陜北三疊紀(jì)煤田中—特高油產(chǎn)率煤分布規(guī)律及成因機(jī)理

馬 麗，段中會(huì)，賀 丹，周 蕾，呂婷婷，閆和平，王 銳

(1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，西安 710021；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

陜西省煤炭的主要成煤時(shí)代為古生代石炭紀(jì)—二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)。其中三疊紀(jì)煤炭資源主要分布于延安市富縣以北、榆林市橫山縣以南的橫山、子長、寶塔、安塞、子洲等縣(區(qū))，呈北東-南西向帶狀分布，面積約24 000km2，含煤地層為上三疊統(tǒng)瓦窯堡組，共含煤7～15層，煤層埋深0～300m，其中主要可采煤層有兩層：3號煤層和5號煤層?？傮w上三疊紀(jì)煤炭資源具有資源量小、煤層薄的特點(diǎn)，其研究和開發(fā)利用程度遠(yuǎn)不及陜北侏羅紀(jì)和石炭紀(jì)—二疊紀(jì)煤層。前人主要研究了礦區(qū)內(nèi)的煤炭資源量，查明了煤炭資源量；研究了三疊系瓦窯堡地層的分布特征、煤系地層層序、古地理及聚煤規(guī)律；以及5號煤層的煤巖煤質(zhì)特征和稀土元素；研究了蟠龍至高家屯煤礦5號煤層頂板工程地質(zhì)特征和煤層氣賦存規(guī)律等。陜北三疊紀(jì)煤田子長礦區(qū)查明煤炭資源37.27億t，占全省煤炭資源總量的2.14%。李智學(xué)、申小龍等[1-2]研究了礦區(qū)內(nèi)蟠龍飛至高家屯5號煤層頂板工程地質(zhì)特征和煤層氣賦存規(guī)律；張永生等[3]研究了子長礦區(qū)和延安中南部礦區(qū)3號煤層的硫分、灰分組成特征及成因；李麗、尹錦濤等[4-5]研究了礦區(qū)三疊系瓦窯堡組層序、古地理及聚煤規(guī)律；賀丹[6]研究了礦區(qū)瓦窯堡組分布特征及聚煤規(guī)律；周國慶等[7-8]研究了5號煤層的煤巖煤質(zhì)特征和稀土元素。

本文利用子長礦區(qū)內(nèi)300余口鉆孔的煤質(zhì)資料，研究了三疊系瓦窯堡組煤層的焦油產(chǎn)率分布規(guī)律、預(yù)測了中—特高油產(chǎn)率煤的資源量，研究了其成因機(jī)理，為后期煤炭資源合理開發(fā)利用提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 主要煤層焦油產(chǎn)率分布規(guī)律

主要煤層5號煤層的焦油產(chǎn)率由156個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)控制，焦油產(chǎn)率介于7.1%～16.39%，平均11.97%，近60%鉆孔數(shù)據(jù)的焦油產(chǎn)率值大于12%。在礦區(qū)北部石灣勘查區(qū)、南部邊界一帶焦油產(chǎn)率值在7.1%～12%，為中油產(chǎn)率煤，中油產(chǎn)率煤的面積約占礦區(qū)面積的1/6；在礦區(qū)中部絕大部分地段為高一特高油產(chǎn)率煤，焦油產(chǎn)率最高的地段位于中莊井田、澗峪岔勘查區(qū)、楊家山勘查區(qū)、車村煤礦一帶(圖1)；其中，特高油產(chǎn)率煤在永興煤礦、楊家山勘查區(qū)南、中莊井田零星分布。

圖1 5號煤層焦油產(chǎn)率等值線

主要煤層3號煤層的焦油產(chǎn)率由122個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)控制，焦油產(chǎn)率介于8%～15.5%，平均11.75%，50%焦油產(chǎn)率值介于8%～12%，50%焦油產(chǎn)率值介于12%～15.5%。3號煤層的焦油產(chǎn)率在礦區(qū)南部低，北部高。在礦區(qū)偏南部貫屯煤礦-車村煤礦-中莊井田-余家峁設(shè)置區(qū)-羊馬河井田-泰豐煤礦一帶為焦油產(chǎn)率的分界線，南部焦油產(chǎn)率較低，一般在8%～12%，為中油產(chǎn)率煤；在此界線東北為高-特高油產(chǎn)率煤，焦油產(chǎn)率最高點(diǎn)位于澗浴岔勘查區(qū)中部，最高值為15.5%(圖2)。

圖2 3號煤層焦油產(chǎn)率等值線

4號煤層焦油產(chǎn)率平均為10.7%；3-1號煤層焦油產(chǎn)率平均為9.28%；3-2號煤層焦油產(chǎn)率平均為11.46%；3-3號煤層焦油產(chǎn)率平均為9.31%；2號煤層焦油產(chǎn)率平均為10.43%；1號煤層焦油產(chǎn)率平均為10.16%。

2 中—特高油產(chǎn)率煤資源量預(yù)測

2.1 資源量計(jì)算方法

以2012年陜西省煤炭礦產(chǎn)資源利用現(xiàn)狀調(diào)查中儲(chǔ)量核查報(bào)告為基礎(chǔ)，以焦油產(chǎn)率等值線分割各塊段資源量，按面積占比預(yù)計(jì)中—特高油產(chǎn)率煤的資源量，對各塊段煤資源量求和獲得本煤層中—特高油產(chǎn)率煤資源量。

Q富n=Q·S富/S

(1)

式中：Q富n為第n塊段中—特高油產(chǎn)率煤保有資源儲(chǔ)量，103t；Q為塊段內(nèi)保有煤炭資源儲(chǔ)量，103t；S富為塊段內(nèi)中—特高油產(chǎn)率煤面積，km2；S為塊段內(nèi)含煤面積，km2。

礦區(qū)中—特高油產(chǎn)率煤資源量26.3億t，占71.7%，中油產(chǎn)率煤10.3億t，占28.3%；低油產(chǎn)率煤資源零星分布，資源量忽略不計(jì)，詳見表1。

表1 研究區(qū)煤中焦油產(chǎn)率煤資源量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有資料，對中—特高油產(chǎn)率煤資源劃分為三種控制程度類型：≤2km網(wǎng)格控制，此類資源量占25.5%；2～4km網(wǎng)格控制，此類控制程度的煤炭資源占礦區(qū)總資源的68%，是一種主要的控制類型；>4km網(wǎng)格控制，此類資源量較少，占6.5%。

2.2 內(nèi)蘊(yùn)焦油資源量

以本段內(nèi)煤的平均焦油產(chǎn)率與本區(qū)塊中—特高油產(chǎn)率煤資源量相乘，獲得各區(qū)塊的焦油資源量總和，同一煤層各區(qū)塊焦油資源量總和即為該煤層內(nèi)蘊(yùn)的焦油資源量；不同煤層的焦油資源量總和即為礦區(qū)焦油資源量。獲得礦區(qū)內(nèi)蘊(yùn)焦油資源量4.3億t，占全省焦油資源量的3%。

Q焦=Q富×Tard

(2)

式中：Q焦為某塊段內(nèi)焦油資源量，103t；Q富為某塊段內(nèi)中-特高油產(chǎn)率煤資源量，103t；Tard為該塊段內(nèi)煤層平均焦油產(chǎn)率，%。

3 中—特高油產(chǎn)率煤富集機(jī)理分析

3.1 煤的性質(zhì)與成分

陜北三疊系煤層主要含煤地層為含煤地層為上三疊統(tǒng)瓦窯堡組，瓦窯堡組地層一般厚度約200m，含煤層數(shù)十余層。

3.1.1 瓦窯堡煤層物性特征

煤層均為黑色，條痕褐黑色，瀝青—玻璃光澤，階梯狀、參差狀斷口，少量棱角狀斷口，硬度中等，性脆。外生裂隙較發(fā)育，裂隙面常被方解石和黃鐵礦薄膜充填。結(jié)構(gòu)以條帶狀為主，線理狀次之，層狀構(gòu)造，煤層水平層理發(fā)育。3號煤層視密度1.03～1.65g/cm3，平均視密度1.35g/cm3；5號煤層視密度1.24～1.6g/cm3，平均視密度1.38g/cm3。

3.1.2 宏觀煤巖特征

各煤層主要由亮煤、暗煤、鏡煤、絲炭或少量礦物雜質(zhì)組成。其中主要以亮煤為主，暗煤和鏡煤次之，絲炭少量。煤巖類型均以半亮型煤為主。

3.1.3 顯微組分

瓦窯堡組各煤層以鏡質(zhì)組為主，絲質(zhì)組次之，惰質(zhì)組含量較低，有機(jī)組分總量一般占80%～95.4%。顯微煤巖結(jié)構(gòu)主要為條帶狀、線理狀、透鏡狀、粒狀、團(tuán)塊狀、不規(guī)則狀等。有機(jī)組分中，煤層的鏡質(zhì)組、半鏡質(zhì)組以均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體及結(jié)構(gòu)半鏡質(zhì)體為主。腐殖組多為均勻凝膠體，碎屑凝膠體及充分分解腐殖體。惰性組一般以絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、粗粒體為主。穩(wěn)定組均為小孢子體。無機(jī)組分以黏土類和硫酸鹽為主，硫化物少量，無機(jī)顯微組分總體含量不高，一般為4.0%～14.0%。硫化物類含量一般約0.6%，碳酸鹽類含量一般2.7%～4.5%。3號煤層最大鏡質(zhì)組反射率為0.61%～0.78%，平均0.74%；5號煤層最大鏡質(zhì)組反射率為0.663%～0.83%，平均0.75%(表2)，最大鏡質(zhì)組反射率表明，兩組煤層均處于由低成熟向成熟演化的階段，正是良好的生油階段。

表2 3號煤層和5號煤層顯微組分分析

3.1.4 工業(yè)組分

3號煤層原煤水分為0.97%～5.44%，平均值為2.70%；5號煤層原煤水分為0.85%～4.48%，平均值為2.26%。垂向上，煤層水分含量隨著煤層埋深的增加而減少。3號煤層原煤灰分為6.42%～32.59%，平均值為17.48%；5號煤層原煤灰分為11.36%～30.32%，平均值為18.65%。5號煤層、3號煤層均屬低灰煤，5號煤較3號煤略高。3號煤層原煤揮發(fā)分為35.78%～45.24%，平均值為39.64%；5號煤層原煤揮發(fā)分為37.28%～45.64%，平均值為41.65%，5號、3號均屬高揮發(fā)分煤，垂向上煤的揮發(fā)分由上至下有降低的趨勢。兩層煤的煤類以氣煤為主，氣煤主要分布在礦區(qū)中部。

3.2 影響因素分析

對煤的工業(yè)成分、元素成分及煤灰成分與焦油產(chǎn)率之間相關(guān)性進(jìn)行分析，其中相關(guān)性較密切的有：揮發(fā)分、視密度、灰分、氫含量和Fe2O3含量，其相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.658 7、-0.468 2、-0.737 8、0.307、0.569 7(圖3)。說明焦油產(chǎn)率與富氫的顯微組分[9]含量有關(guān)、與煤的變質(zhì)作用和成煤環(huán)境有關(guān)。

圖3 焦油產(chǎn)率相關(guān)性分析

3.3 成因機(jī)理分析

古氣侯條件控制著植物生長、湖泊與河流的沉積及煤層發(fā)育，瓦窯堡組含豐富的古生物化石，植物化石以蕨類為主，如：Danaeopsisfecunda、Neocalamitescarrerei、Bernoulliazeilleri等；動(dòng)物化石以雙殼類和葉肢介為主，如：Shaanxiconchalonga、S.triangulata、Euestheriashensiensis、Euestheriadeforma等，成煤期以溫暖濕潤氣候?yàn)橹?。瓦窯堡煤層主要發(fā)育在河流、三角洲和湖灣環(huán)境，沉積物源來自盆地北部地區(qū)，三角洲平原為主要聚煤區(qū)，受地層垂直升降作用，湖泊消亡，形成三角洲-湖灣環(huán)境，直至淺湖區(qū)消失，成煤作用結(jié)束。

平面上：在礦區(qū)中部以氣煤為主，揮發(fā)分38.95%～45.82%，平均42.17%，以三角洲平原相及三角洲前緣相、淺湖相等沉積相為主，氫元素含量一般為5.57%、碳元素含量一般為82.08%，煤層沉積時(shí)間長、厚度大、煤的變質(zhì)程度低，煤的焦油產(chǎn)率較高；礦區(qū)貫屯井田以南逐漸過渡到氣肥煤、肥煤，揮發(fā)分37.28%～41.84%，平均值為39.85%，沉積相以洪泛平原相為主，沉積時(shí)間短，煤層薄，變質(zhì)程度略高，焦油產(chǎn)率逐漸降低；天云煤礦以北逐漸過渡為氣煤及長焰煤類，揮發(fā)分35.20%～44.04%，平均38.76%，沉積相以洪泛平原相和河道相為主，成煤范圍較大，沉積時(shí)間短，變質(zhì)程度較礦區(qū)中部煤層略低，煤層焦油產(chǎn)率低。

垂向上：瓦窯堡組第一段為曲流河相沉積體系，發(fā)育不可采煤層1號煤層，焦油產(chǎn)率稍低；第二段、三段為三角州和湖泊沉積體系，主要發(fā)育3號煤及其分岔煤層，該過程中地殼垂直升降運(yùn)動(dòng)頻繁，導(dǎo)致湖泊水體頻繁進(jìn)退，其中3號煤層沉積較穩(wěn)定，厚度較大，焦油產(chǎn)率較高；末期地殼抬升幅度較大，湖泊逐漸萎縮，第四段為河控三角洲沉積體系為主，煤層沉積范圍小，其中5號煤層較為穩(wěn)定，5號煤焦油產(chǎn)率較高。垂向上煤層沉積時(shí)間、沉積相和變質(zhì)程度不同，煤層焦油產(chǎn)率呈直立的紡錘狀曲線變化，淺湖相和濱湖、三角州相沉積的煤層焦油產(chǎn)率略高(圖4)。

圖4 子長礦區(qū)巖相古地理圖

4 結(jié)論

1)利用子長礦區(qū)300余口鉆孔的煤質(zhì)檢測資料，研究了陜北三疊紀(jì)煤田主要可采煤層3號煤層和5 號煤層的焦油產(chǎn)率變化規(guī)律：礦區(qū)主體為中—特高油產(chǎn)率煤，平面上礦區(qū)中部煤層焦油產(chǎn)率較高，東南部和北部邊界附近焦油產(chǎn)率略低；垂向上5號煤層焦油產(chǎn)率較3號煤層焦油產(chǎn)率略高，這兩組煤層又較沉積初期和沉積末期的其他煤層焦油產(chǎn)率高。初步預(yù)測了礦區(qū)內(nèi)中—特高油產(chǎn)率煤資源量。

2)礦區(qū)主要可采煤層為三疊系瓦窯堡組煤層，煤層沉積背景是大型內(nèi)陸盆地沉積，在溫暖潮濕的古環(huán)境下，蕨類為主要成煤植物，成煤體系以湖泊三角州體系為主；煤層的鏡質(zhì)體反射率在0.61%～0.83%，變質(zhì)程度是影響焦油產(chǎn)率的主要因素；煤的焦油產(chǎn)率與H元素含量和揮發(fā)分有較好的正相關(guān)性。

感謝為本項(xiàng)目提供數(shù)據(jù)支持的陜西省煤田地質(zhì)一九四公司和陜西省煤田地質(zhì)一三一公司！