鲁西南张湾井田3煤层煤质特征及成煤环境分析

罗文强，马祥县，唐璐璐，罗一凡，仵康林，张尚坤，杨 斌，梁吉坡

(1.山东省地质科学研究院 国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；3.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

张湾井田属曹县煤田一部分，位于鲁西南菏泽凸起(潜)的西南缘，行政区划属曹县、定陶及牡丹区[1]。曹县煤田是以“凹中找垒，凸中找堑”找煤模式为基础，通过研究“隆起中的凹陷，凸起的边缘、潜凹陷中的地垒、潜凸起中的地堑”赋煤规律，继巨野煤田和单县煤田之后，在鲁西南隐伏区覆盖区新发现的又一大型煤田[2]，是山东省目前资源量最大的焦煤产地之一。曹县煤田为全隐蔽煤田，含煤地层为月门沟群太原组和山西组。目前对曹县煤田的研究较少，仅从煤的分布特征进行了简单论述；特别是对煤层煤质特征及成煤环境的研究较少，只在邻区单县煤田张集井田有过研究[3-5]。煤相研究的基本手段是煤岩特征研究[6-10]，同时结合地球化学分析，能够揭示成煤环境、泥炭沼泽类型，对古气候及成煤植物群落探究提供重要理论依据[11-15]，不同研究者通过对各地的煤相及煤化学研究揭示成煤环境取得了相应的成果[16-20]。在张湾井田地质勘查工作的基础上，笔者对揭露3煤层的全部钻孔进行煤心煤样取样，并对煤样品开展了系统的煤岩学和煤化学分析。对煤的物理性质和煤岩特征进行了讨论；通过煤的工业分析、元素分析和工艺性能的分析，描述了煤质特征、划分了煤类、评价了煤的工业用途。利用镜惰比(V/I)、 煤层的灰成分指数、硫分及镍、钒、铬、钴元素含量，对张湾井田煤质特征与成煤环境进行了分析研究，探讨了煤层的物质组成及性质和成煤环境[21-25]。本研究对鲁西南及山东省隐伏区成煤规律的研究及找煤地质工作具有帮助作用,同时对类似的断陷盆地沉积相和成煤对比研究具有重要意义。

1 地质概况

地层区划属华北地层区鲁西地层分区菏泽-济宁地层小区[5]。地层自老到新有太古界泰山岩群；古生界震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系；中生界侏罗系；新生界古近系、新近系、第四系(图1b)[1-4]。

构造形态呈现为含煤地层总体走向NW，倾向SW的单斜构造，并伴有张性断裂和小的褶曲，煤系地层倾角一般在2°～7°。

图1 张湾井田前新近纪区域基岩地质图Fig.1 PreNeogene regional bedrock geological map of the Zhangwan Minefield

张湾井田为全隐蔽煤田，含煤岩系为石炭纪—二叠纪月门沟群[3-4,26-30]。煤系沉积基底为奥陶纪马家沟群，盖层自上而下有第四系和新近系，在勘查区深部局部保存古近系。

研究区内含煤地层为月门沟群太原组和山西组。太原组煤层均为不可采煤层；山西组的3煤层是区内的主采煤层。山西组平均厚度56.22 m，由灰-灰白色砂岩和灰-灰黑色粉砂岩、泥岩组成。3煤层位于山西组中、下部，属稳定、较稳定中厚-厚煤层，分叉为3上和3下两层煤，形成于三角洲沉积环境[7,10]。3煤层总厚度9.64 m，含煤系数17.15%；其中可采煤层为3上、3下，煤层厚度9.26 m，可采含煤系数16.47%。3上煤层全区可采，平均厚度6.76 m；3下煤层分叉范围内大部分可采，可采煤层平均厚度2.50 m。区内山西组3煤层可采指数为97.98%。

2 样品与分析方法

2.1 样品采集

对张湾井田3煤层达到可采及邻近可采厚度的煤层点均采取煤心煤样(包括夹矸)。共有采样点98个，其中3上煤层采样点70个，3下煤层采样点28个，采集了煤心煤样共计114件，具体分布位置如图2所示。

图2 煤样取样点分布Fig.2 Distribution of sampling points of coal samples

2.2 样品分析

依照国家煤相关分析标准，开展了煤的煤岩组分分析、工业分析和元素分析。所有样品的测试化验工作由山东泰山矿产资源检测研究院完成。

3 结 果

3.1 煤的物理性质和煤岩特征

3.1.1 煤的主要物理性质

3煤层均为黑色；黑褐、褐黑色条痕；中等坚硬煤层；具油脂、丝绢光泽；阶梯状、参差状断口；裂隙较发育。3上煤层真密度1.36～1.67 g/cm3，平均1.44 g/cm3(样品点数63)；视密度1.28～1.56 g/cm3，平均1.39 g/cm3(样品点数69)。3下煤层真密度1.38～1.55 g/cm3，平均1.45 g/cm3(样品点数25)；视密度1.30～1.54 g/cm3，平均1.41 g/cm3(样品点数28)。

3.1.2 宏观煤岩特征

煤岩组分均以亮煤、暗煤为主，见少量镜煤；条带状结构；层状、块状构造；煤岩类型主要为半亮型煤。

3.1.3 显微煤岩特征、变质程度和变质类型

3煤层煤岩显微组分含量见表1。

表1 张湾井田煤岩显微组分特征统计

煤层的有机组分均以镜质组为主，次为惰质组，另有少量半镜质组和壳质组。有机组分的总含量大于85.40%。

1)镜质组及半镜质组。镜质组以基质镜质体(图3)为主(可见少量碎屑惰质体、丝质体碎片及孢子体、角质体等；少数可见被微粒体浸染)；其次是结构镜质体(多见胞腔受挤压变小近闭合状，少数呈条带状，胞腔可见充填微粒体等；少数呈团块结构，隐约可见充填树脂体)；少数均质镜质体、碎屑镜质体、团块镜质体。半镜质组多见结构半镜质体，少数基质半镜质体、碎屑半镜质体。

图3 张湾井田3上煤层中基质镜质体、碎屑惰质体、角质体(显微照片)Fig.3 Matric vitreous, detrital inerter andkeratinite in the upperNo.3 coal seam in Zhangwan Minefield (micrograph)

2)惰质组。以丝质体、半丝质体(图4)(多破碎呈碎片状、碎屑状；少数胞壁膨胀变厚，胞腔受挤压程变小近闭合状，少见充填碳酸盐、黄铁矿)为主；其次是碎屑惰质体、粗粒体、微粒体；少见氧化树脂体、菌类体等。

图4 张湾井田3上煤层中半丝质体(显微照片)Fig.4 Semifusinite in the upper No.3 coal seamin Zhangwan Minefield (micrograph)

3)壳质组。以小孢子体(图5)(可见密集成群的小孢子堆或顺层分布)、角质体(薄壁角质体居多，少见厚壁角质体)为主；其次为树脂体，少数碎屑壳质体；少见树皮体。

图5 张湾井田3上煤层树脂体、小孢子体(显微照片)Fig.5 Resinite and microsporinite in the upper No.3 coalseam in Zhangwan Minefield (micrograph)

无机组分主要为黏土类矿物，次为氧化物、少量硫化物和碳酸盐类矿物。黏土多为团块状、充填状、粒状、集合状，少见条带状、侵染状；硫化物主要为黄铁矿，粒状、脉状、充填状；碳酸盐一般为脉状方解石，充填状、片状；氧化物为石英，棱角次棱角状、粒状、少见充填状、团块状。

煤层以条带状结构为主，次为碎屑结构和均匀结构，也可见混杂结构。显微煤岩类型主要为微镜惰煤，微镜煤和微三合煤。显微矿化类型可见微泥质煤、微硫化物质煤，少数微碳酸盐质煤。显微矿质类型可见微泥质型、微硫化物质型，少见微碳酸盐质型。

3煤层的镜质组最大反射率变化较小，介于0.77%～1.21%，平均1.01%。结合区域地质背景和区域对比判断，该区煤层主要以深成变质作用为主，变质程度主要为中变质程度的第Ⅲ、Ⅳ变质阶段。

3.2 煤的工业分析

分别对厚度大于0.6 m的见煤点煤样的原煤及浮煤进行了工业分析，分析结果统计见表2。

表2 张湾井田煤层工业分析结果统计

3.2.1 水 分

煤层中的水分属无益组分，它随煤变质程度的增高而降低(无烟煤阶段除外)，从表2中可以看出，各煤层的内在水分含量均较低，最大值不超过4.91%，属特低全水分煤(SLM)，在一定程度上反映了各煤层变质程度较高且煤质较好。

3.2.2 灰 分

由表2可知，3上煤层原煤灰分为6.77%～33.44%，平均15.35%，浮煤灰分为5.35%～16.52%，平均9.54%；3下煤层原煤灰分为10.61%～25.57%，平均16.18%，浮煤灰分为5.21%～12.76%，平均9.06%。3煤层原煤均为低灰煤(LA)，浮煤均为特低灰煤(SLA)。

对各煤层的煤灰成分和煤灰熔融性进行分析测定，统计结果见表3和表4。

表3 张湾井田煤层煤灰成分分析结果统计

由表3可以看出，各煤层煤灰成分均以酸性的SiO2、Al2O3为主，含量70.00%～81.02%；其次为碱性的Fe2O3、CaO、MgO等。

3上煤层和3下煤层煤灰熔融性软化温度ST分别为1 160 ℃～>1 500 ℃、1 260 ℃～>1 500 ℃(表4)。3上煤层煤灰熔融性软化温度分级跨较低软化温度灰(RLST)至高软化温度灰(HST)，以中等软化温度灰(MST)为主；3下煤层煤灰熔融性软化温度分级跨较低软化温度灰(RLST)至高软化温度灰(HST)，以较高-高软化温度灰(RHST-HST)为主。

3上煤层和3下煤层煤灰熔融性流动温度FT分别为1 200～>1 500 ℃、1 290～>1 500 ℃(表4)。3上煤层煤灰熔融性流动温度分级跨较低流动温度灰(RLFT)至高软化温度灰(HFT)，以中等-较高动温度灰(MFT-RHFT)为主；3下煤层煤灰熔融性流动温度分级跨较低流动温度灰(RLFT)至高软化温度灰(HFT)，以较高-高流动温度灰(RHFT-HFT)为主。

表4 张湾井田煤层煤灰熔融性分析结果统计

3.2.3 挥发分

3上煤层原煤挥发分为27.62%～36.96%，平均30.69%；浮煤挥发分为23.83%～35.98%，平均29.12%；3下煤层原煤挥发分为27.45%～36.95%，平均29.30%；浮煤挥发分为23.87%～35.80%，平均28.29%(表2)。3上和3下煤层为中等-中高挥发分煤(MV-MHV)。

3.2.4 固定碳

3上煤层原岩固定碳含量在44.96%～63.31%，平均58.06%，浮煤固定碳含量在59.86%～69.79%，平均64.47%；3下煤层原岩固定碳含量在52.74%～63.68%，平均59.14%，浮煤固定碳含量在63.56%～67.69%，平均65.84%(表2)。3上和3下煤层原煤均属低-中等固定碳煤(LFC-MFC)，浮煤均属中等-中高固定碳煤(MFC-MHFC)。

3.3 煤的元素分析

3.3.1 硫 分

煤层硫分分析结果见表5。3上煤层原煤全硫平均含量为0.41%，浮煤全硫平均含量为0.36%；3下煤层原煤全硫平均含量为0.44%，浮煤全硫平均含量为0.37%。3上、3下煤层原煤均属低硫分煤(LS)；经密度1.4 kg/L比重液洗选后，浮煤全硫和硫化物硫含量均有所降低，有机硫含量平均降低了0.01%，均属低硫煤(LS)。

表5 张湾井田煤层硫分含量统计

从形态硫特征看，硫分组成主要为硫化物硫和有机硫。通过洗选，硫化物硫含量降低，有机硫含量变化不大，可以看出，硫化物硫易洗选，有机硫难以洗选。

3.3.2 碳、氢、氮、氧元素质量分数

对各层煤的浮煤中碳、氢、氮、氧质量分数进行了分析。

3上煤层碳元素(Cdaf)含量介于81.86%～89.46%，平均87.34%(样品点数67)；氢元素(Hdaf)含量介于3.86%～5.49%，平均4.87%(样品点数67)；氮元素(Ndaf)含量介于1.01%～1.80%，平均1.57%(样品点数68)；氧元素(Odaf)质量分数介于1.59%～9.42%，平均5.03%(样品点数11)。

3下煤层碳元素(Cdaf)含量介于80.74%～89.07%，平均87.42%(样品点数26)；氢元素(Hdaf)含量介于3.91%～5.26%，平均4.81%(样品点数26)；氮元素(Ndaf)含量介于1.06%～1.71%，平均1.50%(样品点数26)；氧元素(Odaf)含量介于4.84%～5.18%，平均5.05%(样品点数3)。

3.3.3 其他有害元素分析

对煤层有害成分氯、磷、砷、铜、铅、锌的分析统计见表6。

从表6中可见，3煤层氯平均含量均为0.099%(表6)，属低氯煤(Cl-2)，作为炼焦和锅炉燃烧用煤不会腐蚀炉壁。砷最高含量为3×10-6，煤层为特低砷煤(As-1)，均满足酿造和食品工业用煤砷含量不超过8×10-6的规定。磷含量3上煤层平均为0.029%，3下煤层平均为0.010%；3上煤层属低磷-中磷煤(P-2-P-3)，3下煤层属特低磷煤-低磷(P-1-P-2)，均符合炼焦等工业用煤要求。各煤层铜、铅、锌含量符合工业用煤要求。

表6 张湾井田煤层有害组分含量统计

3.4 煤的工艺性能

3.4.1 煤的黏结指数

3上煤层煤的黏结指数(GR.I.)介于48～100，平均87(样品点数67)；3上煤层煤的胶质层最大厚度(Y)介于9.5～34.0 mm，平均21.2 mm(样品点数69)。3下煤层煤的黏结指数(GR.I.)介于76～98，平均88(样品点数27)；3下煤层煤的胶质层最大厚度(Y)介于11.0～32.5 mm，平均21.5 mm(样品点数26)。3上煤层为中强-特强黏结煤(ZQNM-TQNM)，3下煤层为强-特强黏结煤(QNM-TQNM)；3上和3下煤层胶质层最大厚度平均小于25 mm。

3.4.2 煤的结焦性

3上煤层成焦率介于64%～90%，平均成焦率为77.6%(样品点数42)；3下煤层成焦率介于69%～85%，平均成焦率为76.2%(样品点数12)，属结焦性好的煤类。

3.4.3 煤的燃烧性

煤层各种发热量分析结果见表7。

表7 张湾井田煤层各种发热量统计

3上、3下煤层原煤均属高发热量煤(HQ)，洗选后，浮煤均达特高发热量煤(SHQ)标准。根据试验分析结果计算，各煤层燃烧比均小于2.50，燃烧性指标大于2 000，灰中残留可燃物小于5%，因此各煤层都是燃烧性较好的煤层。

4 讨 论

4.1 煤质特征

根据前面相关分析结果，3上煤层具有特低全水分(SLM)、低灰分(LA)、中等-中高挥发分(MV-MHV)、低-中等固定碳(LFC-MFC)、低硫(LS)、低磷-中磷(P-2—P-3)、中强-特强黏结(ZQNM-TQNM)和高发热量(HQ)特征；3下煤层具有特低全水分(SLM)、低灰分(LA)、中等-中高挥发分(MV-MHV)、低-中等固定碳(LFC-MFC)、低硫(LS)、特低磷-低磷(P-1-P-2)、强-特强黏结(QNM-TQNM)和高发热量(HQ)特征[23-33]。

4.2 煤 类

3煤层煤的自然类型为腐植煤，呈黑色，为层状原生沉积矿床。

以干燥无灰基挥发分(Vdaf)、胶质层最大厚度(Y)、黏结指数(GR.I.)为主要指标，奥亚膨胀度(b)等为辅助指标划分煤类[34]。3煤层煤类主要以1/3焦煤和焦煤为主，另有少量肥煤；按中国煤炭分类总表，其类别为烟煤(YM)大类。

3上煤层有70个见煤点(均为正常见煤点)，其中36个点煤类为1/3焦煤，18个点煤类为焦煤，13个点煤类为肥煤，1个点煤类为1/2中黏煤，2个点未划分煤类，煤类分布特征见图6。

图6 张湾井田3上煤层煤类分布特征Fig.6 Distribution characteristics of coal types in upper coal seam of No.3 coal seams in Zhangwan Minefield

3下煤层共有28个见煤点，其中10个点煤类为1/3焦煤，13个点煤类为焦煤，4个点煤类为肥煤，1个点未划分煤类，煤类分布特征如图7所示。

图7 张湾井田3下煤层煤类分布特征Fig.7 Distribution characteristics of coal types in lower coal seam of No.3 coal seams in Zhangwan Minefield

4.3 煤的工业用途评价

根据工业分析指标，3煤层符合冶金焦用和铸造焦用煤要求。3煤层浮煤为低灰、特低硫、强黏结性、成焦率较高的1/3焦煤(1/3 JM35)、焦煤(JM25)，可作为炼焦用煤。焦煤在我国煤炭资源中所占比例较小，故宜作炼焦配煤，以节约利用优质煤炭资源。

另外，3煤层的发热量、硫分、灰熔点等指标均符合电煤要求。基本符合燃用烟煤的普通链条锅炉要求Ad为10%～30%，Vdaf为22%～36%，收到基发热量21.0～24.5 MJ/kg，ST>1 250 ℃，St,d≤0.70%。但是，3煤层不适合用于气化、液化、合成氨、高炉喷吹等工业用煤。

4.4 成煤环境分析

4.4.1 镜惰比(V/I)

在煤化过程中植物残骸受到的氧化分解程度决定了煤层各显微组分的含量。在气流闭塞、覆水较深的环境下形成镜质组，而沼泽覆水浅、干燥氧化的环境形成惰质组。根据V/I的比值，V/I值大于1小于4，代表极潮湿-覆水的环境[10-11,17,23]。张湾3煤层的V/I比值介于1.6～2.7，说明其成煤环境为以潮湿覆水环境起到主导作用。煤样中以镜质组的含量为主，植物主要受到还原作用[9-10, 23]。

4.4.2 灰成分指数

灰成分指数指煤灰中的Fe2O3+ CaO + MgO与Al2O3+ SiO2含量之比[13-15, 24]，小于0.22为未受海水影响的陆相沼泽中形成的弱还原型环境，大于0.22为受海水影响的障壁岛-潮坪-泻湖沼泽中形成的较强还原性环境[15]。张湾井田3上煤层的灰成分指数0.12～0.54，平均0.28(n=77)；3下煤层的灰成分指数0.09～0.41，平均0.15(n=27)，表明3煤层既受陆相环境影响，也受海相环境影响，属受海水影响的沼泽环境。3上煤层成煤环境属于较强的还原型；3下煤层形成环境表现为弱氧化性[19]。

4.4.3 硫 分

硫分可以看作是区分成煤环境的一种定量参数，三角洲体系环境中成煤其硫分一般小于2%～3%，海水影响较弱的三角洲成煤环境下煤中硫分相对较低[6-7,12,19-20]，而内陆淡水环境形成的煤含硫一般较低。张湾3煤层硫分均小于1%，表明其成煤环境为海水影响较弱的三角洲成煤环境。硫分分布研究表明，3煤层有机硫占全硫比重为40.22%～66.20%，陆相煤层中有机硫占较大比重，主要来自植物生长过程中从土壤的吸收[20]，表明3煤层应为形成于陆相山前平原的低硫煤。

4.4.4 镍、钒、铬、钴元素

张湾3煤层所有样品V/(V+Ni)值处在0.215～1.0之间，均值为0.84，V/Cr值为1.06～3.2，均值2.01，Ni/Co值0.57～2.77，均值为1.42，均显示还原性较强的沉积环境[18]。

综合分析认为，张湾井田3煤层沉积环境为内陆淡水还原环境，间或受到海水的影响，为三角洲平原亚相沉积。

5 结 论

1)区内3煤层煤岩类型主要为半亮型煤，以有机组分为主(总含量大于85.40%)，有机组分以镜质组为主，次为惰质组，另有少量半镜质组和壳质组。

2)煤层具有特低全水分、低灰分、中等—中高挥发分、低—中等固定碳、低硫、低磷—中磷、中强—特强黏结和高发热量特征。

3)煤类主要为1/3焦煤和焦煤，少量肥煤。煤的工业利用方向为炼焦用煤和动力用煤。

4)张湾井田3煤层沉积环境为内陆淡水还原环境，间或受到海水的影响，为三角洲平原亚相沉积。

致谢：感谢山东省菏泽市矿产资源勘探开发中心、山东省煤田地质局第二勘探队、山东泰山矿产资源检测研究院在项目开展中给予的支持。同时感谢审稿人对论文提出宝贵的修改意见。