云南小發(fā)路C5 煤層無煙煤特性與煤相分析

唐躍剛，郭鑫，李正越，王紹清，秦云虎，魏強(qiáng)，朱士飛，高偉程

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100039；3.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇徐州 221006

低灰、低硫、高熱值煤被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)煤[1-4]，優(yōu)良的煤質(zhì)特性(特低灰、特低硫)與其特殊的地質(zhì)成因密不可分[5]。特殊煤的概念最早由戴和武、韓德馨等[6-7]提出。針對特殊煤，曾勇[8]曾在我國西北開展了專門的研究工作，中國煤炭標(biāo)準(zhǔn)委員會也對特殊煤概念進(jìn)行過厘定[9]。我國湖南漣邵[10]、寧夏汝箕溝[11-12]的無煙煤以特低灰、特低硫為特征，是高品質(zhì)碳素材料煤。云南小發(fā)路C5煤層無煙煤的某些煤質(zhì)指標(biāo)與國內(nèi)外享有盛譽的“太西煤”[13]相比甚至更優(yōu)，但以往研究[14-20]對小發(fā)路C5煤層無煙煤的認(rèn)識大多局限于其優(yōu)良的工藝性質(zhì)，很少系統(tǒng)研究其煤巖煤質(zhì)特性與地質(zhì)成因。

1 樣品采集、實驗方法

小發(fā)路位于云南省昭通市東北60 km，行政區(qū)屬彝良縣洛澤河鎮(zhèn)及毛坪鄉(xiāng)，井田總體為一軸向北北東展布的背斜和軸向北西的向斜構(gòu)造，褶皺構(gòu)造北部被斷層破壞而不完整。該井田含煤地層為下石炭統(tǒng)萬壽山組(C1w)，含煤3—10層，一般7層左右。煤層總厚3.26～4.88 m，其中可采煤層為C3煤層和C5煤層，可采總厚度可達(dá)2.50～3.5 m。C5煤層為薄—中厚無煙煤[18]。

本次研究樣品采自小發(fā)路C5煤層，共計17個煤樣。其中刻槽樣1個(編號為XFL5)，自上而下每10～20 cm采一次樣，共采分層樣16個(圖1)，編號為XFL5-1至XFL5-16。

宏觀煤巖類型分類，依據(jù)《GB/T 18023—2000 煙煤宏觀煤巖類型分類》進(jìn)行；粉煤光片制備根據(jù)《GB 16773—2008煤巖分析樣品制備方法》進(jìn)行；顯微組分參考ICCP提出的分類方案[21-23]，但對應(yīng)中文術(shù)語參考《煤化學(xué)》[24]中所用譯文術(shù)語。煤相分析基于具有煤相指示意義的煤巖學(xué)特征[24]，數(shù)據(jù)來自樣品的顯微組分體積分?jǐn)?shù)。

圖1 小發(fā)路C5宏觀煤巖類型柱狀圖Fig.1 Column diagram of lithotype of No.5 coal from Xiaofalu coal mine

樣品的工業(yè)分析、元素分析以及發(fā)熱量測定由江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)完成。煤炭灰分產(chǎn)率、硫分含量和發(fā)熱量分級分別依據(jù)“煤炭質(zhì)量分級”國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15224.1—2018、GB/T 15224.2，3—2010。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 煤層宏觀煤巖特征

小發(fā)路C5煤層呈黑色、似金屬光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，階梯狀斷口，內(nèi)生裂隙不發(fā)育。煤巖成分以鏡煤為主，亮煤次之，暗煤與絲炭極少見，鏡煤可見貝殼狀斷口。煤礦井下從上而下采樣，煤多光亮，類型簡單。 XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9和XFL5-16分層可見黃鐵礦結(jié)核與夾矸，肉眼下黃鐵礦夾矸呈聚晶，層狀、透鏡狀，易從煤中剝離。從小發(fā)路C5煤層宏觀煤巖柱狀圖(圖1)可看到，除XFL5-1、XFL5-8、XFL5-9和XFL5-16分層為半亮型煤(20.2%)外，其余煤分層為光亮型煤(79.8%)。根據(jù)煤層形成曲線[23]分析，C5煤層剖面宏觀煤巖特征變化不大，從下至上有兩個旋回。

2.2 顯微組分及礦物特征

按照國家標(biāo)準(zhǔn)煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法，測得小發(fā)路C5煤層鏡質(zhì)組平均最大反射率為3.41%。C5煤層中顯微組分及礦物定量統(tǒng)計主要來自油浸顯微鏡觀測，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

總體上看，煤層以鏡質(zhì)組為主，各分煤層鏡質(zhì)組含量變化不大，為79.5%～82.6%(去礦物基)，刻槽樣為82.5%。C5煤的鏡質(zhì)組以凝膠結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體(32.3%～44.6%)、凝膠碎屑體為主(29.6%～39.6%，圖2a)，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體(0.7%～4.4%)、團(tuán)塊凝膠體(<3.3%)、碎屑鏡質(zhì)體(2.5%～6.4%)次之；惰質(zhì)組含量為17.4%～20.5%(去礦物基)，刻槽樣為17.5%。C5煤的惰質(zhì)組中絲質(zhì)體含量最高(7.7%～14.7%，圖2b)，其余為粗粒體(0.5%～3.1%，圖2c)、半絲質(zhì)體(0.4%～5.2%，圖2d)和碎屑惰質(zhì)體(2.1%～6.1%)。

在高煤階煤中，由類脂組分演化而來的顯微組分已經(jīng)發(fā)生了不同的變化，某些類脂組分的各向異性超過共生的鏡質(zhì)組，使得其在高煤階煤中不易識別，因此有人建議將類脂組冠以“變”(meta-)字，稱為變類脂組[25]。這些變類脂組的共同特點是：光學(xué)各向異性極強(qiáng)，在反射單偏光下往往具有明顯的多色性，在正交偏光加石膏板的條件下其干涉色一般均在一級黃以上，絕大部分達(dá)一級藍(lán)。高煤階煤中類脂組雖然發(fā)生了不同程度的形變，但原始輪廓仍可辨認(rèn)[23]。所采C5煤層樣品顯微組分觀察中可見變類脂組分(圖2e)，但含量極少。

煤層顯微組分中礦物含量為1.0%～39.4%，刻槽樣為6.2%，以黏土礦物為主(0.4%～11.1%)，石英與方解石含量較少，石英呈顆粒狀嵌布在凝膠結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中(圖2f)。各分煤層黃鐵礦含量以XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9較高，這與黃鐵礦夾矸及煤層接近頂?shù)装逵嘘P(guān)。

圖2 C5煤層顯微組分Fig.2 Macerals in C5 coal

依據(jù)ICCP-1994分類系統(tǒng)[21-23]將鏡質(zhì)組分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)亞組(Telovitrinite)、凝膠鏡質(zhì)亞組(Gelovitrinite)和碎屑鏡質(zhì)亞組(Detrovitrinite)，并把惰質(zhì)組分為有細(xì)胞結(jié)構(gòu)(Cell Structure Inertinite)、無細(xì)胞結(jié)構(gòu)(Cell-free Structure Inertinite)和碎屑(Inertodetrinite)三類，C5煤層煤巖學(xué)特征圖如圖3所示。小發(fā)路C5煤中鏡質(zhì)組中結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)亞組與碎屑鏡質(zhì)亞組相近[圖3(a)(c)]，大量的結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)亞組表明了植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較好，同時也反映較低pH值的泥炭沉積環(huán)境。惰質(zhì)組中以有細(xì)胞結(jié)構(gòu)惰質(zhì)組分(絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體)為主[圖3(b )(d)]，也可觀察到少量的無細(xì)胞結(jié)構(gòu)惰質(zhì)組分(粗粒體、真菌體)。有細(xì)胞結(jié)構(gòu)惰質(zhì)組含量高，表明成煤植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較完整。煤的顯微組分組成與宏觀煤巖變化一致，半亮煤細(xì)胞結(jié)構(gòu)惰質(zhì)組和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)亞組常常有較高含量(表1，圖1)。

表1 煤的顯微組分含量(全煤基)及煤相參數(shù)

注：TV—結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)亞組；GV—凝膠鏡質(zhì)亞組；DV—碎屑鏡質(zhì)亞組；T—結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體；CT—凝膠結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體；CG—團(tuán)塊凝膠體；CD—凝膠碎屑體；VD—碎屑鏡質(zhì)體；V—鏡質(zhì)組總量；SF—半絲質(zhì)體；F—絲質(zhì)體；Ma—粗粒體；Fu—真菌體；ID—碎屑惰質(zhì)體；I—惰質(zhì)組總量；Clay—黏土；Py—黃鐵礦；Ca—方解石；Q—石英；M—礦物總量；GI—凝膠化指數(shù)；TPI—植物組織保存指數(shù)；GWI-地下水流動指數(shù)；VI—植被指數(shù)

圖3 煤巖特征圖Fig.3 Petrological characteristics of coal samples

2.3 煤相特征

熱姆丘日尼柯夫于1951年提出了煤相概念，指的是泥炭的堆積環(huán)境并由成因類型所體現(xiàn)。在眾多煤相定義及劃分方案中，得到廣泛認(rèn)同的是由德國煤巖學(xué)家Teichmüller M[26]于1962年提出的。對煤相概念的定義是“煤的原始成因類型，它取決于泥炭的形成環(huán)境”，即在某一成煤沼澤中所形成的煤的原始成因類型。

在煤巖組分成因參數(shù)中，凝膠化指數(shù)(GI)和植物組織保存指數(shù)(TPI)是可以反映成煤環(huán)境的、以顯微組分?jǐn)?shù)量比為基礎(chǔ)的兩個煤巖學(xué)指數(shù)，由澳大利亞學(xué)者Diessel[27]于1986年提出。Diessel運用這兩個比值以單對數(shù)坐標(biāo)作出煤相分析圖解，說明沼澤形成發(fā)育的沉積環(huán)境。國內(nèi)不少學(xué)者都利用了這兩個煤相參數(shù)對不同地區(qū)的煤進(jìn)行了煤相研究[28-36]。GI是煤中凝膠化產(chǎn)物和非凝膠化產(chǎn)物的比值，主要表示凝膠化程度的高低，反映煤沼澤的覆水程度、氧的供給、細(xì)菌和有機(jī)質(zhì)的活性。GI值高表示地下水水位相對較高、泥炭沼澤相對潮濕、厭氧細(xì)菌活躍、有機(jī)質(zhì)供給充分；反之，GI值低則反映地下水水位低、泥炭沼澤相對干燥、好氧細(xì)菌較活躍、營養(yǎng)缺乏。TPI是指有結(jié)構(gòu)的植物組織與無結(jié)構(gòu)的細(xì)小植物碎片之間的比值，表示植物組織的化學(xué)降解和自然破碎的程度，同時也能反映原始成煤植物中木本與草本植物的比例，極端干燥或潮濕的環(huán)境都會使TPI降低[37]。TPI在某種程度上也能反映成煤環(huán)境pH值。 pH值低時，細(xì)菌活動受到抑制，使得植物保存比較完整，TPI值就相對較高。形成于干燥氧化或極端潮濕條件下的煤，TPI值均低。TPI和GI可以反映泥炭沼澤的潮濕程度，TPI值和GI值越高，則泥炭堆積過程越潮濕，TPI值和GI值低則代表干燥沼澤環(huán)境。

地下水流動指數(shù)(GWI)主要是根據(jù)凝膠化作用的顯微組分和礦物含量計算得來，可以在一定程度上反映泥炭堆積時的水位高低。植被指數(shù)(VI)能反映成煤植物的類型，較小VI值與草本植物密切相關(guān)。VI-GWI的概念是由Calder[38]提出的。根據(jù)GWI和VI的關(guān)系，可以把沼澤古環(huán)境分為開放水體草沼、樹沼和蘚沼等；按照水動力條件，分為低位泥炭沼澤、中位泥炭沼澤和高位泥炭沼澤。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，煤相命名方案采用Diessel[27]提出的TPI和GI及Calder[38]提出的GWI和VI。根據(jù)小發(fā)路煤巖顯微組分的特點，通過如下公式(僅對TPI與GWI做適當(dāng)修正)計算C5煤的煤相參數(shù)，分析其成煤環(huán)境。

TPI=結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+凝膠結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+半絲質(zhì)體+絲質(zhì)體凝膠碎屑體+碎屑鏡質(zhì)體+粗粒體+碎屑惰質(zhì)體GI=鏡質(zhì)體+粗粒體半絲質(zhì)體+絲質(zhì)體+碎屑惰質(zhì)體GWI=凝膠碎屑體+碎屑鏡質(zhì)體+團(tuán)塊凝膠體+礦物結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+凝膠結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體VI=結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+凝膠結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+半絲質(zhì)體+絲質(zhì)體凝膠碎屑體+碎屑鏡質(zhì)體+碎屑惰質(zhì)體

由表1可知，小發(fā)路C5煤層樣品GI高(大于4.0)，表示該煤層經(jīng)歷了較強(qiáng)的凝膠化作用，形成的煤中鏡質(zhì)組占優(yōu)勢，反映了該煤層形成于覆水較深、泥炭沼澤相對潮濕的強(qiáng)凝膠化強(qiáng)還原環(huán)境。TPI值也較高，在1.0左右，表明該煤層成煤植物中木本植物比例大，泥炭堆積速度較快，植物組織所受得化學(xué)降解和機(jī)械破碎相對較弱，水介質(zhì)處于弱酸性環(huán)境，細(xì)菌活動受到抑制，故該煤形成于水流活動較弱、微生物活動較弱、沉積環(huán)境平靜的環(huán)境中，泥炭沼澤中成煤原始物質(zhì)得以保持較高的純凈度。在小發(fā)路C5煤層煤相圖中(圖4)，絕大部分點都落在潮濕森林沼澤相區(qū)域內(nèi)，表明該煤礦C5煤層煤相主要為潮濕森林沼澤相。

GI和VI等煤相參數(shù)提供的信息一致說明，小發(fā)路C5煤層形成于較潮濕的強(qiáng)還原條件之下；TPI-GI相圖表明，研究區(qū)為潮濕森林沼澤相。因此，綜合小發(fā)路井田煤相參數(shù)，認(rèn)為該區(qū)為潮濕低位森林沼澤煤相。

2.4 煤質(zhì)特征

小發(fā)路C5煤樣品工業(yè)分析與元素分析測試結(jié)果見表2。由表2知，各分煤層水分含量變化不大，其含量為0.25%～0.51%，原煤刻槽樣水分含量值為0.32%。各分煤層揮發(fā)分含量為4.94%～24.23%，除了夾矸層外，多在4.94%～5.82%，原煤刻槽樣揮發(fā)分含量為6.98%。

原煤灰分含量很低，灰分含量大多分布為1.49%～4.82%，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)達(dá)特低灰煤要求，灰分產(chǎn)率范圍為1.49%～1.87%，實屬罕見，這也是該煤層特點之一。從煤層剖面分析，灰分小于2.00%的煤占全煤層40.98%，小于5.00%的煤占76.50%，小于10.00%的煤占82.51%。煤層中XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9灰分含量稍高，這與該分層含有黃鐵礦結(jié)核或夾矸有關(guān)。

圖4 小發(fā)路C5煤層煤相圖[27，38]Fig.4 Coal facie diagrams based on macerals and mineral matter of coal seam No.5 of Xiaofalu[27，38]

表2 小發(fā)路煤樣工業(yè)分析、元素分析

注：XFL5-1、XFL5-9煤樣品中因含有黃鐵礦，氧元素檢測異常。

煤的煤化程度越高，含碳量越高，因此常用煤的含碳量表征其煤級。小發(fā)路C5煤層各分煤層碳的含量很高，除XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9外，其余各分煤層碳含量均大于92%，原煤刻槽樣碳含量為90.56%。

各分煤層煤中氫含量為2.2%～3.37%，原煤刻槽樣氫含量為3.17%，煤分層大多為3.20%～3.37%。原煤氫含量很高是C5煤層的另一特性。相關(guān)性分析表明，原煤氫含量與煤中鏡質(zhì)組含量呈正比(圖5)。

圖5 氫含量與鏡質(zhì)組含量(含礦物基)關(guān)系Fig.5 Relation between vitrinite and hydrogen content

各分煤層中氧含量為0.14%～2.27%，原煤刻槽樣氧含量為0.47%，排除灰分干擾，原煤各分層氧含量極低，是小發(fā)路煤層優(yōu)質(zhì)的又一特性。各分層氮含量為0.54%～0.8%，原煤刻槽樣氮含量為0.72%。

C5煤層H/C原子比約為0.42，低于汝箕溝、焦作無煙煤H/C值，高于寺河、晉城等地?zé)o煙煤H/C值。O/C值為0.02，均低于或等于汝箕溝等地?zé)o煙煤O/C值[39-42](表3)。根據(jù)干燥無灰基的自由氫[43]公式w(Hdaf)=w(Hdaf)-w(Odaf)/8，計算小發(fā)路C5煤自由氫含量(表3)，同時計算與小發(fā)路C5煤層同等變質(zhì)程度的煤的自由氫含量[39-42](表3)。比較可知，在相同變質(zhì)程度的無煙煤中，小發(fā)路C5煤自由氫含量最高，這與其強(qiáng)還原的成煤環(huán)境密不可分。

表3 中國典型無煙煤部分煤質(zhì)參數(shù)

小發(fā)路C5煤層中全硫含量變化比較大。除了XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9硫分含量很高外，其余分層中全硫含量為0.39%～1.96%，大多在0.56%～0.84%之間，以有機(jī)硫為主(表2)，屬于低硫煤。XFL5-1、XFL5-3、XFL5-9煤層煤巖分析中可見層狀、透鏡狀黃鐵礦結(jié)核，因此硫分含量很高。在這些全硫含量很高的分層中，黃鐵礦硫含量占全硫含量的78%～80%，易洗選、易脫硫。在全硫較低的分層中，以有機(jī)硫為主，不易洗選。C5煤層刻槽樣測試結(jié)果顯示，硫鐵礦硫含量約占全硫含量的78%，易洗選、易脫硫。

小發(fā)路C5煤各分層的發(fā)熱量值見表2，各煤層發(fā)熱量值為29.85～36.40 MJ/kg，原煤發(fā)熱量加權(quán)平均值為35.54 MJ/kg，屬于特高發(fā)熱量煤。

2.5 無煙煤類型

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法，測得小發(fā)路C5煤層煤鏡質(zhì)組平均最大反射率為3.41%。根據(jù)《GB T5751—2009中國煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)》，Vdaf在3.5%～6.5%為無煙煤二號，w(Hdaf)>3.0%為無煙煤三號。由表2知，樣品揮發(fā)分劃分標(biāo)準(zhǔn)與氫含量結(jié)果矛盾，因此以w(Hdaf)劃分小類的結(jié)果為準(zhǔn)，則將該區(qū)無煙煤劃為三號(年輕)無煙煤。

綜合小發(fā)路C5煤層煤質(zhì)參數(shù)，依據(jù)煤炭國家標(biāo)準(zhǔn)，小發(fā)路C5煤屬特低灰、低硫、特高發(fā)熱量、三號(年輕)無煙煤。小發(fā)路C5煤炭質(zhì)量特別優(yōu)秀，屬于稀缺活性炭材料，可作為炭材料原料，也可進(jìn)行無煙煤石墨化，還可替代汝箕溝煤作為測試黏結(jié)指數(shù)的標(biāo)樣。

3 結(jié) 論

本文通過對小發(fā)路C5煤層剖面的煤巖煤質(zhì)分析與研究，獲得如下成果：

(1) 小發(fā)路C5煤層煤宏觀煤巖類型以光亮煤為主，半亮煤次之，暗煤與絲炭極少見。17個煤樣的煤顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量74.9%～79.9%，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)亞組與碎屑鏡質(zhì)亞組含量相近；惰質(zhì)組含量16.0%～19.7%，其中以有細(xì)胞結(jié)構(gòu)惰質(zhì)組分為主；礦物含量2.9%～6.8%，以黏土礦物為主，黃鐵礦次之，個別煤分層以黃鐵礦為主。

(2) 小發(fā)路C5煤層煤(除含黃鐵礦透鏡體的煤分層外)灰分為1.49%～4.82%(灰分小于2.0%的煤分層占41%，小于5.00%的煤分層占76.5%)；C5原煤氫含量高、氧含量很低、自由氫極高，硫分為0.56%～0.84%，揮發(fā)分為4.94%～5.46%，發(fā)熱量大于31 MJ/kg。該煤屬特低揮發(fā)分、特低灰、低硫、特高發(fā)熱量優(yōu)質(zhì)三號(年輕)無煙煤，可作為炭材料原料，也可進(jìn)行無煙煤石墨化，還可替代汝箕溝煤作為測試黏結(jié)指數(shù)的標(biāo)樣。

(3) 小發(fā)路C5煤層煤的煤相參數(shù)TPI在1.0左右，多大于1.0；GI大于4.0，V/I多大于4.0，表明該區(qū)形成于強(qiáng)還原的潮濕森林覆水沼澤煤相。以結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、凝膠結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體富集為標(biāo)志，形成環(huán)境為一種極為潮濕、覆水較深的森林面貌，同時植物體遭受化學(xué)分解與機(jī)械破壞程度弱，水介質(zhì)處于弱酸性環(huán)境，細(xì)菌活動受到抑制。因此，該煤形成于水流活動較弱、微生物活動較弱、沉積環(huán)境平靜的環(huán)境，使得泥炭沼澤中成煤原始物質(zhì)得以保持較高的純凈度，灰分、硫分較低，發(fā)熱量較高。

(4) 小發(fā)路礦區(qū)C5煤層煤質(zhì)優(yōu)良，為稀缺煤炭資源。根據(jù)我國“稀缺、特殊煤炭資源的劃分與利用”，應(yīng)該對這種資源實行保護(hù)性開采政策。