陜北石炭–二疊紀富油煤賦存特征及影響因素

姚 征，羅乾周，李 寧，李華兵，王 強，高 駿

(1.陜西省地質調查院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦產地質調查中心，陜西 西安 710068)

我國能源稟賦特點為“相對富煤、貧油、少氣、缺鈾”[1]。面對國內油氣對外依存度持續攀升的不利局面和全球二氧化碳排放對生態系統的巨大威脅，立足我國煤炭資源優勢，推動煤炭清潔高效利用已然成為保障國家能源安全和實現我國碳達峰、碳中和目標的戰略選擇[2-3]。富油煤是一種高焦油產率的特殊煤炭資源[4-5]，經熱解可生成焦油、煤氣和半焦，進一步轉化可形成清潔燃料、特種油品、精細化工產品和氫氣資源[6-7]，從而實現燃料向“燃料+原料”“高碳”向“低碳”的綠色轉變。因此，查明我國富油煤賦存規律對合理布局低階煤分質利用產業、有效提升油氣供應能力和推進碳達峰、碳中和具有重要意義[8]。

陜北石炭–二疊紀煤田的煤炭資源量大質優，包括古城、府谷和吳堡等3 個國家煤炭規劃礦區。當前，針對該區富油煤賦存特征欠缺全面研究，這在一定程度上限制了富油煤清潔高效利用?；诿禾靠辈橘Y料和樣品測試結果，筆者以陜北石炭–二疊紀煤田典型礦區可采煤層為研究對象，以煤焦油產率為切入點，從垂向發育和橫向展布視角，探討富油煤時空分布規律，分析富油煤賦存影響因素，旨在為典型礦區富油煤資源綜合勘查、遠景預測、精準開采和高效利用提供地質依據。

1 研究區地質概況

陜北石炭–二疊紀煤田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡與晉西撓褶帶的結合部位(圖1a)，以中部佳縣一帶為界，分為北部古城礦區、府谷礦區與南部吳堡礦區[9-10]。研究區構造簡單，為一走向NNE–近NS、傾向西的平緩單斜，傾角1°～5°，主要發育張性正斷層和小型褶曲。古城–府谷礦區以近NS 向撓褶帶為主要構造，發育近EW 向開闊平緩褶曲、NW向清水川正斷裂組和近EW 向孫家溝正斷裂組(圖1b)。吳堡礦區整體呈西傾單斜構造，發育離石–吳堡短軸傾伏背斜及伴生小型褶曲，斷裂構造包括近EW 向的柳壕溝地塹式斷層組和吳堡城地塹式斷層組(圖1c)[11-12]。區內發育地層由老至新依次為奧陶系下–中統馬家溝組；石炭系上統本溪組，石炭系上統–二疊系下統太原組，二疊系下統山西組、中上統石盒子組、上統孫家溝組；三疊系下統劉家溝組、和尚溝組，中統二馬營組；侏羅系下統富縣組；新近系和第四系。

2 含煤地層及煤層性質

2.1 煤層特征

研究區屬于鄂爾多斯盆地東緣撓曲賦煤帶，主要含煤地層為太原組與山西組[9]。古城–府谷礦區太原組厚度51.23～121.30 m，一般為80 m，含煤層4～9層，可采煤層自上而下為5 至11 煤，古城礦區主要可采煤層為8、9 煤，府谷礦區主要可采煤層為6 至9 煤；山西組厚度18.84～105.13 m，平均為58.57 m，含煤層1～7 層，古城礦區主要可采煤層為4 煤，府谷礦區主要可采煤層為3、4 煤。吳堡礦區太原組厚度約66.10～96.74 m，一般為70 m，含煤層2～8 層，可采煤層自上而下為T3、T1上、T1煤；山西組厚度約16.01～85.93 m，平均為54.84 m，含煤層2～8 層，可采煤層自上而下為S3、S2、S1煤，主要可采煤層為T1、S1煤(表1)。

表1 研究區可采煤層發育特征Table 1 Development characteristics of mineable coal seams in the research area

2.2 煤巖特征

根據以往煤炭勘查資料統計分析可知(表2)：古城礦區可采煤層宏觀煤巖組分以亮煤和暗煤為主，宏觀煤巖類型主要為半亮煤和半暗煤；有機顯微組分以鏡質組為主，次為惰質組，殼質組少量，無機礦物以黏土礦物為主，次為碳酸鹽礦物；各煤層鏡質體最大反射率(Rmax)為0.58%～0.82%。府谷礦區可采煤層宏觀煤巖組分以暗煤和亮煤為主，宏觀煤巖類型主要為半暗煤、半亮煤；有機顯微組分整體以鏡質組為主，惰質組含量較高，殼質組少量；無機礦物以黏土礦物為主；各煤層鏡質體最大反射率為0.54%～0.67%。吳堡礦區可采煤層宏觀煤巖組分以亮煤為主，宏觀煤巖類型主要為半亮煤，其次為光亮煤；有機顯微組分均以鏡質組為主，惰質組次之，殼質組含量極低；無機顯微組分主要為黏土礦物；各煤層鏡質體最大反射率為1.10%～1.50%。

表2 可采煤層煤巖顯微測試結果Table 2 Microscopic test results of macerals and minerals in mineable coal seams

以進一步了解煤的顯微組分特征為目標，依據GB/T 482—2008《煤層煤樣采取方法》，針對府谷礦區馮家塔煤礦、海則廟煤礦現采煤層進行樣品采集，包括煤巖樣品5 件、頂底板樣品各4 件與夾矸樣品1 件(表3)。為了避免樣品污染和氧化，采集完畢的樣品立即密封保存。

表3 府谷礦區煤層樣品采集情況Table 3 Sample collection of coal seams in Fugu Mining Area

依據GB/T 15588—2013《煙煤顯微組分分類》與GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》，進行煤的顯微組分鑒定。結果表明：府谷礦區煤層顯微組分組以鏡質組為主，體積分數為31.3%～69.0%，基質鏡質體以平均體積分數約39%占據主導地位，次為均質鏡質體和結構鏡質體，團塊鏡質體和膠質鏡質體少量；惰質組是次要顯微組分組，其中，絲質體為主要顯微組分，其體積分數為6.5%～30.8%，碎屑惰質體和半絲質體次之；殼質組體積分數為3.9%～5.2%，主要為孢子體和角質體，樹脂體少量；無機礦物均以黏土礦物為主。

2.3 煤質特征

研究區可采煤層的原煤工業分析均值結果表明：古城礦區灰分為 21.04%～22.16%，揮發分為38.11%～39.53%，全硫為0.61%～2.01%；府谷礦區灰分為16.96%～30.10%，揮發分為39.30%～43.06%，全硫為 0.50%～3.04%；吳堡礦區灰分為 17.08%～21.96%，揮發分為22.58%～28.95%，全硫為0.47%～2.33%(表 4)。依據 GB/T 15224.1—2018、GB/T 15224.2—2010《煤炭質量分級》和MT/T 849—2000《煤的揮發分產率分級》可知：研究區各煤層以中灰煤為主，低灰煤次之，府谷礦區太原組第三段5 至7 煤的灰分較低，第二段和第一段的9 至11 煤的灰分偏高。古城–府谷礦區各煤層以高揮發分為顯著特征，且府谷礦區煤的揮發分相對更高，吳堡礦區煤的揮發分產率最低，山西組煤層的揮發分均值超過28%，屬于中高揮發分煤，太原組煤層為中等揮發分煤，表現出煤的揮發分隨成煤時間由早至晚逐漸升高的特征。研究區山西組為河湖交替相含煤沉積，其煤層主要為特低硫煤和低硫煤，形成于海陸交互環境下的太原組沉積建造，因受海水影響程度較高，其煤層以中硫煤為主，且下部煤層硫分相對偏高。

表4 可采煤層工業分析結果Table 4 Prximate analysis of mineable coal seams

3 富油煤時空分布規律

3.1 煤焦油產率變化特征

根據《礦產資源工業要求手冊(2014 修訂版)》煤炭焦油產率(Tard)分級，煤炭分為含油煤(＜7%)、富油煤(7%～12%)和高油煤(＞12%)[4]。因此，為了探討陜北石炭–二疊紀煤田典型礦區富油煤賦存特征，首先要分析各煤層的焦油產率特征。通過匯總分析研究區可采煤層原煤格金低溫干餾實驗數據可知(表5)，不同礦區的煤焦油產率存在顯著的時空差異性。

古城礦區：各可采煤層的原煤焦油產率變化范圍為4.14%～13.86%，均值為9.22%～11.60%，9 煤焦油產率的平均水平最高、變化區間較小，具有高焦油產率和高穩定程度的特征；4、8 煤焦油產率呈現相反規律，其波動幅度大、標準偏差高(3.0%～3.2%)，顯示煤焦油產率具有相對較強的空間離散性(圖2a)。

圖2 可采煤層原煤焦油產率對比Fig.2 Comparison of raw coal tar yield of mineable coal seams

吳堡礦區：各可采煤層以低焦油產率為特征。太原組煤焦油產率變化范圍為1.41%～9.43%，均值處于5.15%～6.66%，煤焦油產率隨成煤時間由早至晚逐漸增高，T1上煤焦油產率的標準偏差最低(1.1%)。山西組煤焦油產率相對有所提升，但仍以低于7%為主，均值處于 6.65%～6.89%，標準偏差為1.6%～1.7%(圖2b)。

府谷礦區：各可采煤層的原煤焦油產率垂向變化特征明顯。太原組煤焦油產率處于 4.36%～16.57%，均值為8.49%～11.02%，第三段煤層較第一、二段煤層具有更高的焦油產率、更小的波動幅度和更低的標準偏差，7 煤焦油產率均值最高、標準偏差最低(1.5%)、特征優勢最強。山西組煤焦油產率為2.59%～16.27%，均值為9.15%～10.68%，較太原組煤層有所降低，就煤焦油產率均值和穩定性而言，2 煤最佳，4 煤次之，3 煤較差(圖2c)。

綜合而言，研究區煤焦油產率呈現北高南低趨勢，古城–府谷礦區明顯優于吳堡礦區。府谷礦區2、4、7、8 煤焦油產率在平均水平和穩定程度方面具有雙重優勢，其他煤層的焦油產率標準偏差大多高于2%。古城礦區各煤層焦油產率均值較府谷礦區偏高，但其空間穩定性較差、各向異性明顯。

除焦油產率外，半焦和煤氣產率也是提升富油煤清潔高效利用程度的重要指標。分析表明(表5)：古城礦區4、8、9 煤的半焦產率和煤氣+損失量均值分別為74.10%～75.43%、9.20%～10.46%，均高于府谷礦區內橫向可對比煤層。府谷礦區煤層特征垂向分析顯示太原組第三段煤層具有相對較低的半焦產率和偏高的煤氣產率特征，區內9、10、11 煤的半焦產率最高。

表5 可采煤層原煤格金低溫干餾實驗結果Table 5 Test results of low temperature dry distillation of raw coal of mineable coal seams

因此，通過精準開采與合理熱解，可從古城–府谷礦區富油煤中較好地回收煤焦油、煤氣和生產清潔半焦，這能夠在一定程度上為我國稀缺的油氣、焦煤和無煙煤資源提供重要補充[13]。

3.2 富油煤差異分布特征

根據典型礦區不同煤層的焦油產率數據，可以得出各礦區可采煤層的富油煤分布特征(圖3、圖4)。

古城礦區：4、8 煤的富油煤發育呈環帶狀，煤的富油性自古城井田(圖3 注釋①)核部向邊部依次為高–富–含–富–高；9 煤的富油煤發育呈塊狀，高油煤大面積分布在礦區東北部和西北部，含油煤集中于礦區南部小范圍地區。4、8 和9 煤均以富油煤為主，其分布面積占比依次約為82%、80%和78%，含油煤和高油煤分別在8、9 煤中發育程度最高，分布面積占比約為15%和19%(圖5)。

府谷礦區：3、4 煤整體以發育富油煤為主，其分布面積占比均在89%左右，含油煤相對集中分布在段寨井田(圖3 注釋③)中東部，3 煤在西王寨井田(圖3 注釋④)和沙川溝井田(圖3 注釋⑧)大部發育高油煤，4 煤主要在馮家塔井田(圖3 注釋⑤)西部邊緣發育較廣，在沙川溝井田和西王寨井田呈星點狀分布。7 煤焦油產率均值最高，在全區廣泛發育富油–高油煤，高油煤分布面積占比高達23%，以段寨井田和沙川溝井田連片分布為特征。8 煤焦油產率均值次于7 煤，焦油產率自礦區中部向兩側變大，富油煤呈連片狀分布，高油煤主要分布在馮家塔井田東部。相比上部煤層，9、11 煤焦油產率有所降低，含油煤發育程度明顯升高，分布面積占比分別可達到16%和21%，主要分布在堯峁井田(圖3 注釋②)和段寨–西王寨–馮家塔井田局部。

圖3 古城–府谷礦區富油煤分布特征Fig.3 Distribution characteristics of tar-rich coal in Gucheng-Fugu Mining Area

吳堡礦區：S1、T1上、T1煤焦油產率均值小于7%，各煤層以發育含油煤為主，S1煤的富油煤分布面積占比約28%，而T1上、T1煤幾乎全區發育含油煤，僅存在個別高值異常(圖4、圖5)。S1煤的富油煤分布在橫溝井田(圖4 注釋①)中部–東南部和柳壕溝井田(圖4 注釋②)中部，連片性相對較差。

圖4 吳堡礦區富油煤分布特征Fig.4 Distribution characteristics of tar-rich coal in Wubu Mining Area

圖5 可采煤層中不同焦油產率煤分布面積占比Fig.5 The proportion of coal distribution area with different tar yield in mineable coal seams

4 富油煤賦存影響因素

4.1 煤化程度

鏡質體反射率可反映煤化程度。以研究區可采煤層的鏡質體最大反射率范圍為統計區間，對比不同焦油產率煤的發育頻率。結果表明：隨著鏡質體反射率(Rmax)由0.50%增至1.70%，含油煤發育頻率的變化次序為11%、60%、80%、100%，富油煤發育頻率為83%、30%、20%、0。因此，陜北石炭–二疊紀煤田典型礦區富油煤的發育上限為Rmax=1.20%，高油煤的發育上限為Rmax=0.90%(圖6)。

圖6 Rmax 與不同焦油產率煤發育頻率關系Fig.6 Development frequency of coal with different tar yield in various Rmax ranges

隨著煤化程度由低至高，煤中脂肪側鏈和縮合芳香環的數量此消彼長[14]，脂肪側鏈數量的減少導致煤中氫元素含量和揮發分產率降低，進而使同一熱解條件下煤焦油產率相應下降。因此，煤化程度是影響富油煤賦存特征的重要因素，其從有機質熱演化角度最終定位了富油煤的發育潛力，中低階煤分布區域是富油煤賦存的極大有利區，這正是陜北石炭–二疊紀煤田北部古城–府谷礦區(Rmax均值為0.59%～0.75%)富油煤資源前景高于南部吳堡礦區(Rmax均值為1.14%～1.39%)的根本原因。

4.2 成煤物質

低至較低煤化程度是富油煤賦存的先決條件，但兩者并不存在對等關系。在此變質階段，仍會存在一定程度的含油煤。究其原因，煤中殼質組和鏡質組等生油組分，即富氫組分，無疑從物質基礎上對煤焦油產率產生決定作用。煤的顯微組分熱解試驗表明，殼質組的生烴潛力是鏡質組的4 倍，是惰質組的10 倍，基質鏡質體是鏡質組中生烴潛力最好的組分[15]。相關分析表明：在同等煤化程度下，煤焦油產率與活性組分(鏡質組+殼質組)含量的正相關性最高，與鏡質組、惰質組含量分別呈正、負相關關系；由于研究區煤中殼質組含量普遍較低，相比而言，含量偏高的鏡質組對煤焦油產率的影響作用更強，且作為無結構鏡質體的亞組分，基質鏡質體和均質鏡質體對煤焦油產率形成了明顯的正向促進作用(圖7)。因此，從成煤物質角度而言，煤中高含量的富氫組分是煤具有高焦油產率的重要基礎，較高的鏡質組、殼質組及氫元素含量、H/C原子比和揮發分產率均可作為高焦油產率煤的指示因素。此外，古城–府谷礦區太原組煤焦油產率較山西組偏高。這一現象可能源于太原組為海陸交互相含煤沉積，其成煤物質除了大量的植物遺體外，還包括對生烴具有一定促進作用的浮游生物。

圖7 有機顯微組分與煤焦油產率的相關關系Fig.7 Correlation between organic macerals and tar yield

4.3 沉積環境

上述表明，以鏡質組為主的高富氫組分含量有利于富油煤賦存。鏡質組是成煤植物遺體在覆水還原環境下的產物，而惰質組主要形成于缺水多氧、森林火災或微生物腐解等條件，故鏡惰比(V/I)在一定程度上可以反映成煤環境的氧化還原程度及成煤期的溫度、濕度等古氣候條件，一般V/I小于1.0 反映成煤泥炭曾暴露于氧化環境[16-17]。研究顯示(圖8)，鏡惰比與煤焦油產率呈一定正相關性。因此，在高鏡惰比指示的溫暖、潮濕和高還原程度的條件下，煤焦油產率相應偏高，這意味著成煤環境的還原程度越高，富油煤的賦存潛勢越佳。

圖8 鏡惰比(V/I)與煤焦油產率的相關關系Fig.8 Correlation between V/I and tar yield

煤中無機礦物的類型和含量、煤的灰分產率及灰成分特征能夠指示成煤環境和沉積介質。同生礦物是泥炭堆積期及早期成巖作用階段在煤中形成的礦物，可以反映泥炭沼澤的地球化學條件：高嶺石一般代表酸性介質條件，黃鐵礦一般出現在與海相沉積關系密切的煤層里，可以代表強還原介質條件，菱鐵礦是較缺氧條件下的產物[18-19]。煤中高含量的碎屑礦物可以反映泥炭沉積時受到了較強的外界水流作用影響。煤的灰分是煤中礦物質在煤完全燃燒過程中經過一系列分解、化合反應后的產物，其在一定程度上可以反映泥炭沼澤的水位變化、河道沉積的影響、河流溢岸作用的程度以及碎屑物質的注入量，高灰分通常指示泥炭沼澤的水動力條件流動性強[17,20-21]。灰成分中不同氧化物的含量可以定性反映成煤環境的變化：CaO 和MgO 的含量反映了煤中鈣鎂礦物的比重，其值越大，指示泥炭沼澤的堿度越高；高含量的Fe2O3、SO3表明煤中含有較多的硫鐵礦，可以反映高還原程度、相對閉塞的泥炭沼澤環境[22-24]。

研究區煤炭勘查資料與樣品X 射線衍射分析結果顯示：煤中無機礦物主要為同生黏土礦物，以高嶺石為主，其次為石英、方解石等碎屑礦物；太原組煤中黃鐵礦含量偏高，山西組煤中含少量菱鐵礦；灰成分以SiO2為主，Al2O3次之。分析表明，煤焦油產率與石英、黏土礦物、灰分產率呈較強的負相關性(圖9)，與灰成分中CaO+MgO、CaO、SO3含量呈一定正相關性(圖10)。綜合而言，靠近陸源區、較強的水動力條件和頻繁的無機沉積作用會導致泥炭沼澤中有機質豐度降低和氧化程度增強，這會對富油煤賦存產生一定的制約；而沉積環境的閉塞、還原和堿性程度越高，越適宜高焦油產率煤的形成。

圖9 無機組分與煤焦油產率的相關關系Fig.9 Correlation between inorganic component and tar yield

圖10 灰成分中氧化物含量與煤焦油產率的相關關系Fig.10 Correlation between oxide content of ash composition and tar yield

5 結論

a.陜北石炭–二疊紀煤田可采煤層焦油產率均值呈北高南低分布特征，古城礦區為9.22%～11.6%，府谷礦區為 8.49%～11.02%，吳堡礦區為 5.15%～6.89%。古城礦區煤焦油產率標準偏差最高，可達3%左右，府谷礦區煤焦油產率的空間穩定性相對較高。

b.研究區富油煤時空分布特征差異明顯。古城礦區富油煤分布以環帶狀為主，府谷礦區含油煤呈分散狀發育于富油煤之間，吳堡礦區整體發育含油煤，富油煤僅局部少量分布，高油煤不發育。府谷礦區7 煤屬富油–高油型，煤焦油產率最高，高油煤發育程度最佳，區內3、4、8 煤和古城礦區9 煤的富油–高油煤分布面積占比均超過94%。

c.隨著煤化程度升高，富油煤發育頻率降低，中低階煤分布區域是富油煤賦存的極大有利區。陜北石炭–二疊紀富油煤在古城–府谷礦區最具資源優勢。

d.煤焦油產率的正相關因素包括活性組分、鏡質組、氫元素及灰成分中鈣、鎂、硫氧化物含量、鏡惰比、H/C原子比和揮發分產率，負相關因素包括煤中惰質組、石英、黏土礦物含量和灰分產率。沉積環境的閉塞、還原和堿性程度越高，越利于富油煤的生成和賦存。

e.古城–府谷礦區富油煤資源潛力巨大，通過合理開發利用，能夠極大回收煤焦油和生產清潔半焦，建議進一步加強區內富油煤精細開采、高效利用和深部預測，為陜北煤基油氣資源提供地質保障。