大南湖礦區(qū)同沉積斷層對(duì)煤質(zhì)特征及成煤環(huán)境的影響

樊君平，梁開(kāi)華，魯 楠，周麗麗，李東慧，黃春慧，陳 昊*

（1.國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力（神東電力）有限公司，北京 100033；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東濟(jì)南 250104；3.山東省煤炭資源數(shù)字化工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250104）

煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中占主體地位，對(duì)國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要保障作用。新疆煤炭資源豐富，在“十四五”規(guī)劃綱要的推動(dòng)下，新疆將建設(shè)成為大型清潔能源基地；且隨著運(yùn)輸條件改善，新疆在煤炭產(chǎn)銷方面的核心地位得到持續(xù)強(qiáng)化?？梢灶A(yù)見(jiàn)，新疆煤炭資源將在我國(guó)未來(lái)的煤炭消費(fèi)中扮演愈發(fā)重要的角色。

在保障煤炭資源供應(yīng)的條件下，提高煤的利用效率、構(gòu)建低碳綠色發(fā)展模式是煤炭資源利用的新要求。在此要求下，發(fā)揮煤質(zhì)研究的基礎(chǔ)作用，并基于此開(kāi)展煤的分質(zhì)、分級(jí)利用具有重要意義。前人研究已經(jīng)表明，構(gòu)造沉降、沉積體系分布、水平面變化等諸多因素皆會(huì)對(duì)煤質(zhì)造成影響［1-5］，但同沉積斷層對(duì)兩側(cè)煤層煤質(zhì)的影響尚不明晰。

大南湖礦區(qū)具有向東部地區(qū)運(yùn)輸煤電資源得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，礦區(qū)西南部發(fā)育一條同沉積斷層——F1斷層，為研究同沉積斷層兩側(cè)煤質(zhì)差異提供了良好的研究樣本［6-9］。因此，本文將以大南湖礦區(qū)為研究對(duì)象，闡述F1斷層兩側(cè)煤質(zhì)特征，分析同沉積斷層對(duì)煤質(zhì)的影響，并分析斷層兩側(cè)成煤環(huán)境差異。

1 地質(zhì)

1.1 研究區(qū)地質(zhì)

大南湖煤田位于大南湖淺凹陷二級(jí)構(gòu)造單元中，大南湖淺凹陷位于沙爾湖隆起之南，沙爾湖淺凹陷以東，與沙爾湖淺凹陷處于同一凹陷帶上，南與覺(jué)羅塔格晚古生代島弧帶基底隆起相接，東部以基底弱隆起與北側(cè)的駱駝圈子淺凹陷及東側(cè)的梧桐窩子淺凹陷相隔。礦區(qū)由于沉積基地不均衡并受區(qū)域性斷層（F1）控制，總體呈北東、西南部陡、中部寬緩的向斜構(gòu)造，伴有次一級(jí)褶曲，并發(fā)育為數(shù)不多的北東、北北東向斷層。礦區(qū)西南部發(fā)育古隆起一處。構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。

礦區(qū)內(nèi)地層自老至新依次為上石炭統(tǒng)（C2）、中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）、中侏羅統(tǒng)頭屯河組（J2t）及第四系（Q）。其中，侏羅系不整合于老地層之上，中侏羅統(tǒng)西山窯組直接沉積于石炭系之上，缺失三工河組。

區(qū)域侵入巖屬準(zhǔn)噶爾－北天山構(gòu)造－巖漿區(qū)北天山分區(qū)博格達(dá)帶、哈爾力克－覺(jué)羅塔格帶。侵入時(shí)代以石炭紀(jì)、二疊紀(jì)為主、次為三疊紀(jì)。巖性以中酸性巖為主。石炭紀(jì)侵入巖分為兩個(gè)序列，輝長(zhǎng)-輝綠巖序列巖體沿阿其克庫(kù)都克斷裂北側(cè)分布，二長(zhǎng)花崗巖序列由巨大二長(zhǎng)花崗巖巖基組成，巖性為輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖和花崗斑巖。二疊紀(jì)侵入巖主要分布于南部覺(jué)羅塔格帶，為正長(zhǎng)花崗巖序列巖體。三疊紀(jì)侵入巖主要為白云母花崗巖、天河石花崗巖小巖株。由于巖漿侵入活動(dòng)早在成煤之前，構(gòu)成了中新生代沉積的基底，在中新生代地層中未見(jiàn)巖漿侵入。

礦區(qū)內(nèi)含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x），其中，西山窯組上段（J2x3）最多含煤20 層，中段（J2x2）最多含煤52層，下段（J2x1）最多含煤14層，煤層總厚度平均85.62m?？刹擅簩淤x存于中侏羅統(tǒng)西山窯組中段（J2x2），煤層總體上較為穩(wěn)定。

1.2 F1斷層

F1斷層位于井田西北部邊界附近，性質(zhì)為正斷層。走向NE，傾向NW，傾角70°，落差60～400m，井田內(nèi)延展長(zhǎng)度16 460m。該斷層上、下盤煤層差異明顯：斷層以北，由北向南，煤系地層厚度變大，煤層間距變大，各煤層厚度變小，可采性變差；斷層以南，由南向北，煤系地層厚度加大，煤層間距變大，同時(shí)煤層厚度變大。斷層南北兩側(cè)附近鉆孔揭穿的煤層特征明顯不同：斷層以北附近，煤層厚度一般較薄、間距較?。灰阅虾穸纫话爿^大，同時(shí)間距也較大。根據(jù)以上特征，認(rèn)為F1斷層為一同沉積斷層。

2 樣品與測(cè)試

本文所采樣品均為鉆孔巖心煤樣，煤樣平面上分布于177口鉆孔，其中F1斷層以南96口，F(xiàn)1斷層以北81 口；垂向上來(lái)自17 個(gè)煤層，基本涵蓋了研究區(qū)主要可采煤層。煤樣所做測(cè)試包括顯微組分鑒定、工業(yè)分析、元素分析、灰成分分析等。測(cè)試結(jié)果均取F1斷層兩側(cè)各煤層所有樣品測(cè)試結(jié)果的平均值，能夠反映斷層對(duì)煤質(zhì)的影響。

所有樣品的分析測(cè)試都遵循現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。煤的顯微組分定量依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15588—2013《煙煤顯微組分分類》和GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法》進(jìn)行；煤的工業(yè)分析基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》進(jìn)行；煤的元素分析依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31391—2015《煤的元素分析》進(jìn)行；灰成分分析依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1574—2007《煤灰成分分析方法》進(jìn)行。

3 研究結(jié)果

3.1 顯微組分

圖1綜合了研究區(qū)F1斷層兩側(cè)各煤層顯微組分含量的變化趨勢(shì)，從圖1a 中可以發(fā)現(xiàn)，這17 層煤有機(jī)組分的總含量均在90%以上，其中F1斷層以南各煤層有機(jī)組分的總含量較為穩(wěn)定，能達(dá)97%以上；而F1斷層以北各煤層有機(jī)組分的總含量波動(dòng)較大，整體上表現(xiàn)出下部煤層有機(jī)組分含量高、上部煤層有機(jī)組分含量低的變化趨勢(shì)，在此變化趨勢(shì)下，除26#、28#、29#等下部煤層外，F(xiàn)1斷層以北其余煤層的有機(jī)組分總含量均低于F1斷層以南相應(yīng)煤層。

圖1 顯微組分體積占比Figure 1 Volume content distribution of macerals

造成F1斷層兩側(cè)有機(jī)組分總含量差異的主要原因是類脂組的含量差異。如圖1b 至圖d 所示，雖然類脂組含量均低于10%，遠(yuǎn)低于鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量，但斷層兩側(cè)各煤層中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量交替波動(dòng)、互有高低，而對(duì)于類脂組而言，除2-4#煤層外，F(xiàn)1斷層以南各煤層的類脂組含量均高于斷層以北對(duì)應(yīng)煤層，表明類脂組含量差異是造成總有機(jī)組分含量的主要因素。

圖1b 和圖1c 反映了研究區(qū)各煤層鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量，兩者表現(xiàn)出反向變動(dòng)的關(guān)系。垂向上，煤層自下而上，表現(xiàn)出鏡質(zhì)組含量升高、惰質(zhì)組含量下降的垂向演化趨勢(shì)。F1斷層以北各煤層鏡質(zhì)組增加、惰質(zhì)組減少的趨勢(shì)更為明顯，尤其在上部2-4#、2-2#等煤層中，鏡質(zhì)組含量明顯升高。同時(shí)，F(xiàn)1斷層以北煤層的鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量波動(dòng)幅度更大，如在18#～26#煤層的范圍內(nèi)，從26#煤到22#煤，鏡質(zhì)組含量明顯升高，惰質(zhì)組含量明顯降低；而從22#煤到18#煤，鏡質(zhì)組含量降低，惰質(zhì)組含量升高。

3.2 煤質(zhì)特征

3.2.1 工業(yè)分析結(jié)果

工業(yè)分析結(jié)果如圖2a 至圖2c 所示。各煤層水分含量介于10%～13.5%，隨埋深增加水分含量逐漸降低，除2-2#煤層外，其他各煤層在F1斷層以南部分均有更高的水分含量。各煤層灰分產(chǎn)率介于8%～16%，屬于特低－低灰煤，而且從圖2b 中可以發(fā)現(xiàn)，下部各煤層灰分產(chǎn)率低于上部各煤層的灰分產(chǎn)率。除2-4#、2#、22#煤層外，其他各煤層在F1斷層以南部分均有更高的灰分產(chǎn)率。對(duì)比有機(jī)組分總含量可以發(fā)現(xiàn)，雖然F1斷層以南各煤層有機(jī)組分的體積含量更高，但其灰分產(chǎn)率卻更大，這一方面可能是由于部分無(wú)機(jī)質(zhì)是以有機(jī)結(jié)合態(tài)形式存在于有機(jī)組分中，如鈉元素等；另一方面可能表明F1斷層以南煤層所含礦物密度較高。如圖2c所示，各煤層干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率介于35%～46%，隨埋深增加揮發(fā)分產(chǎn)率逐漸降低，但只有28#和29#煤在F1斷層以北部分的揮發(fā)分產(chǎn)率低于37%，屬于中高揮發(fā)分煙煤，其余煤層均屬于高揮發(fā)分煙煤。相比于F1斷層以南相應(yīng)煤層的揮發(fā)分產(chǎn)率而言，斷層以北各煤層的揮發(fā)分產(chǎn)率普遍較低，且下部諸煤層的揮發(fā)分產(chǎn)率差距更加明顯。

圖2 工業(yè)分析結(jié)果折線圖Figure 2 Results of proximate analysis

3.2.2 元素分析結(jié)果

圖3 匯總了樣品的元素分析結(jié)果，包含碳、氫、氧、氮、硫質(zhì)量百分比以及氫碳原子比。樣品碳元素質(zhì)量占比在72%～78%，且隨煤層深度增加碳元素含量逐漸升高，其中F1斷層以北碳元素含量升高的趨勢(shì)更加明顯，這與揮發(fā)分產(chǎn)率反映的規(guī)律是一致的。不同于碳元素含量隨埋深增加而逐漸升高，氫、氧、硫元素含量表現(xiàn)出隨埋深增加而逐漸降低的變化趨勢(shì)；而氮元素在F1斷層以南各煤層中含量較為穩(wěn)定，在F1斷層以北則表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。

圖3 元素分析結(jié)果折線圖Figure 3 Results of ultimate analysis

通過(guò)橫向上對(duì)比斷層兩側(cè)各煤層的元素分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，斷層以北各煤層氫元素含量普遍低于斷層以南相應(yīng)煤層的氫含量，同時(shí)由于氫元素含量的差異，氫碳原子比也表現(xiàn)出斷層南側(cè)普遍高于斷層北側(cè)的現(xiàn)象。造成斷層兩側(cè)氫含量差異的原因應(yīng)該與類脂組含量差異有關(guān)，斷層北側(cè)各煤層類脂組含量普遍較低，而類脂組相對(duì)富氫，因此造成了斷層南側(cè)氫元素含量及氫碳原子比較高的現(xiàn)象。斷層以南上部煤層硫、氧元素含量低于斷層以北相應(yīng)煤層，而在下部煤層中硫、氧元素含量高于斷層以北相應(yīng)煤層；碳、氮元素則與硫、氧元素相反。

3.2.3 有害元素

對(duì)煤層的有害元素磷、氯、砷、氟進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果表明，除19#煤層斷層以北部分磷含量超過(guò)0.05%為中磷煤外，其余各煤層煤均為低磷煤，且斷層以北煤樣含磷量普遍高于斷層以南煤樣含磷量。研究區(qū)煤層的氯含量為0.15～0.45μg/g，屬于中氯煤及高氯煤，氯含量隨埋深變淺而逐漸增加，上部各煤層以高氯煤為主，而下部煤層則為中氯煤。在下部煤層中，斷層以南煤樣的氯含量普遍高于斷層以北煤樣。研究區(qū)各煤層的砷含量分布在1～6 μg/g，屬特低—低砷煤，且低砷煤主要集中在3#～8#煤層的范圍內(nèi)，深部各煤層砷含量均在4 μg/g 以下，滿足特殊行業(yè)用煤需求。除3#煤層斷層以南部分氟含量超過(guò)100 μg/g 歸屬于低氟煤外，研究區(qū)其余煤層均為特低氟煤。

圖4 有害元素分布折線圖Figure 4 Content of harmful elements

3.2.4 灰成分分析結(jié)果

灰成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)所有測(cè)試的煤層而言，SiO2是占比最多的灰成分，其含量為25%～43%；CaO 和Al2O3次之，前者質(zhì)量占比在14%～25%，后者質(zhì)量占比為12%～20%；再次為Fe2O3、SO3、Na2O、MgO 等，含量基本在5%以上；最后為TiO2、K2O、MnO2、P2O5等，含量基本在1%以下。需要特別注意的是，全部測(cè)試樣品的Na2O 占比都達(dá)到了高鈉煤（＞2%）的水平，在利用過(guò)程中容易造成沾污等現(xiàn)象，影響鍋爐等設(shè)備的效率和安全。

表1 灰成分分析Table 1 Results of ash analysis%

基于灰成分分析結(jié)果計(jì)算的沾污指數(shù)（Rf= 堿性灰成分/酸性灰成分×Na2O［10-11］）值全部大于1，同樣表明了嚴(yán)重沾污的特性（圖5）。

圖5 沾污指數(shù)（Rf）分布Figure 5 Distribution of fouling index Rf

4 討論

4.1 成煤環(huán)境

4.1.1 陸源影響強(qiáng)弱

灰分及灰成分常被用來(lái)反映陸源影響的強(qiáng)弱，灰分含量較高以及灰成分中硅、鋁氧化物占比較高往往反映陸源影響較強(qiáng)［2，4，12-14］。前述工業(yè)分析結(jié)果已經(jīng)表明，F(xiàn)1斷層以南灰分含量普遍較高。圖6 展示了各煤層灰成分指數(shù)K（K=（SiO2+Al2O3）/（Fe2O3+CaO+MgO））的值，其值越高表明硅、鋁氧化物在灰分中的占比越高，繼而反映出陸源碎屑影響越大。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，除2-4#及26#煤層外，其余各煤層的灰成分指數(shù)K均在F1斷層以南更高，表明F1斷層以南受到的陸源影響更為強(qiáng)烈。

圖6 灰成分指數(shù)K分布Figure 6 Distribution of ash component index K

如圖7 所示的灰成分三元圖，三個(gè)端員為SiO2-Al2O3、CaO-MgO、Fe2O3-SO3，分別代表陸源黏土礦物碎屑、化學(xué)沉積碳酸鹽及閉塞環(huán)境黃鐵礦?？梢园l(fā)現(xiàn)，各煤層投影點(diǎn)均更接近于SiO2-Al2O3端員，表明陸源碎屑的主導(dǎo)地位。但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1以南各煤層的投影點(diǎn)相對(duì)更靠近SiO2-Al2O3端員，而CaO-MgO含量相對(duì)低于F1以北對(duì)應(yīng)煤層，F(xiàn)e2O3-SO3含量在斷層兩側(cè)差異不大。這表明F1斷層以南受陸源碎屑影響更為明顯，而F1斷層以北受水體中化學(xué)沉積的碳酸鹽礦物影響更重。

圖7 灰成分三元圖Figure 7 Ternary diagram of ash component

4.1.2 母巖性質(zhì)

母巖性質(zhì)代表著盆地的背景值，而Al2O3/TiO2已經(jīng)被證實(shí)受沉積過(guò)程影響小，能夠指示源區(qū)母巖性質(zhì)［15-17］。一般認(rèn)為Al2O3/TiO2值介于21～70代表母巖為酸性巖，8～21時(shí)指示中性巖，3～8時(shí)代表基性巖。如圖8所示，F(xiàn)1斷層兩側(cè)的Al2O3/TiO2值恰好分布在中性巖和酸性巖的分界線兩側(cè)，表明研究區(qū)物源母巖性質(zhì)以中酸性巖為主，這與區(qū)域地質(zhì)概況中反映的中酸性巖漿巖巖性一致。而除29煤層斷層兩側(cè)皆分布在中性巖區(qū)域外，其余各煤層的F1以南部分均分布于偏酸性巖區(qū)域，而F1斷層以北部分均位于偏中性巖區(qū)域。造成這一母巖性質(zhì)差異現(xiàn)象的原因可能與區(qū)域內(nèi)多期次巖漿巖活動(dòng)有關(guān)。該區(qū)域主要分布有石炭紀(jì)巖漿巖及二疊紀(jì)巖漿巖，前者巖性為輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖和花崗斑巖，后者巖性主要為正長(zhǎng)花崗巖。

圖8 母巖性質(zhì)分布Figure 8 Distribution of the source rock nature

4.1.3 水平面變化

灰成分分析中已表明F1斷層以北受到水體影響更高，而煤巖特征中鏡惰比同樣表現(xiàn)出了同樣的水平面變化特征［18-20］。由于鏡質(zhì)組形成于凝膠化作用，而惰質(zhì)組形成于絲炭化作用，前者需要在潮濕還原的環(huán)境下進(jìn)行，而后者在干燥氧化時(shí)更易于發(fā)生，因此鏡惰比可以反映出成煤環(huán)境的干濕情況。如圖9所示，研究區(qū)各煤層鏡惰比均分布在潮濕－弱覆水到極潮濕－覆水環(huán)境，且表現(xiàn)出煤層從下而上環(huán)境逐漸潮濕或水平面逐漸升高的變化趨勢(shì)。斷層以南各煤層（除2-4#及16#煤層外）均形成在潮濕－弱覆水環(huán)境，而斷層以北鏡惰比波動(dòng)幅度大，尤其在22煤層與2-2煤層附近，鏡惰比出現(xiàn)了明顯升高，表明在這兩個(gè)階段水平面有較為劇烈的升高過(guò)程。

圖9 鏡惰比分布Figure 9 Ratio of vitrinite to inertinite

4.2 F1斷層對(duì)兩側(cè)煤質(zhì)特征差異的影響

通過(guò)上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1斷層兩側(cè)煤巖煤質(zhì)特征具有明顯差異，這也反映出兩側(cè)成煤環(huán)境的差異。橫向?qū)Ρ葍蓚?cè)煤巖、煤質(zhì)特征，大南湖礦區(qū)煤層在F1斷層南側(cè)部分普遍具有類脂組含量高、水分高、灰分產(chǎn)率高、揮發(fā)分高、氫含量高、灰成分指數(shù)高、沾污指數(shù)低、母巖性質(zhì)偏酸性的特點(diǎn)；而垂向上的演化特征在斷層兩側(cè)也有明顯差異，F(xiàn)1斷層以北各項(xiàng)參數(shù)的垂向演化波動(dòng)性強(qiáng)、變化趨勢(shì)快，如F1斷層以北鏡質(zhì)組及其反映出的水平面變化情況波動(dòng)劇烈，而揮發(fā)分產(chǎn)率、碳含量等表征變質(zhì)程度的參數(shù)表明同一煤層在F1斷層以北變質(zhì)程度增加更快。

同沉積斷層的演化特點(diǎn)影響了斷層兩側(cè)成煤環(huán)境差異，也造就了斷層兩側(cè)煤巖、煤質(zhì)特征的差異。由于F1斷層為正斷層，北盤為下降盤，其水平面相對(duì)更高，水體相對(duì)較深，因此受物源碎屑影響較小，灰分較低，而化學(xué)沉淀的碳酸鹽類礦物稍多，灰成分指數(shù)較低。同時(shí)由于北盤相對(duì)下降速度更快，或者說(shuō)水平面上升較快，因此在垂向變化上，鏡質(zhì)組含量的增加趨勢(shì)、惰質(zhì)組含量的下降趨勢(shì)以及硫元素的上升趨勢(shì)都因?yàn)檫€原環(huán)境的逐漸增強(qiáng)而更為明顯。而碳元素含量、揮發(fā)分產(chǎn)率等表征煤變質(zhì)程度的參數(shù)，在下降盤由于埋深的相對(duì)增加而變化得更加明顯。斷層南盤類脂組含量較高，推測(cè)是由于南盤相對(duì)氧化的條件下，其它組分易被氧化分解而保留了性質(zhì)更穩(wěn)定的類脂組組分。而通過(guò)比較兩盤參數(shù)變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1斷層以北變化波動(dòng)更為劇烈，表明北盤震蕩更為劇烈。

5 結(jié)論

斷層以南（即下盤）各煤層具有類脂組含量高、水分高、灰分產(chǎn)率高、揮發(fā)分高、氫含量高、灰成分指數(shù)高、沾污指數(shù)低等特點(diǎn)，而斷層以北（即上盤）各煤層垂向演化波動(dòng)強(qiáng)、變化快。這反映出F1同沉積斷層對(duì)兩側(cè)成煤環(huán)境有重要影響：斷層以北（即上盤）水體相對(duì)較深，偏還原環(huán)境，受物源影響小，但震動(dòng)頻次多、震動(dòng)劇烈；斷層以南（下盤）偏氧化環(huán)境，受物源影響較大，但沉降相對(duì)穩(wěn)定。