準(zhǔn)格爾煤田西南部6上煤層煤巖煤質(zhì)及沉積環(huán)境特征?

張有河王曉明劉東娜

(1.神華神東煤炭有限公司,陜西省神木市,719315; 2.內(nèi)蒙古礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市,010020; 3.太原理工大學(xué),山西省太原市,030024)

準(zhǔn)格爾煤田西南部6上煤層煤巖煤質(zhì)及沉積環(huán)境特征?

張有河1王曉明2劉東娜3

(1.神華神東煤炭有限公司,陜西省神木市,719315; 2.內(nèi)蒙古礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市,010020; 3.太原理工大學(xué),山西省太原市,030024)

以準(zhǔn)格爾煤田西南部黃玉川煤礦6上煤層為研究對象測試了樣品的煤巖顯微組分、煤質(zhì)參數(shù)、硫分及部分微量元素含量,確定了6上煤層的煤巖煤質(zhì)特征;結(jié)合煤層厚度變化及煤地球化學(xué)參數(shù)分析了原始泥炭沼澤沉積環(huán)境特征。結(jié)果表明,黃玉川煤礦6上煤層為深成變質(zhì)作用下形成的低變質(zhì)程度煙煤,低水、低灰、低硫、高揮發(fā)分,形態(tài)硫主要以有機硫為主,不易脫除。有機顯微組分組主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組,煤中無機顯微組分主要為結(jié)晶度較高的粘土礦物高嶺石類。含煤沉積體系為上三角洲平原環(huán)境,原始泥炭沼澤覆水條件良好,為還原性中～高位泥炭沼澤,成煤時部分分層曾受海水影響。

準(zhǔn)格爾煤田 煤巖學(xué) 煤質(zhì) 沉積環(huán)境

準(zhǔn)格爾煤田位于華北地塊鄂爾多斯地臺向斜的東北緣,煤田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單,區(qū)內(nèi)晚古生代石炭－二疊系主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組,為一套海陸交互相逐漸向陸相過渡的沉積地層。煤田內(nèi)煤炭資源蘊藏豐富,可采煤層多,厚度大,埋藏較淺,易于開采,隨著開采技術(shù)和交通條件的迅速發(fā)展,已成為我國重要的煤炭生產(chǎn)基地。黃玉川煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田西南部,行政區(qū)劃隸屬于準(zhǔn)格爾旗長灘鄉(xiāng)和薛家灣鎮(zhèn),全礦井可采儲量1205.57 Mt,設(shè)計生產(chǎn)能力10.0 Mt/a,2013年開始正式投產(chǎn),屬于大型新建礦井。本文以準(zhǔn)格爾煤田西南部黃玉川煤礦主采太原組6上煤層為研究對象,在查明成煤地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上對其煤巖學(xué)煤質(zhì)特征進行研究分析,探討其成煤沉積環(huán)境特征,旨在為該礦煤炭資源綜合開發(fā)利用提供理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)格爾煤田總體構(gòu)造輪廓為東部隆起、西部坳陷,走向近南北、向西傾斜的單斜構(gòu)造。北端地層走向轉(zhuǎn)為北西,傾向南西,南端地層走向轉(zhuǎn)為南西－東西向,傾向北西,傾角一般小于10°,構(gòu)造形態(tài)簡單。煤田中東部發(fā)育有軸向呈北北東的短軸背向斜,煤田內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育,僅見到幾條稀疏的張性斷層。

黃玉川煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田南部詳查區(qū)的深部區(qū),井田構(gòu)造為一傾角小于15°的單斜構(gòu)造,地層走向北北東,傾向北西西,局部地區(qū)有寬緩的波狀起伏。西南部地層呈弧形彎曲,地層走向北東,傾向北西。井田內(nèi)地層產(chǎn)狀平緩,傾角一般3°～5°,發(fā)育田家石畔撓曲。區(qū)內(nèi)黃土覆蓋廣泛,厚度大,井田內(nèi)溝谷十分發(fā)育,地形基本呈東部高、西部低的地貌形態(tài),地表水系不發(fā)育。6上煤層位于太原組中上部,煤層厚2.45～20.25 m,平均12.3 m,厚度變化不大,屬較穩(wěn)定簡單結(jié)構(gòu)煤層,構(gòu)造類型簡單。

2 樣品采集與測試

煤層樣品采集自黃玉川煤礦綜采工作面水平巷道,從頂板到底板刻槽采取6上煤層煤樣10個,見圖1。觀察、記錄其宏觀煤巖組分和宏觀煤巖類型。所有樣品的測試工作全部遵循現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)進行,應(yīng)用Leitz光學(xué)顯微鏡觀察煤分層中的顯微煤巖組分(油浸10×32倍);采用X射線衍射方法(XRD)檢測了煤中的礦物組分;采用X射線熒光光譜儀(XRF),測定了煤分層常量元素含量;采用電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP－MS)分析方法測定了微量元素含量。全硫及工業(yè)分析數(shù)據(jù)依據(jù)煤的工業(yè)分析方法(GB/T212－2001)測定。

圖1 6上煤層采樣剖面圖

3 煤巖煤質(zhì)特征

3.1 煤質(zhì)特征

煤層樣品的工業(yè)分析見表1。結(jié)果表明6上煤層全水分(Mad)均值為3.9%,灰分(Ad)均值為15.8%,揮發(fā)分(Vdaf)均值為37.9%,鏡質(zhì)組反射率為0.58%,屬于低水、低灰、高揮發(fā)分的長焰煤,煤層變質(zhì)階段為煙煤Ⅰ階段。

6上煤層灰分、揮發(fā)分及硫分等值線圖見圖2。圖2(a)表明6上煤層灰分產(chǎn)率在井田東北部魯家溝、中南部西圪梁及東南部趙家溝一帶明顯較高,均在20%以上;由圖2(b)可知,6上煤層揮發(fā)分35.5%～42.02%,一般均在37%左右,差異不明顯。對比圖2(a)和圖2(b)可知,井田內(nèi)高揮發(fā)分煤的分布區(qū)域與灰分產(chǎn)率相對較高的區(qū)域相對應(yīng),如魯家溝西部、西圪梁等地。由圖2(c)可知,6上煤層的總體全硫含量較低,為0.44%～1.27%,在井田東南及東北一帶稍高。根據(jù)形態(tài)硫的分類特征,煤分層中的硫分主要以有機硫為主,故全硫含量與灰分產(chǎn)率的總體分布特征之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系,但是硫分含量在0.75%以上的煤層分布區(qū)域?qū)?yīng)的灰分均在25%以上,如魯家溝及西圪梁一帶。井田內(nèi)煤層中具有較高的灰分、揮發(fā)分產(chǎn)率及硫分含量分布的區(qū)域具有較好的對應(yīng)性,反映了煤質(zhì)特征總體上可能主要受控于原始成煤沉積環(huán)境,其他方面的影響因素較少。煤樣顏色多為灰黑色－深黑色,條痕為褐黑色,光澤以油脂光澤為主,中下部光澤略強,上部稍暗,煤分層宏觀煤巖組分以暗煤為主,絲炭呈線理狀分布于層面,局部含鏡煤條帶。宏觀煤巖類型主要以半暗型煤為主,半亮型煤和暗淡型煤次之。分層煤樣結(jié)構(gòu)以條帶狀為主,均一狀結(jié)構(gòu)次之,線理狀少見;構(gòu)造以層狀為主,塊狀次之;內(nèi)生、外生裂隙均不發(fā)育,斷口呈參差狀。

表1 6上煤層工業(yè)分析及煤巖顯微組分鑒定結(jié)果(含礦物基)%

圖2 6上煤層灰分、揮發(fā)分及硫分含量等值線圖

圖3 6上煤層中的顯微組分特征(油浸10×32)

3.2 煤巖學(xué)特征

6上煤層結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,含有3層夾矸。宏觀顯微鏡下(油浸10×32)觀測結(jié)果見表1, 6上煤層中的顯微組分特征見圖3。6上煤層的顯微煤巖組分組以鏡質(zhì)組為主,見圖3(a),均值為60.5%;惰質(zhì)組次之,見圖3(b),均值為21.2%;殼質(zhì)組最少,見圖3(c),均值為10.7%。其中2、8、9、10分層中鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均在60%以上,3、4、5、6分層惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均在25%以上,4、5、8、9、10分層中殼質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均在10%以上。總體來看,煤層形成初期的成煤沼澤環(huán)境多利于形成大量鏡質(zhì)組,但同時有較多的富水活氧環(huán)境下的殼質(zhì)組,可能為進水?dāng)y帶產(chǎn)物,沼澤附近水體流動較快;中部分層惰質(zhì)組含量增高,泥炭沼澤環(huán)境偏于氧化,但殼質(zhì)組含量似乎也有所降低,可能為泥炭沼澤覆水環(huán)境發(fā)生變化所致,沼澤外圍進水不暢,導(dǎo)致未有大量殼質(zhì)組形成或被攜帶進入沼澤區(qū)域。依據(jù)顯微煤巖分類標(biāo)準(zhǔn),6上煤層顯微煤巖類型為微暗亮煤,其顯微煤巖類型組屬于三合煤型。

6上煤層中無機顯微組分體積分?jǐn)?shù)均值為7.6%,主要為粘土礦物高嶺石類,見圖3(a);其次為硫化物黃鐵礦類,見圖3(d);另可見少量碳酸鹽礦物方解石類和氧化硅礦物石英類。XRD衍射實驗結(jié)果表明6上煤層中主要礦物質(zhì)為高嶺石、方解石、黃鐵礦和石英,其次含有少量埃洛石,除此之外可能含有微量金紅石和板鈦礦。以高嶺石類粘土礦物為主的煤中無機顯微組分的大量形成可能與其沉積環(huán)境和碎屑物源特征有關(guān)。

4 沉積環(huán)境特征

4.1 煤層的展布特征

準(zhǔn)格爾煤田6上煤層位于太原組上部。6上煤層的頂板平均厚度7.5 m,巖性多以砂質(zhì)泥巖、細砂巖和泥巖為主。直接底板平均厚度小于5 m,巖性基本為泥巖,只有個別鉆孔揭露局部為砂巖。6上煤層等厚線圖見圖4,圖中顯示在田家石畔撓曲以西,6上煤層的厚度較大,厚度在14.0～20.0 m之間,尤其在四道壕至前陽坡一帶,煤層厚度達20.0 m;而在田家石畔撓曲以東的魯家溝、西圪梁西南及東南一帶煤層厚度較薄,厚度一般在8.0～12.0 m。如前所述,此薄煤層分布區(qū)域煤質(zhì)較差,灰分產(chǎn)率均在20%以上,但就此而論,本區(qū)煤質(zhì)的優(yōu)劣似與煤層厚度有關(guān)。事實上煤層厚度的變化特點說明6上煤層形成時,泥炭沼澤的沉降中心在田家石畔撓曲以西的四道壕至前陽坡一帶。另一方面,太原組煤層形成于山麓沉積和下三角洲平原過渡帶的上三角洲平原環(huán)境。因此,認(rèn)為田家石畔撓曲以西四道壕至前陽坡一帶的厚煤區(qū)為遠離上三角洲平原分流河道的泥炭沼澤中心相沉積,故煤質(zhì)較好;而井田東部魯家溝、西圪梁西南及東南一帶薄煤區(qū)的煤層當(dāng)時為泥炭沼澤邊部相沉積,距上三角洲平原分流河道相對較近,故煤層中灰分產(chǎn)率較高,煤質(zhì)相對較差。煤質(zhì)的優(yōu)劣決定于原始泥炭沼澤形成時的微環(huán)境特征。

圖4 6上煤層等厚線圖

4.2 泥炭沼澤環(huán)境

煤巖顯微組分中的鏡質(zhì)組多形成于潮濕的還原環(huán)境,惰質(zhì)組多形成于干燥的氧化環(huán)境。所以,鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組之比(V/I)可以推斷原始泥炭沼澤的沉積環(huán)境,反映成煤沼澤的覆水程度和氣候的干濕情況。當(dāng)V/I值大于4表明泥炭沼澤強覆水,V/I值介于1～4之間表明極潮濕覆水,V/I值在0.25～1之間表明潮濕弱覆水,V/I值小于0.25代表干燥或有火災(zāi)發(fā)生的環(huán)境。根據(jù)6上煤層各分層的鏡惰比,可以將其成煤泥炭沼澤的覆水情況分3種類型:8和10分層為強覆水型;7和9分層為較強覆水型;其余分層皆為極潮濕覆水型。成煤初期覆水最深,成煤中期覆水最淺,如6、5分層,成煤后期覆水有逐漸轉(zhuǎn)深的趨勢,總體覆水情況良好。

不同的泥炭沼澤環(huán)境下形成的煤中礦物組分、灰分及微量元素具有不同地球化學(xué)特征。根據(jù)煤灰成分(K值＝(CaO＋MgO＋Fe2O3)/(SiO2＋Al2O3))比值,可以判斷泥炭沼澤是否受海水影響;根據(jù)P2O5含量可以判斷泥炭沼澤的環(huán)境特征;根據(jù)Co含量(＜3%,3%～10%,＞10%)可以判斷泥炭沼澤的類型(高、中、低);δEu和δCe用以判斷泥炭沼澤的氧化還原性。各分層的地球化學(xué)特征參數(shù)值及臨界值見表2。

表2顯示,分層3,7,10的K值大于0.23,成煤時泥炭沼澤可能曾受海水影響。Co含量只有3、10分層大于3%,為中位泥炭沼澤;其余皆小于3%,為高位泥炭沼澤。P2O5含量普遍較低,只在5、7分層內(nèi)含量大于0.1%,考慮可能為海湖相沉積環(huán)境或后期淋濾影響,不過綜合較低的硫分含量特征來看,后期淋濾作用影響可能更為明顯。

表2 煤地球化學(xué)特征參數(shù)值

煤分層中δEu均在0.60以下,表現(xiàn)出明顯的負(fù)異常,δCe在0.89～1.01之間,負(fù)異常不明顯。以往研究表明,當(dāng)沉積物中的Ce、Eu虧損時反映了一種氧化環(huán)境,而Ce,Eu富集則反映還原環(huán)境。那么原始成煤泥炭沼澤到底是還原還是氧化環(huán)境呢?6上煤層基本為低硫煤,形態(tài)硫分析顯示其多以有機硫為主,這至少反映了原始泥炭沼澤的偏還原環(huán)境,同時Ce的正常富集也表明原始泥炭沼澤沉積環(huán)境應(yīng)該是偏于還原性質(zhì),但6上煤層成煤后未曾被剝蝕出露地表遭受氧化作用,為什么Eu卻顯示了明顯的負(fù)異常呢?6上煤層夾矸中碎屑物質(zhì)可能來源于準(zhǔn)格爾煤田東北部已出露地表的沉積風(fēng)化殼,搬運至沉積盆地內(nèi)部的碎屑物質(zhì)本身已經(jīng)歷風(fēng)化作用,Ce,Eu可能已出現(xiàn)明顯虧損,但Eu不容易受風(fēng)化影響,所以基本保持了原始物源沉積環(huán)境下的虧損狀態(tài),出現(xiàn)明顯虧損。故6上煤層原始泥炭沼澤環(huán)境應(yīng)為還原環(huán)境,利于形成大量的鏡質(zhì)組組分。

4.3 變質(zhì)作用

黃玉川煤礦6上煤層為太原組上部煤層,準(zhǔn)格爾煤田自石炭二疊紀(jì)含煤巖系沉積以后,海西運動晚期,一直隆升遭受剝蝕,未接受侏羅紀(jì)的沉積,直至下白堊世,由于燕山運動的影響,造成區(qū)內(nèi)地層發(fā)生平緩的波狀褶皺和斷裂,同時在煤田北部的洼地中接受了一套內(nèi)陸開闊盆地河湖相紅色粗碎屑巖沉積,從北向南超覆于各時代地層之上。局部伴有基性玄武巖的噴發(fā)。燕山運動晚期,地殼再度上升,形成今日地貌的雛形。6上煤層現(xiàn)行埋深203.2～630.15 m,井田地層層序自下而上為下奧陶統(tǒng)亮甲山組、中奧陶統(tǒng)馬家溝組,中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組,下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組,上二疊統(tǒng)上石盒子組、石千峰組,第三系上新統(tǒng),第四系上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)的近代沉積。由于煤田周圍未有明顯巖體,煤層宏觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及顯微組分未受巖漿熱作用及動力變質(zhì)作用的明顯特征,煤層頂?shù)装寮皣鷰r亦未有大型碳酸巖脈體存在,故其成煤作用應(yīng)以深成變質(zhì)作用為主,煤層沉積后,沉積盆地含煤區(qū)域長期處于隆升狀態(tài),埋深較淺,煤變質(zhì)僅為低級煙煤階段。

5 結(jié)論

(1)6上煤層為低水、低灰、低硫和高揮發(fā)分的長焰煤,煤層變質(zhì)階段為煙煤Ⅰ階段。煤中硫以有機硫為主,全硫含量總體較低。

(2)6上煤層中有機顯微組分組以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主,顯微煤巖類型為微暗亮煤,顯微煤巖類型組屬于三合煤。煤中礦物以結(jié)晶完好的粘土礦物高嶺石為主,其次為少量硫化物、碳酸鹽和氧化物。

(3)6上煤層含煤沉積體系為上三角洲平原環(huán)境,原始泥炭沼澤覆水條件良好,為還原性中－高位泥炭沼澤,成煤時部分分層曾受海水影響。

[1] 陳鐘惠,張守良,熊文俊.內(nèi)蒙準(zhǔn)格爾旗煤田晚古生代含煤巖系的沉積和聚煤條件[J].地球科學(xué), 1984(3)

[2] 吳永輝.二水平6＃上煤層回風(fēng)大巷支護設(shè)計研究[J].陜西煤炭,2013(2)

[3] 王雙明.鄂爾多斯盆地聚煤規(guī)律及煤炭資源評價[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996

[4] 代世峰,任德貽,李生盛等.內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾黑岱溝主采煤層的煤相演替特征[J].中國科學(xué)(D輯:地球科學(xué)),2007(S1)

[5] 葉道敏,羅俊文,肖文釗等.中國西南地區(qū)煤巖顯微組分性質(zhì)成因及其應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1997

[6] 豆貫銘,馬美玲,劉東娜等.塔山井田太原組3號煤層成煤沉積環(huán)境特征[J].太原理工大學(xué)學(xué)報, 2013(4)

[7] 趙志根.含煤巖系稀土元素地球化學(xué)研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2002[8] 周國慶,姜堯發(fā),高峰等.陜西省子長礦區(qū)晚三疊世5號煤層的稀土元素和釔的地球化學(xué)特征[J].中國煤炭,2014(7)

[9] 石松林,劉欽甫,孫俊民等.準(zhǔn)格爾煤田高鋁煤層夾矸中稀土元素地球化學(xué)特征及意義[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(1)

[10] 呂大煒,劉海燕,孟彥如等.華北板塊晚古生代海侵事件沉積類型及分布[J].中國煤炭,2014 (8)

[11] 楊仁超,李文厚,韓作振等.鄂爾多斯盆地東南部石炭－二疊紀(jì)沉積體系與層序演化[J].西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006(專輯)

Characteristics of coal petrology and quality and sedimentary environment for No.6 upper coal seam in southwestern Jungar coalfield

Zhang Youhe1,Wang Xiaoming2,Liu Dongna3
(1.Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Shenmu,Shaanxi 719315,China; 2.Inner Mongolia Mining Exploitation Co.,Ltd.,Huhehaote,Inner Mongolia 030006,China; 3.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Focused on the No.6 upper coal seam of southwestern Jungar coalfield,the coal maceral,coal quality parameters,sulfur content and some tract element contents are identified. Based on the results,the characteristics of coal petrology and quality are confirmed.In further, the original peat bog sedimentary environment is analyzed according to the change of coal seam thickness and coal geochemical parameters.The results show that the No.6 upper coal seam of Huangyuchuan Coal Mine forming under the effect of plutonic metamorphismis is a kind of low metamorphic degree bituminous coal with low water,low ash,low sulfur,high volatile.Sulfur forms are mainly composed of organic sulfur,which is not easy to remove.Organic maceral groups are mainly vitrinite and inertinite,and inorganic mineral matters are mainly clay minerals of kaolinite class with high crystallinity.Coal-bearing sedimentary system was delta alluvial plain formed in middle-high peat bog with good overlying water condition,some coal layer was affected by seawater.

Jungar coal field,coal petrology,coal quality,sedimentary environment

P618.11

A

張有河(1966－),男,內(nèi)蒙呼市人,高級工程師,從事煤礦生產(chǎn)管理工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國家自然科學(xué)基金項目(41372164),國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(41103052)