吐哈盆地大南湖礦區煤巖煤質特征及成煤環境分析

何建國，張 靜，馬 榮，項歆璇

(1.江蘇地質礦產設計研究院(中國煤炭地質總局檢測中心)，江蘇省徐州市，221006；2.中國煤炭地質總局煤系礦產資源重點實驗室，江蘇省徐州市，221006;3.中國礦業大學(北京)，北京市海淀區，100083)

我國煤炭資源豐富，從能源消耗占比來看，煤炭在一段時間內仍將占據我國化石能源消耗的主體地位。黨的十九大以來，隨著生態文明建設大力推進以及“雙碳”目標的制定，以煤制油、煤制氣、潔凈煤發電為代表的綠色、清潔、高效利用，必將成為煤炭清潔高效利用的主要方向[1-2]。煤巖煤質及煤相特征決定了煤的不同加工轉化工藝和工業用途，煤相的研究有助于掌握區域內的成煤條件、成煤過程及成煤物質等特征[3]，通過對煤質化學性質綜合性能的深入研究，有助于實現煤炭的潔凈利用。

吐哈盆地是吐魯番凹陷(即吐魯番盆地)和哈密凹陷(即哈密盆地)的統稱，位于新疆北部東天山地區，區域煤炭資源豐富，是我國重要的煤炭資源基地[4]。大南湖礦區位于吐哈盆地南緣大南湖凹陷內，目前已有的研究主要集中于古生物、煤層對比和水文地質等方面[5-6]，對于大南湖煤質、煤巖特征及煤相分析研究得相對較少。為此，筆者以大南湖煤礦25號煤層采樣為研究對象，分析通過分析其煤質、煤巖和煤相特征，劃分煤相特征，探討成煤聚煤規律，為區域煤炭資源的綜合利用和評價提供了可靠依據。

1 地質概況

吐哈賦煤帶位于新疆東部、天山山脈之中，呈近東西向狹長扁豆狀，面積約為4.9萬km2，是我國海拔最低的內陸山間盆地，盆地處于伸張發育階段，主要發育沖積扇、三角洲、湖泊沉積體系。大南湖煤田位于吐哈盆地南緣、東南緣大南湖凹陷，呈東西向-北東向展布。地貌特征東高西低，構造形態為斜列式復式向斜構造，北翼被斷層破壞；東部為緊閉向斜褶皺，大南湖區為開闊式褶皺[7-8]。鉆孔資料顯示主要地層包括：新白堊系-古近系鄯善群(K2-E)、侏羅系中統西山窯組(J2x)、石炭系上統梧桐窩子組(C2wt)。侏羅系中統西山窯組是該區的主要含煤地層，根據巖性特征，可分為上段、中段、下段，中段為全區主要含煤層段，含煤29層，煤層總厚度36.47～143.39 m，可采煤層23層，其中15號、23號和25號煤層為全區可采的穩定煤層，25號煤層平均煤厚度為9.55 m[9]。

2 樣品采集和分析方法

根據國家標準《煤層煤巖采樣方法》(GB 482-1985)要求和方法，從煤層頂到煤層底刻槽采集大南湖礦區二礦主采煤層25號煤層樣品共計34件，其中煤樣31件、夾矸樣1件、頂底板樣各1件，采后將樣品裝入采樣袋包裝密封送至實驗室。

首先，在采集樣品及其制備前，對樣品進行了宏觀特征描述和宏觀煤巖類劃分；然后，對樣品進行室內檢測試驗，測定水分、灰分、揮發分和全硫含量等工業分析參數；最后，利用X射線熒光光譜(XRF)分析煤中常量元素的種類及含量，利用偏光顯微鏡進行顯微煤巖組分分析，確定煤巖類型，大南湖二礦25號煤層樣品測試分析成果見表1。

表1 大南湖二礦25號煤層樣品測試分析成果 %

續表1

3 結果與討論

3.1 煤質特征

工業分析結果表明，25號煤層煤樣屬于特低灰分、高揮發分、特低硫煤。原煤水分(Mad)13.19%～21.17%，平均值18.18%，垂向上變化不明顯，上部煤層水分含量整體略低于下部煤層；原煤灰分(Ad)含量5.88%～40.47%，平均值9.36%，垂向上變化不明顯，僅DNH05、DNH06及DNH09出現異常高值，按照《煤炭灰分分級》(GB/T15224.1-2010)，25號煤層為特低灰煤；原煤揮發分(Vdaf)產率32.08%～47.08%，平均值37.49%，按照《煤炭揮發份分級》(MT/T849-2000)，25號煤層屬于高揮發份煤，揮發分在煤層的上部較高，下部較低；原煤全硫(St.d)含量0.07%～1.78%，平均值0.59%，按照《煤炭硫分分級》(GB/T 15224.1-2010)，25號煤層屬于低硫煤。

形態硫測試表明，25號煤中硫分以黃鐵礦硫為主，煤層下部硫含量增高，其次為有機硫，靠近底板處，有機硫出現異常高值，黃鐵礦硫和有機硫為煤分層硫含量的主要成分。

3.2 顯微組分含量特征

由表1可以看出，大南湖礦區25煤層煤巖顯微組分有機質含量高，平均含量達到93%以上。有機質以惰質組分為主，次為鏡質組，殼質組占比最低；無機組分以粘土、氧化硅礦物為主。惰質組含量較高，其值為32.3%～91.3%，平均值為64.7%，主要以半絲質體為主；鏡質組含量較低，其值為6.1%～65.6%，平均值為30.1%；殼質組比例最少，其值為0.4%～5.6%，平均值為2.4%。大南湖礦區惰質組含量偏高主要是由于西北地區侏羅紀煤大部分屬于低變質程度的煙煤，富含惰質組組分[10]。

惰質組以半絲質體為主，其次為碎屑惰質體和氧化絲質體(多呈碎片狀)，再次為粗粒體及微粒體，偶見火焚絲質體。惰質組顯微煤巖組分特征如圖1所示。

圖1 惰質組顯微煤巖組分特征

鏡質組以基質鏡質體為主(可見其中分布碎屑惰質體、小孢子體、薄壁角質體等)，結構鏡質體和均質鏡質體次之，偶見團塊鏡質體，鏡質組顯微煤巖組分特征如圖2所示。

圖2 鏡質組顯微煤巖組分特征

殼質組以孢子體為主，其次為角質體和樹脂體，再次為木栓質體，殼質組顯微煤巖組分特征如圖3所示。

圖3 殼質組顯微煤巖組分特征

礦物主要以粘土類、石英等礦物為主，次為氧化硅類礦物，再次為硫化物類礦物主要為黃鐵礦，多見充填狀，少數粒狀、團塊狀；偶見碳酸鹽類礦物，呈片狀、充填狀、放射狀分布，礦物顯微煤巖組分特征如圖4所示。

圖4 礦物顯微煤巖組分特征

3.3 煤相指標特征

本次研究主要統計了7項煤巖表征參數，主要包括植物組織保存指數(TPI)、凝膠化指數(GI)、地下水流動指數(GWI)、植被指數(VI)、鏡惰比(V/I)、流動性指數MI和T-D-F相圖等。

3.3.1GI-TPI煤相圖解

凝膠化指數(GI)和組織保存指數(TPI)用于表征沉積環境類型[11]。將TPI=1作為森林沼澤和低位沼澤(蘆葦草沼)的界線，用GI=1作為潮濕型沼澤與干燥型沼澤的界線。筆者將森林沼澤細分為干燥森林沼澤、較干燥森林沼澤、潮濕森林沼澤、較淺覆水森林沼澤和較深覆水森林沼澤這5個煤相。經計算之后進行相圖投點，得出GI-TPI相圖，大南湖二礦25號煤層GI-TPI相圖如圖5所示。

圖5 大南湖二礦25號煤層GI-TPI相圖

由圖5圖可以看出，采取的31件煤樣品中27件煤樣品分布在較干燥森林沼澤及干燥森林沼澤相中，DNH2-06、DNH2-19、DNH2-20則落在潮濕草本沼澤相，DNH2-18處于較潮濕森林沼澤相。該煤層樣品總體的TPI>1，具有較高的結構保存指數；GI<1，具有較低的膠凝化指數，說明成煤植物類型以木本植物為主。

3.3.2GWI-VI煤相圖解

采用地下水影響指數(GWI)和植物指數(VI)來表征泥炭沼澤類型[12]。將VI=1作為草本植物和木本植物的界線，GWI=1作為森林沼澤與流水沼澤的界線，之后進行相圖投點，得出GWI-VI相圖，大南湖二礦25號煤層GWI-VI相圖如圖6所示。

圖6 大南湖二礦25號煤層GWI-VI相圖

由圖6可以看出，采取的31件煤樣品均落在富營養的苔蘚森林沼澤相，GWI小于0.5，水流流動指數較低，說明沼澤水動力較弱，水體流動不暢，營養成分富集，有利于木本植物的生長，同時覆水較淺，為泥炭沼澤的穩定發展提供了有利條件，VI值小于7，多介于1～4之間，均值為2.35，進一步指明成煤植物受到草本和木本共同的影響，且具有木本親和性，這和GI-TPI反應的情況相似。

3.3.3T-D-F煤相圖圖解

依據T-D-F煤相圖將煤層分為潮濕森林沼澤、開放沼澤和陸地森林沼澤三大類煤相類型。一般潮濕森林沼澤通過高的T值反映，開放沼澤通過高的D值反映，陸地森林沼澤通過高的F值反映。

其中：T=結構鏡質體+均質鏡質體；F=絲質體+半絲質體；D=碎屑鏡質體+孢子體+碎屑殼質體+角質體+碎屑惰質體+碎屑礦物(黏土礦物+氧化硅類)。

大南湖二礦25號煤層T-D-F相圖由圖7所示。

圖7 大南湖二礦25號煤層T-D-F相圖

由圖7可以看出，絕大部分樣品集中于F區域，表明沼澤類型為陸地森林沼澤相，這與GI-TPI相圖一致。

3.3.4 鏡惰比(V/I)

一般來說，鏡質組代表潮濕的還原環境，惰質組代表干燥的氧化環境，這一參數可以較為直觀地反映沼澤的覆水程度及氣候的干濕情況。根據許福美等研究人員[13]關于鏡惰比的劃分：I類，V/I>4；II類，1

大南湖二礦25號煤層分層鏡惰比V/I為0.07～2.03，成煤環境處于經歷了干燥-極干燥環境、潮濕弱覆水環境和極潮濕覆水環境3種環境，整體變化幅度不大。成煤初期，DNH2-31的鏡惰比為0.22，氧化作用占主導地位，其后經歷了水進的過程，DNH2-18的鏡惰比升高至1.36；成煤中期， DNH2-17～DNH2-07的鏡惰比經歷高-低-高的變化，總體小于1；成煤后期，煤分層鏡惰比再次升高后急劇下降，沼澤環境在DNH2-06再次升高，后下降。

3.3.5 流動性指數(MI)

流動性指數(MI)表述沼澤水的流動性，MI值大于0.4為流動相，MI值小于0.1為停滯相，MI值在0.1～0.4之間為較停滯相。

大南湖二礦25號煤層各煤分層流動性指數分布于0.04～1.77之間，成煤初期，MI值呈現先降后升趨勢，值介于0.04～1.23之間；成煤中期趨于穩定，MI值介于0.19～0.61之間；成煤后期，MI值略有上升，介于0.24～0.58之間。

4 煤相演化序列

煤炭形成最重要的2個條件是植被的生長狀況和適宜的地理環境，本研究煤相的劃分按照覆水程度+成煤植物類型進行命名。根據以上煤相指標反映的泥炭沼澤類型，并結合煤巖煤質特征，對大南湖二礦25號煤層進行煤相的劃分，主要有干燥森林沼澤、較干燥森林沼澤、潮濕泥炭沼澤、較潮濕泥炭沼澤和干燥森林泥炭沼澤5種類型。

大南湖二礦25號煤層共經歷5個演化階段。

第一階段DNH2-31～DNH2-21，宏觀煤巖類型以暗淡煤及半暗煤為主，成煤初期沼澤覆水較淺，氧化作用占主導地位，該階段煤相類型主要為干燥森林泥炭沼澤及較干燥森林泥炭沼澤；

第二階段DNH2-20～DNH2-18，宏觀煤巖類型為光亮煤及半亮煤，較上一階段，第二階段經歷了一次水進過程，成煤環境覆水較深，水動力較緩，成煤植被主要以草本植被為主，該階段煤相類型主要為較潮濕森林泥炭沼澤；

第三階段DNH2-17～DNH2-07，成煤中期的宏觀煤巖類型以暗淡煤為主，成煤環境覆水變淺，水動力較強，以氧化環境為主，成煤植物以木本植物為主，該階段煤相類型主要為干燥森林泥炭沼澤；

第四階段DNH2-06，成煤中后期的宏觀煤巖類型為半亮煤，該階段沉積環境營養程度較高，成煤環境以還原環境為主，成煤植物以草本植物為主，該階段煤相類型潮濕草本沼澤；

第五階段DNH2-05～DNH2-01，成煤后期的宏觀煤巖類型以暗淡煤為主，成煤環境覆水較淺，水動力較強，以氧化環境為主，成煤植物以木本植物為主，此階段主要煤相類型為干燥森林泥炭沼澤。

5 結論

(1)此次研究的大南湖煤田研究區的25號煤層屬于特低灰分、高揮發分、特低硫煤，垂向上水分(Mad)、灰分(Ad)無明顯變化，(Vdaf)表現為在煤層上部較高、下部較低，硫分(St.d)表現為下部硫含量較上部增高，主要以黃鐵礦硫為主。

(2)顯微煤巖類型以惰質組為主、鏡質組次之，少量殼質組，煤的礦物組成主要以粘土類、石英等礦物為主，次為氧化硅類礦物和黃鐵礦。

(3)大南湖25號煤層煤相分析GI-TPI相圖與GWI-VI相圖可以看出，成煤植物主要為草本和木本共同混生型，主要成煤期為干燥森林泥炭沼澤、較干燥森林泥炭沼澤、較潮濕森林泥炭沼澤、干燥森林泥炭沼澤、潮濕草本沼澤和干燥森林泥炭沼澤5個階段。

通過對大南湖礦區煤巖、煤質特征、煤相分析以及對聚煤規律進行的研究，既有利于進一步地按煤種研究煤炭資源的潔凈轉化利用，還可以為新疆吐哈盆地氣候環境變化研究提供一定的科學依據。