茅口組灰巖與長興組灰巖之間,在褶皺構造所形成的斷層強烈擠壓下,煤系軟弱地層在堅硬巖層之間易產生塑性流動,特別是礦區北翼東部,該部位處于應力集中的構造轉折部位,煤系和煤層局部更易遭到破壞,其影響的范圍主要是煤系上部(P3l1)。如C11煤層及其頂板中所含的大量黃鐵礦結核,在經過擠壓破碎后重新分布,有的被擠壓在一起,使局部地段煤層中的硫含量增高,而黃鐵礦少的地段則硫含量有所下降,使煤層原聲硫含量出現變化。

4.4 鉆孔取心的影響

黃鐵礦結核比較堅硬,鉆孔打煤時結核容易進入取心管,而煤因呈碎粒狀、鱗片狀,易被沖洗液沖走;有的較大黃鐵礦結核堵塞鉆頭,將煤被堵在取芯管外,這些因素也常造成采取的煤芯中黃鐵礦多,而缺失的主要為煤,使少數鉆孔見煤點的含硫量出現高值異常點。

4.5 淺層風氧化作用

含煤地層上部煤層受風化的影響,裂隙比較發育,地表水及老窯水中攜帶的硫通過裂隙滲透到煤層中,增高了煤層的含硫量。如C11煤層的煤層煤樣采于淺部的小煤窯和坑探巷道中,采樣處距離地表較近,部分煤層煤樣硫含量高達5%～6%,比鉆孔煤心煤樣還高,應與風化裂隙影響有關。

5 結語

通過以上分析,河壩礦段晚二疊世主要煤層硫分含量及其變化幅度大,其控制因素主要是所處的區域構造體系及其影響下形成的各種沉積環境;此外,后期斷層、地表淺層風氧化裂隙及鉆探工藝等因素也對其含量和變化有較大影響。

[1]中國煤田地質總局.黔西川南滇東晚二疊世含煤地層沉積環境與聚煤規律[M].重慶:重慶大學出版社,1994.

[2]邵龍義,劉紅梅.上揚子地區晚二疊世沉積演化及聚煤[J].沉積學報,1998,16(2):55-60.

[3]朱志敏,陳岑,尹中山.川南煤田晚二疊世含煤系統分析[J].煤炭科學技術,2010,38(7):104-108

[編輯] 洪云飛

TD712.72

A

1673-1409(2014)32-0034-05

2014-07-09

戴勝群(1963-),男,博士,副教授,現主要從事構造精細解釋等方面的教學與研究工作。