鄭媛媛 張博文 王猛

摘 ? ?要：為了揭示潘吉塔格礦區(qū)不同煤巖煤質(zhì)形成條件及其垂向變化特征，探討該區(qū)煤巖煤質(zhì)與成煤環(huán)境的關(guān)系，采用煤巖學(xué)和地球化學(xué)等方法，基于對主采煤層樣品煤巖鑒定、工業(yè)分析及灰成分指標(biāo)等數(shù)據(jù)分析，研究結(jié)果表明：該煤礦主要煤層以半亮型煤為主，富鏡質(zhì)組、貧惰質(zhì)組，煤質(zhì)呈低灰、低硫、高揮發(fā)分特征，煤灰成分以SiO2為主，煤變質(zhì)階段較低，煤類均屬長焰煤。煤層由深至淺垂向演化呈鏡惰比由小到大，灰分由高變低，揮發(fā)分由低變高，硫含量先增大后減小再增大，成煤環(huán)境由弱氧化-還原型到還原型的變化趨勢。綜合分析表明，研究區(qū)中—下侏羅統(tǒng)主要煤層形成于湖泊-三角洲淡水沉積環(huán)境，具陸相成煤特征，成煤環(huán)境溫暖潮濕。其中西山窯組煤巖煤質(zhì)特征與八道灣組有顯著區(qū)別，成煤環(huán)境迥異。

關(guān)鍵字：潘吉塔格煤礦;中—下侏羅統(tǒng);煤巖;煤質(zhì);成煤環(huán)境

目前，業(yè)內(nèi)更加注重煤巖煤質(zhì)組分、煤層賦存規(guī)律及煤地球化學(xué)特征等方面研究。多年來，國內(nèi)外學(xué)者在煤層發(fā)育、煤巖煤質(zhì)特征、沉積環(huán)境及成煤環(huán)境的關(guān)系等方面的研究取得了豐碩成果[1-4]。巖相古地理與煤質(zhì)特征參數(shù)二者反演的成煤環(huán)境相互印證，為含煤巖系沉積相研究提供了一種新的思路和方法。煤中煤巖煤質(zhì)參數(shù)不但影響煤炭資源的加工利用，其本身所包含的地質(zhì)地球化學(xué)信息對反演煤沉積環(huán)境亦有積極意義[5]。新疆潘吉塔格煤礦作為吐哈盆地托克遜煤田的主力煤礦之一，其中—下侏羅統(tǒng)煤層煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良、煤層多且復(fù)雜。前人雖對該區(qū)煤層發(fā)育及沉積特征等方面有部分研究[6]，但針對該區(qū)煤巖、煤質(zhì)特征垂向演替規(guī)律分析等相對缺失。本次以潘吉塔格煤礦中—下侏羅統(tǒng)主采煤層為研究對象，通過鉆孔樣品煤巖鑒定、工業(yè)分析等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)論述潘吉塔格煤礦主采煤層煤巖、煤質(zhì)特征，探討其成煤環(huán)境，為吐哈盆地聚煤規(guī)律、沉積相研究提供理論參考，為煤礦今后潔凈、高效、煤炭合理加工利用提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

潘吉塔格煤礦地處托克遜煤田西部，距新疆托克遜縣城70 km，面積約23 km2，位于吐哈盆地吐魯番坳陷的次級凹陷——克爾堿凹陷西北緣（圖1）。新疆早—中侏羅世主要賦煤盆地及煤礦區(qū)受構(gòu)造運動改造強烈[7]，礦區(qū)煤層走向呈NW向，區(qū)域性斷裂發(fā)育于克爾堿向斜之兩側(cè)，斷距大，直接控制煤系分布。含煤凹陷基底由中石炭統(tǒng)組成，其上發(fā)育三疊系、侏羅系及第四系。其中侏羅系為含煤建造，且為吐哈盆地發(fā)育最全、分布最廣的一套沉積蓋層[8]。

潘吉塔格煤礦主要聚煤期含煤巖系為侏羅紀(jì)水西溝群，自下而上分為下統(tǒng)八道灣組（下含煤組）、三工河組（不含煤組）和中統(tǒng)西山窯組（上含煤組）（圖2）。含煤巖系發(fā)育粗碎屑巖、泥質(zhì)巖、有機巖等。其中礫巖、砂礫巖在水西溝群中各組均有發(fā)育，尤以八道灣組多見，礫巖多為灰色。不同粒級砂巖在水西溝群各組中皆有分布，以八道灣組和西山窯組中多見，顏色較單一，以灰白-灰色為主，風(fēng)化后偶見鐵染，大部分砂巖呈不穩(wěn)定層狀或透鏡狀產(chǎn)出，發(fā)育有槽狀、楔狀及波狀-緩波狀層理。泥巖多見于三工河組，呈淺灰-灰-深灰色。煤層主要分布于西山窯組和八道灣組，以特厚層狀、厚層狀、薄層狀及煤線出現(xiàn)。

2 樣品采集和測試

本文以該煤礦10個主采煤層（5-3、5-2、4-2、KB、3-3、3-2、3-1、2-2、1-2、1-1號）為研究對象，以鉆孔原煤樣煤巖煤質(zhì)數(shù)據(jù)為研究內(nèi)容，主要揭示該區(qū)侏羅系煤巖煤質(zhì)參數(shù)垂向分布規(guī)律。所有樣品檢測工作均由新疆煤田地質(zhì)局實驗室完成。各項檢測均依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)：煤的鏡質(zhì)體反射率依據(jù)GB/T6948-2008《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》;顯微組分定量依據(jù) GB/T8899-2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》;煤工業(yè)分析依據(jù)GB/T212-2008《煤的工業(yè)分析方法》;全硫依據(jù) GB/T214-2007《煤中全硫的測定方法》;各種硫依據(jù) GB/T215-2003《煤中各種形態(tài)硫的測定方法》;煤灰成分依據(jù)GB/ T1574-2007《煤灰成分分析方法》。

3 主采煤層煤特征

3.1 煤層特征

該煤礦可采煤層平均總厚24.69 m。西山窯組地層平均厚308.50 m，含5號煤組8層煤以上，煤層平均總厚10.17 m，含煤系數(shù)3.30%，5-3、5-2號煤層為全區(qū)可采煤層，平均可采總厚7.23 m，其中5-2號煤層分布最廣，厚度大且較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤質(zhì)較好（圖3-a）;八道灣組地層平均厚357.00 m，煤層平均總厚21.59 m，含煤系數(shù)6.05%，含兩層可采煤層（4-2、3-3號），局部可采煤層有5層（KB、3-2、3-1、1-2、1-1號）， 其中2-2號煤層零星可采，各煤層厚度、結(jié)構(gòu)、間距等變化較大（圖3-b）。

3.2 煤巖特征

研究區(qū)中—下侏羅統(tǒng)為高等植物形成的陸相腐植煤類，宏觀煤巖特征以黑色為主，條痕為褐黑色，強瀝青-瀝青光澤，貝殼狀-參差狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，半亮煤為主，半暗煤次之。各可采煤層顯微煤巖組分大體相似，鏡質(zhì)組主要以基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體為主;惰質(zhì)組以絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體為主，可見碎屑惰質(zhì)體;殼質(zhì)組為孢粉體中的小孢子體，大多呈蠕蟲狀或線狀分布。礦物質(zhì)主要以粘土礦物為主，平均含量6.45%～17.85%，粘土礦物呈浸染狀或薄層狀廣泛分布于鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組間隙，硫化物含量極少，平均含量僅為0.33%，碳酸鹽及氧化硅含量極少（圖4-a）。據(jù)煤巖鑒定其顯微煤巖分類為微鏡惰煤。由此可知，研究區(qū)內(nèi)不同煤層的鏡質(zhì)組反射率變化不大，介于0.42%～0.59%，顯示各煤層煤化程度接近，變質(zhì)程度較低。

該煤礦主采煤層顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，二者互為消長，殼質(zhì)組分含量很低（小于1%）（圖4-a）。西山窯組與八道灣組具明顯差異：西山窯組煤層鏡質(zhì)組普遍含量較高（平均大于80%），惰質(zhì)組含量稍低（平均小于16%），鏡惰比較大（平均大于5）;而八道灣組煤層與之相反，鏡質(zhì)組含量稍低（平均小于80%），惰質(zhì)組含量較高（平均大于16%），鏡惰比較小（平均小于3）。

3.3 煤質(zhì)特征

據(jù)表1可知，各煤層煤中水分變化不大，均值介于3.54%～4.84%，其中5-3、5-2號煤層水分最高（大于4.80%）;各煤層以低灰分煤（10%～20%）為主，不同煤層略有區(qū)別，其中5-2煤層煤中灰分為9.41%，屬特低灰煤;各煤層揮發(fā)分變化不大，介于38.42%～49.47%，屬高揮發(fā)分煤，其中1-1號煤層為34.67%，屬中高揮發(fā)分煤，據(jù)精煤揮發(fā)分平均值及粘結(jié)指數(shù)，該煤礦侏羅系煤類均屬長焰煤。揮發(fā)分垂向上從淺到深大致呈遞減趨勢，各煤層揮發(fā)分與鏡質(zhì)組含量呈正相關(guān)，而與惰質(zhì)組含量呈負(fù)相關(guān)（圖5-a）。另外，該煤礦各煤層硫分含量區(qū)別較大，存在明顯差異。其中5-2、5-3號煤層為1.61%～1.69%，屬中硫煤;2-2號煤層為0.44%，屬特低硫煤;其余大部煤層全硫為0.54%～0.74%，屬低硫煤（表2）?？傮w上，各煤層煤中硫大部分以有機硫為主，黃鐵礦硫次之，硫酸鹽含量甚微。

綜上所述，西山窯組煤層水分較高、灰分較低、硫分較高;而八道灣組與之相反，表現(xiàn)水分較低、灰分較高、硫分較低的特征。就硫分而言，西山窯組煤中硫含量以有機硫為主（約占全硫70%），而八道灣組無機硫與有機硫所占比例相當(dāng)。

4 成煤環(huán)境分析

4.1 ?巖性特征與成煤環(huán)境

成煤沼澤主要出現(xiàn)在高地下水位至地表淺水滯留帶與碎屑沉積不活躍區(qū)域[9]。巖相古地理分析表明，潘吉塔格煤礦早、中侏羅世經(jīng)歷沼澤-湖泊-沼澤-湖泊過程，兩次沼澤化聚煤期分別為早侏羅世八道灣期及中侏羅世西山窯期早期[10]。研究區(qū)沉積演化從下至上可分為三段：①八道灣組盆地沉降期。盆緣斷裂活動較強烈，地形高差懸殊， 沉積物以礫巖、砂礫巖為主，沉積范圍窄，主要為下三角洲平原沉積，克爾堿凹陷水體深度不穩(wěn)定，泥碳沼澤范圍狹小，煤層厚度較薄;②三工河組湖泊擴張期。以細(xì)粒沉積為主，細(xì)砂巖、泥巖互層，主要為湖泊沉積，與八道灣期相比，三角洲規(guī)模大，水體明顯加深，以湖泊體系為主的沉積環(huán)境不利于聚煤作用發(fā)生，但湖相暗色泥巖構(gòu)成有利烴源巖類型[11];③西山窯組泥碳沼澤化沉積期。沉積物偏細(xì)，以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，水體相對較淺且穩(wěn)定，沉積地形平緩，含煤地層分布范圍較三工河期進一步擴大，三角洲發(fā)育，聚煤作用廣泛發(fā)生，形成可采厚煤層的主要含煤段。有利于煤和碳質(zhì)泥巖聚集的環(huán)境是沉降速率中等、陸源碎屑供給相對較少的三角洲間灣及下三角洲平原地區(qū)[12]。

4.2 顯微組分與成煤環(huán)境

顯微煤巖組分是良好的成煤環(huán)境指標(biāo)，成煤植物在偏還原環(huán)境下經(jīng)凝膠化作用形成鏡質(zhì)組，在偏氧化環(huán)境下經(jīng)絲炭化作用形成惰質(zhì)組。該煤礦顯微組分具有“富鏡貧惰”特征，與西北其他地區(qū)煤礦富含惰性組組分特征區(qū)別顯著[13]。由于該煤礦形成于三角洲-湖泊-三角洲過渡環(huán)境，使得鏡質(zhì)組含量偏高，凝膠化作用相對強[14]，形成“富鏡貧惰”的顯微組分特征。其中西山窯組是在充填三工河期擴張的湖盆過程中沉積形成[6]，沉積范圍廣，水體較深，其鏡質(zhì)組含量達到最高（平均大于80%）。

另一方面，鏡惰比可很好地反映成煤泥碳沼澤覆水程度和氧化還原程度[15]。由表1可知，研究區(qū)整個侏羅系煤層鏡惰比值均較高（平均值大于3），在八道灣早期鏡惰比值較低（均值小于3），隨煤層深度變淺鏡惰比值升高，在西山窯組達到了最高值（均值大于5）。垂向由深至淺反映出鏡惰由小變大、覆水由較淺到深、由弱氧化-還原型到還原型成煤環(huán)境的趨勢（圖4-b）。

4.3 ?灰分與成煤環(huán)境

灰分是煤中礦物質(zhì)，以陸源碎屑成因為主[16]，該類礦物質(zhì)主要是由流水搬運到泥碳沼澤和成煤植物共同沉積形成的，其高低與沼澤水位變化和河流沖刷及溢岸作用有關(guān)[17， 18]。研究區(qū)侏羅系主要煤層形成于陸相湖泊-三角洲淡水沉積環(huán)境，如三角洲間灣、下三角洲平原及上三角洲平原等。但在沉積初期受河流沖刷作用，外來碎屑物質(zhì)較多，巖石主要以礫巖、砂礫巖為主，導(dǎo)致灰分增加，在八道灣組早期1-1號煤層灰分達到最高（16.27%）;而八道灣組晚期及西山窯組期隨著水動力條件減弱，砂巖粒度變細(xì)，外來碎屑物質(zhì)變少，便以低灰煤、特低灰煤為主。此外，灰分與鏡質(zhì)組呈負(fù)相關(guān)，而與惰質(zhì)組呈正相關(guān)（圖5-b），這一定程度上反映出，八道灣組沉積初期，受河流沖刷作用，成煤區(qū)處于開放性水體沼澤，覆水較淺，形成水動力較強的河流相成煤環(huán)境;而西山窯期河流水動力逐漸減小，物源碎屑減少，沼澤逐漸封閉，覆水加深，形成水體穩(wěn)定的三角洲成煤環(huán)境（圖4-b）。

4.4 ?硫分與成煤環(huán)境

煤中硫含量可很好地反映煤層受海水活動影響的強弱程度，在海水影響下聚集的泥碳比淡水環(huán)境聚集的泥碳硫含量要高[19，20]。研究區(qū)主力煤層煤中硫分均值為0.44%～1.69%，硫分普遍較低，以低硫煤為主，總體上具陸相成煤環(huán)境特征。我國低硫煤中的硫分主要來自成煤原始植物蛋白質(zhì)，多以有機硫為主，硫鐵礦硫次之，硫酸鹽硫最低[19]。潘吉塔格煤礦煤質(zhì)顯示以有機硫為主的低硫煤特征，煤中灰分與無機硫呈負(fù)相關(guān)性（圖5-c）。以上硫含量變化特點表明八道灣組早期受河流影響明顯，外來碎屑較多，灰分較高，覆水較淺，凝膠化程度較低，不利于硫聚集。

形成于淡水環(huán)境的煤，其含硫量雖較低，但硫在煤層中分布變化仍明顯受控于沼澤微環(huán)境演化，淡水沼澤中硫的聚集與植物類型、水動力條件及覆水深度關(guān)系更為密切[21]。在煤層形成過程中，泥碳沼澤微環(huán)境在垂向上變化， 導(dǎo)致煤中硫含量在垂向上呈波動變化[22]。潘吉塔格礦區(qū)硫含量在垂向上由八道灣早期（1-2、1-1號煤層）→八道灣晚期（2-2號～4-2號煤層）→西山窯期（5-3、5-2號煤層）呈先增大后減小再增大趨勢（圖4-b）。這表明垂向上兩端兩煤層組分與中間煤層組分屬不同成煤沼澤環(huán)境。

4.5 ?煤灰成分與成煤環(huán)境

由于煤灰在泥碳沼澤沉淀或遷移中會受到水體氧化還原條件、酸堿度、水動力條件、古氣候與古鹽度等因素影響，一定程度可反映成煤環(huán)境變化[4]。前人利用灰成分特征參數(shù)反映泥碳聚集的介質(zhì)條件[23， 24]。據(jù)表3可知，研究區(qū)煤層CaO/MgO比值較高（平均值大于3），顯示成煤氣候條件相對潮濕[25]。前人通過對新疆吐哈盆地侏羅系孢粉植物群、特殊巖性等分布規(guī)律研究，認(rèn)為研究區(qū)早—中侏羅世為溫暖潮濕的亞熱帶，適宜的氣溫為植物生長和成煤提供良好環(huán)境[26]。

在中-高位沼澤中，灰分以SiO2、Al2O3為主，當(dāng)泥炭受湖平面升高影響時，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO含量較高[27]。該研究區(qū)K值普遍大于0.22（表3），造成受海水影響的假象，這可能是由于侏羅紀(jì)吐哈盆地內(nèi)古氣候出現(xiàn)短期波動性干熱現(xiàn)象[26]，引起煤層短暫發(fā)生蒸發(fā)量大于補給量，K值自1-1號煤層→2-2號～4-2號煤層→5-3、5-2號煤層，呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢（圖4-b）。

總之，潘吉塔格煤礦成煤環(huán)境展布格局具繼承性，區(qū)內(nèi)主要古地理單元有沖積平原、上三角洲平原、下三角洲平原、水下三角洲及濱淺湖等，各時期湖盆大小、范圍不同，水體深淺有別，但多為濱淺湖，且地下水發(fā)育，有利于植物發(fā)育和沼澤化，為成煤提供良好物質(zhì)基礎(chǔ)。坳陷內(nèi)部主要為三角洲沉積，物源主要來自北側(cè)博格達山，三角洲體系內(nèi)沼澤廣泛發(fā)育，有利于聚煤作用。研究區(qū)有利成煤環(huán)境包括三角洲間灣、下三角洲平原、上三角洲平原等，厚煤層主要分布于克爾堿凹陷。

5 結(jié)論

（1） 潘吉塔格煤礦顯微煤巖組分具“富鏡貧惰”特征。垂向上由深至淺反映鏡質(zhì)組由低變高，惰質(zhì)組由高變低，鏡惰比由小至大的變化趨勢。西山窯組煤巖組分較八道灣組相比，鏡質(zhì)組含量偏高，惰質(zhì)組含量偏低，鏡惰比較偏大。

（2） 潘吉塔格煤礦煤化學(xué)性質(zhì)以低灰、低硫、高揮發(fā)分為特征，煤灰成分以SiO2為主。垂向上由深至淺灰分由高變低，揮發(fā)分由低變高，硫含量先增大后減小再增大趨勢。西山窯組煤層水分較高、灰分較低、硫含量較高，而八道灣組與之相反。

（3） 潘吉塔格煤礦成煤氣候條件相對潮濕，主要煤層形成于湖泊-三角洲淡水陸相沉積環(huán)境。八道灣組煤層泥碳沼澤范圍較小，沉積初期成煤區(qū)處于開放性水體沼澤，煤層厚度較薄，但分布范圍大且持續(xù)時間長、穩(wěn)定性好，形成弱氧化-還原型成煤環(huán)境;西山窯組煤層處于泥碳沼澤化沉積，沼澤封閉，三角洲發(fā)育，聚煤作用廣泛發(fā)生，形成主要含煤段，形成穩(wěn)定還原型成煤環(huán)境。

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Abstract：In order to reveal the formation conditions and vertical variation characteristics of different coal petrography and quality in the Panjitage coal mine，and to explore the relationship between coal quality and coal-forming environment in this area.Methods such as coal petrology and geochemistry were adopted.Based on the data analysis of coal petrography identification，industrial analysis and ash component index of main coal seam samples.The research results showed that： The results show that the main coal seams in main coal mine are semi-bright coal.The coal petrography is characterized by the rich vitrinite-poor inertinite，low ash，low sulfur and high volatile.The coal ash is mainly composed of SiO2.The coal metamorphism stage is low，and the coal is all belong to long-flame coal.The vertical evolution of coal seams present the various trends from deep to shallow described as ： the V/I ratio change from small to big，the ash content change from high to low，the volatile change from low to high，the sulfur content increase initially to decrease second and increase afterwards，and the coal-forming environment change from weak oxidation-reduction type to reduction type.Comprehensive analysis shows that，the main coal seams of the Middle-Lower Jurassic are formed in lakes-deltas freshwater sedimentary environment of coal formation in terrestrial facies，and also the coal-forming environment are warm and humid.The coal petrography and quality of the Xishanyao Formation and Badaowan Formation are significantly different，even their coal-forming environments are also quite different.

Key words：Panjitage coal mine;Middle-Lower Jurassic;Coal petrography;Coal quality;Coal-forming environment