神府南部延安組富油煤多源判識規律

師慶民，王雙明，王生全，郭 晨，蔡 玥，杜芳鵬，喬軍偉，常波峰，張 宏，苗彥平

(1.西安科技大學 陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；3.陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719300)

我國富油煤資源儲量豐富，其中西北地區富油煤資源量高達5 000億t，廣泛分布于陜西、內蒙古、新疆、寧夏、青海等地。富油煤在熱解條件下可生成不低于7%的焦油(格金干餾試驗工藝)，通過加氫反應、催化裂化等輕質化處理可產出汽油、柴油等優質燃油產品?？梢?，富油煤在增加國內油氣供給途徑、保障國家油氣戰略安全方面具有巨大的資源潛力優勢。

富油煤不同于傳統意義的富氫煤，礦產資源工業要求手冊(2014修訂版)將格金干餾試驗條件下焦油產率<7%的煤稱為含油煤，在7%～12%的煤稱為富油煤、大于12%為高油煤，王雙明等將焦油產率≥7%的煤統稱為富油煤。這一分類方式具有明確的實用性和目的性，也使得富油煤具有更廣義的范疇。以藻煤、燭煤、樹皮煤為代表的富氫煤具有高揮發分、高焦油產率特征，屬于富油煤范疇，但多數富油煤為高等植物經歷以凝膠化作用為主的條件后形成的低中階煤，宏觀上不具有顯著的富氫特點。因此，富油煤不屬于特種煤炭資源范疇，而是具有油、氣資源屬性的煤基油氣資源。

在這一分類體系下，富油煤相對低中階煤具有充分而不必要性。從煤化程度角度，長焰煤、氣煤相比褐煤能夠熱解產出更高的煤焦油，高揮發分與高焦油產率并不具有單調對應性。在同一煤級范圍內，沉積環境、物質組成等條件的差異性同樣造成富油煤在層域、區域上存在明顯的非均勻分布特點。以陜西侏羅系煤層為例，盡管富油煤分布廣泛，但焦油產率分布于3%～16%，富油煤與含油煤共存且不同礦區、煤層存在差異，這造成富油煤在地質勘查評價中存在一定識別難度。

目前，格金干餾試驗下焦油產率是富油煤判識的惟一指標，但在以往的勘探資料中數據較少。如何充分利用以往的基礎勘查數據，準確評價和識別富油煤是亟待解決的問題之一，尤其在有限的區域或煤階范圍內，快速精準評價富油煤的非均勻分布特性具有其現實意義。筆者以鄂爾多斯盆地神府南部礦區為例，系統探討格金干餾試驗條件下煤焦油產率的常規參數控制，旨在厘清富油煤的宏觀可識別性。

1 地質概況

神府南部礦區位于鄂爾多斯坳陷盆地伊陜斜坡區的東北部，區內僅存一些寬緩的波狀起伏及系列平行不整合面，構造相對簡單、未見明顯斷層及巖漿活動。研究區煤層主要賦存于侏羅系延安組地層，自上而下分為5個煤組，分別賦存于5個地層段，可采煤層主要包括1煤、2煤、3煤、4煤、4煤、4煤和5煤(圖1)。煤層層位穩定且厚度變化較小，以中厚-厚煤層為主，結構簡單，煤類為長焰煤和不黏煤，煤層埋深在21～380 m，總體表現為南東部埋深較深、北西部較淺的趨勢，且在東部普遍存在煤層露頭、燒變巖等。

圖1 神府南部延安組沉積相-層序地層劃分綜合柱狀[19]Fig.1 General stratigraphic column of Yan’anFormation in the south of Shenfu[19]

研究區侏羅系延安組主要以三角洲-湖灣沉積為主(圖1)，延一段主要發育三角洲沉積，由三角洲平原逐漸過渡為三角洲前緣，其上發育5煤層組；延二段沉積期，湖水迅速擴張，由三角洲沉積迅速過渡到湖灣沉積，之后湖水逐漸退卻，由湖灣沉積逐漸過渡為三角洲前緣沉積，發育河口壩、分流間灣沉積，并發育有4煤層。隨著湖水繼續退卻，三角洲前緣逐漸轉化為三角洲平原沉積，并發育厚度較大的4煤層。延三段沉積早期，三角洲平原大范圍進積形成厚度較大、分布穩定的裴莊砂巖，其后在該段頂部形成厚度較大的3煤層。延四段沉積期仍以三角洲平原沉積為主，在本段頂部發育了厚度較大的2煤層。延五段沉積期水位明顯降低，盡管同樣為三角洲平原沉積，但發育煤層厚度相對較薄、分布不甚穩定。

2 常規分析指標的不確定性

煤層厚度是煤炭資源儲量計算的關鍵參數，受控于泥炭沼澤類型及其演化穩定性。建立煤層厚度與焦油產率間數學關系是預測高品質富油煤最為理想的模型，然而，圖2顯示盡管隨著煤層厚度的增加，焦油產率數據具有一定收斂過程，即反映出煤層厚度越大，焦油產率分布越穩定。這與不同煤層的厚度分布具有較大關系，1煤、3煤、4煤、4煤、4煤厚度總體較小且相對集中(表1)，不同煤層的形成的古地形、古環境條件存在一定差異，造成焦油產率不同、數據離散性相對較大；與之相比，2煤和5煤厚度較大、涉及層數少，沉積環境變化相對較小，焦油產率數據較為穩定、離散性低。

圖2 低階煤煤層厚度與焦油產率相關性Fig.2 Relationship between coal thickness and tar yield

工業分析是煤質分析的常規性指標，其中揮發分反映煤在高溫(900 ℃)熱解條件下氣態揮發物產率，而格金干餾試驗測定焦油產率溫度相對較低。在有限的煤階范圍內，揮發分與焦油產率、產氣率、產水率之間相關性離散度較大。但可發現，隨著揮發分的增加，煤焦油產率()呈現微弱的增長趨勢、產氣率呈現一定減少趨勢、產水率則呈增加趨勢(圖3(a)～(c))，其中揮發分產率與焦油產率離散性最高，即高揮發分與高焦油產率間并不具有顯著的對應關系。H/C原子比與焦油產率相關性同樣較差，并不具有明確的指示意義，這與傳統的認識存在差異。相比之下，隨著H/C原子比的增加，產氣率呈現較明顯的降低趨勢，產水率呈現一定的上升趨勢，如圖3(d)～(f)所示。

表1 神府南部煤層厚度統計

總體而言，盡管研究區低階煤以高揮發和中高揮發分煤為主，焦油產率普遍高于其他煤階。但在有限的煤階范圍內，焦油產率同樣有較大差異，高揮發分與高H/C原子比并非一定指示高焦油產率，而煤中關鍵富氫結構或氫、氧元素分布類型對焦油產率起到更為關鍵的作用，其受控于成煤植物類型與沉積環境特征。相比木本植物，草本植物形成的煤熱解可生成較多長鏈烴等液態烴類物質；堿性介質和強還原環境更有利于煤中富氫結構生成。而煤中具有豐富的含氧官能團結構，熱解過程中醚鍵、酚羥基等含氧官能團受熱裂解形成HO·，并與H·結合形成HO，這使得烴類自由基供氫條件受限，縮聚作用增強，進而影響最終煤焦油產率的生成與析出。

圖3 揮發分產率、H/C原子比與煤熱解產物相關性Fig.3 Correlation between coal pyrolysis products and volatile yield,H/C ratio

3 富油煤的有機巖石學特征

雖然揮發分、H/C原子比對焦油產率響應性較弱，但從有機巖石學角度，宏觀煤巖類型對焦油產率具有相對顯著的區分度。其中光亮煤焦油產率普遍偏高，半亮-半暗煤次之，暗淡煤相對偏低，煤層中夾矸焦油產率最低(圖4(a))。前2者焦油產率仍然具有較高的離散性，光亮煤焦油產率平均值為8.45%，分異系數高達20.8%；半亮-半暗煤焦油產率平均值為7.56%，分異系數為17.7%。焦油產率的總體變化趨勢與宏觀煤巖類型的顯微組成具有顯著的對應性，尤其與鏡質組的演化趨勢最為顯著(圖4(b))。惰質組在半亮-半暗煤中體積占比最高，是造成其與光亮煤焦油產率差異的主要原因。礦物體積分數在暗淡煤中明顯增加，并在夾矸中占據主體，造成焦油產率顯著降低，礦物含量對暗淡煤和夾矸焦油產率具有主導作用。說明煤的焦油產率一方面受控于煤體的凝膠化程度，這與成煤環境的還原程度密切相關；另一方面受控于沼澤水體的陸源碎屑補給程度，即陸源碎屑影響越大，煤的焦油產率越低。

圖4 不同宏觀煤巖類型煤的焦油產率與顯微組分特征Fig.4 Tar yield and maceral groups of differentmacrolitho type coals

進一步而言，焦油產率隨鏡質組體積分數的升高總體呈遞增趨勢(圖5(a))，反映出煤體凝膠化程度越高，焦油產率越高。盡管暗淡煤、夾矸同樣符合這一總體趨勢，但表現出相對明顯的離散性，體現了煤焦油產率的多重控制性。圖5(b)顯示出更顯著的焦油產率分類控制，光亮煤和半亮-半暗煤焦油產率主體隨惰質組體積分數的增加而逐漸減少，但部分暗淡煤和夾矸惰質組體積分數低，控制性較弱。盡管殼質組賦存更豐富的烷基結構，由于殼質組體積分數相對較少，其與焦油產率的離散性相對較高，焦油產率與殼質組之間總體呈現正相關性(圖5(c))，但同時受到富鏡質組、富惰質組和富礦物質的影響。光亮煤和半亮-半暗煤中礦物體積分數較少，對焦油產率影響較小。但從總體趨勢表現出隨礦物體積分數的增加，焦油產率逐漸減少(圖5(d))。

4 灰分對焦油產率的約束性

煤是有機質與無機質共同組成的復雜物質，其中煤焦油來源于有機部分。盡管煤中部分堿金屬離子對煤焦油析出具有一定催化作用，但多數無機礦物質對焦油產率并無貢獻。隨著灰分產率的提高，煤熱解焦油產率呈降低趨勢，該變質程度煤焦油產率普遍處于10.32%上下浮動范圍(圖6)。與原煤相比，脫灰煤樣的焦油產率增加，且焦油中沸點低于360 ℃的輕質組分中的輕油(<170 ℃)質量分數大于原煤。ROETS等通過熱解酸洗富含鏡質組煙煤，發現該煤樣熱解焦油中芳香化合物產率更高。

圖5 煤中顯微組分與焦油產率關系Fig.5 Relationship between tar yield and maceral content

圖6 低階煤灰分與焦油產率相關性Fig.6 The correlation between tar yield and ash yield

研究區煤灰中以SiO，AlO，FeO，CaO等成分為主，運用灰成分端元分析法可以定性表征聚煤環境特點。Si通常以硅酸鹽和硅鋁酸鹽形式存在于煤中，反映泥炭堆積過程中碎屑石英、黏土礦物等陸源碎屑的供給情況；Al主要以硅鋁酸鹽形式賦存于黏土礦物、長石等陸源碎屑中?；页煞种蠸iO-AlO質量分數的增加指示了泥炭聚集階段淡水介質注入過程中機械搬運的強弱特征。遠離這一端元則指示煤中硅酸鹽或硅鋁酸鹽礦物質減少、機械搬運為主的陸源碎屑輸入減弱；CaO-MgO端元說明煤中鈣鎂礦質量分數含量的增加，化學沉積作用增強，一般指示向半干旱氣候轉化的半潮濕氣候條件與弱氧化-弱還原環境。此外，FeO-SO端元指示形成較高質量分數黃鐵礦的閉塞-半閉塞、還原閉流盆地環境。

研究區煤灰總體以SiO，AlO為主，部分以CaO-MgO為主，FeO-SO占比總體較少(圖7)。SiO，AlO之間具有較好的正相關性(圖8(a))，反映煤中陸源碎屑輸入礦物總體為黏土礦物，指示水動力相對較弱的穩定沼澤水體環境。CaO與AlO之間呈一定負相關性(圖8(b))，反映一定水深條件下的內源沉積作用增強、外源沉積作用減弱。FeO與AlO之間相關性不明顯(8(c))，研究區煤層在泥炭堆積過程中，容易在相對滯留的還原水體沼澤條件下形成黃鐵礦，圖8(d)顯示FeO與硫化物硫(S)具有一定相關性，也進一步印證煤中鐵元素主要以黃鐵礦硫占主導。

圖7 煤灰成分端元分析法三角Fig.7 Triangle diagram based on ash composition

圖8 煤灰成分相關性Fig.8 Relationship between some major element oxides

以黏土礦物為主的陸源碎屑物質輸入不利于煤焦油產率的提高，隨著(SiO+AlO)增加，煤焦油產率總體呈降低趨勢(圖9(a))，堿土金屬則對煤熱解轉化具有催化促進作用，堿土金屬較強的活化位有助于降低C—C鍵裂解所需的活化能，綜合體現在對焦油或煤氣產率的提高。圖9(b)顯示隨著(CaO+MgO)增加，煤的熱解焦油產率呈現一定的增長趨勢，即內源沉積作用增強有助于煤熱解轉化能力的提高。盡管黃鐵礦對煤熱解同樣具有催化作用，但圖9(c)顯示焦油產率與(FeO)間并無顯著相關性，反而在熱解過程中促進含氧官能團裂解，形成較多水分等小分子物質，且隨著(FeO)增加，產水率呈增長趨勢(圖9(d))。

圖9 低階煤常量元素含量與焦油產率相關性Fig.9 Relationship between some major elements and tar yield of coal

5 真密度對富油煤的有效識別性

5.1 真密度與焦油產率相關性

富油煤的真密度反映了不包含孔裂隙的煤體骨架密度，一方面受煤中無機礦物質影響，另一方面受控于煤中有機質成分及煤化程度。隨著煤化程度的提高，煤的真密度先緩慢降低、然后急劇提高，其轉折點位于中等煤化程度煤，這一規律與煤焦油產率的演化趨勢恰好相反。

圖10 低階煤真密度與焦油產率相關性Fig.10 Relationship between true density and tar yield of coal

從微觀結構而言，煤的真密度體現了分子結構成分及空間密實程度。因此，對煤的微觀結構組成具有一定的表征意義。尤其在低中階煤中，不同煤巖顯微組分的真密度存在顯著差異，煤中顯微組分富集差異對煤的熱解焦油產率具有顯著影響。圖10顯示隨著真密度的增加，煤的焦油產率呈總體降低趨勢，這為富油煤的有效識別提供了簡單、可行的宏觀指標。

5.2 不同密度煤樣微觀結構

選取研究區密度分別為1.25(LDM)，1.32(MDM)，1.47 g/cm(HDM)的煤巖樣品，通過傅里葉紅外光譜分析測定其官能團分布(圖11)。LDM紅外光譜中，在3 000～2 800 cm有較強的脂肪族C—H振動，在1 445,1 045,875 cm同樣具有較強振動信號，分別歸屬于脂肪族—CH振動、脂肪族C—O振動、苯環五位取代振動。3 000～2 800,1 520～1 350 cm內較強的吸收峰強度指示煤中含有豐富的烷基官能團，其中2 850，2 922 cm吸收峰分別指示—CH—的對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動，低密度煤中吸收峰強度高于高密度樣品。

為了更清晰確定不同官能團的分布特點，采用分峰擬合方法獲取不同官能團的譜圖強度，其中MDM樣品在3 000～2 800 cm的分峰擬合圖譜如圖12所示，由此確定不同官能團的峰面積，以及煤結構參數/，CH/CH(峰面積比)，和等(表2)，這些指標已被廣泛應用于有機質紅外譜圖解析，計算方法為

圖11 不同密度煤的紅外譜圖Fig.11 FT-IR spectra of different density coals

=1 650-1 520 cm/2 800-3 000 cm

(1)

=3 000-2 800 cm/(3 000-2 800 cm+1 650-1 520 cm)

(2)

=1 650-1 520 cm/2 950 cm

(3)

圖12 MDM煤樣在3 000～2 800 cm-1內的分峰擬合Fig.12 Cuves fitting of region from 3 000-2 800 cm-1 inspectrum of MDM

表2 煤中部分官能團峰面積A及煤結構參數

6 結 論

(1)作為煤基油氣資源，富油煤的特殊性主要體現在以脂肪結構為主的富氫結構類型及豐度，其決定了富油煤焦油產出總體規律。富油煤相比富氫煤具有更廣義的范疇，造成在有限煤階范圍內高揮發分產率、高H/C原子比與高焦油產率不具有單調且清晰對應性，反而對應低產氣率和高產水率，這與煤中含氧官能團特征具有密切聯系。煤層厚度與焦油產率不具有顯著相關性。

(2)宏觀煤巖類型對焦油產率具有較好的控制性，其本質受煤中有機顯微組分與礦物雙重控制，其中光亮煤、半亮-半暗煤焦油產率主要與鏡質組呈正相關性，暗淡煤和夾矸的焦油產率對礦物的響應性更高。

(3)陸源碎屑沉積增強不利于煤焦油產出，表現為以SiO，AlO為主要成分的灰分與焦油產率間總體呈負相關性，陸源碎屑主要以黏土礦物為主。內源沉積作用增強使煤灰成分中CaO，MgO質量分數增加，對煤焦油產出具有一定促進作用。FeO(黃鐵礦)雖然對煤熱解具有催化裂解作用，但在研究區并未表現出與焦油產率的顯著相關性，反而對產水率具有促進作用。

(4)真密度體現了煤分子網絡的疏松程度，與焦油產率間呈相對明顯的負相關性。低密度煤樣表現為/，，，CH/CH參數相對較小，指示煤中脂肪結構較為豐富、烷基側鏈豐富的特點。