鲁西南煤田东滩煤矿煤质特征及煤相分析

马新涛， 魏迎春， 孟 涛

(1.山东能源集团营销贸易有限公司，济南 250014；2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

0 引言

我国“富煤、贫油、少气”的能源结构决定了煤炭是我国的基础能源，且短期内难以被全面取代[1-3]。随着国家生态文明建设的不断推进及“双碳”政策的实施，对煤炭进行清洁高效利用已成为我国煤炭工业绿色发展的必由之路[4-6]。煤炭的煤相特征决定了其煤质特征，进而决定了煤的质量特征、工艺性质及转化利用方式[7-13]。因此，研究煤岩煤质与煤相特征对煤炭的清洁高效利用具有重要意义。

鲁西南煤田煤炭资源丰富[14-15]，东滩煤矿位于鲁西南煤田聚煤盆地的东南部，是重要的煤炭资源基地[16]。目前关于东滩煤矿的研究多集中在构造和水文地质方面[17-18]，关于东滩煤矿煤岩煤质特征和煤相分析较少。为此，笔者以东滩煤矿3上煤层样品为研究对象，研究了东滩煤矿3上煤的煤岩、煤质和煤相特征，探讨了东滩煤矿3上煤的成煤环境，为该区煤炭资源的综合评价和清洁利用提供科学依据。

1 地质背景

鲁西南煤田位于华北地台鲁西古隆起西南角，区域构造属华北板块鲁西台背斜西南部，东滩煤矿在矿区划分上隶属于兖州矿区，是于晚古生代发育在华北地台的聚煤盆地东南部鲁西南煤田的一部分[19]。东滩煤矿位于兖州向斜的南部，区内较多发育次一级褶皱和断裂[20-21](图1)。区内主要含煤地层为上石炭统—下二叠统太原组和下二叠统山西组，其中山西组中下部3号煤在研究区内稳定分布，其上部分支煤层3上煤平均厚度约4.7m，是区内主要可采煤层。

图1 东滩煤矿区域位置和构造纲要图(据参考文献[21]修改)Figure 1 Dongtan coalmine regional position and structural outline map(after reference[21], modified)

2 样品采集与测试

样品采自鲁西南煤田东滩煤矿3上煤层的采煤工作面，按照国家标准GB/T 482—2008《煤层煤样采取方法》自上而下进行刻槽采样，共计13件，包括11个煤样，1个顶板样和1个底板样品。所有采集的样品在采集后被立即储存在密封袋中，以避免样品被污染和氧化。

对采集的煤样首先进行宏观特征描述和宏观煤岩类型划分，其次进行煤的相关测试分析，其中工业分析基于国家标准GB/T212—2008《煤的工业分析方法》中规定的要求进行，煤中全硫及各种形态硫含量的测定参照国家标准GB/T214—2007《煤中全硫的测定方法》和GB/T215—2003《煤中各种形态硫的测定方法》。煤样中的显微组分鉴定依据国家标准GB/T15588—2013《烟煤显微组分分类》和GB/T8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》，在油浸反射光的条件下，按固定步长统计不少于500个点，以各显微组分和矿物的统计点数占总有效点数的百分数(视为体积分数)为煤样中显微组分含量的最终鉴定结果。实验测试均在中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室完成。

3 煤岩煤质特征

3.1 煤岩特征

东滩煤矿3上煤镜质体反射率为0.62%，属于低煤阶烟煤(气煤)。煤层中部宏观煤岩类型为半亮煤和半暗煤，向顶底板逐渐过渡为暗淡煤。东滩煤矿3上煤层样品测试分析结果见表1。东滩煤矿3上煤样的显微煤岩组分中有机质含量较高，平均含量达到了90%以上，其中以镜质组含量为主，其次为惰质组，壳质组含量最低，无机组分以黏土类矿物为主，碳酸盐类矿物次之。镜质组含量最高为25.0%～70.8%，平均值为48.7%，主要以基质镜质体为主；惰质组含量为14.9%～50.4%，平均值为33.1%；壳质组含量最少，其含量为6.3%～18.9%，平均值为10.8%；矿物含量为5.0%～10.7%，平均值为7.5%。其中3上煤镜质组主要由基质镜质体(图2a)组成，均质镜质体(图2b)和结构镜质体(图2c)含量较少，偶见团块镜质体和胶质镜质体。惰质组主要由半丝质体(图3a)组成，碎屑惰质体(图3b)和氧化丝质体(图3c)含量较少，偶见粗粒体和微粒体。壳质组组分含量相对较少，主要由小孢子体(图4a)组成，其次是角质体(图4b)和树脂体(图4c)，偶见树皮体和沥青质体。矿物质主要为黏土类矿物(图5a)为主，黏土类矿物较多以浸染的形式充填于均质镜质体中，少量充填裂隙或胞腔中；黄铁矿常充填于裂隙和细胞腔中(图5b)；在裂隙和细胞腔中可见方解石充填(图5c)，偶见也发现石英存在。

a.基质镜质体 b.均质镜质体 c.结构镜质体

a.半丝质体 b.碎屑惰质体 c.氧化丝质体

a.小孢子体 b.角质体 c.树脂体

a.黏土类 b.黄铁矿 c.方解石

表1 东滩煤矿3上煤样品测试分析

3.2 煤质特征

东滩煤矿3上煤层煤样属于低灰分-特低灰分、高挥发分、低硫煤。原煤水分(Mad)为1.88%～2.31%，平均水分含量为2.06%，垂向上变化不明显(图6)，在煤层中部达到最大值；原煤灰分(Ad)为7.46%～17.26%，平均灰分含量为10.17%，为低灰-特低灰煤，在DT-3号煤样有异常高值，靠近顶板灰分低于靠近底板灰分含量(图6)；原煤挥发分(Vdaf)产率为35.78%～41.70%，平均挥发分产率为38.63%，属于高挥发分煤，煤层下部挥发分产率高于煤层上部(图6)；原煤全硫(St.d)含量为0.46%～0.76%，平均全硫含量为0.58%，属于低硫煤，煤层中全硫含量在顶底板附近有逐渐增高的趋势并保持较高的含量(图6)。形态硫测试表明，3上煤中硫分以黄铁矿硫为主，其次为有机硫，且靠近顶板附近，有机硫出现异常高值，而黄铁矿硫在顶底板附近有增高的趋势，煤分层的硫含量变化受有机硫和黄铁矿硫的控制(图6)。

图6 东滩煤矿3上煤层煤岩煤质特征垂向变化Figure 6 Coal No.3U coal petrology and coal quality features vertical variation in Dongtan coalmine

4 煤相指标特征及煤相演化序列

4.1 煤相指标特征

本文选择了7种煤相参数指标，各参数计算方法及表征沼泽特征叙述如下，主采煤层的煤相划分主要依据以下参数的变化：①凝胶化指数(GI)；②结构保存指数(TPI)；③植被指数(VI)；④地下水影响指数(GWI)；⑤镜惰比指数(V/I)；⑥流动性指数(MI)；⑦T-D-F图等。

(1)GI-TPI图分析

Diessel所提出的GI-TPI图是引用较广泛的煤相分析方法[22]。该方法是利用煤层的煤岩学标志(主要是显微煤岩组分含量)，引入两个定量化参数GI和TPI来反映不同环境下形成的煤相类型。将TPI=1作为森林沼泽和低位沼泽(芦苇草沼)的界线，GI=1作为潮湿型沼泽与干燥型沼泽的界线(图7)。

从GI-TPI图可以看出，东滩煤矿3上煤分层样大部分分布在潮湿草本沼泽相(低位泥炭沼泽)中，只有DT-02、DT-03落在干燥森林沼泽相，说明泥炭沼泽环境整体较为稳定。除DT-02、DT-03、DT-11的凝胶化指数(GI)小于1外，其余样品GI<5表明泥炭沼泽环境整体覆水程度较深，除DT-02和DT-03样品TPI>1外，其余样品TPI<1，反映成煤植物为草木混生，且以草本植物为主。

TPI

(2)GWI-VI图分析

Calder提出地下水影响指数和植物指数来表征泥炭沼泽类型[23]，即将VI=1作为草本植物和木本植物界线，用GWI=1作为森林沼泽与流水沼泽的界线，东滩煤矿3上煤层GWI-VI图如图8所示。

图8 3上煤GWI-VI图Figure 8 Coal No.3U GWI-VI diagram

从GWI-VI图可以看出，东滩煤矿3上煤地下水影响指数较低(介于0.1～0.5)，地下水动力条件较弱，对沼泽水的补给较弱，泥炭沼泽整体处于贫营养程度。植物指数VI均小于1，成煤植物以草本植物为主。

(3)T-D-F图分析

M.B.Silva根据T-D-F图将煤层分为潮湿森林沼泽、开放沼泽和陆地森林沼泽三大类煤相类型[24]。一般潮湿森林沼泽通过高的T值反映，开放沼泽通过高的D值反映，陆地森林沼泽通过高的F值反映，其中T=结构镜质体+均质镜质体；F=丝质体+半丝质体；D=碎屑镜质体+孢子体+碎屑壳质体+角质体+碎屑惰质体+碎屑矿物(黏土矿物+氧化硅类)。

东滩煤矿3上煤层T-D-F图如图9所示，东滩煤矿3上煤各分层T-D-F主要分布在陆地森林沼泽和开放沼泽之间，F值为30%～67%，平均为54%，D值次之，为23%～54%，平均38%，T值相对较小，为1%～16%，平均9%，整体变化较大，反映泥炭沼泽环境干燥与潮湿气候交替出现，变化频繁，外来碎屑物质供应相对较少。

图9 3上煤T-D-F图Figure 9 Coal No.3U T-D-F diagram

(4)镜惰比分析

镜惰比是镜质组与惰质组的比值(V/I)，是成煤泥炭遭受氧化程度的参数[25]。一般来说，镜质组所代表的是一种潮湿的还原环境，惰质组所代表的是一种干燥氧化环境，这一参数可以较为直观地反映沼泽的覆水程度及气候的干湿情况。

东滩煤矿3上煤各煤分层镜惰比V/I为0.5～4.5，变化幅度较大。成煤初期，DT-11煤镜惰比0.85，属于弱覆水环境，氧化作用占主导地位，向上泥炭沼泽环境经历了突然性的水进，DT-10镜惰比升高至4.57，过渡为强覆水环境。成煤中期，DT-10—DT-05的镜惰比由高-低-高发生变化，总体大于1，覆水深度也相应地出现强覆水-覆水-强覆水的变化。成煤后期，煤分层镜V/I为0.5～1.51，覆水深度有所下降，经历了由高—低—高的变化，泥炭沼泽环境相应的由极潮湿—覆水到潮湿—弱覆水再到极潮湿—覆水发生变化。

4.2 煤相演化序列

根据以上煤相指标反映的泥炭沼泽类型，并结合煤岩煤质特征，对东滩煤矿3上煤层进行了煤相划分，东滩煤矿3上煤层的煤相类型包括潮湿草本沼泽相和干燥森林沼泽相，煤相垂向自下而上经历潮湿草本沼泽相—干燥森林沼泽相—潮湿森林沼泽相等3个演化阶段(图10)。

图10 3上煤层煤相柱状图Figure 10 Coal No.3U coal facies column

第一阶段为潮湿草本沼泽相，对应样品DT-11至DT-04、VI<1，TPI<1，表明成煤植物以草本植物为主。宏观煤岩类型以半亮煤和半暗煤为主，V/I为0.85～4.57，GI为0.93～4.96，表明沼泽覆水较深，为潮湿-弱覆水和极潮湿-覆水环境，凝胶化作用较强。GWI为0.13～0.42，表明地下水动力条件较弱，对沼泽的补给较少，为贫营养程度。MI为0.12～0.50，反映沼泽水流动性较弱，主要为停滞相。

第二阶段为干燥森林沼泽相，对应样品DT-03至DT-02。VI为0.87～0.96，TPI>1，表明成煤植物为草木混生型，且以木本植物为主。宏观煤岩类型为暗淡煤，V/I为0.50～0.57，GI为0.51～0.58，表明沼泽覆水较浅，为潮湿弱覆水环境，丝炭化作用较强。GWI为0.33～0.42表明地下水动力条件较弱，为贫营养程度。MI为0.92～1.10，反映沼泽水流动性较强。

第三阶段为潮湿草本沼泽相，对应样品DT-01，VI=0.47，TPI=0.49，表明成煤植物以草本植物为主。宏观煤岩类型为暗淡煤，VI为1.51，GI为1.53，表明沼泽覆水较深，为极潮湿-覆水环境，凝胶化作用较强。GWI为0.20，表明地下水动力条件较弱，对沼泽的补给较少，为贫营养程度。MI为0.36，反映沼泽水流动性较弱，主要为较停滞相。

5 煤的清洁利用方向

通过对东滩煤矿3上煤层煤样的煤岩、煤质等指标分析，东滩煤矿3上煤层的煤为低煤阶烟煤(气煤)，属于低灰分-特低灰分、高挥发分、低磷、低硫煤。针对“双碳”目标，从煤炭清洁利用方向，评价东滩煤矿3上煤层煤炭利用的适宜性。参照(GB/T397—2009)《炼焦用煤技术条件》标准，3上煤层原煤各指标均能达到炼焦用煤的要求(表2)，宜作炼焦用煤。参照(GB/T23810—2009)《直接液化用原料煤技术条件》标准，东滩煤矿3上煤层原煤各指标均能达到直接液化用煤的要求(表2)，可作直接液化用煤。参照(GB/T29721—2013)《流化床气化用原料煤技术条件》和(GB/T9143—2008)《常压固定床气化用煤技术条件》，根据不同气化工艺对煤质的要求，东滩煤矿3上煤层原煤黏结性指数GR.I为61，超过了50，不宜直接作为气化用煤。

表2 3上原煤指标与炼焦用煤和直接液化用煤指标要求

6 结论

1)东滩煤矿3上煤层煤样属于低灰分-特低灰分、高挥发分、低硫煤，垂向上原煤水分(Mad)含量变化不明显，灰分(Ad)和挥发分(Vdaf)产率表现为煤层上部较低、下部较高，硫分(St.d)在顶底板附近有逐渐增高的趋势并保持较高的含量。

2)东滩煤矿3上煤中显微煤岩组分以镜质组为主、惰质组次之，壳质组含量最少，煤中矿物组成主要以黏土类矿物为主，其次为碳酸盐类矿物和黄铁矿。

3)东滩煤矿3上煤中成煤植物主要为草本和草木混生型，煤相自下而上经历了潮湿草本沼泽相-干燥森林沼泽相-潮湿森林沼泽相3个演化阶段。

4)针对“双碳”目标，从煤炭清洁利用方向，东滩煤矿3上煤层的煤适宜作炼焦用煤和直接液化用煤。