汾西礦區(qū)10號(hào)煤層硫分布特征

趙正福，唐躍剛，賀成成，胡耀峰

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

汾西礦區(qū)10號(hào)煤層硫分布特征

趙正福1，2，唐躍剛2＊，賀成成2，胡耀峰2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

采用工業(yè)分析和形態(tài)硫分析的方法，定量研究了汾西礦區(qū)10號(hào)煤層的43個(gè)高有機(jī)硫煤樣。結(jié)果表明，受潟湖泥炭沼澤沉積環(huán)境和海侵轉(zhuǎn)換面影響，全硫在平面上以中高-高硫煤為主，并以位于汾西盆狀復(fù)向斜軸部的河?xùn)|井田為中心，呈環(huán)帶狀向外遞減，推測(cè)與向斜受白壁關(guān)-偏店、汾河、孝義三條正斷層控制，造成深水還原環(huán)境有關(guān)。煤層海相頂板或近距離上覆層在沉積過(guò)程中帶入豐富的海水硫酸鹽，全硫含量高但有機(jī)硫占比低，下滲時(shí)被厭氧細(xì)菌還原成的S0易與有機(jī)質(zhì)結(jié)合生成有機(jī)硫，但受下滲深度限制，垂向上有機(jī)硫占比呈現(xiàn)往底部先升后降的規(guī)律。

汾西礦區(qū)；10號(hào)煤層；全硫；有機(jī)硫；分布特征

0　引言

中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，燃煤造成的環(huán)境污染備受關(guān)注［1-2］。硫是煤中常見(jiàn)的有害元素，在煤的開(kāi)采、氣化及燃燒利用過(guò)程中，硫的轉(zhuǎn)移排放會(huì)腐蝕設(shè)備，污染土壤水體，影響動(dòng)植物生存，并與酸雨形成和臭氧層破壞密切相關(guān)［3-4］，是制約中國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)和利用的重要因素之一。隨著儲(chǔ)量的消耗和開(kāi)采深度的加大，高有機(jī)硫煤（So，d＞1.00%）在我國(guó)保有儲(chǔ)量中的比例不斷增多，開(kāi)展煤中硫分布規(guī)律研究，不僅有利于優(yōu)化中國(guó)能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，合理規(guī)劃煤炭的加工利用，還對(duì)制定環(huán)境保護(hù)法規(guī)及減少大氣污染問(wèn)題等具有重要的意義［5-6］。筆者以華北賦煤區(qū)汾西礦區(qū)為研究對(duì)象，基于工業(yè)分析和形態(tài)硫分析數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究煤中全硫和有機(jī)硫平面以及垂向分布規(guī)律，為礦區(qū)煤炭資源的高效合理開(kāi)發(fā)利用，提供一些基礎(chǔ)的理論參考和依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

汾西礦區(qū)位于山西省中部，地跨晉中、呂梁兩地區(qū)的介休、靈石、孝義、汾陽(yáng)、交口五縣市。礦區(qū)主體位于霍西煤田，井田面積625 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量58億t。內(nèi)含煤層為石炭系太原組和二疊系山西組，含煤12層，含煤總厚度為18～20 m，其中，太原組9、10+11號(hào)煤層區(qū)內(nèi)穩(wěn)定可采。從煤質(zhì)看，山西組灰分較高，但硫分較低，一般在1.0%以下；太原組煤層灰分較低，但硫分較高，一般在1.5%以上［7］。礦區(qū)內(nèi)中興礦、雙柳礦、曙光礦、宜興礦、紫金礦均以開(kāi)采二疊系山西組煤層為主；而賀西礦、新峪礦、新陽(yáng)礦含煤地層則由二疊系山西組和石炭系太原組構(gòu)成；河?xùn)|礦則開(kāi)采石炭系太原組含煤地層；新柳礦井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)本溪組，上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組［8］。本次研究以礦區(qū)內(nèi)穩(wěn)定發(fā)育的10號(hào)煤層為例。

2　實(shí)驗(yàn)樣品及方法

采樣選自山西汾西新峪煤礦、宜興煤礦、河?xùn)|煤礦上石炭統(tǒng)10號(hào)煤層的43個(gè)高有機(jī)硫煤分層樣，工業(yè)分析、形態(tài)硫分析分別按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》、GB/T 214—2007《煤中全硫的測(cè)定方法》和GB/T 215—2003《煤中各種形態(tài)硫的測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定。

3　結(jié)果

煤中的硫主要包括無(wú)機(jī)硫（硫酸鹽硫，硫化鐵硫）和有機(jī)硫，有機(jī)硫是含硫有機(jī)官能團(tuán)的總稱，其組成復(fù)雜，主要由硫醚或硫化物、二硫化物、硫醇類化合物、噻吩類雜環(huán)硫化物（如噻吩、苯并噻吩等）、硫醌化合物等組分或官能團(tuán)構(gòu)成［9］。無(wú)機(jī)硫通常可用物理方法脫除，但有機(jī)硫因其化學(xué)結(jié)構(gòu)的特殊性，至今尚未找到廉價(jià)、有效且實(shí)用的脫除方法［10-12］。本次研究將探討全硫特別是有機(jī)硫的平面和垂向分布特征。樣品硫分分級(jí)依據(jù)（表1）GB/T15224《煤炭質(zhì)量分級(jí)》第2部分：硫分。

如表2所示，新峪煤礦10號(hào)煤各分層中灰分范圍2.58%～13.55%，平均8.54%；揮發(fā)分產(chǎn)率21.71%～25.88%，平均23.04%；全硫2.73%～6.18%，平均3.78%；硫化鐵硫0.14%～3.02%，平均0.86%；硫酸鹽硫≤0.05%，平均0.02%；有機(jī)硫2.51%～3.11%，平均2.89%，屬于高硫、高有機(jī)硫煤。宜興煤礦10號(hào)煤各分層中灰分16.22%～2.94%，平均6.46%；揮發(fā)分產(chǎn)率26.00%～32.57%，平均29.29%；全硫1.37%～2.51%，平均1.73%；硫化鐵硫0.07%～1.56%，平均0.52%；硫酸鹽硫占比近于零；有機(jī)硫0.90%～1.61%，平均1.27%，屬于中硫、高有機(jī)硫煤。河?xùn)|煤礦10號(hào)煤各分層中灰分4.9%～29.41%，平均13.71%；揮發(fā)分產(chǎn)率14.6%～19.61%，平均16.83%；全硫1.83%～16.63%，平均6.12%；硫化鐵硫0.2%～15.2%，平均2.77%；硫酸鹽硫個(gè)別異常達(dá)到0.38%（HD10-1，HD10-16），平均0.04%；有機(jī)硫0.91%～1.91%，平均1.6%，屬于高硫、高有機(jī)硫煤［14］。

表1　煤炭資源評(píng)價(jià)硫分分級(jí)Table1　Sulfur content classification in coal resources assessment

表2　工業(yè)分析及硫分檢測(cè)結(jié)果Table2　Proximate analysis and sulfur content tested results

為研究汾西礦區(qū)全硫平面分布規(guī)律，在收集汾西礦區(qū)14個(gè)井田大量全硫數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繪制了上石炭統(tǒng)太原組10號(hào)煤層全硫分布等值線圖（圖1）。為弄清全硫和有機(jī)硫的垂向分布規(guī)律，重點(diǎn)選取新峪、宜興、河?xùn)|三礦，繪制10號(hào)煤層各分層樣的全硫和有機(jī)硫垂向變化圖（圖2）。

圖1　汾西礦區(qū)10號(hào)煤層全硫平面分布圖Figure1　Coal No.10 total sulfur content planar distribution in Fenxi mining area

4　討論

4.1全硫平面分布特征

圖1顯示，汾西10號(hào)煤層具有環(huán)狀分布的特點(diǎn)，環(huán)帶中心位于河?xùn)|井田，全硫平均含量達(dá)到了6.12%，屬于高硫煤。這可能與河?xùn)|井田位于汾西盆狀復(fù)向斜的軸部有關(guān)，并且向斜三面為白壁關(guān)-偏店、汾河、孝義三條正斷層控制，造成河?xùn)|與周圍井田的高差更大，沉積物覆水最深，優(yōu)越的還原條件更利于硫的生成和保存。河?xùn)|井田向外硫分遞減，西部以西陽(yáng)城、新柳、新峪、宜興、曙光、靈北為代表，東部以賈郭、和善井田為代表，硫分介于2.75%～2.94%，中高硫煤廣泛分布。中硫煤在汾西礦區(qū)東部和西部靠近邊界位置存在小范圍分布，以西溝、李家莊井田東部，紫金、中盛井田西部為代表。汾西礦區(qū)10號(hào)煤層全硫含量總體高于上覆9號(hào)煤層，以中高硫-高硫煤為主，主要是受10號(hào)煤層的沉積環(huán)境和構(gòu)造特征控制，太原組主采10號(hào)煤層主要形成于碳酸鹽巖陸棚-障壁島-潟湖沉積體系中的泥炭沼澤環(huán)境［15］，常被認(rèn)為是潟湖泥炭坪成煤序列，煤層分布廣泛，厚度大，層位較穩(wěn)定，常受海侵打斷，容易分叉尖滅，橫向變化比較顯著，硫分一般較高，灰分中等，相反形成于障壁島后側(cè)泥炭坪沉積環(huán)境的山西組4號(hào)、5號(hào)煤層，硫分相對(duì)于太原組下部的煤層就要低得多。

汾西礦區(qū)太原組含煤9層，其中9、10、11號(hào)煤層屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，且在汾陽(yáng)孝義一帶9、10、11號(hào)煤合并為一個(gè)煤組，稱丈八煤，總厚達(dá)5～12 m。該煤組以廟溝灰?guī)r作為直接頂板，以吳家峪灰?guī)r作為近距下伏層（圖3）。近年來(lái)研究表明，廟溝一毛兒溝海侵期是華北晚古生代最大的海侵，10號(hào)煤層上方存在海侵方向轉(zhuǎn)換面，在太原組下部10號(hào)煤層沉積之后，9號(hào)煤層沉積之前古地勢(shì)是北低南高，海水由北東方向侵入，9號(hào)煤層沉積之后，受同生構(gòu)造控制，古地勢(shì)出現(xiàn)北高南低，海水由原先的北東方向變?yōu)槟蠔|方向侵入，這一界面已經(jīng)通過(guò)區(qū)域古地理分析被識(shí)別出來(lái)，代表著新的沉積事件的開(kāi)始［16］。海侵方向的短時(shí)間改變帶入大量海水硫酸鹽，導(dǎo)致了10號(hào)煤層呈現(xiàn)出硫分高且特殊的環(huán)帶狀分布的特點(diǎn)，并以河?xùn)|井田及其鄰近井田為中心呈環(huán)帶狀向四周遞減分布。

圖2　新峪、宜興、河?xùn)|礦10號(hào)煤層全硫，有機(jī)硫及有機(jī)硫占比垂向變化Figure2　Vertical variation of total sulfur，organic sulfur contents and organic sulfur proportion in coal No.10 in Xinyu，Yixing and Hedong coalmines

圖3　汾西礦區(qū)9+10+11煤組巖性柱狀圖Figure3　Lithological column of coal group 9+10+11

4.2全硫及有機(jī)硫垂向分布特征

沉積背景不同的煤層，由于在整個(gè)泥炭沼澤演化過(guò)程中的影響因素不同，導(dǎo)致煤層剖面中硫分垂向分布模式的不同。具有海相頂、底板的煤層中硫的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于具有陸相頂、底板的煤層，可見(jiàn)煤層頂、底板的沉積環(huán)境與煤層剖面硫的垂向分布也有密切的聯(lián)系?？傊捎谑艿蕉喾矫婢C合因素的影響，煤層剖面中硫的垂向分布規(guī)律復(fù)雜多樣，下面以新峪煤（XY）、宜興煤（YX）、河?xùn)|煤（HD）為例描述其垂向分布規(guī)律。

根據(jù)新峪、宜興、河?xùn)|三礦的垂向全硫、有機(jī)硫及有機(jī)硫占比分布圖（圖2）可以看出，新峪煤礦10號(hào)煤全硫最大值出現(xiàn)在頂部XY10-1（St，d=6.18%），屬于高硫煤，向底部全硫和有機(jī)硫均有減少。根據(jù)硫分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即使全硫含量最低的XY10-9（St，d= 2.73%）仍屬于中高硫煤，有機(jī)硫含量最低的XY10-8（So，d=2.51%）仍歸屬于高有機(jī)硫煤。宜興10號(hào)煤層YX10-0*炭質(zhì)泥巖為10號(hào)煤層頂板，有機(jī)硫和全硫出現(xiàn)異常高值，頂部YX10-1全硫含量高（St，d= 3.99%），有機(jī)硫占比最低，向下具有先上升再下降的趨勢(shì)。河?xùn)|10號(hào)煤層全硫呈頂?shù)赘撸虚g低而穩(wěn)定的特征，特別是底部波動(dòng)特別大，除去粉砂巖夾矸（HD10-11，HD10-11-2，HD10-17）中出現(xiàn)的全硫和有機(jī)硫異常值，有機(jī)硫含量穩(wěn)定在0.91%～1.91%，有機(jī)硫占比自頂至底先升后降，底部全硫遠(yuǎn)高于有機(jī)硫含量，說(shuō)明以硫酸鹽硫和硫化鐵硫相對(duì)于有機(jī)硫含量增多。

全硫和有機(jī)硫在炭質(zhì)泥巖頂板出現(xiàn)極高值，往下各分層樣呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，粉砂巖夾矸呈現(xiàn)低值并在其相鄰層中也有類似特征，進(jìn)一步說(shuō)明煤中硫分的富集是與頂板及夾矸的沉積環(huán)境直接相關(guān)的，泥炭在成巖階段被海水覆蓋和浸泡，帶入豐富的硫酸鹽，煤的上部分層中硫酸鹽硫和硫化鐵硫占比很高（如XY10-1，HD10-1），導(dǎo)致硫分高但有機(jī)硫占比并不高，隨著埋深加大，經(jīng)歷的成巖階段加長(zhǎng)，海水沿泥炭孔隙裂隙下滲，在下滲過(guò)程中，厭氧細(xì)菌特別是硫酸鹽還原菌逐漸將其還原成S0，而泥炭中有機(jī)質(zhì)豐富，二者結(jié)合生成大量有機(jī)硫使其占比上升，但受滲透能力限制，海水對(duì)煤層底部影響有限，底部的有機(jī)硫含量并不高。這也驗(yàn)證了頂部有機(jī)硫在各種形態(tài)硫中的占比較低，隨后出現(xiàn)先上升后下降的原因。根據(jù)煤中硫的分布規(guī)律分析，煤中硫的賦存狀況，不僅受成煤環(huán)境的影響，而且受其頂板沉積環(huán)境的影響。深凹構(gòu)造特征，覆水還原條件奠定煤中硫的分布基礎(chǔ)，頂板或近距離上覆層海水下滲則對(duì)煤中硫的分布加以改造。

5　結(jié)論

（1）受潟湖泥炭沼澤沉積環(huán)境和海侵轉(zhuǎn)換面影響，汾西礦區(qū)10號(hào)煤層全硫在平面上以中高-高硫煤為主，并以為河?xùn)|井田為中心，呈環(huán)帶狀向外遞減分布，推測(cè)與河?xùn)|井田位于汾西盆狀復(fù)向斜軸部有關(guān)，向斜三面為正斷層控制，水體深優(yōu)越的還原環(huán)境造成高硫。

（2）海相沉積的煤層頂板或近距離上覆層中海水硫酸鹽豐富，全硫高但有機(jī)硫占比并不高。隨著埋深加大，經(jīng)歷的成巖階段加長(zhǎng)，硫酸鹽隨海水向下滲透過(guò)程中被厭氧細(xì)菌還原成S0，進(jìn)而與泥炭中有機(jī)質(zhì)結(jié)合生成有機(jī)硫，但受下滲深度限制，垂向上有機(jī)硫占比呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律。

致謝

本次實(shí)驗(yàn)得到了山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院大力支持，在此表示感謝！

［1］Dai Shifeng，Ren Deyi，Chou Chen-Lin，et al.Geochemistry of trace elements in Chinese coals：A review of abundances，genetic types，im?pacts on human health，and industrial utilization［J］.lnternational Journal of Coal Geology，2012，94：3-21.

［2］Diehl S F，Goldhaber M B，Koenig A E et al.Distribution of arsenic，selenium，and other trace elements in high pyrite Appalachian coals：Evi?dence for multiple episodes of pyrite formation［J］.lnternational Journal of Coal Geology，2012，94：238-249.

［3］胡振琪，馬保國(guó)，張明亮，等.高效硫酸鹽還原菌對(duì)煤矸石硫污染的修復(fù)作用［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34（3）：400-404.

［4］陳鵬.中國(guó)煤中硫的賦存特征及脫硫［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，1994，17（2）：1-9.

［5］么秋香，杜美利，楊喜圓.甲烷和氫氣氣氛下高有機(jī)硫煤的熱解脫硫研究［J］.煤炭工程.2013（5）：105-108.

［6］唐貴云.中國(guó)潔凈煤技術(shù)與大氣環(huán)境保護(hù)［J］.煤炭技術(shù)，2010，29（9）：11-12.

［7］孟紅芳.汾西礦業(yè)集團(tuán)建設(shè)精煤配煤系統(tǒng)的探討［J］.煤炭加工與綜合利用，2004，（6）：40-42.

［8］趙國(guó)愛(ài).汾西礦區(qū)煉焦煤煤質(zhì)特征及煉焦性能指標(biāo)研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，（35）：65.

［9］全小盾，孫傳慶.煤化學(xué)與煤分析［M］.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012：151-152.

［10］唐躍剛，張會(huì)勇，彭蘇萍，等.中國(guó)煤中有機(jī)硫賦存狀態(tài)、地質(zhì)成因的研究［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，（4）：1-4.

［11］李梅，楊俊和，張啟鋒，等.用XPS研究新西蘭高硫煤熱解過(guò)程中氮硫官能團(tuán)的轉(zhuǎn)變規(guī)律［J］.燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41（11）：1287-1293.

［12］韓玥.不同脫硫劑脫除煤中硫的研究［J］.2010，33（3）：56-58.

［13］于小磊.華北石炭紀(jì)高有機(jī)硫煤煤巖煤質(zhì)特征研究［D］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2013.

［14］唐躍剛，程愛(ài)國(guó)，王海生，等.山西省太原組和山西組煤質(zhì)特征分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（7）：10-15.

［15］湯達(dá)禎，楊起，周春光，等.華北晚古生代成煤沼澤微環(huán)境與煤中硫的成因關(guān)系研究［J］.中國(guó)科學(xué)（D輯：地球科學(xué)），2000，（6）：584-591.

［16］張慶輝，曹愛(ài)國(guó)，屈曉榮，等.山西省煤炭資源潛力評(píng)價(jià)報(bào)告［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2011：154.

Sulfur Distribution Features in Fenxi Mining Area Coal No.10

Zhao Zhengfu1，2，Tang Yuegang2，He Chengcheng2and Hu Yaofeng2
（1.College of Geosciences，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249；2.School of Geosciences and Surveying Engineering，CUMTB，Beijing 100083）

By the means of proximate analysis and determination of sulfur forms，43 high organic sulfur coal samples from No.10 coal seam in the Fenxi mining area have been quantitatively analyzed.Due to the influence from lagoon peat bog sedimentary environment and the transgression transformation surfaces，coal categories according to the total sulfur content have mainly med-high to high sulfur coals and present annular zones descending distribution by taking the Hedong minefield in the Fenxi synclinal axis as a center on plane，which also controlled by three normal faults.It is speculated that the causation is related to deep water reducing environment. During the sedimentary process of marine facies coal roof or near by overlying strata had brought into abundant sea water sulfate.Al?though the total sulfur content is high，yet the proportion of organic sulfur content is low.In the process of seawater downward infiltra?tion，the sulfates can be reduced into S0by anaerobic bacteria which combined with organic matter to generate organic sulfur easily.Re?stricted by depth of infiltration，organic sulfur increases first and then decreases later vertically.

Fenxi mining area；coal No.10；total sulfur；distribution features

TQ533.1

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.02

1674-1803（2016）10-0004-05

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目（2012CB214901）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41172146D0208）

趙正福（1993—），男，湖北宜昌人，碩士在讀，從事能源地質(zhì)方面的研究。

唐躍剛（1958—），男，重慶人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事煤巖學(xué)、煤地球化學(xué)、煤地質(zhì)學(xué)方面的研究。

2016-04-19

責(zé)任編輯：宋博輦