陜北榆神礦區(qū)富油煤分布規(guī)律及形成控制因素

許 婷，李 寧，姚 征，王 強，謝 青，高 駿

（1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068）

0 引 言

“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦決定了煤炭在未來幾十年我國能源安全保障中起著重要作用［1］。 煤基液體清潔燃料是潔凈煤技術(shù)之一，煤低溫?zé)峤馐敲褐朴偷闹匾緩剑?］，煤在隔絕空氣條件下低溫?zé)峤饪缮山褂?、煤氣和半焦，進(jìn)一步可轉(zhuǎn)化形成清潔燃料和化工原料，不僅可以提高產(chǎn)品附加值，同時也是對我國能源結(jié)構(gòu)中“貧油”的有效補充［3－4］。 富油煤是集煤油氣屬性為一體的煤炭資源［5］，其具有較高的焦油產(chǎn)率，是產(chǎn)生油氣的優(yōu)質(zhì)原料，開展富油煤的研究和利用，對提升我國油氣自主保障能力，實現(xiàn)煤炭清潔高效利用，推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”具有重要意義。

陜西省賦存著大量具有中高揮發(fā)分的低階富油煤，是低溫干餾的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，主要分布在陜北侏羅紀(jì)煤田、黃隴侏羅紀(jì)煤田、陜北三疊紀(jì)煤田以及陜北石炭－二疊紀(jì)煤田，儲量高達(dá)到1 500 億t［6］。 其中，陜北侏羅紀(jì)煤田的煤炭資源量最高，該煤田榆神礦區(qū)在煤層埋藏條件、開采條件、煤質(zhì)及資源量等方面均是最好的。 然而，榆神礦區(qū)富油煤研究工作相對較少，查明富油煤資源分布特征及影響因素是富油煤下一步開發(fā)利用研究的基礎(chǔ)。 富油煤的分布規(guī)律影響著其規(guī)模化產(chǎn)業(yè)布局和利用，影響其焦油產(chǎn)率分布的地質(zhì)因素同樣值得深入探究。 為此，以榆神礦區(qū)生產(chǎn)煤礦主采煤層為研究對象，對富油煤的分布特征和煤質(zhì)特點進(jìn)行研究，并通過鏡質(zhì)體反射率、富氫顯微組分、氫元素含量（Hdaf）、H／C 原子比、鏡惰比等煤層形成過程中的參數(shù)，對影響焦油產(chǎn)率的主要控制因素進(jìn)行了分析，旨在為該區(qū)富油煤資源的勘探開發(fā)以及綜合高效利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

榆神礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，陜西省榆林市境內(nèi)（圖1）。 區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，尚未發(fā)現(xiàn)大斷層，亦無巖漿活動。 地層走向為NW，傾向為NWW，傾角1°左右。 礦區(qū)內(nèi)由老至新依次發(fā)育三疊系上統(tǒng)永坪組，侏羅系下統(tǒng)富縣組，侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組和安定組，白堊系下統(tǒng)洛河組，新近系及第四系。

圖1 榆神礦區(qū)交通位置及延安組煤層編號Fig.1 Location of Yushen Mining Area and coal seam number of Yan’an Formation

延安組是區(qū)內(nèi)主要的含煤地層，一般厚250 m，含煤20 層，可采及局部可采8 層。 其中，可采煤層有2－2，3－1，4－3，5－2，5－3五層，煤層總厚5.42～26.89 m，一般為18 m，含煤系數(shù)6.5%～8.5%。 本文研究2－2，3－1和5－2號主采煤層（圖1）。 其中，2－2號煤層位于延安組第4 段頂部，埋深一般為8.84 ～605.80 m，煤層厚度大，一般在0.35～12.98 m，以厚－特厚煤層為主，煤層結(jié)構(gòu)簡單，區(qū)內(nèi)大部分可采，一般含1－2 層夾矸；3－1號煤層位于延安組第3 段頂部，埋深一般為36.20～637.61 m，煤層厚度在0.65 ～4.32 m，以中厚煤層煤主，一般為不含夾矸的單一煤層，或偶含1層夾矸，煤層穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)大部分可采；5－2號煤層位于延安組第1 段頂部，埋深一般為59.80～714.29 m，煤層厚度在0.66～7.96 m，以中厚煤層為主，煤層較穩(wěn)定，大部分無夾矸，區(qū)內(nèi)大部分可采。

2 富油煤分布規(guī)律

《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊（2014 修訂版）》規(guī)定，以焦油產(chǎn)率（Tar，d）為分級標(biāo)準(zhǔn)，高油煤Tar，d＞12%，富油煤Tar，d＞7%～12%，含油煤Tar，d≤7%［7］。榆神礦區(qū)原煤低溫干餾數(shù)據(jù)分析表明，該區(qū)焦油產(chǎn)率特征存在明顯的差異性。

2－2號煤層焦油產(chǎn)率主要分布在5.10% ～16.17%，平均10.73%，其中含油煤占比2.03%，富油煤占比80.81%，高油煤占比17.16%，主要為富油－高油煤，富油煤分布面積達(dá)2 627.96 km2，高油煤分布面積達(dá)86.18 km2。 3－1號煤層焦油產(chǎn)率主要分布在4.70%～15.20%，平均10.87%，其中含油煤占比2.86%，富油煤占比70.48%，高油煤占比26.67%，主要為富油－ 高油煤， 富油煤分布面積達(dá)2 908.69 km2，高油煤分布面積達(dá)122.38 km2。 5－2號煤層焦油產(chǎn)率主要分布在4.40%～15.91%，平均10.53%，其中含油煤占比3. 21%，富油煤占比78.07%，高油煤占比18.72%，主要為富油－高油煤，富油煤分布面積達(dá)2 629.45 km2，高油煤分布面積達(dá)12.24 km2。

總體而言，3－1號煤層的富油煤發(fā)育最好，焦油產(chǎn)率最高，富油煤和高油煤的分布面積最廣。 各煤層焦油產(chǎn)率分布具有東南部較高，西北部較低的特征，除西北部局部地區(qū)分布含油煤外，其他區(qū)均被富油煤和高油煤覆蓋（圖2）。 高油煤以3－1號煤層發(fā)育最好，分布面積最大且連續(xù)性最好，主要在礦區(qū)東南部地區(qū)較連續(xù)分布，東北部地區(qū)零星分布；其次為2－2號煤層，高油煤主要在礦區(qū)東南部榆樹灣、曹家灘、西灣、方家畔一帶較連續(xù)分布；5－2號煤層高油煤發(fā)育面積最小，由東北向西南零星分布。

圖2 榆神礦區(qū)主采煤層焦油產(chǎn)率等值線Fig.2 Contour map of tar yield of main coal seams in Yushen Mining Area

3 富油煤的煤質(zhì)特征

2－2號煤層富油煤水分含量為0.31%～14.13%，平均6.73%，屬特低全水分煤；灰分產(chǎn)率為2.80%～24.07%，平均7.58%，以特低灰分煤為主（占比87.11%）；揮發(fā)分產(chǎn)率為29.32% ～47.18%，平均38.10%，其中，高揮發(fā)分煤占比76.70%，中高揮發(fā)分煤占比23.30%，總體屬于高揮發(fā)分煤；全硫含量為0.09%～2.30%，平均0.59%，總體屬于低硫煤。

3－1號煤層富油煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.91% ～11.33%，平均6.90%，屬特低全水分煤；灰分產(chǎn)率為2.00% ～28.07%，平均7.05%，以特低灰分煤為主（占比88.63%）；揮發(fā)分產(chǎn)率為31.66%～42.11%，平均37.63%，其中，高揮發(fā)分煤占比66.04%，中高揮發(fā)分煤占比33.96%，總體屬于高揮發(fā)分煤；全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%～1.39%，平均0.54%，總體屬于低硫煤。

5－2號煤層富油煤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.21% ～11.36%，平均6.92%，屬特低全水分煤；灰分產(chǎn)率為3.16% ～37.15%，平均8.19%，以特低灰分煤為主（占比84.09%）；揮發(fā)分產(chǎn)率為31.45%～53.19%，平均36.80%，其中，高揮發(fā)分煤占比41.90%，中高揮發(fā)分煤占比57.54%，總體屬于中高揮發(fā)分煤；全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～1.27%，平均0.41%，總體屬于特低硫煤。

延安組上部2－2，3－1號煤層煤質(zhì)特征相似，與下部5－2號煤層煤質(zhì)有所差異，由上至下灰分產(chǎn)率增加，揮發(fā)分產(chǎn)率下降，全硫含量下降。 各煤層揮發(fā)分產(chǎn)率與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)趨勢（圖3a），灰分產(chǎn)率與焦油產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)趨勢（圖3b），即：揮發(fā)分產(chǎn)率越高，焦油產(chǎn)率越大；灰分產(chǎn)率越高，焦油產(chǎn)率越小。

圖3 煤樣焦油產(chǎn)率與揮發(fā)分產(chǎn)率和灰分產(chǎn)率之間關(guān)系Fig.3 Plots of tar yield to volatile matter and ash yield of coal samples

4 富油煤形成控制因素

4.1 煤化程度

煤化程度表征了煤在溫度、壓力、時間影響下的組分和性質(zhì)變化［8］，一般可以用鏡質(zhì)體反射率（Ro）表征。 榆神礦區(qū)2－2號煤層鏡質(zhì)體反射率為0.53%～0.67%，平均0.60%；3－1號煤層鏡質(zhì)體發(fā)射率為0.56%～0.69%，平均0.61%；5－2號煤層鏡質(zhì)體發(fā)射率為0.53%～0.68%，平均0.62%。 榆神礦區(qū)煤層總體上變質(zhì)程度較低，以中煤階I 變質(zhì)階段為主。 鏡質(zhì)體反射率與焦油產(chǎn)率之間有一定的正相關(guān)性（圖4），表明較低的變質(zhì)程度有利于富油煤的發(fā)育。 榆神礦區(qū)富油煤和高油煤比例達(dá)96%以上，整體富油性較好，證明煤化程度對富油煤發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，中低階煤分布區(qū)是富油煤發(fā)育的有利區(qū)。

圖4 煤樣鏡質(zhì)體反射率與焦油產(chǎn)率之間關(guān)系Fig.4 Plots of vitrinite reflectance to tar yield of coal samples

4.2 成煤物質(zhì)

煤的有機顯微組分由植物遺體變化而成，分為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰性組三大組［9］，煤的生烴潛力直接取決于各組分所占比例［10－11］。

榆神礦區(qū)2－2，3－1號煤層有機顯微組分主要為鏡質(zhì)組，5－2號煤層主要為惰質(zhì)組，各煤層的殼質(zhì)組含量均較低（表1）。 在低—中成熟階段，鏡質(zhì)組的生油潛量、氫指數(shù)和轉(zhuǎn)化系數(shù)大約是惰質(zhì)組的2 ～4倍［11］。 榆神礦區(qū)煤中殼質(zhì)組含量較低，含量較高的鏡質(zhì)組才是主要的生烴組分。 鏡質(zhì)組與焦油產(chǎn)率之間呈正相關(guān)趨勢，而惰質(zhì)組與焦油產(chǎn)率之間呈負(fù)相關(guān)趨勢（圖5a）。 由此表明，鏡質(zhì)組含量增高有利于焦油產(chǎn)率提高，上部2－2，3－1號煤層鏡質(zhì)組含量較下部5－2號煤層高，其富油煤的發(fā)育較下部5－2號煤層好。

圖5 煤巖焦油產(chǎn)率與物質(zhì)組成之間關(guān)系Fig.5 Plots of tar yield to material composition of coal samples

表1 煤樣顯微組成定量結(jié)果Table 1 Micro－component composition of coal samples

鏡質(zhì)組對焦油產(chǎn)率的貢獻(xiàn)主要取決于其中的富氫組分。 鏡質(zhì)組中，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和鏡屑體屬于貧氫鏡質(zhì)組，基質(zhì)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體屬于富氫鏡質(zhì)組［12］。 2－2，3－1，5－2號煤層的基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體在全巖顯微組分中的均值分別為51.35%，54.85%，32.30%，見表2，占鏡質(zhì)組比例均在86%以上，鏡質(zhì)組內(nèi)富氫的基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體占絕對優(yōu)勢。 同時，基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體占全巖顯微組分比例與焦油產(chǎn)率之間正相關(guān)趨勢顯著（圖5b）。 其中，含油煤的基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體占全巖顯微組分體積分?jǐn)?shù)在30.20%～49.40%，平均42.57%；富油煤的基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體占全巖顯微組分的體積分?jǐn)?shù)在28.50%～66.10%，平均50.33%；高油煤的基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體占全巖顯微組分體積分?jǐn)?shù)在50.40%～72.30%，平均61.64%。富氫鏡質(zhì)組含量為高油煤＞富油煤＞含油煤，富油煤和高油煤的基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體含量在全巖顯微組分的體積分?jǐn)?shù)均在50%以上，富氫組分在物質(zhì)基礎(chǔ)上對焦油產(chǎn)率起著決定性作用。

表2 煤樣中基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體相對含量Table 2 Relative content of desmocollinite and telocollinite vitrinite in coal samples

同時，焦油產(chǎn)率與氫元素含量（Hdaf）、H／C 原子比之間也具有較好的正相關(guān)性（圖5c、5d），進(jìn)一步證實氫元素含量對焦油產(chǎn)率具有重要影響。 榆神礦區(qū)富油煤的氫元素含量均在4%以上，氫元素含量高，加熱后易軟化分解，是產(chǎn)生煤焦油的主要來源［13］。

4.3 成煤環(huán)境

顯微煤巖組分是良好的成煤環(huán)境指標(biāo)［14－15］，煤中各顯微組分的含量主要決定于植物殘骸在泥炭化階段的降解程度。 一般說來，鏡質(zhì)組代表潮濕還原環(huán)境，惰質(zhì)組代表干燥氧化環(huán)境［16－17］。 榆神礦區(qū)主采煤層有機顯微組分百分含量存在差異（表1），表明各煤層的成煤環(huán)境有所不同。

利用鏡惰比（V／I）能較直觀反映成煤沼澤的覆水程度與氣候的干濕情況［18］。 由此，將成煤環(huán)境劃分為4 種成因類型：V／I 大于4，代表強覆水；V／I 在1～4，代表極潮濕－覆水；V／I 在0.25 ～1，代表潮濕－弱覆水；V／I 小于0.25，代表干燥－ 極干燥環(huán)境［19－21］。 榆神礦區(qū)2－2號煤層V／I 為0.58 ～5.16，平均1.89；3－1號煤層V／I 為1.13 ～3.25，平均1.86；5－2號煤層V／I 為0.48～0.93，平均0.71。 煤層層位由下到上，鏡惰比增加，泥炭沼澤覆水程度增大，還原性變強。 如圖6 所示，鏡惰比與焦油產(chǎn)率之間具有明顯的正相關(guān)趨勢，鏡惰比越高，焦油產(chǎn)率值越高。 上部2－2，3－1號煤層的覆水深度和還原性大于下部5－2號煤層，焦油產(chǎn)率值亦大于下部5－2號煤層，表明還原性越強，越有利于富油煤的形成。

圖6 煤樣鏡惰比與焦油產(chǎn)率之間關(guān)系Fig.6 Plots of V／I to tar yield of coal samples

采用Diessel（1986）建立的方法，利用煤巖顯微組分定量結(jié)果，計算各分層煤樣的結(jié)構(gòu)保存指數(shù)（TPI）和凝膠化指數(shù)（GI），以此判斷泥炭沼澤環(huán)境覆水程度和泥炭埋藏速度［22］。 榆神礦區(qū)2－2號煤層GI 在0.70 ～5.86，平均2.07；3－1號煤層GI 在1.20～3.38，平均1.95；5－2號煤層GI 在0.56～1.01，平均0.79。 2－2號煤層TPI 在0.31～1.34，平均0.88；3－1號煤層TPI 在0.84 ～1.57，平均1.15；5－2號煤層TPI在0.94～1.42，平均1.18。 綜合分析，2－2號煤層形成環(huán)境以低位沼澤和濕地森林沼澤為主，覆水程度較高，植物組織凝膠化程度較高；3－1號煤層以濕地森林沼澤為主，覆水程度較高；5－2號煤層以干燥森林沼澤為主，覆水相對較淺（圖7）。 同時，凝膠化指數(shù)與焦油產(chǎn)率之間也具有較好的正相關(guān)性，同樣表明潮濕覆水深度大的環(huán)境，還原性強，有利于富油煤的形成。

圖7 基于結(jié)構(gòu)保存指數(shù)和凝膠化指數(shù)的主采煤層煤相圖解Fig.7 Coal facies diagram of main coal seams based on structure preservation index and gelation index

榆神礦區(qū)2－2，3－1和5－2號煤層主要發(fā)育在鄂爾多斯中生代陸相含煤盆地持續(xù)穩(wěn)定沉降構(gòu)造背景和溫暖潮濕古氣候背景，沉積環(huán)境主要為湖控三角洲，物源由西北向東南注入，西北部發(fā)育廣大的三角洲平原沉積，向東南部逐漸過渡為三角洲前緣和濱淺湖沉積［23－24］。 由西北向東南，覆水深度逐漸變深，還原性變強，焦油產(chǎn)率也由西北向東南增高（圖2）。富油煤主要發(fā)育在三角洲平原到濱淺湖相環(huán)境，高油煤主要發(fā)育在東南部濱淺湖區(qū)域，表明還原性越強，越有利于高焦油產(chǎn)率煤的形成。

5 結(jié) 論

1）榆神礦區(qū)延安組2－2，3－1，5－2號煤層焦油產(chǎn)率高，總體以富油－高油煤為主。 垂向上，3－1號煤層富油煤發(fā)育最好，高焦油產(chǎn)率煤所占比例以及富油煤和高油煤分布面積最大。 平面上，焦油產(chǎn)率分布具有東南部高，西北部低的特征，除西北部局部分布含油煤外，其他區(qū)域均被富油煤和高油煤覆蓋，高油煤在礦區(qū)東南部地區(qū)連續(xù)分布，東北部地區(qū)零星分布。

2）煤質(zhì)影響煤的含油性。 2－2，3－1號煤層以特低水、特低灰、高揮發(fā)分、低硫煤為主，5－2號煤層主要以特低水、特低灰、中高揮發(fā)分、特低硫煤為主，各煤層焦油產(chǎn)率分別與揮發(fā)分產(chǎn)率和灰分產(chǎn)率呈正、負(fù)相關(guān)趨勢。

3）富油煤的形成受煤化程度、成煤物質(zhì)和成煤環(huán)境等因素的控制。 煤化程度較低時，煤的焦油產(chǎn)率較高，榆神礦區(qū)煤變質(zhì)程度為富油煤形成有利階段，富油煤和高油煤發(fā)育比例達(dá)96%以上。 有機顯微組分中富氫鏡質(zhì)組含量越高，焦油產(chǎn)率越大，上部2－2，3－1號煤層的富氫鏡質(zhì)組含量較下部5－2號煤層高，其焦油產(chǎn)率值也較下部5－2號煤層高，富油煤和高油煤的基質(zhì)＋均質(zhì)鏡質(zhì)體含量在全巖顯微組分中比例均在50%以上，氫元素含量均在4%以上。 強還原性環(huán)境為富油煤的生成和富集提供了良好條件，富油煤主要發(fā)育在三角洲平原到濱淺湖相區(qū)，高油煤主要發(fā)育在東南部水體深度最大，還原性最強的濱淺湖相區(qū)。