陕北石炭–二叠纪富油煤赋存特征及影响因素

姚 征，罗乾周，李 宁，李华兵，王 强，高 骏

(1.陕西省地质调查院，陕西 西安 710054；2.陕西省矿产地质调查中心，陕西 西安 710068)

我国能源禀赋特点为“相对富煤、贫油、少气、缺铀”[1]。面对国内油气对外依存度持续攀升的不利局面和全球二氧化碳排放对生态系统的巨大威胁，立足我国煤炭资源优势，推动煤炭清洁高效利用已然成为保障国家能源安全和实现我国碳达峰、碳中和目标的战略选择[2-3]。富油煤是一种高焦油产率的特殊煤炭资源[4-5]，经热解可生成焦油、煤气和半焦，进一步转化可形成清洁燃料、特种油品、精细化工产品和氢气资源[6-7]，从而实现燃料向“燃料+原料”“高碳”向“低碳”的绿色转变。因此，查明我国富油煤赋存规律对合理布局低阶煤分质利用产业、有效提升油气供应能力和推进碳达峰、碳中和具有重要意义[8]。

陕北石炭–二叠纪煤田的煤炭资源量大质优，包括古城、府谷和吴堡等3 个国家煤炭规划矿区。当前，针对该区富油煤赋存特征欠缺全面研究，这在一定程度上限制了富油煤清洁高效利用。基于煤炭勘查资料和样品测试结果，笔者以陕北石炭–二叠纪煤田典型矿区可采煤层为研究对象，以煤焦油产率为切入点，从垂向发育和横向展布视角，探讨富油煤时空分布规律，分析富油煤赋存影响因素，旨在为典型矿区富油煤资源综合勘查、远景预测、精准开采和高效利用提供地质依据。

1 研究区地质概况

陕北石炭–二叠纪煤田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡与晋西挠褶带的结合部位(图1a)，以中部佳县一带为界，分为北部古城矿区、府谷矿区与南部吴堡矿区[9-10]。研究区构造简单，为一走向NNE–近NS、倾向西的平缓单斜，倾角1°～5°，主要发育张性正断层和小型褶曲。古城–府谷矿区以近NS 向挠褶带为主要构造，发育近EW 向开阔平缓褶曲、NW向清水川正断裂组和近EW 向孙家沟正断裂组(图1b)。吴堡矿区整体呈西倾单斜构造，发育离石–吴堡短轴倾伏背斜及伴生小型褶曲，断裂构造包括近EW 向的柳壕沟地堑式断层组和吴堡城地堑式断层组(图1c)[11-12]。区内发育地层由老至新依次为奥陶系下–中统马家沟组；石炭系上统本溪组，石炭系上统–二叠系下统太原组，二叠系下统山西组、中上统石盒子组、上统孙家沟组；三叠系下统刘家沟组、和尚沟组，中统二马营组；侏罗系下统富县组；新近系和第四系。

2 含煤地层及煤层性质

2.1 煤层特征

研究区属于鄂尔多斯盆地东缘挠曲赋煤带，主要含煤地层为太原组与山西组[9]。古城–府谷矿区太原组厚度51.23～121.30 m，一般为80 m，含煤层4～9层，可采煤层自上而下为5 至11 煤，古城矿区主要可采煤层为8、9 煤，府谷矿区主要可采煤层为6 至9 煤；山西组厚度18.84～105.13 m，平均为58.57 m，含煤层1～7 层，古城矿区主要可采煤层为4 煤，府谷矿区主要可采煤层为3、4 煤。吴堡矿区太原组厚度约66.10～96.74 m，一般为70 m，含煤层2～8 层，可采煤层自上而下为T3、T1上、T1煤；山西组厚度约16.01～85.93 m，平均为54.84 m，含煤层2～8 层，可采煤层自上而下为S3、S2、S1煤，主要可采煤层为T1、S1煤(表1)。

表1 研究区可采煤层发育特征Table 1 Development characteristics of mineable coal seams in the research area

2.2 煤岩特征

根据以往煤炭勘查资料统计分析可知(表2)：古城矿区可采煤层宏观煤岩组分以亮煤和暗煤为主，宏观煤岩类型主要为半亮煤和半暗煤；有机显微组分以镜质组为主，次为惰质组，壳质组少量，无机矿物以黏土矿物为主，次为碳酸盐矿物；各煤层镜质体最大反射率(Rmax)为0.58%～0.82%。府谷矿区可采煤层宏观煤岩组分以暗煤和亮煤为主，宏观煤岩类型主要为半暗煤、半亮煤；有机显微组分整体以镜质组为主，惰质组含量较高，壳质组少量；无机矿物以黏土矿物为主；各煤层镜质体最大反射率为0.54%～0.67%。吴堡矿区可采煤层宏观煤岩组分以亮煤为主，宏观煤岩类型主要为半亮煤，其次为光亮煤；有机显微组分均以镜质组为主，惰质组次之，壳质组含量极低；无机显微组分主要为黏土矿物；各煤层镜质体最大反射率为1.10%～1.50%。

表2 可采煤层煤岩显微测试结果Table 2 Microscopic test results of macerals and minerals in mineable coal seams

以进一步了解煤的显微组分特征为目标，依据GB/T 482—2008《煤层煤样采取方法》，针对府谷矿区冯家塔煤矿、海则庙煤矿现采煤层进行样品采集，包括煤岩样品5 件、顶底板样品各4 件与夹矸样品1 件(表3)。为了避免样品污染和氧化，采集完毕的样品立即密封保存。

表3 府谷矿区煤层样品采集情况Table 3 Sample collection of coal seams in Fugu Mining Area

依据GB/T 15588—2013《烟煤显微组分分类》与GB/T 8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》，进行煤的显微组分鉴定。结果表明：府谷矿区煤层显微组分组以镜质组为主，体积分数为31.3%～69.0%，基质镜质体以平均体积分数约39%占据主导地位，次为均质镜质体和结构镜质体，团块镜质体和胶质镜质体少量；惰质组是次要显微组分组，其中，丝质体为主要显微组分，其体积分数为6.5%～30.8%，碎屑惰质体和半丝质体次之；壳质组体积分数为3.9%～5.2%，主要为孢子体和角质体，树脂体少量；无机矿物均以黏土矿物为主。

2.3 煤质特征

研究区可采煤层的原煤工业分析均值结果表明：古城矿区灰分为 21.04%～22.16%，挥发分为38.11%～39.53%，全硫为0.61%～2.01%；府谷矿区灰分为16.96%～30.10%，挥发分为39.30%～43.06%，全硫为 0.50%～3.04%；吴堡矿区灰分为 17.08%～21.96%，挥发分为22.58%～28.95%，全硫为0.47%～2.33%(表 4)。依据 GB/T 15224.1—2018、GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级》和MT/T 849—2000《煤的挥发分产率分级》可知：研究区各煤层以中灰煤为主，低灰煤次之，府谷矿区太原组第三段5 至7 煤的灰分较低，第二段和第一段的9 至11 煤的灰分偏高。古城–府谷矿区各煤层以高挥发分为显著特征，且府谷矿区煤的挥发分相对更高，吴堡矿区煤的挥发分产率最低，山西组煤层的挥发分均值超过28%，属于中高挥发分煤，太原组煤层为中等挥发分煤，表现出煤的挥发分随成煤时间由早至晚逐渐升高的特征。研究区山西组为河湖交替相含煤沉积，其煤层主要为特低硫煤和低硫煤，形成于海陆交互环境下的太原组沉积建造，因受海水影响程度较高，其煤层以中硫煤为主，且下部煤层硫分相对偏高。

表4 可采煤层工业分析结果Table 4 Prximate analysis of mineable coal seams

3 富油煤时空分布规律

3.1 煤焦油产率变化特征

根据《矿产资源工业要求手册(2014 修订版)》煤炭焦油产率(Tard)分级，煤炭分为含油煤(＜7%)、富油煤(7%～12%)和高油煤(＞12%)[4]。因此，为了探讨陕北石炭–二叠纪煤田典型矿区富油煤赋存特征，首先要分析各煤层的焦油产率特征。通过汇总分析研究区可采煤层原煤格金低温干馏实验数据可知(表5)，不同矿区的煤焦油产率存在显著的时空差异性。

古城矿区：各可采煤层的原煤焦油产率变化范围为4.14%～13.86%，均值为9.22%～11.60%，9 煤焦油产率的平均水平最高、变化区间较小，具有高焦油产率和高稳定程度的特征；4、8 煤焦油产率呈现相反规律，其波动幅度大、标准偏差高(3.0%～3.2%)，显示煤焦油产率具有相对较强的空间离散性(图2a)。

图2 可采煤层原煤焦油产率对比Fig.2 Comparison of raw coal tar yield of mineable coal seams

吴堡矿区：各可采煤层以低焦油产率为特征。太原组煤焦油产率变化范围为1.41%～9.43%，均值处于5.15%～6.66%，煤焦油产率随成煤时间由早至晚逐渐增高，T1上煤焦油产率的标准偏差最低(1.1%)。山西组煤焦油产率相对有所提升，但仍以低于7%为主，均值处于 6.65%～6.89%，标准偏差为1.6%～1.7%(图2b)。

府谷矿区：各可采煤层的原煤焦油产率垂向变化特征明显。太原组煤焦油产率处于 4.36%～16.57%，均值为8.49%～11.02%，第三段煤层较第一、二段煤层具有更高的焦油产率、更小的波动幅度和更低的标准偏差，7 煤焦油产率均值最高、标准偏差最低(1.5%)、特征优势最强。山西组煤焦油产率为2.59%～16.27%，均值为9.15%～10.68%，较太原组煤层有所降低，就煤焦油产率均值和稳定性而言，2 煤最佳，4 煤次之，3 煤较差(图2c)。

综合而言，研究区煤焦油产率呈现北高南低趋势，古城–府谷矿区明显优于吴堡矿区。府谷矿区2、4、7、8 煤焦油产率在平均水平和稳定程度方面具有双重优势，其他煤层的焦油产率标准偏差大多高于2%。古城矿区各煤层焦油产率均值较府谷矿区偏高，但其空间稳定性较差、各向异性明显。

除焦油产率外，半焦和煤气产率也是提升富油煤清洁高效利用程度的重要指标。分析表明(表5)：古城矿区4、8、9 煤的半焦产率和煤气+损失量均值分别为74.10%～75.43%、9.20%～10.46%，均高于府谷矿区内横向可对比煤层。府谷矿区煤层特征垂向分析显示太原组第三段煤层具有相对较低的半焦产率和偏高的煤气产率特征，区内9、10、11 煤的半焦产率最高。

表5 可采煤层原煤格金低温干馏实验结果Table 5 Test results of low temperature dry distillation of raw coal of mineable coal seams

因此，通过精准开采与合理热解，可从古城–府谷矿区富油煤中较好地回收煤焦油、煤气和生产清洁半焦，这能够在一定程度上为我国稀缺的油气、焦煤和无烟煤资源提供重要补充[13]。

3.2 富油煤差异分布特征

根据典型矿区不同煤层的焦油产率数据，可以得出各矿区可采煤层的富油煤分布特征(图3、图4)。

古城矿区：4、8 煤的富油煤发育呈环带状，煤的富油性自古城井田(图3 注释①)核部向边部依次为高–富–含–富–高；9 煤的富油煤发育呈块状，高油煤大面积分布在矿区东北部和西北部，含油煤集中于矿区南部小范围地区。4、8 和9 煤均以富油煤为主，其分布面积占比依次约为82%、80%和78%，含油煤和高油煤分别在8、9 煤中发育程度最高，分布面积占比约为15%和19%(图5)。

府谷矿区：3、4 煤整体以发育富油煤为主，其分布面积占比均在89%左右，含油煤相对集中分布在段寨井田(图3 注释③)中东部，3 煤在西王寨井田(图3 注释④)和沙川沟井田(图3 注释⑧)大部发育高油煤，4 煤主要在冯家塔井田(图3 注释⑤)西部边缘发育较广，在沙川沟井田和西王寨井田呈星点状分布。7 煤焦油产率均值最高，在全区广泛发育富油–高油煤，高油煤分布面积占比高达23%，以段寨井田和沙川沟井田连片分布为特征。8 煤焦油产率均值次于7 煤，焦油产率自矿区中部向两侧变大，富油煤呈连片状分布，高油煤主要分布在冯家塔井田东部。相比上部煤层，9、11 煤焦油产率有所降低，含油煤发育程度明显升高，分布面积占比分别可达到16%和21%，主要分布在尧峁井田(图3 注释②)和段寨–西王寨–冯家塔井田局部。

图3 古城–府谷矿区富油煤分布特征Fig.3 Distribution characteristics of tar-rich coal in Gucheng-Fugu Mining Area

吴堡矿区：S1、T1上、T1煤焦油产率均值小于7%，各煤层以发育含油煤为主，S1煤的富油煤分布面积占比约28%，而T1上、T1煤几乎全区发育含油煤，仅存在个别高值异常(图4、图5)。S1煤的富油煤分布在横沟井田(图4 注释①)中部–东南部和柳壕沟井田(图4 注释②)中部，连片性相对较差。

图4 吴堡矿区富油煤分布特征Fig.4 Distribution characteristics of tar-rich coal in Wubu Mining Area

图5 可采煤层中不同焦油产率煤分布面积占比Fig.5 The proportion of coal distribution area with different tar yield in mineable coal seams

4 富油煤赋存影响因素

4.1 煤化程度

镜质体反射率可反映煤化程度。以研究区可采煤层的镜质体最大反射率范围为统计区间，对比不同焦油产率煤的发育频率。结果表明：随着镜质体反射率(Rmax)由0.50%增至1.70%，含油煤发育频率的变化次序为11%、60%、80%、100%，富油煤发育频率为83%、30%、20%、0。因此，陕北石炭–二叠纪煤田典型矿区富油煤的发育上限为Rmax=1.20%，高油煤的发育上限为Rmax=0.90%(图6)。

图6 Rmax 与不同焦油产率煤发育频率关系Fig.6 Development frequency of coal with different tar yield in various Rmax ranges

随着煤化程度由低至高，煤中脂肪侧链和缩合芳香环的数量此消彼长[14]，脂肪侧链数量的减少导致煤中氢元素含量和挥发分产率降低，进而使同一热解条件下煤焦油产率相应下降。因此，煤化程度是影响富油煤赋存特征的重要因素，其从有机质热演化角度最终定位了富油煤的发育潜力，中低阶煤分布区域是富油煤赋存的极大有利区，这正是陕北石炭–二叠纪煤田北部古城–府谷矿区(Rmax均值为0.59%～0.75%)富油煤资源前景高于南部吴堡矿区(Rmax均值为1.14%～1.39%)的根本原因。

4.2 成煤物质

低至较低煤化程度是富油煤赋存的先决条件，但两者并不存在对等关系。在此变质阶段，仍会存在一定程度的含油煤。究其原因，煤中壳质组和镜质组等生油组分，即富氢组分，无疑从物质基础上对煤焦油产率产生决定作用。煤的显微组分热解试验表明，壳质组的生烃潜力是镜质组的4 倍，是惰质组的10 倍，基质镜质体是镜质组中生烃潜力最好的组分[15]。相关分析表明：在同等煤化程度下，煤焦油产率与活性组分(镜质组+壳质组)含量的正相关性最高，与镜质组、惰质组含量分别呈正、负相关关系；由于研究区煤中壳质组含量普遍较低，相比而言，含量偏高的镜质组对煤焦油产率的影响作用更强，且作为无结构镜质体的亚组分，基质镜质体和均质镜质体对煤焦油产率形成了明显的正向促进作用(图7)。因此，从成煤物质角度而言，煤中高含量的富氢组分是煤具有高焦油产率的重要基础，较高的镜质组、壳质组及氢元素含量、H/C原子比和挥发分产率均可作为高焦油产率煤的指示因素。此外，古城–府谷矿区太原组煤焦油产率较山西组偏高。这一现象可能源于太原组为海陆交互相含煤沉积，其成煤物质除了大量的植物遗体外，还包括对生烃具有一定促进作用的浮游生物。

图7 有机显微组分与煤焦油产率的相关关系Fig.7 Correlation between organic macerals and tar yield

4.3 沉积环境

上述表明，以镜质组为主的高富氢组分含量有利于富油煤赋存。镜质组是成煤植物遗体在覆水还原环境下的产物，而惰质组主要形成于缺水多氧、森林火灾或微生物腐解等条件，故镜惰比(V/I)在一定程度上可以反映成煤环境的氧化还原程度及成煤期的温度、湿度等古气候条件，一般V/I小于1.0 反映成煤泥炭曾暴露于氧化环境[16-17]。研究显示(图8)，镜惰比与煤焦油产率呈一定正相关性。因此，在高镜惰比指示的温暖、潮湿和高还原程度的条件下，煤焦油产率相应偏高，这意味着成煤环境的还原程度越高，富油煤的赋存潜势越佳。

图8 镜惰比(V/I)与煤焦油产率的相关关系Fig.8 Correlation between V/I and tar yield

煤中无机矿物的类型和含量、煤的灰分产率及灰成分特征能够指示成煤环境和沉积介质。同生矿物是泥炭堆积期及早期成岩作用阶段在煤中形成的矿物，可以反映泥炭沼泽的地球化学条件：高岭石一般代表酸性介质条件，黄铁矿一般出现在与海相沉积关系密切的煤层里，可以代表强还原介质条件，菱铁矿是较缺氧条件下的产物[18-19]。煤中高含量的碎屑矿物可以反映泥炭沉积时受到了较强的外界水流作用影响。煤的灰分是煤中矿物质在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物，其在一定程度上可以反映泥炭沼泽的水位变化、河道沉积的影响、河流溢岸作用的程度以及碎屑物质的注入量，高灰分通常指示泥炭沼泽的水动力条件流动性强[17,20-21]。灰成分中不同氧化物的含量可以定性反映成煤环境的变化：CaO 和MgO 的含量反映了煤中钙镁矿物的比重，其值越大，指示泥炭沼泽的碱度越高；高含量的Fe2O3、SO3表明煤中含有较多的硫铁矿，可以反映高还原程度、相对闭塞的泥炭沼泽环境[22-24]。

研究区煤炭勘查资料与样品X 射线衍射分析结果显示：煤中无机矿物主要为同生黏土矿物，以高岭石为主，其次为石英、方解石等碎屑矿物；太原组煤中黄铁矿含量偏高，山西组煤中含少量菱铁矿；灰成分以SiO2为主，Al2O3次之。分析表明，煤焦油产率与石英、黏土矿物、灰分产率呈较强的负相关性(图9)，与灰成分中CaO+MgO、CaO、SO3含量呈一定正相关性(图10)。综合而言，靠近陆源区、较强的水动力条件和频繁的无机沉积作用会导致泥炭沼泽中有机质丰度降低和氧化程度增强，这会对富油煤赋存产生一定的制约；而沉积环境的闭塞、还原和碱性程度越高，越适宜高焦油产率煤的形成。

图9 无机组分与煤焦油产率的相关关系Fig.9 Correlation between inorganic component and tar yield

图10 灰成分中氧化物含量与煤焦油产率的相关关系Fig.10 Correlation between oxide content of ash composition and tar yield

5 结论

a.陕北石炭–二叠纪煤田可采煤层焦油产率均值呈北高南低分布特征，古城矿区为9.22%～11.6%，府谷矿区为 8.49%～11.02%，吴堡矿区为 5.15%～6.89%。古城矿区煤焦油产率标准偏差最高，可达3%左右，府谷矿区煤焦油产率的空间稳定性相对较高。

b.研究区富油煤时空分布特征差异明显。古城矿区富油煤分布以环带状为主，府谷矿区含油煤呈分散状发育于富油煤之间，吴堡矿区整体发育含油煤，富油煤仅局部少量分布，高油煤不发育。府谷矿区7 煤属富油–高油型，煤焦油产率最高，高油煤发育程度最佳，区内3、4、8 煤和古城矿区9 煤的富油–高油煤分布面积占比均超过94%。

c.随着煤化程度升高，富油煤发育频率降低，中低阶煤分布区域是富油煤赋存的极大有利区。陕北石炭–二叠纪富油煤在古城–府谷矿区最具资源优势。

d.煤焦油产率的正相关因素包括活性组分、镜质组、氢元素及灰成分中钙、镁、硫氧化物含量、镜惰比、H/C原子比和挥发分产率，负相关因素包括煤中惰质组、石英、黏土矿物含量和灰分产率。沉积环境的闭塞、还原和碱性程度越高，越利于富油煤的生成和赋存。

e.古城–府谷矿区富油煤资源潜力巨大，通过合理开发利用，能够极大回收煤焦油和生产清洁半焦，建议进一步加强区内富油煤精细开采、高效利用和深部预测，为陕北煤基油气资源提供地质保障。