寧東煤田紅墩子礦區(qū)煤中硫分布特征及成因分析

張志峰，黃鵬程，祁風華，王 貝，梁永平，陸愛國，王麗欣

（寧夏回族自治區(qū)煤炭地質局，寧夏銀川 750001）

0 引言

隨著寧東能源化工基地的快速發(fā)展，寧東煤田煤炭資源需求量大幅增加［1］。紅墩子礦區(qū)煤炭資源量約17 億t，構造簡單，煤質優(yōu)良，是寧東能源化工基地的重要原煤產地，但礦區(qū)高硫煤資源量達2.4億t，占礦區(qū)煤炭總資源量的13.56%，很大程度上限制了煤炭資源的開發(fā)與利用［2-3］。在寧夏油氣資源匱乏的客觀因素下，開發(fā)利用高硫煤將是解決寧東能源安全的重要途徑。為此，進一步探究、掌握紅墩子礦區(qū)煤中硫的分布規(guī)律、賦存形態(tài)及形成原因，有助于建立對礦區(qū)煤中硫區(qū)域分布特征的客觀認識，科學指導煤炭資源合理、有效開發(fā)利用。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)呈南北向條帶狀展布，東部及南部以省界為邊界，黃河斷裂為西部邊界，面積約200km2［4］（圖1）。礦區(qū)被第四系松散層覆蓋，海拔1 100～1 300m，地勢整體東南高、西北低，蒸發(fā)強烈，風大沙多，屬干旱半干旱大陸性季風氣候。

圖1 研究區(qū)交通位置Figure 1 Location of the study area

1.1 地層

區(qū)域地層屬鄂爾多斯西緣地層分區(qū)桌子山-青龍山地層小區(qū)，華北-柴達木地層大區(qū)，華北地層區(qū)［4］。鉆探揭露第四系、古近系、二疊系孫家溝組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、石炭系—二疊系太原組、石炭系羊虎溝組及奧陶系。礦區(qū)主要含煤地層為二疊系山西組及石炭系—二疊系太原組，具有由北向南逐漸變薄的分布趨勢［5］。

1.2 構造

礦區(qū)地層總體向東傾伏，由于受東西方向壓應力的作用，礦區(qū)內形成近南北向壓性結構面和近東西向的張性斷裂面，由于拖曳作用，斷層兩側形成不對稱的褶曲。在應力比較集中的背斜軸部附近，伴生有次一級的小斷裂。含煤地層產狀沿傾向隨構造有規(guī)律變化，產狀沿走向變化很?。坏V區(qū)主體構造為兩條近南北向壓性結構面、兩條近東西向的張性斷裂面，并且在斷層兩側形成簡單的褶曲，次一級斷層和褶曲均不發(fā)育；沒有巖漿巖的影響。礦區(qū)構造復雜程度類型為簡單構造［6］。

1.3 煤層對比

煤巖層對比是本次研究工作的核心基礎，以礦區(qū)井田為基本單位，在每個獨立井田選取質量合格、層序正常、煤層完整的鉆孔2～3個，在原有地質勘查報告煤層對比成果的基礎上，結合鉆孔測井曲線、標志層、含煤組段及煤巖組合特征等方法進行煤巖層對比，統(tǒng)一煤層編號。本次煤巖層對比工作選取了紅墩子礦區(qū)4個井田（勘查區(qū)）的11個鉆孔，經測井形態(tài)特征、層段間距及厚度、煤巖結構、煤類特性及標志層的比對［7］（表1），形成較為可靠的礦區(qū)煤巖層對比。

表1 煤巖層對比結果Table 1 Results of coal-rock correlation

1.4 煤質

以上述煤巖層對比結果為基礎，對礦區(qū)煤層煤質進行了統(tǒng)計分析：水分（Mad）平均在0.46%～4.33%，灰分（Ad）平均21.48%～32.85%，揮發(fā)分（Vdaf）平均39.07%～42.25%，原煤全硫（St，d）含量為0.23%～5.62%，屬中黏結—強黏結、低—中發(fā)熱量、低磷。

2 研究方法及成果

2.1 研究方法

基于以往勘查資料及研究成果，統(tǒng)一對比、劃分石炭系—二疊系太原組和下二疊統(tǒng)山西組煤巖層，再按照先井田、后礦區(qū)的順序進行地質、煤質資料的分析研究，得出煤中硫在平面上的分布規(guī)律［7］；同時，將山西組、太原組各煤層的煤中硫分布情況進行縱向對比，進而探究煤中硫在垂向上的變化規(guī)律。同時，在測試分析資料的基礎上，以區(qū)域構造和沉積背景為基礎，利用測井資料進行沉積旋回分析，重點研究沉積序列和沉積旋回特征，進而對煤田煤中硫的形成原因進行分析［8］。

2.2 研究成果

2.2.1 硫分等級劃分

本次研究按照煤巖層對比結果并考慮該礦區(qū)各井田主采煤層情況，選取山西組4 煤及太原組8煤、9 煤進行分析。根據GB/T 214—2007《煤中全硫的測定方法》、GB/T 15224.2—2021《煤炭質量分級第2部分：硫分》進行統(tǒng)計，各煤層硫分等級如表2所示。

表2 硫分等級劃分Table 2 Sulfur Classification

2.2.2 平面分布特征

1）山西組4 煤為低硫煤，原煤全硫（St，d）0.07%～3.58%，平均0.90%。4 煤從平面上看沒有明顯的變化規(guī)律，礦區(qū)高硫煤點見于紅四井田1706 鉆孔（3.58%），另有中高硫煤點分別見于紅三井田HL212 鉆孔（2.43%）、HL311 鉆孔（2.07%）、803 鉆孔（2.39%）、HW414 鉆孔（2.45%），紅二井田HK802鉆孔（2.41%），紅一井田HK704鉆孔（2.35%）。

2）太原組8 煤為中高硫煤，原煤全硫（St，d）0.37%～5.26%，平均2.58%。中高硫煤分布范圍廣，僅在礦區(qū)北部及東南部硫分較低（圖2），沒有明顯分布規(guī)律。礦區(qū)最低全硫值見于紅二井田2312 鉆孔（0.37%），最高全硫值見于紅四井田1606 鉆孔（5.26%）。

圖2 硫分垂向分布特征Figure 2 Vertical distribution characteristics of sulfur content

3）太原組9 煤為中高硫煤，原煤全硫（St，d）0.66%～6.79%，平均2.49%。分布范圍廣泛，具東北、西南高，中部較低的變化規(guī)律（圖3），礦區(qū)最高硫分值位于紅三井田HW411 鉆孔（6.79%），最低全硫值位于1202鉆孔（0.66%）。

圖3 紅墩子礦區(qū)4、8、9煤硫分分布特征Figure 3 Sulfur Distribution characteristics of No.4、8、9 coal seam in Hongdunzi mining area

2.2.3 垂向分布特征

煤質分析結果顯示，煤中硫分含量變化較大，呈現從山西組到太原組逐漸增大的變化趨勢。同屬太原組的7 煤、8 煤、9 煤均為中高硫煤，該三層煤全硫含量變化幅度較小，硫分含量呈自上而下逐漸升高的變化趨勢。而山西組4煤的煤中硫含量明顯偏低，造成了山西組和太原組煤中硫含量的顯著變化，是因為太原組和山西組煤層因沉積環(huán)境不同而造成了煤中硫富集程度的巨大差異［9-10］（圖2）。

2.2.4 形態(tài)硫分布特征

山西組4 煤中硫元素以有機硫為主，有機硫占比達46%，具有有機硫最高、硫化鐵硫次之和硫酸鹽硫最低的賦存特征［11］；9煤和8煤中的硫分以硫化鐵硫為主要賦存形式，具有硫化鐵硫最高、有機硫次之、硫酸鹽硫最低的賦存特點（表3），硫化鐵硫與全硫含量之比均超過50%，其中無機硫與全硫含量之比36.2%～40.2%（圖3）。

表3 形態(tài)硫含量及其占比Table 3 Sulful proportion of various forms

3 討論

3.1 成煤環(huán)境

在石炭紀晚期海侵擴大的背景下，海水自西向東侵擾，沉積相由西向東分別為潟湖相-潮坪相（潮間、潮下帶）-潟湖沼澤相-潮間、潮上帶，形成海陸互碎屑含煤建造-太原組，此時，寧夏整個地區(qū)處于障壁海岸海水波動頻繁、進退頻繁的環(huán)境中（圖4）。

圖4 9煤沉積環(huán)境示意圖Figure 4 Schematic depositional environment of No.9 coal seam

從山西組沉積中發(fā)現的腕足類化石碎片和海綠石、鎂、綠泥石等海相礦物中，證實了二疊紀早期地殼緩慢抬升，海水逐漸退去，但海水的影響并未完全消失。此時河流作用明顯增強，礦區(qū)開始接受陸相碎屑沉積。巖相古地理輪廓大致與石炭紀晚期一致，普遍接受了更加穩(wěn)定的海退三角洲相沉積。至早二疊世晚期，海水基本退出，沉積環(huán)境逐步轉化為陸地河流-三角洲沉積［12-16］，在平面上可劃分為三角洲平原亞相區(qū)和三角洲前緣原亞相區(qū)（圖5）。

圖5 8煤沉積環(huán)境示意圖Figure 5 Schematic depositional environment of No.8 coal seam

煤中硫元素的重要來源是原始成煤植物和海水中的硫酸根離子。硫元素的富集程度主要與硫的供應、鐵的供應、細菌的活動以及泥炭沼澤介質狀況等元素有著緊密關系，是一個極其復雜的地質過程。煤中的硫分特征與沉積環(huán)境有很大的關系，特別是海水起著決定性的作用。以硫鐵礦硫為主的中高硫煤和高硫煤容易在海陸交互式的沉積環(huán)境中形成；在碳酸鹽臺地沉積背景下發(fā)育的煤層，經海水作用，生成高有機硫煤的可能性較大；陸相沉積的煤層含硫量較低，但如果硫元素的補給源供應充足，其含硫量也可能較高［17-19］。

3.2 硫化物硫

中-高硫煤中的硫分主要來源于海水中的硫酸鹽，而原位沉積形成的硫元素僅占少數。在海水環(huán)境中有著豐富的硫酸根離子，為泥炭提供了充足的硫源，隨后與海水中如硫酸鹽還原菌的一些厭氧菌、有機質發(fā)生一系列的生物、化學作用：硫酸鹽轉化為黃鐵礦的過程較為復雜，先是在適當酸堿度的海水中，硫酸鹽還原菌活性最強，能夠將海水中的硫酸根離子還原成硫化氫，而后再和泥炭中的鐵離子發(fā)生化學反應進而轉化為二硫化鐵，最終形成黃鐵礦［20-21］。

紅墩子礦區(qū)9煤、8煤形成于潟湖。潮坪沉積環(huán)境，在泥炭化和成煤過程中受海水影響，補充了足量的硫酸根離子，經過硫酸鹽還原菌的生物作用，形成充足的硫化氫。鑒于有機質的化學活性較弱、鐵離子活性高的特點，硫化氫將會優(yōu)先與活性鐵離子發(fā)生反應而生成二硫化鐵；僅在硫化氫過量的條件下才能與有機質發(fā)生反應進而形成有機硫。所以紅墩子礦區(qū)9煤、8煤最終形成以硫化鐵硫含量為最高、有機硫含量次之的中高硫煤。

3.3 有機硫

沉積過程中，因成煤植物中的硫分形成的有機硫含量低于40%，而實際上礦區(qū)山西組4 煤的有機硫含量達50%，說明山西組4 煤層中的有機硫除成煤植物中的硫元素富集，還有另外一部分硫元素的富集，可能源于沉積環(huán)境中的其他藻類及微生物［22］。山西組4煤受河流作用影響，形成于河流-三角洲沉積環(huán)境。因此，環(huán)境中的硫酸根離子含量極低，且由于淡水、沼澤環(huán)境中的酸堿度不適宜硫酸鹽還原菌的生存，造成了硫化氫數量的急劇減少。雖然鐵離子易于與硫化氫反應形成鐵硫化物，但由于早二疊世晚期海水逐漸退卻，可利用的鐵離子供給不足，在鐵離子數量匱乏的環(huán)境下，硫化氫與有機質發(fā)生反應形成大量的有機硫并富集下來，最終形成山西組4 煤以有機硫為主，硫化鐵硫次之的賦存特征［22-23］。

4 結論

1）從平面分布來看，山西組4 煤原煤全硫（St，d）為0.07%～2.05%，平均0.74%，屬北高南低分布態(tài)勢的低硫煤；太原組8 煤原煤全硫（St，d）平均2.58%，屬中高硫煤，高硫煤零星分布，礦區(qū)中部和西部地區(qū)中高硫煤分布較廣；太原組9 煤原煤全硫（St，d）平均2.49%，礦區(qū)東部硫分整體較高，高硫煤分布于東部及南部。礦區(qū)內煤中硫分的富集整體呈由東向西的遷移規(guī)律。

2）由于山西組4 煤形成于河流-三角洲沉積環(huán)境，受淡水成煤環(huán)境影響，可利用的鐵離子極其有限，硫化氫與有機質發(fā)生反應形成大量的有機硫富集下來，形成山西組4 煤有機硫最高、硫化鐵硫次之、硫酸鹽硫最低的賦存特點。

3）由于太原組8 煤、9 煤形成于潟湖-潮坪沉積環(huán)境，在成煤過程中受海水影響，硫酸根離子數量充足，經由硫酸鹽還原菌作用形成大量的硫化氫，并優(yōu)先與鐵離子結合進而生成二硫化鐵，最終以黃鐵礦的形式富集，過量的硫化氫則和有機質發(fā)生作用形成數量有限的有機硫。最終形成太原組8煤、9煤硫化鐵硫最高、有機硫次之、硫酸鹽硫最低的賦存特征。