神东矿区煤质变化的地质因素分析

祁晓燕，王志民

（内蒙古煤田地质局109地质队,内蒙古海拉尔 021000）

神东矿区煤质变化的地质因素分析

祁晓燕，王志民

（内蒙古煤田地质局109地质队,内蒙古海拉尔 021000）

通过对神东矿区影响煤层煤质地质因素的分析,发现沉积环境是影响煤层煤质的主要地质因素,煤层灰分含量、灰成分以及煤显微组成、显微类型等均受沉积环境的控制,而煤化作用条件则通过后生矿物的形成这一方式在一定程度上影响煤层的煤质特征.

煤层煤质 沉积环境 煤化作用条件

神东矿区具有煤层稳定、灰分、硫含量低、灰熔融点低,镜质组含量低,而惰质组含量高的特点.国内众多的研究者对神东矿区煤质特征及其变化规律进行了详细的研究,概括起来包含三个方面的内容：①煤岩煤质特征等物质组成方面[1-5]；②煤质变化的原因[6-7]；③煤的工艺性质[8-9].本文从煤形成的沉积环境入手，系统分析煤质变化的地质因素.实际上煤质特征的形成是在一定的大地构造条件下，经过漫长的地质过程，在各种综合地质作用下形成的，包括古沉积环境、植物供给、后期的煤化作用条件（温度、压力）等.

1 原始沉积环境对煤质的影响和控制

由于沉积环境条件的不同，常造成煤岩类型和煤质的变化.在植物遗体堆积过程中，泥炭沼泽的覆水深度、水动力强度、水化学特征（PH值、EH值）、碎屑物质供给条件及植物组成等因素均会影响煤岩类型和煤质的变化.

1.1 沉积环境对煤层灰份的影响

煤层中的灰份主要来源于煤层形成过程中无机矿物质的混入，包括在泥炭沼泽中随植物遗体堆积时无机矿物质的混入，以及在煤化作用阶段沿煤层裂隙渗入的部分矿物质，此外还有植物本身含有的部分矿物质.其中以前者为主，其它来源的矿物质均十分微弱.因此，煤层的形成环境对煤中灰份含量具有重要的作用.一般来说，泥炭沼泽形成于碎屑沉积体系废弃后的比较低洼的地区，但在泥炭沼泽发育过程中仍有水体在活动，并与外界相连通，将无机矿物质带入泥炭中.所以距离活动碎屑体系较近的泥炭沼泽，如在冲积河道发育的地段，碎屑物质供给比较充分，煤的灰分偏高.而在远离活动碎屑体系的泥炭沼泽，如远离冲积河道的地段，碎屑物质供给比较少，煤的灰份较低.

本区各主要可采煤层的灰份均较低，大部分在15%以下，多为灰份小于10%的特低灰天然精煤.唯1-2＃煤层灰份较高，部分地区达15%～20%以上.根据沉积环境分析，本区5-2＃煤层主要形成于河流沉积平原，灰份较低的原因，一是由于煤层形成于初期充填体系域发育期，成煤范围有限，可采煤层主要形成于远离冲积河道的洪泛盆地；二是河流活动性较弱，混入泥炭沼泽的无机矿物质较少.

4-2＃煤、3-1＃煤和2-2＃煤主要形成于湖泊三角洲平原废弃后的森林泥炭沼泽，属于高位沼泽，远离冲积河道，无机矿物质混入比较少，所以这三个煤层（组）均灰份较低，多在10%以下，仅局部地区灰份在10%～15%之间.

1-2＃煤层主要形成于湖泊三角洲平原（矿区中南部）和河流冲积平原（矿区北部）废弃后的森林泥炭沼泽.由于1-2＃煤层形成于退覆体系域发育期的晚期，河流活动性明显加强，河流体系不断向矿区南部推进，在泥炭沼泽发育过程中，受冲积河道的影响较大，无机矿物碎屑供给比较充分，所以造成1-2＃煤层的灰份普遍较高.

1.2 沉积环境对煤岩组分和煤岩类型的影响

研究表明，煤岩组分和煤岩类型是反映泥炭沼泽环境和沼泽类型的重要指标.影响煤岩组分和煤岩类型的环境因素主要是沼泽水体的深度、酸碱度（PH值）和氧化还原电位（EH值）.

本区煤中的有机组分较高，一般在95%以上，最高可达99.6%，无机矿物质含量普遍较低，一般小于4%.有机组分中惰质组分普遍较高，一般在20～25%之间，最高可达40%以上.而镜质组含量相对较低；无机组分中，主要为粘土矿物，其它物质含量甚微.5个主要可采煤层的显微组分测定结果较相似，变化幅度很小，所具有的共同特点是镜质组含量较低，为63.3%～78.4%，惰质组含量较高，可达19.3%～35.3%；镜质组中均以均质镜质体为主，惰质组中均以半丝质体为主；凝胶化指数（GI）为1.95～4.43，植物保存指数（TPI）为2.67～5.83.表明本区各煤层（组）形成时的环境特点极为相似，均形成于较潮湿的森林沼泽，泥炭沼泽水体很浅，植物遗体的凝胶化作用较弱.这是造成本区各煤层的镜质组含量较低、宏观煤岩类型以半暗型和暗淡型煤为主的主要原因.

1.3 沉积环境对煤灰成份的影响

1.3.1 煤灰成份的主要来源

煤灰中的主要成份与煤中的无机矿物成份有关，其中SiO2和Al2O3主要来自于铝硅酸盐矿物-粘土矿物，如高岭石、伊利石、蒙脱石等；CaO和MgO主要来自于碳酸盐矿物，如方解石（CaCO3）、白云石（MgCO3）、菱铁矿（FeCO3）等，部分来自于硫酸盐矿物，其中主要是石膏（CaSO4）；Fe2O3主要来自于含铁的矿物，主要有硫铁矿（Fe2S）、菱铁矿、赤铁矿（Fe2O3）等.这些矿物的形成与沉积环境具有密切的关系.

1.3.2 粘土矿物的成因及其形成环境

活动沉积体系废弃进入泥炭沼泽发育期后，粗粒的碎屑沉积已经非常微弱，混入泥炭的无机矿物质主要是颗粒极细的粘土矿物.粘土矿物按其成因可分为碎屑成因和胶体成因两类.碎屑成因的粘土矿物是碎屑物质在搬运过程中由于磨蚀作用形成的，一般粒度较粗，在电子显微镜下放大1 000倍左右即可显示出矿物的形态特征，而且呈定向排列，微层理较发育；胶体成因的粘土矿物是盆地水体中的凝胶状硅、铝物质经脱胶作用而形成的，矿物粒度较小，放大2 000倍以上时方可显示矿物的形态特征，脱胶作用很弱时，仍显示胶体形态.而且矿物排列一般无定向性，微层理不发育，多呈块状结构.

粘土矿物成份与沼泽水体的酸碱度（pH值）有关.一般而言，高岭石为主时，尤其以胶体成因的高岭石为主时，应属偏酸性环境；伊利石为主时，应为偏碱性环境.微层理的发育程度是水体动能的体现，胶体成因矿物为主时，水体近乎静态，岩石呈块状结构，微层理不发育.煤中的其它矿物成因较为复杂，其中石英一般为碎屑成因，菱铁矿、黄铁矿、方解石、石膏等矿物成份，多为煤化作用过程中形成的自生矿物.

本次研究对5个主采煤层及其夹矸采样，进行了电子显微镜扫描分析，发现夹矸中的主要矿物成份主要为各类粘土矿物，其中以高岭石和伊利石为主，蒙脱石比较少见.本区煤层顶底板和夹矸泥岩的粘土矿物成份以碎屑成因的高岭石和伊利石为主，仅有个别为蒙脱石.微层理多较发育，表明泥岩形成时的水体较浅，水体动能较强（见图1）.测试的PH值为6左右，表明水体为偏酸性环境.

1.3.3 粘土矿物对煤灰成份的影响

煤中的粘土矿物经燃烧氧化后，以SiO2和Al2O3出现在煤灰成份中.所以煤中粘土矿物的含量和矿物成份直接影响煤灰成份及其熔融性.粘土矿物含量高的地区，煤灰成份中SiO2和Al2O3含量也高，从而导致煤灰成份的酸碱比高；反之，在粘土矿物含量低的地区，煤灰成份中SiO2和Al2O3低，煤灰酸碱比也低.煤灰酸碱比是影响煤灰熔融性的主要指标之一.通过煤灰成份酸碱比等值线图和煤层厚度等值线图的对比发现，在煤层厚度较大的地区，一般酸碱比较低；而在煤层厚度较小或煤层分叉的地区，酸碱比较高.这种现象说明，在煤层厚度较大的地区，远离河道区，沉积环境稳定，成煤时间长，无机碎屑矿物质供给少，泥炭沼泽的还原条件较好，其它成因的含铁、钙、镁的矿物质相对较多.而在煤层厚度较小或煤层分叉的地区，成煤环境不稳定，成煤时间较短，距离河道区较近，碎屑物质供给较充分.例如：本区5-2＃煤层在矿区南部的大柳塔和大海则井田一带（北部无资料），煤层厚度最大，煤灰酸碱比值均较小;3-1＃煤层厚度最大的地区（＞3m）位于矿区中北部的巴图塔、石圪台、霍洛湾、补连塔等井田一带，呈近南北向条带状展布，在此区域内的煤灰酸碱比为 1-2＃，均低于其它地区；2-2＃煤层厚度最大的区域（＞5m）位于矿区中部的呼和乌素、尔林兔、补连塔、上湾、武家塔、哈拉沟等井田，呈近东西向的条带状展布，在此条带内的煤灰酸碱比较低，为1-2＃；1-2＃煤层厚度最大的区域（＞5 m）位于矿区北部的巴图塔井田中部和矿区中南部的尔林兔、活鸡兔、朱盖塔等井田，呈北西向条带状展布.在此区域内的煤灰酸碱比一般在2以 下.

表1 煤层底板及夹矸泥岩的扫描电子显微镜观察结果

2 煤化作用条件对煤质的影响和控制

煤化作用是由泥炭转变为煤所经历的一系列物理化学作用.植物遗体经过泥炭化作用阶段转变为泥炭后，随着上覆沉积物的堆积，泥炭被埋藏于地下，在温度、压力的长期作用下，经过脱水、压实、变质等一系列物理化学变化，最后转变为不同变质程度的煤.煤化作用是一个非常复杂的过程，由于不同的煤化作用条件，所形成的煤种煤质变化很大.其中最主要的条件是温度和压力，其主要作用是影响煤的变质程度，对煤质指标的影响主要是水份、挥发份、发热量及结焦性能等.此外，在煤化作用过程中，由于脱水作用和上覆岩层的淋滤作用等，煤中的一些化学元素发生迁移和富集，形成大量的自生无机矿物质，如方解石、菱铁矿、黄铁矿、石膏、赤铁矿等，常以煤层的裂隙薄膜或以结核形式存在.这些自生矿物的形成会使煤的灰份增加，并改变煤灰成份的组成和煤灰熔融性.

本区煤的变质程度较低，属于低变质烟煤，主要是由于成煤后期的埋藏深度不大，构造活动较弱，没有岩浆岩侵入，煤化作用阶段的温度和压力均较低，而且煤化作用时间较短.所以本区煤的基本特点是水份较高，可达10%以上，而且以内在水为主；煤的挥发份较高，最高可达40%以上.

本区各煤层煤灰成份中CaO较高的原因，主要与煤化作用阶段的淋滤作用有关.如2－2＃煤层的CaO含量最高，发现煤层裂隙表面的方解石薄膜十分发育.这些方解石薄膜主要是在煤化作用过程中，上覆沉积物中的CaCO3沿煤层裂隙渗滤并经重结晶作用而形成的.

煤灰中的其它成份，也与这种淋滤作用有关.

3 结论

通过分析，可以发现沉积环境是导致本区煤层煤质变化的主要地质因素，煤层灰分含量、灰分组成以及煤岩显微组成、显微类型均受沉积环境的控制，而煤化作用条件则在一定程度上影响煤层煤质特征.

图1 神东矿区泥岩电子显微镜扫描图

[1]秦国建.神东矿区2～(-2＃)煤的物质组成与生烃特性[J].陕西煤炭,2009(05):61-62.

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[3]白向飞,李文华,张寿禄,等.神东矿区侏罗纪2～(-2#)煤煤质特征研究[J].煤炭转化,2002,25(03):85-88.

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[6]李小彦.神东矿区富惰质组煤的形成条件研究——惰质组分的真菌交替成因意义[J].煤田地质与勘探,2005,33(05):1-4.

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Analysis on Geological Factors of Coal Quality Variation in Shendong CoalM ing Area

QIXiao－yan，WANG Zhi－ming
（109 Geological Team，Coalfield Geological Bureau of Inner Mongolia，Hailaer Inner Mongolia，021000）

The analysis on geological factors of coal quality variation indicated that sedimentary environmental is themain factor.Ash content and composition，maceral composition were controlled by sedimentary environmental of coal seams.New mineral formation during coalification influenced the coal quality to some extent.

c oal q uality；s edimentary e nvironment；c oalification c ondition

TD163+.1

A

〔编辑 石白云〕

1674-0874(2010)04-0075-04

2010-04-12

祁晓燕（1963-）,女,内蒙古包头人,工程师,研究方向：工程地质.