陜西省子長礦區晚三疊世5號煤層的煤巖煤質特征

周國慶姜堯發高 峰徐曉琴

(1.江蘇建筑職業技術學院地質研究所,江蘇省徐州市,221116; 2.江蘇地質礦產設計研究院,江蘇省徐州市,221006)

★煤炭科技·地質與勘探★

陜西省子長礦區晚三疊世5號煤層的煤巖煤質特征

周國慶1姜堯發1高 峰2徐曉琴2

(1.江蘇建筑職業技術學院地質研究所,江蘇省徐州市,221116; 2.江蘇地質礦產設計研究院,江蘇省徐州市,221006)

對采自陜西省子長縣棗林永勝煤礦的晚三疊世5號煤層剖面進行了詳細的煤巖學研究,報道了我國北方三疊紀陸相環境形成的煤層的煤巖、煤質特征。研究成果顯示,永勝煤礦的晚三疊世5號煤層具有特低硫含量(St,d為0.10%～0.39%)、低或中灰分含量(Ad為7.22%～29.45%)、高揮發份產率(Vdaf為31.89%～45.36%)及變質程度低(Ro,ran為0.83%～0.89%)等特征;鏡質組含量較高(41.8%～93.9%,無礦物基),惰質組含量次之(2.6%～52.5%),殼質組含量較低(3.5%～8.5%)。宏觀煤巖類型和顯微組分的垂向變化顯示在煤層底部和煤層頂部的分層光澤較亮、鏡質組含量高;而在煤層中部的分層光澤較暗、惰質組含量高,反映了聚煤早期和晚期階段泥炭沼澤環境比較潮濕,而中期階段變得干燥的演變特征。

晚三疊世煤層 煤巖煤質特征 陜西子長礦區 鄂爾多斯盆地

在多年煤田地質勘探過程中,地質工作者曾對瓦窯堡組含煤地層的沉積環境、層序地層、聚煤作用等進行過研究,取得一些成果。然而,對瓦窯堡組主要可采煤層(5號煤層)的煤巖特征研究比較薄弱,特別是煤層剖面詳細煤巖學研究的成果頗少。本文對采自陜西省子長縣棗林永勝煤礦的5號煤層剖面進行了詳細研究,報道了我國北方陸相三疊紀煤層的煤巖、煤質特征。

1 地質背景

子長礦區位于陜西省延安市和榆林市境內,按5號煤層0.7 m以上厚度的分布范圍計算,礦區(或煤田)總面積為2250 km2,資源總量達27.2億t。子長縣棗林永勝煤礦位于礦區中部瓦窯堡鎮附近。

子長晚三疊世煤礦區位于鄂爾多斯盆地中部。從早二疊世開始,鄂爾多斯盆地由海陸交互相轉為陸相沉積,至三疊紀形成了獨立的沉積盆地,上三疊統延長群是典型的內陸湖泊沉積。延長群自下而上分胡家村組、永坪組和瓦窯堡組3個組。

瓦窯堡組共含煤7～15層,其中5號煤層厚度為0.7～2.9 m,平均1.8 m,全區可采,3號和4號煤層厚度小于1 m,局部可采,其他煤層不可采。

2 采樣與分析

本次研究在陜西省子長縣棗林永勝煤礦井下5號煤層采掘工作面采取一個完整的煤層剖面,共13個樣品,包括煤層頂板、底板、2個夾矸和9個煤分層樣。

所有樣品的實驗室分析測試都遵循現行國家標準進行。煤的工業分析遵循國家標準(GB/T212－2008煤的工業分析方法)進行。煤中全硫的測定遵循國家標準(GB/T214－2007煤中全硫的測定方法)進行。煤的顯微組分鑒定統計遵循國家標準(GB/T15588－2001煙煤顯微組分分類)進行。鏡質組反射率測定遵循國家標準(GB/T6948－1998煤的鏡質體反射率顯微鏡測定方法)進行。煤中礦物的鑒定采用光學顯微鏡觀察和粉末X射線衍射(XRD)方法進行。

3 結果與討論

3.1 煤化學和鏡質組反射率

子長晚三疊世5號煤層剖面各個分層的工業分析、全硫分析和煤的鏡質組反射率測定數據見表1。由表1可見,5號煤層9個煤分層的加權平均值,揮發分產率(Vdaf)為40.34%,鏡質組隨機反射率(Ro,ran)為0.87%,全硫含量(St,d)為0.28%,灰分(Ad)為15.49%。根據煤炭質量分級標準(GB/T15224.2－2004,GB/T15224.1－2010等),永勝煤礦的5號煤層為特低硫、低(中)灰、高揮發分煙煤。

表1 5號煤層剖面各分層的工業分析、全硫分析和煤的鏡質組反射率數據

3.2 宏觀煤巖類型

根據國家標準(GB/T12937－2008)和各分層的相對光澤強度,在5號煤層中分出4種宏觀煤巖類型,即光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。在垂向上宏觀煤巖類型呈規律性變化,煤層底部第2分層(與表1編號對應,下同)和頂部第12分層為光亮煤,煤層下部第3分層和上部第11分層為半亮煤,煤層中部的第5分層和第7分層為暗淡煤,第4分層和第6分層為半暗煤。宏觀煤巖類型垂向分布特征顯示,5號煤層成煤初期的沼澤環境具有覆水程度較高、凝膠化作用較強的特征;而隨著泥炭層堆積厚度加大、沼澤不斷突起,水位相對下降,致使表層泥炭暴露在空氣中遭受氧化;成煤晚期由于湖泊水位上升,成煤泥炭沼澤又向覆水變深、凝膠化作用變強的環境轉變。

3.3 煤的顯微組分

3.3.1 顯微組分含量

應用顯微組分分類國家標準(GB/T15588－2001煙煤顯微組分分類)和國際煤巖學委員會1994年顯微組分分類、命名系統(ICCP,1998, 2001)對子長礦區棗林永勝煤礦5號煤層中各個煤分層進行了顯微組分鑒定和定量統計,見表2。

表2 子長5號煤層的顯微組分含量(無礦物基)%

由表2可見,子長晚三疊世5號煤層9個煤分層加權平均值,鏡質組含量為70.25%,殼質組含量為6.08%,惰質組含量為23.67%。在鏡質組中,以基質鏡質體的含量最高(47.06%),均質鏡質體次之(12.37%),結構鏡質體(7.79%)和團塊鏡質體(2.40%)含量較低。惰質組主要由半絲質體(15.80%)、惰屑體(3.70%)和粗粒體(2.99%)組成,含少量絲質體和菌類體等。殼質組主要由孢子體(5.48%)、角質體(0.44%)和樹脂體(0.16%)組成。

子長晚三疊世5號煤層中不同宏觀煤巖類型的顯微組分含量差別較大。光亮煤分層中鏡質組含量為90.68%～93.88%,惰質組含量為2.58%～3.39%,殼質組含量為3.52%～5.93%;半亮煤分層中鏡質組含量為63.56%～88.33%,惰質組含量為3.50%～29.04%,殼質組含量為7.39%～8.52%;半暗煤分層中鏡質組含量為55.58%～79.54%,惰質組含量為15.91%～38.06%,殼質組含量為4.54%～6.34%;暗淡煤分層中鏡質組含量為41.82%～53.14%,惰質組含量為42.40%～52.52%,殼質組含量為4.48%～5.66%。

3.3.2 顯微組分特征

子長晚三疊世5號煤層中的鏡質組主要由結構鏡質體、均質鏡質體、基質鏡質體、團塊鏡質體和碎屑鏡質體組成,子長礦區5號煤層的顯微組分見圖2。結構鏡質體顯示較好的植物細胞結構,見圖2(a);均質鏡質體顯示灰色、均勻、條帶狀,是測定反射率的理想組分,見圖2(b),基質鏡質體形如膠結物,粘結著其它各種顯微組分,見圖2 (c)、(d)、(f)、(h);團塊鏡質體呈不規則圓形,單獨散布或成群出現,見圖2(b)。

圖2 子長礦區5號煤層的顯微組分

子長晚三疊世5號煤層中的惰質組主要由絲質體、半絲質體、粗粒體、微粒體、菌類體和碎屑惰質體組成。絲質體,亮黃色或黃白色,保存較好的植物細胞腔孔結構,見圖2(e);半絲質體為黃色、白色至灰白色,植物細胞結構保存不好,在同一個煤粒上有時顯示不均勻的反射色,見圖2 (d)、(f);粗粒體為不規則形狀,黃白色,不顯示植物細胞結構,見圖2(c)、(d);菌類體,黃白色為不規則圓形,周邊致密,內部顯示多孔狀構造;碎屑惰質體為黃白色,不規則碎屑狀,粒徑大都小于30μm,見圖2(h)、(g)。

子長晚三疊世5號煤層中的殼質組主要由孢子體、角質體和樹脂體組成。孢子體,深灰色至灰黑色,主要是扁環狀的小孢子體,見圖2(b),含有少量大孢子體,見圖2(g);角質體,長條狀,深灰色至灰黑色,厚壁角質體和薄壁角質體都有分布;樹脂體,灰黑色,不規則圓形。

3.3.3 顯微組分垂向變化

如表2所示,子長晚三疊世5號煤層的宏觀煤巖類型和顯微組分含量在垂向上變化明顯,從煤層底部至中部,煤的光澤由亮變暗,從中部至煤層頂部,煤的光澤由暗變亮,這反映成煤泥炭沼澤環境在初期比較潮濕,向中期逐漸轉變為干燥環境,然后向晚期再向潮濕環境轉變之演變過程。在成煤早期和晚期形成的煤分層中,由于覆水較深而使植物殘體遭受強烈的凝膠化作用,形成了較多的鏡煤條帶,顯微組分中均質鏡質體含量較高;而在成煤中期,隨著泥炭堆積厚度變大,表層泥炭或突起暴露在空氣中使植物殘體遭受一定程度氧化,形成了較多的半絲質體、粗粒體和惰屑體等惰質組顯微組分。基質鏡質體和孢子體二種顯微組分不但在各個煤分層中都有較高的含量,而且從煤層底部至頂部各個煤分層中含量接近。結構鏡質體和團塊鏡質體主要分布在煤層上部。煤層下部的ZC－4分層中,碎屑鏡質體和碎屑含量較高。

3.4 煤中的礦物

子長晚三疊世5號煤層中的礦物主要是粘土礦物,其次是石英,含少量方解石,很少量的黃鐵礦只出現在煤層最底部的分層中。鏡下觀察,煤中的粘土礦物大都呈細分散狀,見圖2(b),碳酸鹽礦物主要是方解石和菱鐵礦,見圖2(h)。根據低溫灰XRD分析的衍射圖鑒定,子長晚三疊世5號煤層中的粘土礦物主要是高嶺石,其次為伊利石,少量綠泥石。另外還含很少量的磷鋁鍶石、銳鈦礦、金紅石等礦物。ZC－4、ZC－6和ZC－7三個煤分層中的菱鐵礦多呈球粒狀、放射狀或集合體狀分布在均質鏡質體或基質鏡質體之中,反映聚煤中期階段成煤泥炭沼澤水體的地球化學特征是弱還原或弱氧化條件。煤層最底部分層中存在少量黃鐵礦,反映成煤之初沼澤水體的強還原特征。

4 結論

(1)子長礦區晚三疊世5號煤層具有特低硫含量、低(中)灰分含量、高揮發分產率和低變質程度的煤質特征,是優質的高揮發分煙煤。

(2)子長礦區晚三疊世5號煤層(9個煤分層)顯微組分平均含量,鏡質組為70.2%,惰質組為23.7%,殼質組為6.1%,具有鏡質組含量高,惰質組和殼質組含量低的特征。

(3)煤層最下部和最上部的煤分層光澤最亮,鏡質組含量最高(大于90%),反映5號煤層在成煤早期和晚期階段,泥炭沼澤具有較高地下水水位并發生較強的凝膠化作用。而煤層中部煤分層光澤較暗,惰質組含量較高,如暗淡煤類型分層中惰質組含量高達40%～50%,反映成煤中期階段隨著泥炭層堆積變厚,泥炭沼澤的地下水水位有所降低,表層泥炭或多或少遭受過氧化作用。

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[2] 田野,李智學,邵龍義等.鄂爾多斯盆地上三疊統瓦窯堡組層序地層及聚煤特征研究[J].中國煤炭地質,2011(8)

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[7] 袁寶泉,陶秀祥,蔣松.府谷煤灰成分對其灰熔融性的影響試驗研究[J].中國煤炭,2013(5)

(責任編輯 張毅玲)

國家鼓勵社會資本建設清潔高效煤電項目

國務院發布《關于創新重點領域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》(以下簡稱《指導意見》),提出鼓勵社會資本建設清潔高效煤電項目。

《指導意見》提出,鼓勵社會資本投資能源設施領域。鼓勵社會資本投資建設風光電、生物質能等清潔能源項目和背壓式熱電聯產機組,進入清潔高效煤電項目建設、燃煤電廠節能減排升級改造領域。鼓勵社會資本參與煤炭儲運建設運營。鼓勵社會資本參與鐵路運煤干線和煤炭儲配體系建設。

《指導意見》指出,我國將理順能源價格機制。落實頁巖氣、煤層氣等非常規天然氣價格市場化政策。按照合理成本加合理利潤的原則,適時調整煤層氣發電、余熱余壓發電上網標桿電價。完善可再生能源發電價格政策,研究建立流域梯級效益補償機制,適時調整完善燃煤發電機組環保電價政策。

我國將改革完善交通投融資機制,向地方政府和社會資本放開資源開發性鐵路和支線鐵路的所有權、經營權。按照構建現代企業制度的要求,保障投資者權益,推進內蒙古西部至華中、長春至西巴彥花鐵路等引進民間資本的示范項目實施。

The features of petrology and quality of coal in Late Triassic No.5 coal in Zichang mining area in Shaanxi Province

Zhou Guoqing1,Jiang Yaofa1,Gao Feng2,Xu Xiaoqin2
(1.Institute of Geology,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Jiangsu Design and Research Institute of Geology for Mineral Resources,Xuzhou,Jiangsu 221006,China)

This paper studies in detail the coal petrology in section samples from the late Triassic No.5 coal seam in Zaolin Yongsheng Mine in Zichang County,and reports the petrological, mineralogical features of the coal seam formed in late Triassic continental environment in Northern China.The results show that the No.5 coal seam has a low sulfur content(St,d,0.10%to 0.39%),a low-middle ash content(Ad,7.22%to 29.45%),a high volatile yield(Vdaf,31.89% to 45.36%),and a low metamorphic grade(Ro,ran,0.83%to 0.89%);the proportion of total vitrinite(41.8%to 93.9%;mineral-free basis)is higher than that of total inertinite(2.6%to 52.5%)and that of total exinite(3.5%to 8.5%).Macroscopic type and vertical variation in the microscopic components of the coal seam show that the vitrinite contents are more in the bottom and top portion of the coal seam and the inertinite is abundant in the middle part,which indicates that the peat swamp environment was damper in the early and late stages of the coal accumulating period and drier in the intermediate stage.

Triassic coal seam,features of petrology and quality of coal,Zichang mining area,Ordos basin

P618

A

周國慶(1968－),男,山東曲阜人,副教授,從事煤炭地質、工程地質研究。