川南煤田河坝矿段晚二叠世主要煤层中硫分含量及其形成因素分析

戴胜群,张行昱 (油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学),湖北武汉 430100)

祝旭双 (四川省煤田地质局135五队,四川泸州 646000)

川南煤田河坝矿段晚二叠世主要煤层中硫分含量及其形成因素分析

戴胜群,张行昱 (油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学),湖北武汉 430100)

祝旭双 (四川省煤田地质局135五队,四川泸州 646000)

研究硫的含量及其形态、成因是煤质工作的重点。对川南煤田河坝矿段晚二叠世含煤地层中主要煤层的硫分含量及其形成因素进行了分析研究。河坝矿段含煤岩系主要为上二叠统龙潭组(P3l),为海陆交互相沉积,其中第1段(P3l1)和第3段(P3l3)为主要含煤层段。其主要煤层中硫的赋存形态以硫化铁(黄铁矿)硫(Sp)为主,有机硫(So)次之;煤层硫分含量在垂向上与可采煤层的分布具有相似性:含煤岩系上部C10～C11煤层及下部C24～C25煤层含硫较高;在平面分布上规律性不明显。其原因主要受控于该区所处的大地构造体系及海水的进退以及由此而形成的各种原生沉积环境。此外,后期断层的挤压和破坏、地表浅层风氧化裂隙及钻探工艺等因素也对其含量和变化有较大影响。

川南煤田;河坝矿段;硫分;形成因素;沉积环境

硫是煤中的有害杂质,煤质分析时要充分研究硫的含量及其形态,以便为煤的工业用途作初步评价。河坝矿段内含有丰富的煤炭和硫铁矿资源,区内可采煤层主要为中硫～中高硫煤。矿段已经进行了部分勘查工作,取得了较丰富的地质资料,笔者尝试对所取得的地质资料进行分析,对矿区内硫分与主要煤层的赋存关系及影响其变化的控制因素进行研究。

1 区域概况

河坝矿段位于川南煤田古叙矿区西南部,矿区面积约248km2。2007～2009年在矿区内进行了普查勘查,2013年至今正在矿区内进行详查勘查工作。矿段出露最新地层为第四系全新统及侏罗系,次为三叠系上统须家河组,最老为志留系中统韩家店组,其间缺失石炭系、泥盆系及志留系上统。含煤地层为二叠系上统龙潭组(P3l),厚101.80～150.00m,平均124.45m,与下伏地层二叠系中统茅口组(P2m)呈不整合接触。

矿段位于古蔺复背斜南翼的河坝向斜西段,基本构造形态为一呈近东西向展布,南翼陡、北翼缓、东端翘起的不对称向斜构造,在矿段内走向长33km,南北宽5～10km。向斜轴走向变化不大,总体约为N80°E,仅东部翘起端向北偏转为N40°E;向斜轴面向南倾斜[1]。断层发育多受主体构造的影响,矿段北翼次级褶曲和断层较发育,南翼次级褶曲不发育,断层稀少。

2 煤层特征

矿区内含煤系为二叠系龙潭组(P3l),属海陆交互相沉积❶❶四川省煤田地质局135队.四川省叙永县川南煤田古叙矿区河坝矿段煤炭资源普查地质报告,2009.[1]。根据岩性组合特征及煤层赋存情况,自下而上细分为P3l1～P3l3段。第1段(P3l1)和第3段(P3l3)为主要含煤段,第2段(P3l2)仅见煤线分布,一般都不可采。其中P3l1厚27.87～54.48m,平均41.80m,P3l3厚27.30～54.42m,平均39.56m,全组共含煤9～20层,其中具有一定分布范围、可对比的煤层有12层;全区可采和大部可采各1层(C11、C25煤层),局部可采4层(C10、C11-1、C13、C24)。各煤层层间距及主要可采煤层厚度(见表1)。

3 硫分

3.1 硫的赋存形态

矿区主要煤层中硫的赋存形态以硫化铁(黄铁矿)硫(Sp)为主(见图1),平均为89.85%;其次是有机硫(So),平均为8.05%;硫酸盐硫(Ss)含量极少(见表2)。

3.2 分布特征

各煤层硫分以中硫～中高硫煤为主。在垂向剖面上分布特征表现为上部C10～C11煤层及下部C24～C25煤层含硫较高,中部C13～C23煤层含硫较低(见表3),与可采煤层的垂向分布具有相似性。平面分布特征上C10煤层以中高硫煤为主,中硫煤次之,高硫煤呈零星分布;C11-1煤层北翼为中高硫煤,南翼为特低～高硫煤;C11煤层以中高硫煤为主,低硫、中硫、高硫煤呈零星分布(见图2),该煤层顶部炭质泥岩或高灰分煤中一般富含黄铁矿结核,硫分变化幅度中等;C13煤层在矿段北翼以中硫煤为主,零星点见中高硫煤,南翼以特低硫煤为主,低硫煤次之;C24煤层以低～特低硫煤为主,仅东部出现中～中高硫煤,零星点见高硫煤;C25煤层北翼以中高硫煤为主,次为中硫煤,特低、高硫煤零星分布,南翼硫分变化无规律,从高硫～特低硫煤均有分布,且分布零星(见图3),硫分变化幅度大。

表1 各煤层层间距及主要可采煤层厚度统计表

图1 123-2钻孔C24顶板豆状黄铁矿

4 硫分变化的控制因素

4.1 大地构造条件

在地史时期中,地壳运动引起海陆变化、气候更替,推动了植物界演化迁移和聚煤作用呈波浪式向前发展;同时,地壳运动引起的地壳变形,形成了一系列隆起和拗陷,在其成生过程中,对聚煤拗陷的形成和发展,煤、硫等沉积矿产的赋存和分布起着一定的控制作用。

图2 C11煤层硫分等值线图

图3 C25煤层硫分等值线图

河坝矿段位于扬子板块西部,四川盆地南缘的古蔺复背斜南翼。古蔺复背斜地处川南-黔北区域性东西向构造带与北东向的娄山断褶带之过渡地带,总体呈近东西向展布,长约110km,构造形迹在平面上呈一组向南突出的弧形褶皱群。该复背斜北翼发育的次级褶皱较宽缓,主要有茶叶沟背斜、大安山向斜、三家坝背斜、落窝背斜、乌龙沟向斜、落叶坝背斜和堡子山背斜等;南翼次级褶皱较紧密,构造较复杂,主要有河坝向斜、新街(石坝)背斜、赤水河向斜、高田坎背斜、石宝向斜、吴家寨背斜和二郎坝向斜等。上述褶皱构造构成了区域内的主要构造框架,对煤、硫等沉积矿产的分布起着控制作用。

4.2 原生沉积环境

中二叠世晚期,东吴运动以后,矿段所在的上扬子盆地整体抬升为陆地,海水大规模退出。在黔北～川南隆起带与康滇古陆的共同控制下,川南总体上为西高东低和南高北低的平缓地形,茅口组灰岩大面积裸露[2]。由于长期的风化剥蚀作用,在茅口组灰岩风化平面上,形成低平而略有起伏的古蔺低地溶蚀残积平原(见图4),在地势低洼处沉积了石岩残积角砾岩。之后,峨嵋山玄武岩喷发,大量的基性火山凝灰物质降落在古蔺低地溶蚀残积平原上,经次生风化残积,沉积了厚约3～5m的含黄铁矿高岭石化基性凝灰岩,形成了风化残积平原,随着大量植物的生长堆积,形成泥炭沼泽,沉积了C25煤层。之后随着地壳缓慢下降、海水入侵,该区形成了湖泊沉积体系。先后沉积了浅湖相的黑、灰黑色高岭石泥岩和滨湖相的逆粒序粉砂岩、砂岩。受海水的影响,该区该时期沉积普遍含有黄铁矿结核,煤层中硫分含量较高。之后海水开始缓慢退却,加之湖泊不断淤积,植物大量生长和堆积,在其上发育了泥炭沼泽相,沉积了C24煤层。C24煤层沉积后,海水继续退缩,该区进入三角洲平原沉积体系。三角洲平原中分流河道、泛滥盆地、决口扇、分流间洼地发育,在分流间洼地发育沼泽相和泥炭沼泽相,天然堤发育不完整或缺失。分流河道沉积物为正粒序砂岩、粉砂岩,对下伏岩层有较弱的冲刷;泛滥盆地沉积物为泥岩、砂质泥岩,沉积了黏土岩和煤层(如C13煤层);分流间洼地发育的沼泽、泥炭沼泽沉积了黏土岩和C23、C22、C21、C19、C16和C14等煤层。分流河道和泛滥盆地沉积物中富含菱铁矿结核,局部可见泥砾,含丰富的植物根茎化石及碎片。由于该时期受海水的影响小,未见动物化石,黄铁矿结核少见,各煤层硫分含量均较低。直到C11煤层沉积时,该区已处于一次大规模海侵之前的转变时期,此时三角洲沉积体系处于停滞稳定阶段,且持续时间较长,在广阔的三角洲平原上沼泽相广泛发育,沉积了稳定的浅灰～灰白色高岭石泥岩,成为区域性的对比标志。并随着植物的大量生长堆积,形成了该区厚度最大、层位稳定、分布最广的C11煤层。C11煤层沉积后,受海水入侵的影响,造成煤层顶部劣质煤或炭质泥岩中含丰富的黄铁矿结核,呈豆状、透镜状,密集分布,其含量达7.18%～21.36%。之后,随着海水的进一步大规模入侵,该区进入有障壁海岸沉积体系和澙湖沉积体系。有障壁海岸沉积体系发育有潮下带、潮间带和潮上带亚相。潮下泥坪沉积物为泥岩、砂质泥岩,发育生物扰动构造;潮间砂坪沉积物为逆粒序的砂岩、粉砂岩,发育有条带状、透镜状潮汐层理;潮上沉积物为泥岩、沼泽相黏土岩、泥炭沼泽相炭质泥岩或煤层,沉积了C11-1、C10等煤层。潮下泥坪和潮间砂坪经常受海水淹没,沉积物中含大量的动物化石,以及黄铁矿和菱铁矿结核;受海水的影响,潮上沉积的煤层,其顶板和底板含硫量高,煤质较差[3]。澙湖沉积体系发育于煤系顶部。沉积物主要为含生物碎屑的灰岩、泥灰岩、钙质泥岩,含黄铁矿结核。煤系地层沉积结束后,大规模海侵开始,该区进入长兴组灰岩的沉积。

综上所述,该区晚二叠世主要煤层及硫的沉积主要受控于海水的进退以及由此而形成的各种沉积体系。在含煤岩系顶底部由于2次海水不同规模的侵入而形成的湖泊沉积体系和有障壁海岸沉积体系、澙湖沉积体系,对硫分含量普遍较高具有决定性的控制作用,亦是该层段煤层硫分含量较高的直接原因。

4.3 断层挤压和破坏

该区处在南、北两侧由古生代志留纪+寒武纪地层组成的背斜挤压下所形成的中生代三叠纪+侏罗纪向斜构造中,含煤岩系赋存于坚硬的茅口组灰岩与长兴组灰岩之间,在褶皱构造所形成的断层强烈挤压下,煤系软弱地层在坚硬岩层之间易产生塑性流动,特别是矿区北翼东部,该部位处于应力集中的构造转折部位,煤系和煤层局部更易遭到破坏,其影响的范围主要是煤系上部(P3l1)。如C11煤层及其顶板中所含的大量黄铁矿结核,在经过挤压破碎后重新分布,有的被挤压在一起,使局部地段煤层中的硫含量增高,而黄铁矿少的地段则硫含量有所下降,使煤层原声硫含量出现变化。

4.4 钻孔取心的影响

黄铁矿结核比较坚硬,钻孔打煤时结核容易进入取心管,而煤因呈碎粒状、鳞片状,易被冲洗液冲走;有的较大黄铁矿结核堵塞钻头,将煤被堵在取芯管外,这些因素也常造成采取的煤芯中黄铁矿多,而缺失的主要为煤,使少数钻孔见煤点的含硫量出现高值异常点。

4.5 浅层风氧化作用

含煤地层上部煤层受风化的影响,裂隙比较发育,地表水及老窑水中携带的硫通过裂隙渗透到煤层中,增高了煤层的含硫量。如C11煤层的煤层煤样采于浅部的小煤窑和坑探巷道中,采样处距离地表较近,部分煤层煤样硫含量高达5%～6%,比钻孔煤心煤样还高,应与风化裂隙影响有关。

5 结语

通过以上分析,河坝矿段晚二叠世主要煤层硫分含量及其变化幅度大,其控制因素主要是所处的区域构造体系及其影响下形成的各种沉积环境;此外,后期断层、地表浅层风氧化裂隙及钻探工艺等因素也对其含量和变化有较大影响。

[1]中国煤田地质总局.黔西川南滇东晚二叠世含煤地层沉积环境与聚煤规律[M].重庆:重庆大学出版社,1994.

[2]邵龙义,刘红梅.上扬子地区晚二叠世沉积演化及聚煤[J].沉积学报,1998,16(2):55-60.

[3]朱志敏,陈岑,尹中山.川南煤田晚二叠世含煤系统分析[J].煤炭科学技术,2010,38(7):104-108

[编辑] 洪云飞

TD712.72

A

1673-1409(2014)32-0034-05

2014-07-09

戴胜群(1963-),男,博士,副教授,现主要从事构造精细解释等方面的教学与研究工作。