陜西省子長礦區(qū)晚三疊世5號煤層的煤巖煤質(zhì)特征

周國慶姜堯發(fā)高 峰徐曉琴

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院地質(zhì)研究所,江蘇省徐州市,221116; 2.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設計研究院,江蘇省徐州市,221006)

★煤炭科技·地質(zhì)與勘探★

陜西省子長礦區(qū)晚三疊世5號煤層的煤巖煤質(zhì)特征

周國慶1姜堯發(fā)1高 峰2徐曉琴2

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院地質(zhì)研究所,江蘇省徐州市,221116; 2.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設計研究院,江蘇省徐州市,221006)

對采自陜西省子長縣棗林永勝煤礦的晚三疊世5號煤層剖面進行了詳細的煤巖學研究,報道了我國北方三疊紀陸相環(huán)境形成的煤層的煤巖、煤質(zhì)特征。研究成果顯示,永勝煤礦的晚三疊世5號煤層具有特低硫含量(St,d為0.10%～0.39%)、低或中灰分含量(Ad為7.22%～29.45%)、高揮發(fā)份產(chǎn)率(Vdaf為31.89%～45.36%)及變質(zhì)程度低(Ro,ran為0.83%～0.89%)等特征;鏡質(zhì)組含量較高(41.8%～93.9%,無礦物基),惰質(zhì)組含量次之(2.6%～52.5%),殼質(zhì)組含量較低(3.5%～8.5%)。宏觀煤巖類型和顯微組分的垂向變化顯示在煤層底部和煤層頂部的分層光澤較亮、鏡質(zhì)組含量高;而在煤層中部的分層光澤較暗、惰質(zhì)組含量高,反映了聚煤早期和晚期階段泥炭沼澤環(huán)境比較潮濕,而中期階段變得干燥的演變特征。

晚三疊世煤層 煤巖煤質(zhì)特征 陜西子長礦區(qū) 鄂爾多斯盆地

在多年煤田地質(zhì)勘探過程中,地質(zhì)工作者曾對瓦窯堡組含煤地層的沉積環(huán)境、層序地層、聚煤作用等進行過研究,取得一些成果。然而,對瓦窯堡組主要可采煤層(5號煤層)的煤巖特征研究比較薄弱,特別是煤層剖面詳細煤巖學研究的成果頗少。本文對采自陜西省子長縣棗林永勝煤礦的5號煤層剖面進行了詳細研究,報道了我國北方陸相三疊紀煤層的煤巖、煤質(zhì)特征。

1 地質(zhì)背景

子長礦區(qū)位于陜西省延安市和榆林市境內(nèi),按5號煤層0.7 m以上厚度的分布范圍計算,礦區(qū)(或煤田)總面積為2250 km2,資源總量達27.2億t。子長縣棗林永勝煤礦位于礦區(qū)中部瓦窯堡鎮(zhèn)附近。

子長晚三疊世煤礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部。從早二疊世開始,鄂爾多斯盆地由海陸交互相轉(zhuǎn)為陸相沉積,至三疊紀形成了獨立的沉積盆地,上三疊統(tǒng)延長群是典型的內(nèi)陸湖泊沉積。延長群自下而上分胡家村組、永坪組和瓦窯堡組3個組。

瓦窯堡組共含煤7～15層,其中5號煤層厚度為0.7～2.9 m,平均1.8 m,全區(qū)可采,3號和4號煤層厚度小于1 m,局部可采,其他煤層不可采。

2 采樣與分析

本次研究在陜西省子長縣棗林永勝煤礦井下5號煤層采掘工作面采取一個完整的煤層剖面,共13個樣品,包括煤層頂板、底板、2個夾矸和9個煤分層樣。

所有樣品的實驗室分析測試都遵循現(xiàn)行國家標準進行。煤的工業(yè)分析遵循國家標準(GB/T212－2008煤的工業(yè)分析方法)進行。煤中全硫的測定遵循國家標準(GB/T214－2007煤中全硫的測定方法)進行。煤的顯微組分鑒定統(tǒng)計遵循國家標準(GB/T15588－2001煙煤顯微組分分類)進行。鏡質(zhì)組反射率測定遵循國家標準(GB/T6948－1998煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法)進行。煤中礦物的鑒定采用光學顯微鏡觀察和粉末X射線衍射(XRD)方法進行。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤化學和鏡質(zhì)組反射率

子長晚三疊世5號煤層剖面各個分層的工業(yè)分析、全硫分析和煤的鏡質(zhì)組反射率測定數(shù)據(jù)見表1。由表1可見,5號煤層9個煤分層的加權(quán)平均值,揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)為40.34%,鏡質(zhì)組隨機反射率(Ro,ran)為0.87%,全硫含量(St,d)為0.28%,灰分(Ad)為15.49%。根據(jù)煤炭質(zhì)量分級標準(GB/T15224.2－2004,GB/T15224.1－2010等),永勝煤礦的5號煤層為特低硫、低(中)灰、高揮發(fā)分煙煤。

表1 5號煤層剖面各分層的工業(yè)分析、全硫分析和煤的鏡質(zhì)組反射率數(shù)據(jù)

3.2 宏觀煤巖類型

根據(jù)國家標準(GB/T12937－2008)和各分層的相對光澤強度,在5號煤層中分出4種宏觀煤巖類型,即光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤。在垂向上宏觀煤巖類型呈規(guī)律性變化,煤層底部第2分層(與表1編號對應,下同)和頂部第12分層為光亮煤,煤層下部第3分層和上部第11分層為半亮煤,煤層中部的第5分層和第7分層為暗淡煤,第4分層和第6分層為半暗煤。宏觀煤巖類型垂向分布特征顯示,5號煤層成煤初期的沼澤環(huán)境具有覆水程度較高、凝膠化作用較強的特征;而隨著泥炭層堆積厚度加大、沼澤不斷突起,水位相對下降,致使表層泥炭暴露在空氣中遭受氧化;成煤晚期由于湖泊水位上升,成煤泥炭沼澤又向覆水變深、凝膠化作用變強的環(huán)境轉(zhuǎn)變。

3.3 煤的顯微組分

3.3.1 顯微組分含量

應用顯微組分分類國家標準(GB/T15588－2001煙煤顯微組分分類)和國際煤巖學委員會1994年顯微組分分類、命名系統(tǒng)(ICCP,1998, 2001)對子長礦區(qū)棗林永勝煤礦5號煤層中各個煤分層進行了顯微組分鑒定和定量統(tǒng)計,見表2。

表2 子長5號煤層的顯微組分含量(無礦物基)%

由表2可見,子長晚三疊世5號煤層9個煤分層加權(quán)平均值,鏡質(zhì)組含量為70.25%,殼質(zhì)組含量為6.08%,惰質(zhì)組含量為23.67%。在鏡質(zhì)組中,以基質(zhì)鏡質(zhì)體的含量最高(47.06%),均質(zhì)鏡質(zhì)體次之(12.37%),結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體(7.79%)和團塊鏡質(zhì)體(2.40%)含量較低。惰質(zhì)組主要由半絲質(zhì)體(15.80%)、惰屑體(3.70%)和粗粒體(2.99%)組成,含少量絲質(zhì)體和菌類體等。殼質(zhì)組主要由孢子體(5.48%)、角質(zhì)體(0.44%)和樹脂體(0.16%)組成。

子長晚三疊世5號煤層中不同宏觀煤巖類型的顯微組分含量差別較大。光亮煤分層中鏡質(zhì)組含量為90.68%～93.88%,惰質(zhì)組含量為2.58%～3.39%,殼質(zhì)組含量為3.52%～5.93%;半亮煤分層中鏡質(zhì)組含量為63.56%～88.33%,惰質(zhì)組含量為3.50%～29.04%,殼質(zhì)組含量為7.39%～8.52%;半暗煤分層中鏡質(zhì)組含量為55.58%～79.54%,惰質(zhì)組含量為15.91%～38.06%,殼質(zhì)組含量為4.54%～6.34%;暗淡煤分層中鏡質(zhì)組含量為41.82%～53.14%,惰質(zhì)組含量為42.40%～52.52%,殼質(zhì)組含量為4.48%～5.66%。

3.3.2 顯微組分特征

子長晚三疊世5號煤層中的鏡質(zhì)組主要由結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、團塊鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體組成,子長礦區(qū)5號煤層的顯微組分見圖2。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體顯示較好的植物細胞結(jié)構(gòu),見圖2(a);均質(zhì)鏡質(zhì)體顯示灰色、均勻、條帶狀,是測定反射率的理想組分,見圖2(b),基質(zhì)鏡質(zhì)體形如膠結(jié)物,粘結(jié)著其它各種顯微組分,見圖2 (c)、(d)、(f)、(h);團塊鏡質(zhì)體呈不規(guī)則圓形,單獨散布或成群出現(xiàn),見圖2(b)。

圖2 子長礦區(qū)5號煤層的顯微組分

子長晚三疊世5號煤層中的惰質(zhì)組主要由絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、粗粒體、微粒體、菌類體和碎屑惰質(zhì)體組成。絲質(zhì)體,亮黃色或黃白色,保存較好的植物細胞腔孔結(jié)構(gòu),見圖2(e);半絲質(zhì)體為黃色、白色至灰白色,植物細胞結(jié)構(gòu)保存不好,在同一個煤粒上有時顯示不均勻的反射色,見圖2 (d)、(f);粗粒體為不規(guī)則形狀,黃白色,不顯示植物細胞結(jié)構(gòu),見圖2(c)、(d);菌類體,黃白色為不規(guī)則圓形,周邊致密,內(nèi)部顯示多孔狀構(gòu)造;碎屑惰質(zhì)體為黃白色,不規(guī)則碎屑狀,粒徑大都小于30μm,見圖2(h)、(g)。

子長晚三疊世5號煤層中的殼質(zhì)組主要由孢子體、角質(zhì)體和樹脂體組成。孢子體,深灰色至灰黑色,主要是扁環(huán)狀的小孢子體,見圖2(b),含有少量大孢子體,見圖2(g);角質(zhì)體,長條狀,深灰色至灰黑色,厚壁角質(zhì)體和薄壁角質(zhì)體都有分布;樹脂體,灰黑色,不規(guī)則圓形。

3.3.3 顯微組分垂向變化

如表2所示,子長晚三疊世5號煤層的宏觀煤巖類型和顯微組分含量在垂向上變化明顯,從煤層底部至中部,煤的光澤由亮變暗,從中部至煤層頂部,煤的光澤由暗變亮,這反映成煤泥炭沼澤環(huán)境在初期比較潮濕,向中期逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锃h(huán)境,然后向晚期再向潮濕環(huán)境轉(zhuǎn)變之演變過程。在成煤早期和晚期形成的煤分層中,由于覆水較深而使植物殘體遭受強烈的凝膠化作用,形成了較多的鏡煤條帶,顯微組分中均質(zhì)鏡質(zhì)體含量較高;而在成煤中期,隨著泥炭堆積厚度變大,表層泥炭或突起暴露在空氣中使植物殘體遭受一定程度氧化,形成了較多的半絲質(zhì)體、粗粒體和惰屑體等惰質(zhì)組顯微組分。基質(zhì)鏡質(zhì)體和孢子體二種顯微組分不但在各個煤分層中都有較高的含量,而且從煤層底部至頂部各個煤分層中含量接近。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和團塊鏡質(zhì)體主要分布在煤層上部。煤層下部的ZC－4分層中,碎屑鏡質(zhì)體和碎屑含量較高。

3.4 煤中的礦物

子長晚三疊世5號煤層中的礦物主要是粘土礦物,其次是石英,含少量方解石,很少量的黃鐵礦只出現(xiàn)在煤層最底部的分層中。鏡下觀察,煤中的粘土礦物大都呈細分散狀,見圖2(b),碳酸鹽礦物主要是方解石和菱鐵礦,見圖2(h)。根據(jù)低溫灰XRD分析的衍射圖鑒定,子長晚三疊世5號煤層中的粘土礦物主要是高嶺石,其次為伊利石,少量綠泥石。另外還含很少量的磷鋁鍶石、銳鈦礦、金紅石等礦物。ZC－4、ZC－6和ZC－7三個煤分層中的菱鐵礦多呈球粒狀、放射狀或集合體狀分布在均質(zhì)鏡質(zhì)體或基質(zhì)鏡質(zhì)體之中,反映聚煤中期階段成煤泥炭沼澤水體的地球化學特征是弱還原或弱氧化條件。煤層最底部分層中存在少量黃鐵礦,反映成煤之初沼澤水體的強還原特征。

4 結(jié)論

(1)子長礦區(qū)晚三疊世5號煤層具有特低硫含量、低(中)灰分含量、高揮發(fā)分產(chǎn)率和低變質(zhì)程度的煤質(zhì)特征,是優(yōu)質(zhì)的高揮發(fā)分煙煤。

(2)子長礦區(qū)晚三疊世5號煤層(9個煤分層)顯微組分平均含量,鏡質(zhì)組為70.2%,惰質(zhì)組為23.7%,殼質(zhì)組為6.1%,具有鏡質(zhì)組含量高,惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量低的特征。

(3)煤層最下部和最上部的煤分層光澤最亮,鏡質(zhì)組含量最高(大于90%),反映5號煤層在成煤早期和晚期階段,泥炭沼澤具有較高地下水水位并發(fā)生較強的凝膠化作用。而煤層中部煤分層光澤較暗,惰質(zhì)組含量較高,如暗淡煤類型分層中惰質(zhì)組含量高達40%～50%,反映成煤中期階段隨著泥炭層堆積變厚,泥炭沼澤的地下水水位有所降低,表層泥炭或多或少遭受過氧化作用。

[1] 韓德馨,揚起.中國煤田地質(zhì)學下冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1980

[2] 田野,李智學,邵龍義等.鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)瓦窯堡組層序地層及聚煤特征研究[J].中國煤炭地質(zhì),2011(8)

[3] 王雙明.鄂爾多斯盆地聚煤規(guī)律與煤炭資源評價[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996

[4] 袁三畏.中國煤質(zhì)論評[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999

[5] 周國慶,姜堯,高峰等.陜西省子長礦區(qū)晚三疊世5號煤層的稀土元素和釔的地球化學特征[J].中國煤炭,2014(7)

[6] 魏頔,李浩.陜西煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的問題與對策[J].中國煤炭,2011(6)

[7] 袁寶泉,陶秀祥,蔣松.府谷煤灰成分對其灰熔融性的影響試驗研究[J].中國煤炭,2013(5)

(責任編輯 張毅玲)

國家鼓勵社會資本建設清潔高效煤電項目

國務院發(fā)布《關(guān)于創(chuàng)新重點領(lǐng)域投融資機制鼓勵社會投資的指導意見》(以下簡稱《指導意見》),提出鼓勵社會資本建設清潔高效煤電項目。

《指導意見》提出,鼓勵社會資本投資能源設施領(lǐng)域。鼓勵社會資本投資建設風光電、生物質(zhì)能等清潔能源項目和背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機組,進入清潔高效煤電項目建設、燃煤電廠節(jié)能減排升級改造領(lǐng)域。鼓勵社會資本參與煤炭儲運建設運營。鼓勵社會資本參與鐵路運煤干線和煤炭儲配體系建設。

《指導意見》指出,我國將理順能源價格機制。落實頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)天然氣價格市場化政策。按照合理成本加合理利潤的原則,適時調(diào)整煤層氣發(fā)電、余熱余壓發(fā)電上網(wǎng)標桿電價。完善可再生能源發(fā)電價格政策,研究建立流域梯級效益補償機制,適時調(diào)整完善燃煤發(fā)電機組環(huán)保電價政策。

我國將改革完善交通投融資機制,向地方政府和社會資本放開資源開發(fā)性鐵路和支線鐵路的所有權(quán)、經(jīng)營權(quán)。按照構(gòu)建現(xiàn)代企業(yè)制度的要求,保障投資者權(quán)益,推進內(nèi)蒙古西部至華中、長春至西巴彥花鐵路等引進民間資本的示范項目實施。

The features of petrology and quality of coal in Late Triassic No.5 coal in Zichang mining area in Shaanxi Province

Zhou Guoqing1,Jiang Yaofa1,Gao Feng2,Xu Xiaoqin2
(1.Institute of Geology,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Jiangsu Design and Research Institute of Geology for Mineral Resources,Xuzhou,Jiangsu 221006,China)

This paper studies in detail the coal petrology in section samples from the late Triassic No.5 coal seam in Zaolin Yongsheng Mine in Zichang County,and reports the petrological, mineralogical features of the coal seam formed in late Triassic continental environment in Northern China.The results show that the No.5 coal seam has a low sulfur content(St,d,0.10%to 0.39%),a low-middle ash content(Ad,7.22%to 29.45%),a high volatile yield(Vdaf,31.89% to 45.36%),and a low metamorphic grade(Ro,ran,0.83%to 0.89%);the proportion of total vitrinite(41.8%to 93.9%;mineral-free basis)is higher than that of total inertinite(2.6%to 52.5%)and that of total exinite(3.5%to 8.5%).Macroscopic type and vertical variation in the microscopic components of the coal seam show that the vitrinite contents are more in the bottom and top portion of the coal seam and the inertinite is abundant in the middle part,which indicates that the peat swamp environment was damper in the early and late stages of the coal accumulating period and drier in the intermediate stage.

Triassic coal seam,features of petrology and quality of coal,Zichang mining area,Ordos basin

P618

A

周國慶(1968－),男,山東曲阜人,副教授,從事煤炭地質(zhì)、工程地質(zhì)研究。