永陇矿区南缘煤岩煤质特征及成煤环境分析_刘善德.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY coal petrography quality; coal-ing environment 永陇矿区位于黄陇侏罗纪煤田西南边缘， 处于大 型陆相煤盆地边缘地带， 是目前尚未充分开发的大型 矿区。煤的性质受成煤植物、沼泽覆水性、Eh 值、 pH 值等多因素共同影响，煤质特征是煤炭资源加工 利用的依据； 煤质参数包含的地球化学信息可以反演 成煤环境。 目前，国内外学者在煤质参数反演成煤环 境方面进行了大量的研究，经岩相古地理的分析验 证，充分证明了煤质反演含煤岩系沉积相的可行 性[1-7]。多年来，针对永陇矿区煤质特征、煤层赋 存规律、煤岩层对比、煤层顶底板稳定性等研究较 多[8-11]，未见以煤质为介入点分析该矿区成煤环境的 报道。 笔者以矿区南缘地质勘探期间获取的大量钻孔 煤层煤岩、工业分析、硫分及煤灰成分为基础数据， 系统论述了研究区主力煤层的煤质赋存特性， 并利用 煤质参数对成煤环境进行了反演， 以期为矿区后续开 发利用提供地球化学依据， 为大型陆相煤盆地边缘地 带聚煤规律、沉积相研究提供理论参考。 1地质概况 研究区位于陕西省黄陇侏罗纪煤田西南边缘， 构造上位于华北地台Ⅰ鄂尔多斯台坳Ⅱ渭北隆 起区Ⅲ西部边缘图 1，区内构造相对简单，褶皱 构造多为一些宽缓的背、向斜或挠曲，断裂构造主 要为早新生代逆断层和中新生代正断层。侏罗系延 安组含煤地层，角度不整合于三叠系铜川组或整合 于下侏罗统富县组，受古地形影响，凹陷深部地层 ChaoXing 12煤田地质与勘探第 46 卷 厚度较大，隆起附近厚度较小，盖层主要为侏罗系 直罗组；含煤地层为一套河流–湖泊相沉积，自下而 上分为 3 个岩性段，含煤最多可达 20 多层，其主力 煤层为 4 层，自上而下依次为延安组二段J2y2的 2 号和 2-3号煤层二煤组和延安组一段J2y1的 3-1号 图 1研究区构造位置图 Fig.1Tectonic location of the study area 和 3 号煤层三煤组，延安组三段J2y3由于遭受后 期剥蚀，区内大部分地段缺失，无可采煤层。 2样品采集和测试 以区内主要可采煤层 2、 2-3、 3-1和 3 号煤为研究 对象， 煤岩煤质数据为区内以往勘查钻孔煤层原煤检 测结果， 煤质评价数据为该煤层多个煤质数据的加权 平均值。 本文以延安组煤质参数在纵向上的分布规律 为研究点， 对研究区在纵向上的成煤环境变化进行分 析。 样品的检测工作由中煤科工集团西安研究院有限 公司物化测试中心承担完成； 各项检测均依据现行国 家标准煤的镜质体反射率依据 GB/T 69482008 煤的镜质体反射率显微镜测定方法 ；显微组分定 量依据 GB/T 88992013煤的显微组分组和矿物测 定方法 ；煤的工业分析依据 GB/T 2122008煤的 工业分析方法 ；全硫依据 GB/T 2142007煤中全 硫的测定方法 ；各种硫依据 GB/T 2152003煤中 各 种 形 态 硫 的 测 定 方法 ； 煤 灰成 分 依 据 GB/ T15742007煤灰成分分析方法 。 3煤岩煤质特征 研究区主力煤层煤岩、煤质及成煤环境参数如 表 1 所示，其垂向变化如图 2 所示。 表 1研究区煤层煤岩煤质特征表 Table 1Characteristics of coal quality and petrography in the study area 煤层 显微组分和矿物体积分数含矿物基/ 镜质体反射 率 Rmax/ 镜惰比 V/I 灰分 Ad/ 全硫 St,d/ Fe2O3/CaO/ ∑酸性 氧化物/ ∑碱性 氧化物/ 酸/碱 K Ca/Fe VIEM 246.932.83.716.60.501.4324.970.755.867.8277.1316.604.651.39 2-350.730.62.716.00.501.6625.060.704.634.0083.9811.167.530.90 3-145.739.63.711.40.581.1516.520.459.4317.2764.8328.712.261.91 349.539.33.58.20.581.2619.550.526.9213.3471.6022.403.202.01 注V镜质组；I惰质组；E壳质组；M矿物；∑酸性氧化物SiO2Al2O3；∑碱性氧化物Fe2O3CaOMgO。 图 2研究区煤层成煤参数特征 Fig.2Characteristics of coal-ing parameters of coal seams in the study area 研究区 2、 2-3及 3-1号煤层以半暗型煤和暗淡型 煤为主，半亮型煤次之；3 号煤以半亮型煤和半暗 型煤为主，暗淡型煤次之。显微镜下观察镜质组 以基质镜质体为主，并见均质镜质体和少量结构镜 质体；惰质组以丝质体和半丝质体为主，少量粗粒 体和条带状–似条带状微粒体集合体；常见壳质组， 壳质组以小孢子体为主，少量中孢子体和极少量沥 青质体。黏土矿物多呈灰黑色微粒状，以条带状、 ChaoXing 增刊 1刘善德 永陇矿区南缘煤岩煤质特征及成煤环境分析13 片状分布于基质镜质体中；碳酸盐类矿物主要为方 解石，氧化硅类矿物多为椭圆状石英；硫化物矿物 多为梅状、片状分布于有机质中的黄铁矿，少量黄 铁矿充填于胞腔中。 从表 1 可以知， 各煤层镜质体最大反射率Rmax 为 0.500.58，有机组分均值为 83.492.3， 无机组分为 8.216.6。 从图 2 可以看出， 镜质组、 壳质组含量由上至下无明显变化趋势；三煤组惰质 组含量、镜质体反射率均明显大于二煤组；二煤组 矿物含量则高于三煤组，反射率随深度有增高的趋 势，具深成变质作用特征；二煤组镜/惰比明显高于 三煤组，煤组内无明显差异。 煤中水分质量分数均值为 3.676.09。煤层 原煤灰分质量分数为 16.5225.06， 属低灰–中灰 煤，灰分含量垂向变化趋势与显微镜下矿物含量定 量结果趋势一致；煤层挥发分产率为 2850，属 “中高–高挥发分煤” 。各主力煤层原煤全硫含量差 别较大，总体以低–特低硫煤为主，只有个别区域出 现中–中高硫煤；垂向上具有二煤组大于三煤组的 趋势。 各主力煤层原煤各种硫均以硫化铁硫为主， 其次为有机硫，含极少量的硫酸盐硫，与显微镜下 观察到的硫化物矿物多为黄铁矿相吻合。二煤组灰 分、全硫含量均明显高于三煤组，自上而下有近“S” 型下降特征。 各煤层煤灰成分均以 SiO2为主，Al2O3、CaO、 Fe2O3次之，SO3、TiO2、MgO 少量，K2O、Na2O、 P2O5质量分数最低，均小于 1.0。煤灰成分以酸性 氧化物为主，综合平均值为 64.8383.98，其中 2-3煤的酸性氧化物含量明显高于其他煤层。垂向 上，主力煤层酸/碱有近反“S”型下降趋势，Ca/Fe 呈 近反“S”型上升趋势； 酸/碱与 Ca/Fe 有较好的负相关 性图 3。 4成煤标志及演化 4.1成煤环境指标分析 显微煤岩组分是良好的成煤环境指标，成煤植 物在偏还原环境下经凝胶化作用形成镜质组，在偏 图 3主力煤层酸/碱K 值与 Ca/Fe 相关关系 Fig.3Relationship between K and Ca/Fe of main coal seam 图 4主力煤层 Ad值与 St,d相关关系 Fig.4Relationship between Adand St,dof main coal seam 氧化环境下经丝炭化作用形成惰质组，镜惰比V/I 大小可以很好地反映成煤泥炭沼泽的覆水程度和氧 化还原程度，一般覆水深、处于还原环境的泥炭沼 泽，V/I 值高，反之，则 V/I 值低。据 V/I 值垂向变 化曲线图 2可知，研究区主力煤层的 V/I 值均较低 1.151.66，泥炭沼泽处于较温暖、潮湿的弱还原– 弱氧化环境，二煤组 V/I 值略大于三煤组，反映出 二煤组成煤覆水深度及还原程度均较三煤组大。V/I 在 2-3煤出现高峰值，在 3-1煤层出现低峰值，是泥 炭沼泽覆水变化的标志。V/I 值在垂向上的变化趋 势，反映出由 3 号→3-1号→2-3号→2 号煤层，覆水 程度先减小后增大再减小的变化趋势。 煤中灰分和硫分蕴含着丰富的地球化学信息。 灰分的物质来源主要有成煤植物自身所含的无机元 素、随成煤植物混入泥炭沼泽的物源杂质及与煤伴 生的矿物质等， 灰分含量与水动力强度等密切相关， 水动力较强则带入泥炭沼泽中的物源杂质增多，灰 分增高，反之则反。垂向上，三煤组与二煤组灰分 和硫分存在明显的跳跃，表明两煤组分属不同的成 煤沼泽环境；煤中灰分由 3 号→3-1号→2-3号→2 号 煤层，具先减小后增大再减小的趋势，研究区由 3 号→3-1号湖泊水动力减弱，覆水程度减弱，而后湖 水迅速退去， 至 2 号煤层时演变为水动力较强的河流 相成煤环境，2-3号→2 号煤层河流水动力逐渐减小。 硫分分无机硫和有机硫两种，一般成煤植物只 提供有机硫，无机硫与成煤环境密切相关，一般还 原环境下硫在煤中主要以黄铁矿、 白铁矿形式存在； 煤中硫分含量可以很好地反映不同地质历史时期形 成的煤层受海水活动影响的强弱程度，一般受海水 影响的煤层硫分含量较高。研究区主力煤层煤中硫 分均值 0.450.75，具陆相成煤环境特征，煤中 硫以黄铁矿硫为主，为还原环境成煤环境的标志；垂 向上，煤中灰分和硫分呈较好的正相关关系图 3，由 三煤组到二煤组灰分和硫分呈现明显的跳跃，亦表明 两煤组分属不同的成煤沼泽环境；由 3 号→3-1号→2-3 号→2 号煤层，硫含量呈现先减小后增大再减小的趋 势，表明研究区由 3 号→3-1号覆水程度减弱，成煤环 境处于弱氧化–弱还原环境，而后湖水迅速退去，演变 为还原程度较强的河流相成煤环境， 2-3号→2 号煤层河 流覆水程度减弱，还原程度随之降低。 煤灰成分是由硅、铝、铁等多种元素的氧化物 ChaoXing 14煤田地质与勘探第 46 卷 与盐类组成。煤灰中 SiO2Al2O3占优势时，成煤环 境属于弱还原性；煤灰中 Fe2O3CaO MgO 占优势 时，成煤环境属于强还原性。煤的灰分指数越低，还 原性越强；煤的灰分指数越高，还原性越弱[12]。研 究区煤灰成分中酸性氧化物综合平均值为 64.83 83.98，则反映成煤环境属弱还原性；从酸/碱值垂 向变化曲线图 2来看， 其反映的还原程度变化趋势 与 V/I、 灰分和硫分等反映的还原程度变化趋势存在 矛盾，这可能是由于从 3 号→3-1号→2-3号→2 号煤 层，成煤期的古气候发生变化，含盐河水注入，造 成沼泽古盐度与酸/碱值逆向变化图 3，伴随着蒸 发作用，咸水中的 Fe、Ca、Mg 等碱性离子浓缩富 集，沉淀生成碱性氧化物，进而影响酸/碱值对成煤 环境的判断。 4.2成煤演化 研究区在印支运动之后，进入延安组一段成煤 期，此时古气候转为温暖潮湿，大量植被发育，在 含煤地层沉积基底的基础上，研究区及其周边共同 形成了一种独立的相对闭塞的亚环境，即小规模湖 盆沉积模式表 2。此时，注入泥炭沼泽的水体盐度 最大，水体较深，水体呈弱还原，泥盆沉降速率与 补给速度基本平衡，有机质供给充足，沉积了厚度 较大的 3 煤；在延安组一段成煤后期由于沉降 速度较快，水体深度变小，水体盐度减小，水体呈 弱还原–弱氧化，水动力减弱，有机质补给缓慢，煤 层沉积出现间歇，在间歇期间被砂泥质替代，从而 形成 3 煤层的上分叉 3-1煤层。 表 2主力煤层成煤环境演化 Table 2Evolution of the coal-ing environments of main coal seam 煤层成煤相氧化还原程度古盐度水体古气候 2湖坪河流相弱还原–弱氧化较高较浅温暖较潮湿 2-3湖坪河流相弱还原低较深温暖较潮湿 3-1湖盆沉积相弱还原–弱氧化较高较浅温暖潮湿 3湖盆沉积相弱还原较高较深温暖潮湿 延安组一段沉积伴随着湖水扩张结束而结束， 此时，区域上已趋于准平原化，基底沉降速度的差 异依然存在，区域上继承了南高北低、东高西低的 古地形特点，随着湖水向中心退缩，河流相沉积逐 渐发育，形成了湖坪河流泥炭沼泽相成煤环境，此 时由于古气候温暖较潮湿，有利于植被繁衍，成煤 植物供应充足，开始沉积二煤组。泥炭沼泽受大气 降水和河流周期性补给双重控制，水位起伏大，整 体水体较深，水体呈弱还原，此时大量淡水河水注 入，水动力较强，泥盆盐度最小；泥炭堆积和基底 差异沉降同步进行，在 2-3号煤层沉积后期，沉降速 度有机质补给速度，2-3号煤层沉积终止，成煤出 现短暂间歇；之后在沉降后的低位处，有机质大量 补充，演变为中–贫营养的泥炭沼泽堆积，此时水体 呈弱还原–弱氧化，淡水注入减少，盐度增大，水动 力减弱，形成 2 号煤层。 随着地势抬升，泥炭沼泽范围急剧缩小甚至消 失，成煤进入延安组三段，此时古气候变得干燥少 雨，植被明显减少，随着粗碎屑物的快速堆积，成 煤期正式结束。 5结 论 a. 研究区 2 号、2-3号和 3-1号煤主要为半暗 型和暗淡型煤，3 号煤主要为半亮型和半暗型煤； 煤岩显微组分以镜质组为主，惰质组次之，少量 壳质组。 镜质体最大反射率Rmax为 0.500.58， 为低阶烟煤，二煤组和三煤组煤岩特征存在明显 差异。 b. 主力煤层原煤灰分差异明显，属低灰–中灰 煤，灰分含量垂向变化趋势与显微镜下矿物含量定 量结果一致；全硫含量较低，主要为低–特低硫煤； 二煤组灰分、全硫含量与三煤组存在明显差异，垂 向上有近“S”型下降特征。 c. 主力煤层煤灰成分均以 SiO2为主，次为 Al2O3、CaO、Fe2O3等，主要为酸性氧化物，其中 2-3号煤的酸性氧化物出现高异常。垂向上，主力煤 层酸/碱值有近“S”型下降趋势；酸/碱值与 Ca/Fe 呈 负相关。 d. 煤的 V/I 值、灰分、硫分等反映出的煤层演 化趋势一致，表明研究区由 3 号→2 号覆水程度减 弱，成煤环境处于弱氧化–弱还原环境，覆水较深， 水动力减弱，而后湖水退去，成煤环境演变为还原 程度较强的河流相成煤环境。酸/碱值反演出的煤 层演化趋势与之相反， 可能是由于成煤期古气候变 化， 含盐河水注入泥炭沼泽， 造成沼泽古盐度变化， 浓缩富集了碱性氧化物，影响酸/碱值对成煤环境 的反演。 e. 成煤演化表明，三煤组为湖泊相聚煤，二煤 组为湖坪河流相聚煤，伴随着古气候及沉积基底的 不均匀沉降，低、中、高位泥炭沼泽环境的反复演 化，形成了研究区主力煤层，其沉积厚度及分布范 围受控于基底古地貌构造和古环境。 参考文献 [1] 代世峰，任德贻，李生盛，等. 内蒙古准格尔黑岱沟主采煤层 的煤相演替特征[J]. 中国科学 D 辑地球科学，2007，37增 刊 1，119–126. 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