基于煤巖煤質(zhì)特征的成煤環(huán)境分析
——以魯西汶寧煤田新驛煤礦為例

趙仁樂

(臨沂礦業(yè)集團有限責任公司，山東 臨沂 276017)

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基于煤巖煤質(zhì)特征的成煤環(huán)境分析
——以魯西汶寧煤田新驛煤礦為例

趙仁樂

(臨沂礦業(yè)集團有限責任公司，山東 臨沂 276017)

煤巖煤質(zhì)是分析含煤巖系沉積環(huán)境的重要參數(shù)。以魯西汶寧煤田新驛煤礦為例，采用煤巖學、地球化學和沉積學相結(jié)合的方法，通過采樣、測試及相關(guān)分析手段，發(fā)現(xiàn)受到海水影響較弱的山西組煤層的宏觀煤巖類型以半亮型-半暗型煤為主，微觀煤巖類型以微三合煤為主；而受到海水影響較強的太原組煤層的宏觀煤巖類型以半亮煤為主，微觀煤巖類型以微鏡煤占絕對優(yōu)勢。山西組煤層顯微組分中的鏡質(zhì)體以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，惰質(zhì)組以火焚絲質(zhì)體為主，殼質(zhì)組分以小孢子體和樹皮體為主；太原組煤層顯微組分均以基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體為主，惰性組氧化絲質(zhì)體為主，殼質(zhì)組以小孢子體為主。煤質(zhì)特征與成煤環(huán)境也表現(xiàn)很大差異性，受海水影響較小的山西組煤層具灰分產(chǎn)率高、揮發(fā)分低、全硫含量低等特點；而受海水影響較強的太原組煤層具灰分產(chǎn)率低、揮發(fā)分高、全硫含量高等特點。最后發(fā)現(xiàn)，全硫含量分布能夠反映出海侵特征，即全硫含量分布高的部位代表著區(qū)內(nèi)最初接受海侵地區(qū)。

汶寧煤田；新驛煤礦；煤巖組份；煤質(zhì)；成煤環(huán)境

含煤地層沉積環(huán)境是煤地質(zhì)學研究的重要基礎，也是煤田地質(zhì)勘探重要工作之一[1-2]。以往含煤巖系沉積環(huán)境研究主要基于露頭、鉆井等宏觀上的沉積學等方面而開展，隨著煤地質(zhì)學發(fā)展，含煤巖系沉積環(huán)境研究方法也趨于多樣化，各種沉積環(huán)境指標也是趨于微觀化和定量化。煤巖煤質(zhì)特征在很大程度上受到了原始的成煤沉積環(huán)境影響，同一變質(zhì)類型的煤層在不同沉積環(huán)境下的煤巖成分和煤質(zhì)特征可能不同[3]，另外，煤巖煤質(zhì)相關(guān)測試手段也比較常見，可定量分析煤巖成分和煤質(zhì)特征以推測含煤巖系沉積環(huán)境。運用煤巖學及煤地球化學和沉積學等綜合分析方法，研究成煤時沉積環(huán)境特征[4-5]。

魯西地區(qū)是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，隨著煤炭深部開采的進行，眾多學者逐漸發(fā)現(xiàn)煤系沉積環(huán)境研究直接影響到了煤層安全開采，但是深部煤系鉆井巖心及野外露頭等地質(zhì)資料獲取困難，因此有必要開展精細的成煤沉積環(huán)境研究[6-10]。為此通過對汶寧煤田新驛煤礦密集采樣開展煤巖煤質(zhì)特征研究來探討成煤沉積環(huán)境，并為該區(qū)煤炭資源深部預測提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

新驛井田位于山東省西南部的兗州市境內(nèi)，屬于汶寧煤田，位于魯西含煤區(qū)的中部。新驛井田含煤巖系為典型的華北型石炭二疊紀含煤地層，含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭-早二疊的太原組，平均總厚248m。共含煤25層，可采煤層5層，分別為山西組(3上、3下)與太原組(15、16、17煤)(圖1)。其中山西組3上、3下是區(qū)內(nèi)的主采煤層，總厚度達到3m以上。太原組含煤15、16和17煤是區(qū)內(nèi)可采的下組煤層，平均厚度1m。整個含煤巖系的沉積環(huán)境主要是以障壁澙湖和三角洲沉積環(huán)境為主，其中15、16和17煤層形成于障壁澙湖沉積環(huán)境，而3上和3下煤層形成于三角洲沉積環(huán)境(圖1，A)。

A，含煤巖系沉積環(huán)境；B，各煤層的成煤曲線圖1 含煤地層沉積體系示意圖Figure 1 A schematic diagram of coal-bearing strata sedimentary system

通過對各可采煤層采樣、測試，進而開展煤巖組分和煤質(zhì)特征研究，進而分析成煤沉積環(huán)境。按照不同層位，樣品分為井下采樣與鉆孔采樣，共采煤樣28個。其中3上、3下煤采樣點個數(shù)為16個，為井下采樣，15、16和17煤采樣點個數(shù)為12個，為鉆孔采樣。

2 煤巖特征與沉積環(huán)境分析

2.1 煤巖特征

研究區(qū)山西組3上、3下煤的宏觀煤巖成分以亮煤、暗煤為主含鏡煤條帶及少量絲炭，為半亮型—半暗型煤(圖1A)。太原組煤層的宏觀煤巖成分以亮煤為主，少量鏡煤、暗煤及絲炭，為半亮型煤(圖1B)。微觀顯微組分經(jīng)鏡下鑒定，山西組與太原組煤層有較大不同(表1)，據(jù)測試結(jié)果分析：可采煤層顯微組分均以鏡質(zhì)組為主，含量52.18%～74.00%，其次為絲質(zhì)組10.01%～20.87%，含少量半鏡質(zhì)組和穩(wěn)定組分，均為5%～10%，腐泥組分僅在太原組煤層中少量出現(xiàn)，含量為0.21%～1.27%。但從各套可采煤層數(shù)據(jù)分析，太原組煤層的凝膠化組分、腐泥組分均高于山西組煤層，絲炭化組分低于山西組煤層。

顯微組分鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)山西組煤層主要為鏡質(zhì)組多為基質(zhì)鏡質(zhì)體(圖2A)，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，可見到團塊鏡質(zhì)體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體(結(jié)構(gòu)體中主要充填有機質(zhì)、微粒體、黏土或空洞)(圖2B)，惰質(zhì)組以火焚絲質(zhì)體為主(圖2B)，局部還有的氧化絲質(zhì)體(圖2B)，殼質(zhì)組分含有小孢子體和樹皮體(圖2C)；太原組煤層均以基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體為主(圖2D)，少見結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，惰性組氧化絲質(zhì)體為主(圖2E)，含粗粒體、半絲粗粒體、惰屑體為主，局部可見到微粒體。殼質(zhì)組分以順層分布的小孢子體為主(圖2F)，次為角質(zhì)體、木栓體，少數(shù)大孢子體、樹脂體、樹皮體，細條帶狀瀝青質(zhì)體、碎屑穩(wěn)定體也常見到，極少量透明基質(zhì)體。3上、3下煤層殼質(zhì)組分高于15、16、17煤層，前者均以厚壁小孢子體、角質(zhì)體為主；后者則以薄壁小孢子體、角質(zhì)體為主。反映出山西組煤層成煤環(huán)境水動力條件對泥炭沼澤改造較強，成煤時間長，而太原組煤層成煤環(huán)境水動力條件較穩(wěn)定，成煤時間短。

2.2 煤巖特征與沉積環(huán)境的關(guān)系

宏觀煤巖組分能夠反映出泥炭沼澤基準面變化。通過對各個煤層宏觀煤巖組分分析發(fā)現(xiàn)，山西組煤層(3上、3下)形成于泥炭沼澤基準面下降過程，即分流間灣環(huán)境中的水體淤淺過程；太原組煤層則形成于泥炭沼澤基準面上升過程(圖1B)。

由于煤中有機顯微組分與成煤環(huán)境密切相關(guān)。Stach提出顯微煤巖類型劃分方案，后來晉香蘭利用顯微煤巖類型三角圖來判斷煤層形成的沉積環(huán)境[4，11]。本次研究采用這種方法開展研究，通過煤巖顯微鏡下分析發(fā)現(xiàn)：山西組煤層以微三合煤為主、次為微鏡煤、微鏡惰煤，微暗煤，顯微煤巖以條帶狀結(jié)構(gòu)為主， 次為碎屑結(jié)構(gòu), 也可見到均勻結(jié)構(gòu)、混雜結(jié)構(gòu)；而太原組煤層以微鏡煤占絕對優(yōu)勢，次為微亮煤、微三合煤、微鏡惰煤，其余類型少量，顯微煤巖結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為以條帶狀結(jié)構(gòu)為主，次為均勻結(jié)構(gòu), 也可見碎屑結(jié)構(gòu)、 混雜結(jié)構(gòu)。因此綜合分析各套煤中有機顯微組分特征在垂向上的變化，結(jié)合含煤地層垂向上沉積特點， 利用沉積相沉積體系分析方法(圖3)，研究得出山西組煤層形成于海陸過渡相沉積環(huán)境中，以河控淺水三角洲體系為典型特征，而太原組煤層主要發(fā)育在障壁-澙湖沉積體系。由此可知，煤巖成分及物理性質(zhì)的差異性能否反映出成煤沉積環(huán)境。

表1 主采煤層有機顯微組分特征及成因環(huán)境分析

A、B、C為山西組煤層；D、E、F為太原組煤層；圖2 有機顯微組分特征Figure 2 Organic maceral features

圖3 新驛井田煤層三角圖解Figure 3 Xinyi minefield coal seam triangular diagram

3 煤質(zhì)與沉積環(huán)境關(guān)系

煤質(zhì)與成煤沉積環(huán)境、成煤原始物質(zhì)密切相關(guān)[11]，煤質(zhì)中的灰分、 揮發(fā)分和全硫含量等參數(shù)可以間接的反應沉積環(huán)境。通過新驛煤礦相關(guān)的煤質(zhì)參數(shù)研究(表2)，山西組灰分產(chǎn)率在8.01%～28.48%，其中3上煤層平均17.62%，3下煤層灰分產(chǎn)率，太原組15、 16和17煤層灰分產(chǎn)率在8.45～51.48，且各個煤層灰分產(chǎn)率平均值亦低于山西組煤層的灰分產(chǎn)率，反映出山西組煤層形成過程中受到了陸源碎屑影響較大；山西組煤層灰分分含量普遍在40%以下，而太原組揮發(fā)分含量都在40%以上，太原組揮發(fā)分普遍高于山西組煤層，反映出出太原組煤層形成過程中的凝膠化作用較為徹底，覆水時間長；山西組煤層的全硫含量普遍低于1%，太原組全硫含量較高，都在1%以上，太原組硫含量是山西組的4倍多，反映出太原組受到海水影響程度較山西組高。綜上所述，可以看出，山西組的3上和3下煤層煤質(zhì)參數(shù)體現(xiàn)出其受到陸源碎屑物質(zhì)影響較大，受到海水影響程度較太原組煤層小。

表2 各煤層煤質(zhì)化驗及元素分析成果表

煤的全硫含量分布能夠反映出海水影響時間[7]。本次研究做出了各個煤層(除15煤之外)的全硫含量分布圖(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)，3上煤層除汶139、汶6-1、汶6-2號孔零星分布為特低硫分外，其余均為低硫分(圖4a)。3上和3下煤層在中部為特低硫分，其余均為低硫分(圖4b)。反映出山西組成煤期幾乎沒有海水侵入。而太原組煤層全硫含量呈現(xiàn)規(guī)律性變化，16煤層硫分自東向西方向逐漸增高 (圖4c)，反映出16煤成煤期海侵可能是由西南方向向東北方向侵入。17煤層全硫含量表現(xiàn)為西北高東南低的趨勢 (圖4d)，反映出海侵可能由北部侵入礦區(qū)。結(jié)合華北晚古生代海平面變化機理[12]，晚石炭世末期和早二疊世初期，由于華北板塊發(fā)生了蹺蹺板運動，即板塊由北低南高轉(zhuǎn)換為南低北高，17煤成煤期末恰恰是處于轉(zhuǎn)換開始[12]，因此，17煤中的全硫含量表現(xiàn)為北部高南部低的趨勢，16煤形成則是板塊發(fā)生蹺蹺板運動后首次成煤，海水由南部侵入本區(qū)，因此全硫含量表現(xiàn)為西南高東北低規(guī)律也證明了華北地區(qū)板塊構(gòu)造運動的背景。

(a)3上煤層 (b)3下煤層

(c)16煤層 (d) 17煤層圖4 汶寧煤田新驛井田各個煤層硫分等值線圖Figure 4 Isogram of sulfur contents in coal seams of Xinyi minefield, Wenning coalfield

4 結(jié)論

不同沉積環(huán)境形成煤層的煤巖和煤質(zhì)特征表現(xiàn)出很大的差異性。魯西地區(qū)經(jīng)歷了濱海障壁澙湖環(huán)境到三角洲環(huán)境轉(zhuǎn)換，兩種背景形成煤層在分布、煤巖及煤質(zhì)等特征上差別很大。從新驛井田煤巖、煤質(zhì)特征分析發(fā)現(xiàn)：山西組煤層的宏觀煤巖類型以半亮型—半暗型煤為主，而太原組煤層的宏觀煤巖類型以半亮煤為主，反映出不同沉積環(huán)境形成煤層的煤巖存在著一定的差異；從顯微煤巖類型上可以發(fā)現(xiàn)，河控三角洲形成煤層以微三合煤為主、次為微鏡煤、微鏡惰煤，微暗煤；而太原組煤層以微鏡煤占絕對優(yōu)勢，次為微亮煤、微三合煤、微鏡惰煤；顯微煤巖組分分析發(fā)現(xiàn)，山西組煤層中的鏡質(zhì)體以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，惰質(zhì)組以火焚絲質(zhì)體為主，殼質(zhì)組分含有小孢子體和樹皮體為主；太原組煤層均以基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體為主，惰性組氧化絲質(zhì)體為主。殼質(zhì)組以小孢子體為主。從煤質(zhì)分析上可以發(fā)現(xiàn)，山西組煤層揮發(fā)分產(chǎn)率相對較高，揮發(fā)分相對較低，全硫含量相對低，而太原組煤層灰分產(chǎn)率低、揮發(fā)分高，全硫含量高。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景分析發(fā)現(xiàn)，全硫含量分布與海侵呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，對于受到海水影響煤層來說，最早全硫含量分布高的部位代表著區(qū)內(nèi)最初接受海侵地區(qū)。該成果為煤田地質(zhì)勘探和預測提供一定的依據(jù)。

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Coal-forming Environment Analysis Based on Coal Lithotype and Coal Quality FeaturesA Case Study of Xinyi Coalmine in Wenning Coalfield, Western Shandong

Zhao Renle

(Shandong Energy Linyi Mining Group Co. Ltd., Linyi, Shandong 276017)

The coal lithotype and coal quality are major parameters in coal-bearing strata sedimentary environment analysis. So, the different environments of coal formation can be discussed through coal lithotype and coal quality analyses. Taking the Xinyi coalmine in Wenning coalfield, western Shandong as example, using integrated coal petrology, geochemistry and sedimentology method, through sampling, testing and related analytic means, have found that the coal seams in the Shanxi Formation because of weakly impacted by sea water made the macrolithotype of coal mainly semibright-semidull coal; while trimacerite predominant in microlithotype; in the sea water strongly impacted Taiyuan Formation coal seams macrolithotype mainly semibright coal, microlithotype is the vitrite dominant. In the Shanxi Formation coal macerals, vitrinite is mainly desmocollinite; inertinite mainly pyrofusinite; exinite mainly microsporinite and barkinite. In the Taiyuan Formation coal macerals, vitrinite is mainly desmocollinite and homocollinite; inertinite mainly oxyfusinite; exinite mainly microsporinite. Coal quality features and coal-forming environment also present large differentiation: sea water weakly impacted Shanxi Formation coals have higher ash content, lower volatile matter and total sulfur content; while sea water strongly impacted Taiyuan Formation coals have lower ash content, higher volatile matter and total sulfur content. Finally, the total sulfur contents distribution can reflect transgression features; the region with high total sulfur content represents initial transgression part. The study has provided certain basis for coal geological exploration and coal exploitation in the area.

Wenning coalfield; Xinyi coalmine; lithotype of coal; coal quality; coal-forming environment

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.03

1674-1803(2017)06-0014-06

趙仁樂(1968—)，男，山東莒南人，研究生，高級工程師，主要從事煤礦建設、采礦工程管理工作。

2017-04-07

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責任編輯：宋博輦