趙 彥

( 中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第一勘探局，河北邯鄲 056004 )

1 地質(zhì)背景

位于鄂爾多斯盆地東緣的河?xùn)|煤田是山西省六大煤田之一，也是我國(guó)著名的優(yōu)質(zhì)煉焦基地之一，主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，含煤十余層，煤層總厚達(dá)15m左右，煤炭資源豐富，煤的種類(lèi)齊全，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。河保偏礦區(qū)位于河?xùn)|煤田的北端，行政區(qū)劃屬忻州市河曲、保德、偏關(guān)三縣管轄，以黃河為界與陜西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰。礦區(qū)地理坐標(biāo)為110°57″～111°34″E、38°39″～39°30″N。南北長(zhǎng)約82km，東西寬約13km，面積約1597km2。河保偏礦區(qū)為晉北煤炭基地的重要組成部分，向西連接特大型神東煤炭基地，是黃河兩岸東西連接的橋頭堡，地理位置十分優(yōu)越(圖1)。

13#煤層所賦存的太原組是一套海陸交互相含煤建造，據(jù)其沉積環(huán)境和巖性的變化可以大略分為三段，下段為層位較為穩(wěn)定的灰白色石英砂巖段，局部含有晉祠砂巖、粉砂巖，中間夾一層石灰?guī)r；中段發(fā)育有黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r；上段主要發(fā)育黑、灰、灰白泥巖，夾數(shù)層薄煤層。

圖1 河保偏礦區(qū)交通位置

圖2 采樣位置示意

2 采樣與測(cè)試

本次野外工作采取了河保偏礦區(qū)太原組13#煤層煤樣12個(gè)，煤樣由上至下編號(hào)為1～12(圖2),采取到一個(gè)完整的煤層剖面。本次樣品的采集均按照《煤層煤樣采取方法》(GB/T482—2008)進(jìn)行[1]。按GB/T474—2008 進(jìn)行樣品制備，將采集回來(lái)的樣品在通風(fēng)條件下自然晾干，使用粉碎機(jī)將樣品粉碎至80目和200目[2]。煤中水分按照《煤中全水分的測(cè)定方法》(GB/T211—2007)[3]進(jìn)行測(cè)定，煤中灰分、揮發(fā)分按照《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T212—2008)[4]進(jìn)行測(cè)定，煤中全硫含量照《煤中全硫的測(cè)定方法》(GB/T214—2007)[5]進(jìn)行測(cè)定。

3 煤巖特征

3.1 宏觀煤巖類(lèi)型

根據(jù)采取到的12個(gè)煤樣的相對(duì)光澤強(qiáng)度和《煤巖術(shù)語(yǔ)》(GB/T12937—2008)，在煤層分層樣品中劃分出1種宏觀煤巖類(lèi)型，即暗煤[6]。宏觀煤巖類(lèi)型垂向分布特征顯示，13#煤層是在微生物活動(dòng)較弱，凝膠化作用較弱，覆水程度較低時(shí)期形成的，成煤植物的結(jié)構(gòu)保存較好。

3.2 煤的顯微組分

3.2.1 顯微組分含量

依次對(duì)13#煤層中各個(gè)煤分層進(jìn)行了顯微組分鑒定[7]和定量統(tǒng)計(jì)(表1)。各顯微組分值取12個(gè)煤分層樣品的加權(quán)平均值，鏡質(zhì)組含量為19.7%，惰質(zhì)組含量為64.7%，殼質(zhì)組含量為7.7%，礦物8.0%。在鏡質(zhì)組中，基質(zhì)鏡質(zhì)體的含量最高(17.0%)，團(tuán)塊鏡質(zhì)體(0.7%)次之，均值鏡質(zhì)體(0.6%)含量較低；惰質(zhì)組主要由半絲質(zhì)體(37.6%)、惰屑體(16.9%)組成，含少量絲質(zhì)體和粗粒體等；殼質(zhì)組主要由孢粉體(6.4%)、角質(zhì)體(0.3%)和樹(shù)脂體(0.5%)組成；礦物主要為碳酸鹽類(lèi)礦物和黏土類(lèi)。上述數(shù)據(jù)顯示13#煤層具惰質(zhì)組含量高、鏡質(zhì)組含量低的特點(diǎn)(圖3)，這也是河保偏礦區(qū)的總體特點(diǎn)[8]。

圖3 13#煤層各分層顯微組分組成特征

3.2.2 垂向變化

煤層的宏觀煤巖類(lèi)型和顯微組分[9]含量在垂向上變化不明顯，煤層大部分為暗煤，煤層上段出現(xiàn)較少量半暗型煤。反映出成煤時(shí)期泥炭沼澤環(huán)境中覆水較淺，泥炭沉積活動(dòng)較多在氧化環(huán)境下進(jìn)行，凝膠化作用較弱，形成過(guò)程中經(jīng)歷了由深到淺再到深的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程氧化作用較好，形成的惰質(zhì)組含量較高。

鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，說(shuō)明成煤植物凝膠化作用比較徹底，微生物活動(dòng)較強(qiáng)[5]；而惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體為主。在垂向上，隨著宏觀煤巖類(lèi)型的變化，基質(zhì)鏡質(zhì)體的含量也有所變化，宏觀煤巖類(lèi)型為半暗型煤時(shí)，基質(zhì)鏡質(zhì)體含量最高，絲質(zhì)體含量則為最低。

表1 13#煤層剖面各分層的顯微組分含量 (無(wú)礦物基)

3.2.3 煤中的礦物

煤層中的礦物主要為黏土礦物，其次是碳酸鹽類(lèi)。

3.3 煤相類(lèi)型劃分

煤相即一定泥炭沼澤環(huán)境下形成的煤的成因類(lèi)型和煤巖組成。煤的顯微組分和顯微煤巖類(lèi)型是煤相識(shí)別標(biāo)志中最重要的元素。煤的顯微組分一定程度上可以反映成煤時(shí)期植物類(lèi)型、成煤環(huán)境、成煤氣候和覆水條件等[10-13]。

以下主要采用植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)、凝膠化指數(shù)(GI)與流動(dòng)性指數(shù)(MI)及地鏡惰比(V/I)等煤相結(jié)構(gòu)指數(shù)對(duì)13#煤進(jìn)行煤相分析。

3.3.1 煤相劃分參數(shù)的確定依據(jù)

3.3.1.1 凝膠化指數(shù)(GI)和結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)

Dissel[14]提出植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)和凝膠化指數(shù)(GI)可作為反映沉積環(huán)境、成煤條件的參數(shù)。其中，凝膠化指數(shù)(GI)一般用于反映泥炭沼澤的潮濕程度和植被殘?bào)w的凝膠化程度。GI數(shù)值較大表示當(dāng)時(shí)的形成環(huán)境潮濕且覆水較深，GI數(shù)值較小表示當(dāng)時(shí)的形成環(huán)境干燥且覆水較淺。結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)用來(lái)反映植物組織降解強(qiáng)度及植物細(xì)胞保存的完好程度，TPI值較大時(shí)說(shuō)明植物結(jié)構(gòu)保存完好，降解度低，反之，TPI值較小時(shí)說(shuō)明植物結(jié)構(gòu)保存較差，降解度高。

3.3.1.2 鏡惰比(V/I)

通常情況下，潮濕還原的環(huán)境下有利于鏡質(zhì)組的形成，干燥氧化的環(huán)境下有利于惰質(zhì)組的形成。沼澤的覆水情況很大程度上決定了氧化還原程度，因此鏡惰比在一定程度上能夠直觀的反映成煤環(huán)境的覆水程度與氣候的干濕度。

3.3.1.3 其他指數(shù)

用流動(dòng)性指數(shù)(MI)表述沼澤水的流動(dòng)性。

3.3.2 煤相類(lèi)型

13#煤層各分層凝膠化指數(shù)(GI)為0.2～0.9，植物保存指數(shù)(TPI)為1.1～4.4，凝膠化指數(shù)和植物保存指數(shù)呈周期性變化，說(shuō)明覆水程度呈周期性變化；鏡惰比(V/I)為0.1～0.6，全部位于1下方，成煤環(huán)境為干燥環(huán)境；12個(gè)分層的流動(dòng)性指數(shù)為0.8～2.8，均屬于流動(dòng)相，水動(dòng)力條件強(qiáng)。

根據(jù)表2和圖4可以得到1種煤相類(lèi)型：干燥森林泥炭沼澤相。GI值小于1，TPI值大于1。宏觀煤巖類(lèi)型以暗煤為主。代表泥炭沼澤環(huán)境[15]是干燥的森林泥炭沼澤，處于較強(qiáng)的氧化環(huán)境。

根據(jù)GI-TPI關(guān)系圖可得知：成煤泥炭開(kāi)始覆水較淺，位于潛水面附近，覆水程度相對(duì)較弱，其后覆水逐漸變?nèi)?，隨著水位逐漸變淺，凝膠化作用變得更弱，微生物活動(dòng)變?nèi)?，成煤植物結(jié)構(gòu)保存指數(shù)較高，泥炭沼澤處于氧化環(huán)境，水動(dòng)力較強(qiáng)，受外來(lái)物質(zhì)干擾，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較好，TPI值較大，泥炭沼澤始終處于氧化環(huán)境，植物遺體凝膠化作用弱，形成鏡質(zhì)組較少，惰質(zhì)組含量高。

總體而言，河保偏礦區(qū)13#煤層形成環(huán)境以干燥森林泥炭沼澤相為主，成煤環(huán)境干燥，植物組織凝膠化程度低。這是造成河保偏礦區(qū)13#煤層惰質(zhì)組含量高，鏡質(zhì)組含量低，宏觀煤巖類(lèi)型以暗煤為主的主要原因。

表2 13#煤層剖面各分層的顯微組分含量及有關(guān)煤相分析參數(shù)

圖4 GI-TPI關(guān)系

4 煤質(zhì)特征

4.1 煤的工業(yè)分析

煤層剖面各個(gè)分層樣品測(cè)試的工業(yè)分析[16]、全硫分析和黏結(jié)指數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

12個(gè)煤分層樣品揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)為 30.80%～39.20%，揮發(fā)分從上至下變化不大，平均33.04%，屬于中高揮發(fā)分煤?；曳?Ad)為 13.61%～27.25%，平均17.32%，12個(gè)煤層分層樣品均屬于低灰煤。灰分較低的原因一是煤層形成于陸表海背景下的潮坪和潟湖環(huán)境；二是河流活動(dòng)性弱，陸源碎屑物較少，混入泥炭沼澤的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)較少。全硫含量(St,d)為 0.83%～1.16%，平均值為0.95%，全部屬于低硫煤，13#煤層屬于太原組含煤地層，主要為海陸交互相沉積體系,因此硫分普遍低。綜上，13#煤為中高揮發(fā)、低灰分、低硫煤。

表3 13#煤層剖面各分層的工業(yè)分析、全硫分析和黏結(jié)指數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.2 灰成分分析

4.2.1 灰成分指數(shù)

灰成分指數(shù)K[K=(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]的變化在一定程度上能夠很好地反映灰分的來(lái)源情況。SiO2、Al2O3主要由來(lái)自于陸面的地表流水及大氣飛塵帶到泥炭沼澤，CaO、MgO則主要來(lái)自于海水的供給，在低位沼澤中含量比較高。分析數(shù)據(jù)表明；本區(qū)灰成分中SiO2和 Al2O3含量偏高，導(dǎo)致河保偏礦區(qū)13#煤層各分層的灰成分指數(shù)也較高，為4.12～42.36，平均為15.13，變化范圍較大。相應(yīng)的，灰熔融性溫度普遍較高(表4)。

4.2.2 沾污指數(shù)

煤灰對(duì)高溫受熱面沾污的傾向，可以用類(lèi)似的基于煤灰組成成分計(jì)算的沾污指標(biāo)Rf來(lái)衡量，Rf=(堿性氧化化合物/酸性氧化化合物)×Na2O，煤灰中堿性氧化化合物為Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O，酸性氧化化合物為SiO2+Al2O3+TiO2，Na2O為煤灰中Na2O成分的干燥基重量百分?jǐn)?shù)。依據(jù)煤灰的Rf值，可將煤灰的沾污特性分成四類(lèi)：當(dāng)Rf值<0.2時(shí)為輕微沾污；當(dāng)Rf值為0.2～0.5時(shí)為中等沾污；當(dāng)Rf值為0.5～1.0時(shí)為強(qiáng)沾污；Rf>1.0時(shí)為嚴(yán)重沾污。13#煤層各分層的平均沾污指數(shù)為0.01，屬于輕微沾污。

5 煤巖煤質(zhì)綜合分析

根據(jù)13#煤層垂向上的宏觀煤巖類(lèi)型、顯微煤巖組分、部分煤質(zhì)[17]數(shù)據(jù)，繪制了13#煤層剖面的綜合柱狀示意圖(圖5)。圖中可以直觀顯示各個(gè)指標(biāo)垂向上的變化規(guī)律。從圖中可以看出該煤層鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量呈相互消長(zhǎng)關(guān)系；灰分在煤層上半段變化幅度較小，下半段2號(hào)樣處變化較大；硫分垂向上除5號(hào)樣外其余變化范圍較小；揮發(fā)分垂向上變化比較小，趨于平緩。

5.1 硫分和灰分相關(guān)性分析

從圖6可以看出，13#煤層各分層的硫分和灰分基本呈正相關(guān)關(guān)系，即硫分變高，灰分也相應(yīng)變高。

表4 13#煤層剖面各分層的灰成分統(tǒng)計(jì)

圖5 13#煤層剖面各分層的煤質(zhì)指標(biāo)綜合柱狀示意

圖6 13#煤層剖面各分層的硫分和灰分之間的關(guān)系

5.2 灰分和無(wú)機(jī)礦物相關(guān)性分析

從圖7可以看出，13#煤層各分層的灰分和無(wú)機(jī)礦物呈正相關(guān)關(guān)系，也就是無(wú)機(jī)礦物含量高，對(duì)應(yīng)的灰分也高。

圖7 13#煤層剖面各分層的灰分和無(wú)機(jī)礦物之間的關(guān)系

5.3 顯微組分和揮發(fā)分相關(guān)性分析

由圖8可知，鏡質(zhì)組含量與揮發(fā)分呈正相關(guān)，也就是鏡質(zhì)組含量越高，揮發(fā)分含量越高。

圖8 13#煤層剖面各分層的鏡質(zhì)組含量和揮發(fā)分之間的關(guān)系

6 結(jié)論

河保偏礦區(qū)13#煤層為低硫分、低灰分、中高揮發(fā)分煤。煤分層顯微組分平均含量，鏡質(zhì)組為19.7%，惰質(zhì)組為64.7%，殼質(zhì)組為7.7%，具有惰質(zhì)組含量高，鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組含量低的特征；13#煤層形成環(huán)境以干燥森林泥炭沼澤為主，覆水程度低，植物組織凝膠化程度不高；結(jié)合13#煤層的煤巖煤質(zhì)特征可以得出13#適合作為一般液化用煤[18]。