銅川礦區韓古莊-演池勘探區煤質特征及沉積環境分析

張永強 侯丁根 薛海軍,2 常宇飛

(1. 陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西省西安市，710005；

煤中煤質參數不僅起到煤炭質量評價的作用，其各參數含量的變化蘊含了豐富的地質地球化學信息，對成煤沉積環境研究有著十分重要的指導意義。前人學者基于煤質參數特征，對不同時代、不同地區煤的成煤沉積環境進行探討、研究，為含煤巖系古地理及沉積環境特征研究提供了新的、有效的方法。研究區位于有“渭北黑腰帶”之稱的渭北煤田的西部，煤炭資源豐富，是我國主要煤炭產地，煤類以瘦煤、貧瘦煤為主，以往研究僅對區內煤質特征進行了歸納總結，而對煤質參數，特別是硫分、灰分的成因及與沉積環境關系的研究相對較少。以研究區地質勘探時期取得的煤層煤質分析數據為基礎，對區內主要煤層煤質參數特征進行了分析，討論了原始成煤沉積環境特征，以期為該區煤炭資源綜合開發利用提供理論指導。

1 研究區概況

勘查區位于鄂爾多斯盆地西南緣，整體為傾向北西的單斜構造，北部地層傾角為6°～8°。區內主要含煤地層為石炭系太原組，為一套主要由泥巖、砂質泥巖、砂巖、石灰巖及煤組成的海陸交互相沉積地層，含煤層6層，主要可采煤層2層，為5#煤層和10#煤層；零星可采煤層2層，為4#煤層和10上煤層，10#煤層底部發育一層較穩定的鋁土質泥巖，作為太原組與下伏奧陶系地層的分界標志，如圖1所示。

圖1 研究區地層綜合柱狀示意圖

2 煤質特征

2.1 煤巖特征

5#、10#煤層煤巖特征如表1所示。由表1可知，區內5#、10#煤層的平均鏡質組反射率均為1.71%，表明區內煤層變質程度一致，為中等變質階段煙煤。宏觀煤巖類型方面，5#、10#煤層以半亮煤為主。各煤層有機總量及有機顯微組分鏡質組相差不大，均大于90%和70%。10#煤層礦物質含量高于5#煤層，且均以粘土類及氧化物為主。另外，二者碳酸鹽含量相差較大，這可能與二者不同的成煤環境有關。

2.2 化學性質特征

5#、10#煤層各樣品灰分含量和硫分含量見圖2，煤質特征見表2。由此可知，平面上，區內5#、10#煤層水分變化范圍為0.61%～1.43%，均為特低全水分。灰分變化范圍為13.36%～19.83%，為低灰煤(參照《煤炭質量分級》(GB/T15224.1-2010))。各煤層煤的干燥無灰基揮發分變化不大，主要變化范圍位于15.08%～19.89%，總體屬于低揮發分煤，這與鏡質組反射率反映的各煤層變質程度接近的結果一致。硫分變化范圍為1.47%～7.39%，屬中-高硫煤，其中5#煤層以中-中高硫煤為主，分布少量高硫煤，10#煤層為全層高硫煤。

圖2 5#、10#煤層各樣品灰分、硫分含量

煤層編號樣品數/個Ro,max/%有機總量/%有機顯微組分/%鏡質組惰質組礦物質含量/%粘土類硫化物碳酸鹽氧化物5#41.70～1.721.7193.69～95.0194.1273.85～74.8874.4618.93～19.7319.264.77～5.805.130.80～1.100.930.23～1.620.802.44～5.523.7810#51.70～1.721.7193.87～95.7094.5578.10～79.5078.6415.80～16.2016.073.50～4.203.990.80～1.701.301.48～6.373.905.29～7.726.46

表2 煤層煤質特征表

3 煤質特征與沉積環境關系分析

3.1 煤中硫與沉積環境關系

3.1.1 硫分的空間分布規律

5#、10#煤層硫含量平面分布特征如圖3所示。由圖3可以看出，平面上，5#、10#煤層硫含量分布特征基本一致，呈由西北向東南逐漸遞增的趨勢；垂向上，硫含量隨著煤層埋深的增加呈增大的趨勢，且同一煤層不同鉆孔的全硫分含量差異較大。綜上，研究區內煤層中硫含量的空間分布具有“上低下高、東高西低”的特征。

圖3 硫含量平面分布特征

形態硫測試數據顯示，各煤層煤中的硫以黃鐵礦硫為主，其次為有機硫，硫酸鹽硫含量極少，其中5#煤層有機硫、無機硫平均占比分別為30.59%、66.82%，10#煤層有機硫、無機硫平均占比分別為26.67%、72.54%，且黃鐵礦硫平均值與全硫分平均值的縱向變化規律趨于一致，如圖1所示。黃鐵礦硫含量與全硫分含量呈明顯線性正相關，如圖4所示，而有機硫含量與全硫分含量之間的相關性不明顯，如圖5所示，說明黃鐵礦硫是引起煤層硫分高的主要原因，即本區高硫煤中的硫為無機成因。

圖4 黃鐵礦硫含量與全硫含量的變化關系

圖5 有機硫含量與全硫含量的變化關系

3.1.2 煤中硫與沉積環境關系

不同煤層硫分含量在縱向上的遞變規律可以實際反映不同地質歷史時期形成的煤層受海水活動影響的強弱程度。區內干燥基全硫分平均值縱向上表現為隨著煤層埋深的減小，煤系地層中硫的含量呈逐漸降低的趨勢，其中上部的5#煤層干燥基全硫分平均值相對較低，為2.54%，10#煤層干燥基全硫分平均值明顯增大，平均值達到5.76%。說明上部的5#煤層受海水影響程度較小，而10#煤層受海水影響程度較大。

同時根據勘探時期鉆孔巖心編錄資料，煤系地層上部的5#煤層上下巖性以粉砂巖、砂質泥巖等碎屑巖為主，下部地層巖性以海侵體系域的鋁土質泥巖、石英砂巖、煤層、泥巖、粉砂巖為主，同時發育多層泥質灰巖(10#煤層頂部)，各煤層中硫的含量在泥質灰巖消失后減小幅度明顯增大。據此推測，10#煤層底部灰巖形成后海水迅速退卻，之后依次形成上部煤層，沉積環境由潮坪相逐漸過渡到碳酸鹽臺地。即10#煤層成煤沉積環境屬瀉湖、潮坪環境海進成煤，5#煤層成煤沉積環境屬潮坪、障壁島環境海退成煤，10#煤層頂部的泥質灰巖即為二者成煤環境的過渡層。根據各煤層硫含量的水平分布特征，推斷海退方向為由東南向西北。

前人研究表明，形成于淺水潟湖—潮坪體系的中高硫煤中黃鐵礦硫一般占全硫的50%～80%，研究區內各煤層硫分中黃鐵礦硫所占比例變化范圍為66.82%～72.54%，黃鐵礦硫占全硫比重較大，進一步說明了研究區成煤沉積環境應屬于淺水潟湖—潮坪體系。

3.2 煤中灰分與沉積環境關系

3.2.1 灰分的空間分布規律

煤中灰分主要來自于成煤環境中的外來物質(包括成煤期混入和后期變質作用帶入)，其含量變化與沉積期的古地理環境有一定聯系，總體規律是由海向陸呈漸次遞增的特點，可作為判斷成煤沉積環境的輔助方法。

5#、10#煤層灰分含量平面分布特征如圖6所示。由圖6可以看出，平面上，5#、10#煤層灰分含量變化較一致，均表現為由西北向東南呈遞減的趨勢。剖面上，10#煤層灰分含量較5#煤層低，即隨著煤層埋深的增加，灰分含量逐漸降低，總體上研究區內灰分空間分布特征大致呈“上高下低、西高東低”的特點，與硫分含量的空間變化趨勢相反。

根據煤中灰分高低與成煤環境受陸源物質影響強弱的對應關系可推測，5#煤層受海水影響較小，泥炭沼澤距物源區較近，造成灰分偏高，而10#煤層在海水覆蓋下形成，距物源區較遠，導致灰分偏低。綜上所述，研究區下部煤層受海水影響大于上部煤層，東部煤層受海水影響大于西部煤層，這與依據硫分分布特征所得結論相吻合。

圖6 灰分含量平面分布特征

3.2.2 煤中灰成分的沉積環境控制

煤中常量元素Si、Al、Mg、Ca、Fe、Na、K、Ti等元素是灰分的主要組成部分，不同灰成分含量及構成特征代表不同的遷移、沉淀條件，在一定程度上反映了不同的泥炭聚集介質條件，因此多數學者利用(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)灰成分指數特征進行煤層沉積環境的判別，并取得了較好的效果。研究區煤層灰成分組成上均以Fe2O3、SiO2、Al2O3為主，MnO2、P2O5的含量最低；其中10#煤層Fe2O3含量顯著高于5#煤層，這與10#煤層高硫、高硫化鐵硫的特點相符。

統計研究區5#、10#煤層的灰成分指數平均值分別為0.15、0.54。前人研究認為，灰成分指數變化于0.03～0.22之間屬較弱還原型，變化于0.23～1.23之間則屬較強還原型。因此，區內10#煤層成煤環境屬于較強還原型，而5#煤層成煤環境為較弱還原型。

程偉等通過煤灰成分三角端元圖解法對成煤環境進行了剖析，認為3個灰成分端元百分含量實際反映了聚煤環境的不同介質條件，接近SiO2+Al2O3端元反映粘土礦物為代表的陸源礦物類型，多與淡水介質注入有關；接近CaO+MgO端元反映煤中鈣鎂礦物含量較高，屬半潮濕氣候條件下的弱氧化—弱還原環境，且堿度相對較高，Ca2+、Mg2+等易于沉淀；接近Fe2O3+SO3端元表明煤中硫鐵礦含量較高，一般代表相對閉塞的局限沼澤環境。

本次研究借鑒上述方法，利用灰成分測試數據，見表3，對研究區內煤層成煤環境進行了進一步分析，得出煤灰成分三角端元圖見圖7。

圖7 灰成分三角端元圖

區內SiO2+Al2O3組分在兩個分組中含量差異明顯，5#煤層中含量相對較高，一般變化于72.94%～81.78%之間，10#煤層含量相對較低，一般變化于54.63%～64.06%；Fe2O3+SO3組分在兩組中含量差異亦明顯，5#煤層含量明顯低于10#煤層；CaO+MgO組分在兩組中含量相差不大，含量均小于5%。據此可知，5#煤層代表還原性較弱的聚煤環境，而且總體上可能更接近陸源區，10#煤層聚煤環境則處于覆水較深、水動力較弱而還原性較強的環境，為沼澤成煤，這與硫分作為成煤環境判別取得的認識一致。

表3 5#、10#煤層灰成分含量表

4 結論

(1)研究區各煤層均為中等變質階段煙煤，宏觀煤巖類型均以半亮型煤為主。化學性質以中灰煤、低揮發分、中—高硫分為特征，其中5#煤層以中高硫煤為主，10#煤層為全層高硫煤。

(2)各煤層硫分分布具有“上低下高、東高西低”的特點，形態硫數據分析表明，煤中硫以黃鐵礦硫為主，表明煤層硫分主要是無機硫作用的結果。灰分分布變化趨勢與硫分相反。說明研究區受海水影響具有自上而下、自西向東逐漸增強的特點。灰成分指數以及灰成分端元分析結果與硫分、灰分分析結論一致。

(3)研究區10#煤層成煤沉積環境屬較強還原型的潟湖、潮坪環境海進成煤，5#煤層成煤沉積環境屬較弱還原型的潮坪、障壁島環境海退成煤，10#煤層頂部的泥質灰巖為二者成煤環境的過渡層。