基于煤岩煤质特征的成煤环境分析——以鲁西汶宁煤田新驿煤矿为例

赵仁乐

(临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 276017)



基于煤岩煤质特征的成煤环境分析
——以鲁西汶宁煤田新驿煤矿为例

赵仁乐

(临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 276017)

煤岩煤质是分析含煤岩系沉积环境的重要参数。以鲁西汶宁煤田新驿煤矿为例，采用煤岩学、地球化学和沉积学相结合的方法，通过采样、测试及相关分析手段，发现受到海水影响较弱的山西组煤层的宏观煤岩类型以半亮型-半暗型煤为主，微观煤岩类型以微三合煤为主；而受到海水影响较强的太原组煤层的宏观煤岩类型以半亮煤为主，微观煤岩类型以微镜煤占绝对优势。山西组煤层显微组分中的镜质体以基质镜质体为主，惰质组以火焚丝质体为主，壳质组分以小孢子体和树皮体为主；太原组煤层显微组分均以基质镜质体、均质镜质体为主，惰性组氧化丝质体为主，壳质组以小孢子体为主。煤质特征与成煤环境也表现很大差异性，受海水影响较小的山西组煤层具灰分产率高、挥发分低、全硫含量低等特点；而受海水影响较强的太原组煤层具灰分产率低、挥发分高、全硫含量高等特点。最后发现，全硫含量分布能够反映出海侵特征，即全硫含量分布高的部位代表着区内最初接受海侵地区。

汶宁煤田；新驿煤矿；煤岩组份；煤质；成煤环境

含煤地层沉积环境是煤地质学研究的重要基础，也是煤田地质勘探重要工作之一[1-2]。以往含煤岩系沉积环境研究主要基于露头、钻井等宏观上的沉积学等方面而开展，随着煤地质学发展，含煤岩系沉积环境研究方法也趋于多样化，各种沉积环境指标也是趋于微观化和定量化。煤岩煤质特征在很大程度上受到了原始的成煤沉积环境影响，同一变质类型的煤层在不同沉积环境下的煤岩成分和煤质特征可能不同[3]，另外，煤岩煤质相关测试手段也比较常见，可定量分析煤岩成分和煤质特征以推测含煤岩系沉积环境。运用煤岩学及煤地球化学和沉积学等综合分析方法，研究成煤时沉积环境特征[4-5]。

鲁西地区是我国重要的煤炭生产基地，随着煤炭深部开采的进行，众多学者逐渐发现煤系沉积环境研究直接影响到了煤层安全开采，但是深部煤系钻井岩心及野外露头等地质资料获取困难，因此有必要开展精细的成煤沉积环境研究[6-10]。为此通过对汶宁煤田新驿煤矿密集采样开展煤岩煤质特征研究来探讨成煤沉积环境，并为该区煤炭资源深部预测提供依据。

1 地质概况

新驿井田位于山东省西南部的兖州市境内，属于汶宁煤田，位于鲁西含煤区的中部。新驿井田含煤岩系为典型的华北型石炭二叠纪含煤地层，含煤地层为下二叠统山西组和上石炭-早二叠的太原组，平均总厚248m。共含煤25层，可采煤层5层，分别为山西组(3上、3下)与太原组(15、16、17煤)(图1)。其中山西组3上、3下是区内的主采煤层，总厚度达到3m以上。太原组含煤15、16和17煤是区内可采的下组煤层，平均厚度1m。整个含煤岩系的沉积环境主要是以障壁澙湖和三角洲沉积环境为主，其中15、16和17煤层形成于障壁澙湖沉积环境，而3上和3下煤层形成于三角洲沉积环境(图1，A)。

A，含煤岩系沉积环境；B，各煤层的成煤曲线图1 含煤地层沉积体系示意图Figure 1 A schematic diagram of coal-bearing strata sedimentary system

通过对各可采煤层采样、测试，进而开展煤岩组分和煤质特征研究，进而分析成煤沉积环境。按照不同层位，样品分为井下采样与钻孔采样，共采煤样28个。其中3上、3下煤采样点个数为16个，为井下采样，15、16和17煤采样点个数为12个，为钻孔采样。

2 煤岩特征与沉积环境分析

2.1 煤岩特征

研究区山西组3上、3下煤的宏观煤岩成分以亮煤、暗煤为主含镜煤条带及少量丝炭，为半亮型—半暗型煤(图1A)。太原组煤层的宏观煤岩成分以亮煤为主，少量镜煤、暗煤及丝炭，为半亮型煤(图1B)。微观显微组分经镜下鉴定，山西组与太原组煤层有较大不同(表1)，据测试结果分析：可采煤层显微组分均以镜质组为主，含量52.18%～74.00%，其次为丝质组10.01%～20.87%，含少量半镜质组和稳定组分，均为5%～10%，腐泥组分仅在太原组煤层中少量出现，含量为0.21%～1.27%。但从各套可采煤层数据分析，太原组煤层的凝胶化组分、腐泥组分均高于山西组煤层，丝炭化组分低于山西组煤层。

显微组分镜下观察，发现山西组煤层主要为镜质组多为基质镜质体(图2A)，均质镜质体次之，可见到团块镜质体和结构镜质体(结构体中主要充填有机质、微粒体、黏土或空洞)(图2B)，惰质组以火焚丝质体为主(图2B)，局部还有的氧化丝质体(图2B)，壳质组分含有小孢子体和树皮体(图2C)；太原组煤层均以基质镜质体、均质镜质体为主(图2D)，少见结构镜质体，惰性组氧化丝质体为主(图2E)，含粗粒体、半丝粗粒体、惰屑体为主，局部可见到微粒体。壳质组分以顺层分布的小孢子体为主(图2F)，次为角质体、木栓体，少数大孢子体、树脂体、树皮体，细条带状沥青质体、碎屑稳定体也常见到，极少量透明基质体。3上、3下煤层壳质组分高于15、16、17煤层，前者均以厚壁小孢子体、角质体为主；后者则以薄壁小孢子体、角质体为主。反映出山西组煤层成煤环境水动力条件对泥炭沼泽改造较强，成煤时间长，而太原组煤层成煤环境水动力条件较稳定，成煤时间短。

2.2 煤岩特征与沉积环境的关系

宏观煤岩组分能够反映出泥炭沼泽基准面变化。通过对各个煤层宏观煤岩组分分析发现，山西组煤层(3上、3下)形成于泥炭沼泽基准面下降过程，即分流间湾环境中的水体淤浅过程；太原组煤层则形成于泥炭沼泽基准面上升过程(图1B)。

由于煤中有机显微组分与成煤环境密切相关。Stach提出显微煤岩类型划分方案，后来晋香兰利用显微煤岩类型三角图来判断煤层形成的沉积环境[4，11]。本次研究采用这种方法开展研究，通过煤岩显微镜下分析发现：山西组煤层以微三合煤为主、次为微镜煤、微镜惰煤，微暗煤，显微煤岩以条带状结构为主， 次为碎屑结构, 也可见到均匀结构、混杂结构；而太原组煤层以微镜煤占绝对优势，次为微亮煤、微三合煤、微镜惰煤，其余类型少量，显微煤岩结构特征表现为以条带状结构为主，次为均匀结构, 也可见碎屑结构、 混杂结构。因此综合分析各套煤中有机显微组分特征在垂向上的变化，结合含煤地层垂向上沉积特点， 利用沉积相沉积体系分析方法(图3)，研究得出山西组煤层形成于海陆过渡相沉积环境中，以河控浅水三角洲体系为典型特征，而太原组煤层主要发育在障壁-澙湖沉积体系。由此可知，煤岩成分及物理性质的差异性能否反映出成煤沉积环境。

表1 主采煤层有机显微组分特征及成因环境分析

A、B、C为山西组煤层；D、E、F为太原组煤层；图2 有机显微组分特征Figure 2 Organic maceral features

图3 新驿井田煤层三角图解Figure 3 Xinyi minefield coal seam triangular diagram

3 煤质与沉积环境关系

煤质与成煤沉积环境、成煤原始物质密切相关[11]，煤质中的灰分、 挥发分和全硫含量等参数可以间接的反应沉积环境。通过新驿煤矿相关的煤质参数研究(表2)，山西组灰分产率在8.01%～28.48%，其中3上煤层平均17.62%，3下煤层灰分产率，太原组15、 16和17煤层灰分产率在8.45～51.48，且各个煤层灰分产率平均值亦低于山西组煤层的灰分产率，反映出山西组煤层形成过程中受到了陆源碎屑影响较大；山西组煤层灰分分含量普遍在40%以下，而太原组挥发分含量都在40%以上，太原组挥发分普遍高于山西组煤层，反映出出太原组煤层形成过程中的凝胶化作用较为彻底，覆水时间长；山西组煤层的全硫含量普遍低于1%，太原组全硫含量较高，都在1%以上，太原组硫含量是山西组的4倍多，反映出太原组受到海水影响程度较山西组高。综上所述，可以看出，山西组的3上和3下煤层煤质参数体现出其受到陆源碎屑物质影响较大，受到海水影响程度较太原组煤层小。

表2 各煤层煤质化验及元素分析成果表

煤的全硫含量分布能够反映出海水影响时间[7]。本次研究做出了各个煤层(除15煤之外)的全硫含量分布图(图4)，可以发现，3上煤层除汶139、汶6-1、汶6-2号孔零星分布为特低硫分外，其余均为低硫分(图4a)。3上和3下煤层在中部为特低硫分，其余均为低硫分(图4b)。反映出山西组成煤期几乎没有海水侵入。而太原组煤层全硫含量呈现规律性变化，16煤层硫分自东向西方向逐渐增高 (图4c)，反映出16煤成煤期海侵可能是由西南方向向东北方向侵入。17煤层全硫含量表现为西北高东南低的趋势 (图4d)，反映出海侵可能由北部侵入矿区。结合华北晚古生代海平面变化机理[12]，晚石炭世末期和早二叠世初期，由于华北板块发生了跷跷板运动，即板块由北低南高转换为南低北高，17煤成煤期末恰恰是处于转换开始[12]，因此，17煤中的全硫含量表现为北部高南部低的趋势，16煤形成则是板块发生跷跷板运动后首次成煤，海水由南部侵入本区，因此全硫含量表现为西南高东北低规律也证明了华北地区板块构造运动的背景。

(a)3上煤层 (b)3下煤层

(c)16煤层 (d) 17煤层图4 汶宁煤田新驿井田各个煤层硫分等值线图Figure 4 Isogram of sulfur contents in coal seams of Xinyi minefield, Wenning coalfield

4 结论

不同沉积环境形成煤层的煤岩和煤质特征表现出很大的差异性。鲁西地区经历了滨海障壁澙湖环境到三角洲环境转换，两种背景形成煤层在分布、煤岩及煤质等特征上差别很大。从新驿井田煤岩、煤质特征分析发现：山西组煤层的宏观煤岩类型以半亮型—半暗型煤为主，而太原组煤层的宏观煤岩类型以半亮煤为主，反映出不同沉积环境形成煤层的煤岩存在着一定的差异；从显微煤岩类型上可以发现，河控三角洲形成煤层以微三合煤为主、次为微镜煤、微镜惰煤，微暗煤；而太原组煤层以微镜煤占绝对优势，次为微亮煤、微三合煤、微镜惰煤；显微煤岩组分分析发现，山西组煤层中的镜质体以基质镜质体为主，惰质组以火焚丝质体为主，壳质组分含有小孢子体和树皮体为主；太原组煤层均以基质镜质体、均质镜质体为主，惰性组氧化丝质体为主。壳质组以小孢子体为主。从煤质分析上可以发现，山西组煤层挥发分产率相对较高，挥发分相对较低，全硫含量相对低，而太原组煤层灰分产率低、挥发分高，全硫含量高。结合区域地质背景分析发现，全硫含量分布与海侵呈现一定的相关性，对于受到海水影响煤层来说，最早全硫含量分布高的部位代表着区内最初接受海侵地区。该成果为煤田地质勘探和预测提供一定的依据。

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Coal-forming Environment Analysis Based on Coal Lithotype and Coal Quality FeaturesA Case Study of Xinyi Coalmine in Wenning Coalfield, Western Shandong

Zhao Renle

(Shandong Energy Linyi Mining Group Co. Ltd., Linyi, Shandong 276017)

The coal lithotype and coal quality are major parameters in coal-bearing strata sedimentary environment analysis. So, the different environments of coal formation can be discussed through coal lithotype and coal quality analyses. Taking the Xinyi coalmine in Wenning coalfield, western Shandong as example, using integrated coal petrology, geochemistry and sedimentology method, through sampling, testing and related analytic means, have found that the coal seams in the Shanxi Formation because of weakly impacted by sea water made the macrolithotype of coal mainly semibright-semidull coal; while trimacerite predominant in microlithotype; in the sea water strongly impacted Taiyuan Formation coal seams macrolithotype mainly semibright coal, microlithotype is the vitrite dominant. In the Shanxi Formation coal macerals, vitrinite is mainly desmocollinite; inertinite mainly pyrofusinite; exinite mainly microsporinite and barkinite. In the Taiyuan Formation coal macerals, vitrinite is mainly desmocollinite and homocollinite; inertinite mainly oxyfusinite; exinite mainly microsporinite. Coal quality features and coal-forming environment also present large differentiation: sea water weakly impacted Shanxi Formation coals have higher ash content, lower volatile matter and total sulfur content; while sea water strongly impacted Taiyuan Formation coals have lower ash content, higher volatile matter and total sulfur content. Finally, the total sulfur contents distribution can reflect transgression features; the region with high total sulfur content represents initial transgression part. The study has provided certain basis for coal geological exploration and coal exploitation in the area.

Wenning coalfield; Xinyi coalmine; lithotype of coal; coal quality; coal-forming environment

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.03

1674-1803(2017)06-0014-06

赵仁乐(1968—)，男，山东莒南人，研究生，高级工程师，主要从事煤矿建设、采矿工程管理工作。

2017-04-07

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责任编辑：宋博辇