准格尔煤田西南部6上煤层煤岩煤质及沉积环境特征∗

张有河王晓明刘东娜

(1.神华神东煤炭有限公司,陕西省神木市,719315; 2.内蒙古矿业开发有限责任公司,内蒙古自治区呼和浩特市,010020; 3.太原理工大学,山西省太原市,030024)

准格尔煤田西南部6上煤层煤岩煤质及沉积环境特征∗

张有河1王晓明2刘东娜3

(1.神华神东煤炭有限公司,陕西省神木市,719315; 2.内蒙古矿业开发有限责任公司,内蒙古自治区呼和浩特市,010020; 3.太原理工大学,山西省太原市,030024)

以准格尔煤田西南部黄玉川煤矿6上煤层为研究对象测试了样品的煤岩显微组分、煤质参数、硫分及部分微量元素含量,确定了6上煤层的煤岩煤质特征;结合煤层厚度变化及煤地球化学参数分析了原始泥炭沼泽沉积环境特征。结果表明,黄玉川煤矿6上煤层为深成变质作用下形成的低变质程度烟煤,低水、低灰、低硫、高挥发分,形态硫主要以有机硫为主,不易脱除。有机显微组分组主要为镜质组和惰质组,煤中无机显微组分主要为结晶度较高的粘土矿物高岭石类。含煤沉积体系为上三角洲平原环境,原始泥炭沼泽覆水条件良好,为还原性中～高位泥炭沼泽,成煤时部分分层曾受海水影响。

准格尔煤田 煤岩学 煤质 沉积环境

准格尔煤田位于华北地块鄂尔多斯地台向斜的东北缘,煤田内地质构造简单,区内晚古生代石炭－二叠系主要含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组,为一套海陆交互相逐渐向陆相过渡的沉积地层。煤田内煤炭资源蕴藏丰富,可采煤层多,厚度大,埋藏较浅,易于开采,随着开采技术和交通条件的迅速发展,已成为我国重要的煤炭生产基地。黄玉川煤矿位于准格尔煤田西南部,行政区划隶属于准格尔旗长滩乡和薛家湾镇,全矿井可采储量1205.57 Mt,设计生产能力10.0 Mt/a,2013年开始正式投产,属于大型新建矿井。本文以准格尔煤田西南部黄玉川煤矿主采太原组6上煤层为研究对象,在查明成煤地质背景的基础上对其煤岩学煤质特征进行研究分析,探讨其成煤沉积环境特征,旨在为该矿煤炭资源综合开发利用提供理论指导。

1 地质背景

准格尔煤田总体构造轮廓为东部隆起、西部坳陷,走向近南北、向西倾斜的单斜构造。北端地层走向转为北西,倾向南西,南端地层走向转为南西－东西向,倾向北西,倾角一般小于10°,构造形态简单。煤田中东部发育有轴向呈北北东的短轴背向斜,煤田内断裂构造不发育,仅见到几条稀疏的张性断层。

黄玉川煤矿位于准格尔煤田南部详查区的深部区,井田构造为一倾角小于15°的单斜构造,地层走向北北东,倾向北西西,局部地区有宽缓的波状起伏。西南部地层呈弧形弯曲,地层走向北东,倾向北西。井田内地层产状平缓,倾角一般3°～5°,发育田家石畔挠曲。区内黄土覆盖广泛,厚度大,井田内沟谷十分发育,地形基本呈东部高、西部低的地貌形态,地表水系不发育。6上煤层位于太原组中上部,煤层厚2.45～20.25 m,平均12.3 m,厚度变化不大,属较稳定简单结构煤层,构造类型简单。

2 样品采集与测试

煤层样品采集自黄玉川煤矿综采工作面水平巷道,从顶板到底板刻槽采取6上煤层煤样10个,见图1。观察、记录其宏观煤岩组分和宏观煤岩类型。所有样品的测试工作全部遵循现行国家标准进行,应用Leitz光学显微镜观察煤分层中的显微煤岩组分(油浸10×32倍);采用X射线衍射方法(XRD)检测了煤中的矿物组分;采用X射线荧光光谱仪(XRF),测定了煤分层常量元素含量;采用电感耦合等离子质谱(ICP－MS)分析方法测定了微量元素含量。全硫及工业分析数据依据煤的工业分析方法(GB/T212－2001)测定。

图1 6上煤层采样剖面图

3 煤岩煤质特征

3.1 煤质特征

煤层样品的工业分析见表1。结果表明6上煤层全水分(Mad)均值为3.9%,灰分(Ad)均值为15.8%,挥发分(Vdaf)均值为37.9%,镜质组反射率为0.58%,属于低水、低灰、高挥发分的长焰煤,煤层变质阶段为烟煤Ⅰ阶段。

6上煤层灰分、挥发分及硫分等值线图见图2。图2(a)表明6上煤层灰分产率在井田东北部鲁家沟、中南部西圪梁及东南部赵家沟一带明显较高,均在20%以上;由图2(b)可知,6上煤层挥发分35.5%～42.02%,一般均在37%左右,差异不明显。对比图2(a)和图2(b)可知,井田内高挥发分煤的分布区域与灰分产率相对较高的区域相对应,如鲁家沟西部、西圪梁等地。由图2(c)可知,6上煤层的总体全硫含量较低,为0.44%～1.27%,在井田东南及东北一带稍高。根据形态硫的分类特征,煤分层中的硫分主要以有机硫为主,故全硫含量与灰分产率的总体分布特征之间没有明显的相关关系,但是硫分含量在0.75%以上的煤层分布区域对应的灰分均在25%以上,如鲁家沟及西圪梁一带。井田内煤层中具有较高的灰分、挥发分产率及硫分含量分布的区域具有较好的对应性,反映了煤质特征总体上可能主要受控于原始成煤沉积环境,其他方面的影响因素较少。煤样颜色多为灰黑色－深黑色,条痕为褐黑色,光泽以油脂光泽为主,中下部光泽略强,上部稍暗,煤分层宏观煤岩组分以暗煤为主,丝炭呈线理状分布于层面,局部含镜煤条带。宏观煤岩类型主要以半暗型煤为主,半亮型煤和暗淡型煤次之。分层煤样结构以条带状为主,均一状结构次之,线理状少见;构造以层状为主,块状次之;内生、外生裂隙均不发育,断口呈参差状。

表1 6上煤层工业分析及煤岩显微组分鉴定结果(含矿物基)%

图2 6上煤层灰分、挥发分及硫分含量等值线图

图3 6上煤层中的显微组分特征(油浸10×32)

3.2 煤岩学特征

6上煤层结构相对复杂,含有3层夹矸。宏观显微镜下(油浸10×32)观测结果见表1, 6上煤层中的显微组分特征见图3。6上煤层的显微煤岩组分组以镜质组为主,见图3(a),均值为60.5%;惰质组次之,见图3(b),均值为21.2%;壳质组最少,见图3(c),均值为10.7%。其中2、8、9、10分层中镜质组体积分数均在60%以上,3、4、5、6分层惰质组体积分数均在25%以上,4、5、8、9、10分层中壳质组体积分数均在10%以上。总体来看,煤层形成初期的成煤沼泽环境多利于形成大量镜质组,但同时有较多的富水活氧环境下的壳质组,可能为进水携带产物,沼泽附近水体流动较快;中部分层惰质组含量增高,泥炭沼泽环境偏于氧化,但壳质组含量似乎也有所降低,可能为泥炭沼泽覆水环境发生变化所致,沼泽外围进水不畅,导致未有大量壳质组形成或被携带进入沼泽区域。依据显微煤岩分类标准,6上煤层显微煤岩类型为微暗亮煤,其显微煤岩类型组属于三合煤型。

6上煤层中无机显微组分体积分数均值为7.6%,主要为粘土矿物高岭石类,见图3(a);其次为硫化物黄铁矿类,见图3(d);另可见少量碳酸盐矿物方解石类和氧化硅矿物石英类。XRD衍射实验结果表明6上煤层中主要矿物质为高岭石、方解石、黄铁矿和石英,其次含有少量埃洛石,除此之外可能含有微量金红石和板钛矿。以高岭石类粘土矿物为主的煤中无机显微组分的大量形成可能与其沉积环境和碎屑物源特征有关。

4 沉积环境特征

4.1 煤层的展布特征

准格尔煤田6上煤层位于太原组上部。6上煤层的顶板平均厚度7.5 m,岩性多以砂质泥岩、细砂岩和泥岩为主。直接底板平均厚度小于5 m,岩性基本为泥岩,只有个别钻孔揭露局部为砂岩。6上煤层等厚线图见图4,图中显示在田家石畔挠曲以西,6上煤层的厚度较大,厚度在14.0～20.0 m之间,尤其在四道壕至前阳坡一带,煤层厚度达20.0 m;而在田家石畔挠曲以东的鲁家沟、西圪梁西南及东南一带煤层厚度较薄,厚度一般在8.0～12.0 m。如前所述,此薄煤层分布区域煤质较差,灰分产率均在20%以上,但就此而论,本区煤质的优劣似与煤层厚度有关。事实上煤层厚度的变化特点说明6上煤层形成时,泥炭沼泽的沉降中心在田家石畔挠曲以西的四道壕至前阳坡一带。另一方面,太原组煤层形成于山麓沉积和下三角洲平原过渡带的上三角洲平原环境。因此,认为田家石畔挠曲以西四道壕至前阳坡一带的厚煤区为远离上三角洲平原分流河道的泥炭沼泽中心相沉积,故煤质较好;而井田东部鲁家沟、西圪梁西南及东南一带薄煤区的煤层当时为泥炭沼泽边部相沉积,距上三角洲平原分流河道相对较近,故煤层中灰分产率较高,煤质相对较差。煤质的优劣决定于原始泥炭沼泽形成时的微环境特征。

图4 6上煤层等厚线图

4.2 泥炭沼泽环境

煤岩显微组分中的镜质组多形成于潮湿的还原环境,惰质组多形成于干燥的氧化环境。所以,镜质组与惰质组之比(V/I)可以推断原始泥炭沼泽的沉积环境,反映成煤沼泽的覆水程度和气候的干湿情况。当V/I值大于4表明泥炭沼泽强覆水,V/I值介于1～4之间表明极潮湿覆水,V/I值在0.25～1之间表明潮湿弱覆水,V/I值小于0.25代表干燥或有火灾发生的环境。根据6上煤层各分层的镜惰比,可以将其成煤泥炭沼泽的覆水情况分3种类型:8和10分层为强覆水型;7和9分层为较强覆水型;其余分层皆为极潮湿覆水型。成煤初期覆水最深,成煤中期覆水最浅,如6、5分层,成煤后期覆水有逐渐转深的趋势,总体覆水情况良好。

不同的泥炭沼泽环境下形成的煤中矿物组分、灰分及微量元素具有不同地球化学特征。根据煤灰成分(K值＝(CaO＋MgO＋Fe2O3)/(SiO2＋Al2O3))比值,可以判断泥炭沼泽是否受海水影响;根据P2O5含量可以判断泥炭沼泽的环境特征;根据Co含量(＜3%,3%～10%,＞10%)可以判断泥炭沼泽的类型(高、中、低);δEu和δCe用以判断泥炭沼泽的氧化还原性。各分层的地球化学特征参数值及临界值见表2。

表2显示,分层3,7,10的K值大于0.23,成煤时泥炭沼泽可能曾受海水影响。Co含量只有3、10分层大于3%,为中位泥炭沼泽;其余皆小于3%,为高位泥炭沼泽。P2O5含量普遍较低,只在5、7分层内含量大于0.1%,考虑可能为海湖相沉积环境或后期淋滤影响,不过综合较低的硫分含量特征来看,后期淋滤作用影响可能更为明显。

表2 煤地球化学特征参数值

煤分层中δEu均在0.60以下,表现出明显的负异常,δCe在0.89～1.01之间,负异常不明显。以往研究表明,当沉积物中的Ce、Eu亏损时反映了一种氧化环境,而Ce,Eu富集则反映还原环境。那么原始成煤泥炭沼泽到底是还原还是氧化环境呢?6上煤层基本为低硫煤,形态硫分析显示其多以有机硫为主,这至少反映了原始泥炭沼泽的偏还原环境,同时Ce的正常富集也表明原始泥炭沼泽沉积环境应该是偏于还原性质,但6上煤层成煤后未曾被剥蚀出露地表遭受氧化作用,为什么Eu却显示了明显的负异常呢?6上煤层夹矸中碎屑物质可能来源于准格尔煤田东北部已出露地表的沉积风化壳,搬运至沉积盆地内部的碎屑物质本身已经历风化作用,Ce,Eu可能已出现明显亏损,但Eu不容易受风化影响,所以基本保持了原始物源沉积环境下的亏损状态,出现明显亏损。故6上煤层原始泥炭沼泽环境应为还原环境,利于形成大量的镜质组组分。

4.3 变质作用

黄玉川煤矿6上煤层为太原组上部煤层,准格尔煤田自石炭二叠纪含煤岩系沉积以后,海西运动晚期,一直隆升遭受剥蚀,未接受侏罗纪的沉积,直至下白垩世,由于燕山运动的影响,造成区内地层发生平缓的波状褶皱和断裂,同时在煤田北部的洼地中接受了一套内陆开阔盆地河湖相红色粗碎屑岩沉积,从北向南超覆于各时代地层之上。局部伴有基性玄武岩的喷发。燕山运动晚期,地壳再度上升,形成今日地貌的雏形。6上煤层现行埋深203.2～630.15 m,井田地层层序自下而上为下奥陶统亮甲山组、中奥陶统马家沟组,中石炭统本溪组、上石炭统太原组,下二叠统山西组、下石盒子组,上二叠统上石盒子组、石千峰组,第三系上新统,第四系上更新统及全新统的近代沉积。由于煤田周围未有明显岩体,煤层宏观结构、构造及显微组分未受岩浆热作用及动力变质作用的明显特征,煤层顶底板及围岩亦未有大型碳酸岩脉体存在,故其成煤作用应以深成变质作用为主,煤层沉积后,沉积盆地含煤区域长期处于隆升状态,埋深较浅,煤变质仅为低级烟煤阶段。

5 结论

(1)6上煤层为低水、低灰、低硫和高挥发分的长焰煤,煤层变质阶段为烟煤Ⅰ阶段。煤中硫以有机硫为主,全硫含量总体较低。

(2)6上煤层中有机显微组分组以镜质组和惰质组为主,显微煤岩类型为微暗亮煤,显微煤岩类型组属于三合煤。煤中矿物以结晶完好的粘土矿物高岭石为主,其次为少量硫化物、碳酸盐和氧化物。

(3)6上煤层含煤沉积体系为上三角洲平原环境,原始泥炭沼泽覆水条件良好,为还原性中－高位泥炭沼泽,成煤时部分分层曾受海水影响。

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Characteristics of coal petrology and quality and sedimentary environment for No.6 upper coal seam in southwestern Jungar coalfield

Zhang Youhe1,Wang Xiaoming2,Liu Dongna3
(1.Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Shenmu,Shaanxi 719315,China; 2.Inner Mongolia Mining Exploitation Co.,Ltd.,Huhehaote,Inner Mongolia 030006,China; 3.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China)

Focused on the No.6 upper coal seam of southwestern Jungar coalfield,the coal maceral,coal quality parameters,sulfur content and some tract element contents are identified. Based on the results,the characteristics of coal petrology and quality are confirmed.In further, the original peat bog sedimentary environment is analyzed according to the change of coal seam thickness and coal geochemical parameters.The results show that the No.6 upper coal seam of Huangyuchuan Coal Mine forming under the effect of plutonic metamorphismis is a kind of low metamorphic degree bituminous coal with low water,low ash,low sulfur,high volatile.Sulfur forms are mainly composed of organic sulfur,which is not easy to remove.Organic maceral groups are mainly vitrinite and inertinite,and inorganic mineral matters are mainly clay minerals of kaolinite class with high crystallinity.Coal-bearing sedimentary system was delta alluvial plain formed in middle-high peat bog with good overlying water condition,some coal layer was affected by seawater.

Jungar coal field,coal petrology,coal quality,sedimentary environment

P618.11

A

张有河(1966－),男,内蒙呼市人,高级工程师,从事煤矿生产管理工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金项目(41372164),国家自然科学基金青年科学基金项目(41103052)