新安煤田深部煤中硫分布特征及成煤环境分析

张 齐

(河南省地质研究院,河南 郑州 450016)

硫是煤中主要有害元素之一,其存在严重影响了煤炭的利用方向以及燃煤锅炉排放是否达标。多年来,煤中硫元素的形态、成因、分布特征以及脱硫、降硫方法一直是行业学者关注的焦点和热点,研究领域涉及煤中硫区域分布、硫的形态与结构、煤岩特征与硫的关系、煤中微量元素与硫的关系以及煤中硫的地质成因等[1]。在我国,胡军等[2-5]先后从成煤时代、煤阶、聚煤区分布等多方面对我国煤中硫的分布特征和地质成因进行了研究,并总结了煤中硫的分布规律,指出煤中硫的含量与成煤时代、聚煤地区环境密切相关;刘大锰等[6]研究了华北晚古生代煤中形态硫的分布特征;桑树勋等[7]对华北晚古生代成煤环境与成煤模式多样性进行了研究,提出海相成煤环境主要为泻湖泥炭坪;唐跃刚等[8]在系统研究四川晚二叠世高硫煤中黄铁矿矿物学的基础上,提出了黄铁矿直接沉淀系列和复杂成因两大演化模式,对了解黄铁矿物性具有重要意义。

煤中硫的存在为煤炭资源的储存、加工和清洁利用带来了难度。新安煤田为河南省重要的煤炭基地之一,通过对新安煤田深部煤中硫的分布特征和成煤环境进行研究,可为煤炭产品脱硫、降硫措施的选择和煤炭的清洁开发利用提供依据。基于此,笔者以煤田深部大量地质钻孔、煤质测试资料为基础,对煤中硫的分布、变化规律以及成煤环境进行了研究,分析了煤中硫的分布特征,提出山西组二煤组成煤环境为浅水河流和海水潮汐共同控制的三角洲沉积体系。

1 煤田位置

新安煤田位于河南省西部,东南距洛阳市约20 km,西距义马市约30 km,隶属新安县、孟津县管辖。煤田总面积约900 km2[9]。研究区位于新安煤田深部,长14～24 km,宽7～10 km,面积约203 km2。

新安煤田地处太行构造区、嵩箕构造区和崤熊构造区三区的交界部位[10],煤田主体位于太行构造区内,基本构造形态为一夹持于龙潭沟断层(岸上断层)和常袋断层间的轴向近东西的向斜构造。基本构造特征以褶皱为主,由新安向斜两翼构成现今的新安煤田;断裂主要发育在北部,除西南部的龙潭沟断层、东南部的常袋断层以及东北部的马屯断层规模较大外,其余规模一般较小。研究区位于新安煤田南部、新安向斜北翼,靠近向斜轴位置(图1)。

图1 新安煤田构造纲要Fig.1 Outline diagram of Xin′an Coalfield structure

2 煤层与煤类

研究区含煤地层为二叠系下统本溪组(P1b)、太原组(P1t),中统山西组(P2s)及下石盒子组(P2x),上统上石盒子组(P3sh),按沉积特征及含煤性共划分为8个煤段[11-12],总厚584.55 m,含煤27层,煤层总厚为7.72 m,含煤系数1.24%。二1煤层位于山西组下部,研究区内大部发育,煤层厚度0～12.33 m,平均厚3.87 m,以中厚—厚煤层为主,是研究区内主要可采煤层。二1煤层结构较简单,部分钻孔见1～3层炭质泥岩或泥岩夹矸,夹矸厚0.10～1.65 m,平均厚0.46 m。二2煤层位于二1煤层之上,下距二1煤层约20 m,主要发育于研究区西北部,煤层厚度0～1.96 m,可采范围内煤厚1.00～1.96 m,平均厚1.35 m,属局部可采薄煤层[13]。二2煤层结构简单,个别钻孔见1层泥岩或炭质泥岩夹矸,夹矸厚0.11～0.45 m,平均厚0.29 m。二1煤层属中灰、特低—高硫、低挥发分、中—中高固定碳、低磷、低氟、高发热量、高软化温度粉状无烟煤和贫煤;二2煤层属中灰、低硫—中高硫、低挥发分、中—中高固定碳、低磷、低氟、中高发热量、高软化温度粉状无烟煤和贫煤。二1煤层贫煤主要分布于研究区西部和北部边界附近,其他区域为无烟煤;二2煤层贫煤主要分布于研究区西北部边界附近,无烟煤分布于贫煤东南部。

3 硫分

研究区煤中硫分按照《煤炭质量分级 第2部分:硫分》(GB/T 15224.2—2021)进行分级,共分为特低硫煤(St,d≤0.50%)、低硫煤(0.50%3.00%)5类。

3.1 全硫

研究区二1贫煤原煤全硫(St,d)含量0.55%～3.64%,平均2.17%(表1);无烟煤原煤全硫(St,d)含量0.28%～3.76%,平均1.73%。经1.40 t/m3密度液洗选后,贫煤浮煤全硫(St,d)含量0.46%～2.09%,平均1.16%;无烟煤浮煤全硫(St,d)含量为0.36%～2.02%,平均0.78%。二1煤层贫煤原煤以中—中高硫煤为主,低硫、高硫煤次之;浮煤以低—中硫煤为主,特低硫、中高硫煤次之;无烟煤原煤以低—中高硫煤为主,高硫煤次之;浮煤以特低—低硫煤为主,高硫煤次之(图2)。

图2 二1煤层全硫分布Fig.2 Distribution of total sulfur in Ⅱ1 coal seam

研究区内二2贫煤原煤全硫(St,d)含量为0.36%～2.12%,平均1.16%(表1);无烟煤原煤全硫(St,d)含量0.45%～2.98%,平均1.23%。经1.40 t/m3密度液洗选后,贫煤浮煤全硫(St,d)含量为0.38%～1.89%,平均0.76%;无烟煤浮煤全硫(St,d)含量值为0.42%～0.86%,平均0.52%。二2煤层贫煤原煤以低—中硫煤为主,低硫、高硫煤次之;浮煤以特低—低硫煤为主,中硫煤次之。无烟煤原煤以低—中高硫煤为主,特低硫煤次之;浮煤以特低—低硫煤为主(图3)。

表1 煤层硫分统计Tab.1 Coal seam sulfur statistics

图3 二2煤层全硫分布Fig.3 Distribution of total sulfur in Ⅱ2 coal seam

3.2 各形态硫

(1)硫化铁硫(Sp,d)。二1、二2煤层中硫均以硫化铁硫为主。二1、二2煤层贫煤原煤硫化铁硫含量分别在0.26%～2.73%和0.16%～1.64%,平均分别为1.28%和0.82%(表1)。在二1煤层中—中高硫贫煤中,硫化铁硫占比在65%～90%;二2煤层贫煤硫化铁硫占比在60%～90%。二1、二2煤层无烟煤原煤硫化铁硫含量分别在0.19 %～3.03%和0.24%～1.63%,平均分别为1.05%和0.73%。二1煤层低—中高硫无烟煤中,硫化铁硫占比在60%～90%;在二2煤层贫煤中硫化铁硫占比在65%～85%。表明硫化铁硫是二1、二2煤层硫含量高的主要原因。

(2)有机硫(So,d)。有机硫是二1、二2煤层硫分的另一个重要组成部分。二1煤层贫煤原煤有机硫含量0.07%～2.02%,平均0.88%;无烟煤原煤有机硫含量0.04%～1.75%,平均0.46%。二2煤层贫煤原煤有机硫含量0.07%～0.60%,平均0.31%;无烟煤原煤有机硫含量0.10%～0.41%,平均0.28%。

(3)硫酸盐硫(Ss,d)。二1、二2煤层煤中硫酸盐硫含量很小。贫煤原煤硫酸盐硫含量分别为0～0.14%和0.01%～0.13%,平均分别为0.03%和0.04%;无烟煤原煤硫酸盐硫含量分别为0.01%～0.13%和0～0.08%,平均分别为0.03%和0.03%。

3.3 硫分分布特征

在平面上,研究区二1煤层硫分整体上具有西南部高、东北部低的趋势特征。西南部以中—中高硫煤为主,面积约148.78 km2,占比73.29%(图4);低硫煤主要分布于研究区东北部,面积约38.1 km2,占比18.81%;高硫煤呈云朵状分布于西南部中高硫煤中,面积约8.35 km2,占比4.11%;特低硫煤主要分布于研究区北部,面积约7.69 km2,占比3.79%。二2煤层北中部以低硫煤为主,中硫煤和中高硫煤分布于研究区南部和北东部区域,特低硫煤分布于研究区西部(图5)。

图4 二1煤层煤类、硫分分布Fig.4 Coal and sulfur distribution map of Ⅱ1 coal seam

图5 二2煤层煤类、硫分分布Fig.5 Coal and sulfur distribution map of Ⅱ2 coal seam

4 煤中硫的成因

4.1 高硫煤中硫的特征

在研究区高硫煤中,硫化铁硫起主导作用,占比65%～80%。硫化铁硫主要以黄铁矿的形式出现,黄铁矿硫的赋存状态有分散状、微粒状的自形晶、自形晶集合体、草莓状等,在局部煤层中常见黄铁矿结核。由此可见,煤中的黄铁矿基本是同生或早期成岩阶段所形成的。

4.2 煤中硫的形成机制

煤中有机硫主要来源于成煤植物本身。不同植物或同一植物的不同组织器官中硫含量都有较大差异。如内陆酸性土壤中石松科植物中硫含量多为0.10%～0.14%;生长在半咸水中的植物能吸收生存环境中的硫酸盐使之转变为有机硫,如白骨壤、桐花树等植物硫含量多为0.30%～0.40%,而桐花树叶含硫量高达1.58%。成煤植物硫含量相对较高,直接导致煤中有机硫含量较高。

4.3 煤中硫的成因

成煤时期的沉积环境对煤中硫的含量起控制作用,主要表现为2个方面:①泥炭沼泽发育过程中,介质条件是影响黄铁矿形成的主要因素;②沼泽的介质条件不同,所生长的植物群落亦有差别,致使造泥炭植物的优势种群有所不同。

由于半咸水泥炭沼泽环境中生长的植物相对淡水植物硫含量高,半咸水泥炭沼泽环境下最易形成黄铁矿,常比淡水环境高出2个数量级。半咸水泥炭沼泽是形成研究区高硫煤的主要原因。

5 成煤环境

在早二叠世早期,研究区属亚热带—热带潮湿气候,总体地势呈西北略高、东南略低的形态[16]。陆生、水生植物生长繁茂,树冠庞大且分布广泛的科达纲在早二叠世植物中占有非常重要的位置。新安煤田山西组底部的沉积受古地形、古气候、构造、植物等多种因素的影响,山西组大占砂岩段为一充填淡化海湾的一套浅水河流三角洲沉积体系。该三角洲以河流作用为主,并受到海水潮汐作用的影响。成煤植物的分布亦受淡水河流和海水的双重控制,在淡水和海水的共同影响下,形成了硫分含量变化较大的二1煤层。随着海水向东南方向的不断后退,淡水河流对煤层分布起主导作用,形成了以低硫—中硫为主的二2煤层。成煤后期逐渐演变为以河床相和泥炭沼泽相沉积为主的内陆环境,河流对煤层的冲蚀明显增强,致使二1、二2煤层局部变薄或尖灭。

6 结论

(1)新安煤田地处太行构造区、嵩箕构造区和崤熊构造区三区的交界部位,山西组二1、二2煤层为主要可采煤层。二1煤层贫煤分布于研究区西部和北部边界附近,其他区域为无烟煤;二2煤层贫煤主要分布于研究区西北部边界附近,无烟煤分布于贫煤东南部。

(2)二1煤层贫煤以中—中高硫煤为主,无烟煤原煤以低—中高硫煤为主;二2煤层贫煤以低—中硫煤为主,无烟煤原煤以低—中高硫煤为主。二1、二2煤层煤中硫均以硫化铁硫、有机硫为主,硫酸盐硫含量极低。

(3)二1煤层硫分整体上具有西南部高、东北部低的趋势特征。高硫煤呈云朵状分布于西南部中高硫煤,特低硫煤主要分布于研究区北部。二2煤层西部以特低硫煤为主,北中部以低硫煤为主,南部和北东部以中硫煤和中高硫煤。

(4)山西组大占砂岩段为一充填淡化海湾的一套浅水河流三角洲沉积体系。在淡水和海水的共同影响下,形成了硫分含量变化较大的二1煤层。随着海水的不断后退,淡水河流对煤层分布起主导作用,形成了以低硫—中硫为主的二2煤层。