郭 強 ，張 鵬

(1.山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限公司，山西 太原 030001； 2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點實驗室，山西 太原 030001)

現(xiàn)有針對高硫煤的相關(guān)研究廣泛涉及對沉積環(huán)境的控硫、高硫煤區(qū)域分布、煤中硫賦存狀態(tài)和地質(zhì)成因、脫硫理論及脫硫工藝、煤中硫及伴生元素、煤炭加工過程中硫的特性、煤中硫環(huán)境的影響等領(lǐng)域。劉大錳等[1]對華北晚古生代8層主采煤層中黃鐵礦的賦存特征和地質(zhì)成因進行了全面系統(tǒng)的研究，應(yīng)用S同位素研究了煤中黃鐵礦硫的形成世代，指出了沼澤水介質(zhì)性質(zhì)為煤中硫含量高低的決定性因素；代世峰[2]以內(nèi)蒙古烏達礦區(qū)9號煤層煤中硫為研究對象，研究了高硫煤中硫的成因；唐躍剛[3]、劉貝[4]等對煤中黃鐵礦的成因進行了研究，提出了直接沉淀系列和復(fù)雜成因等兩大類成因演化模式；濮英英等[5]對貴州省六枝、貴定、盤縣3種不同沉積環(huán)境下的煤進行取樣研究，認為聚煤環(huán)境與煤中硫賦存的關(guān)系密切。

沁水煤田太原組為海陸交互相，煤類主要為無煙煤，其中高硫煤層分布廣泛[6-8]，但相關(guān)研究比較缺乏。云泉礦區(qū)地處沁水煤田東南部，9號、15號煤層為連片分布的高硫煤區(qū)域。筆者基于云泉礦區(qū)的煤質(zhì)資料，分析了礦區(qū)煤中硫的賦存規(guī)律、地質(zhì)成因，以期對今后相關(guān)企業(yè)響應(yīng)山西省能源革命政策提供借鑒和參考。

1 地質(zhì)背景

云泉礦區(qū)位于山西省高平市米山鎮(zhèn)境內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造位置處在我國東部新華夏構(gòu)造體系第三隆起帶的中段，即太行隆起帶。太行隆起帶北段逐漸往北東彎曲，南段往南西乃至往西扭轉(zhuǎn)，總體延伸方向為北20°～30°東。太行隆起帶與其他隆起帶和沉降帶彼此平行，并呈雁行排列，如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)來源及硫分分布特征

本次樣品為山西高平科興云泉煤業(yè)有限公司的地質(zhì)勘查取得的12個鉆孔煤心和15件井下刻槽樣，其中井下刻槽樣均按照國標(biāo)(GB/T 482—2008)采樣。對云泉煤業(yè)9號、15號煤層進行分析，利用云泉礦區(qū)12個地勘鉆孔中的原煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)研究了煤層硫分的平面分布特征；通過分析井下刻槽采樣的15件樣品，研究了煤層硫分的垂直分布特征。

2.1 平面分布特征

根據(jù)12個鉆孔原煤煤質(zhì)數(shù)據(jù)，利用Surfer 13軟件平臺，分別以硫分0.1、0.2為等值間距，繪制了9號、15號煤層全硫等值線圖，見圖2、圖3。

圖2 9號煤層全硫等值線圖

圖3 15號煤層全硫等值線圖

從圖2可以看出，平面上，云泉礦區(qū)9號煤層為低硫—中高硫無煙煤，其原煤的全硫含量為0.86%～2.45%，平均1.89%。從全硫等值線可以看出，云泉礦區(qū)9號煤層以中硫煤—中高硫煤為主，中硫煤主要分布在礦區(qū)的北部，中高硫煤主要分布在礦區(qū)的南部。

云泉礦區(qū)15號煤層為中硫—高硫無煙煤，其原煤的全硫含量為1.34%～4.97%，平均2.88%。從圖3可以看出，云泉礦區(qū)15號煤層以中高硫煤—高硫煤為主，中高硫煤主要分布在礦區(qū)的中西部區(qū)域，高硫煤主要分布在礦區(qū)的東南部與北部。

2.2 垂直分布特征

依據(jù)15件樣品分析出的數(shù)據(jù)繪制云泉9號、15號煤灰分與硫分剖面變化圖，如圖4、圖5所示。

圖4 云泉9號煤灰分與硫分剖面變化圖

圖5 云泉15號煤灰分與硫分剖面變化圖

由圖4可看出，云泉9號煤剖面上，全硫平均為3.95%，屬于中灰高硫煤，以硫鐵礦硫為主(平均為2.84%)，灰分平均產(chǎn)率為20.9%，產(chǎn)率范圍為14.68%～35.23%。剖面從上到下，灰分產(chǎn)率基本呈增高態(tài)勢。根據(jù)形態(tài)硫數(shù)據(jù)可知，全硫中以無機硫為主，有機硫含量相對較少，這就說明煤中的硫較易洗選；全硫含量呈現(xiàn)先增后減、來回變化的態(tài)勢。

由圖5可以看出，云泉15號煤剖面上，全硫平均為4.34%，屬于低灰高硫煤，以有機硫為主(平均為2.35%)?；曳制骄a(chǎn)率為9.92%，產(chǎn)率范圍為6.18%～13.30%。剖面從上到下，灰分產(chǎn)率基本呈現(xiàn)先減后增的態(tài)勢；全硫含量總體呈現(xiàn)出先增后減、來回變化的態(tài)勢。根據(jù)形態(tài)硫數(shù)據(jù)可知，全硫中以有機硫為主，說明煤中的硫不易洗選，全硫含量變化較大。

2.3 煤巖特征

云泉9號煤的顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，平均含量為57.4%；惰質(zhì)組含量次之，為16.2%；礦物質(zhì)含量為26.4%。鏡質(zhì)組占比可達一半以上。說明云泉9號煤層在形成過程中主要為還原環(huán)境，較強的還原環(huán)境造成煤中鏡質(zhì)組含量較多。云泉15號煤的顯微煤巖組分也是以鏡質(zhì)組為主，平均含量為60.6%；惰質(zhì)組含量次之，為28.0%；礦物質(zhì)含量為11.4%。反映云泉15號煤層的形成環(huán)境亦為還原性環(huán)境。大多數(shù)煤巖微組分呈近圓狀—橢圓狀，其中大部分充填有黏土礦物和黃鐵礦，如圖6～7所示。

(a)鏡質(zhì)體(云泉9號煤) (b)鏡質(zhì)體(云泉15號煤)

(a)絲質(zhì)體(云泉9號煤) (b)絲質(zhì)體(云泉15號煤)

3 高硫煤地質(zhì)成因研究

3.1 煤相分析

煤相是指煤的原始成因類型，其取決于泥炭堆積的古環(huán)境；煤相決定了煤中礦物質(zhì)的賦存，進而對煤的可選性起到?jīng)Q定性作用。除了最為常用和準確的TPI(植物組織保存指數(shù))和GI(凝膠化指數(shù))外[8-9]，GWI(地下水流動指數(shù))和VI(植被指數(shù))也是十分有效的煤相參數(shù)。筆者同時也將鏡惰比V/I和骨基比F/M納入考慮作為補充，原因是一般鏡質(zhì)組形成于潮濕還原環(huán)境，而惰質(zhì)組則形成于干燥氧化環(huán)境。對于成煤沼澤而言，覆水情況與氧化還原程度無疑有著密切的聯(lián)系，V/I這一參數(shù)可以在一定程度上反映沼澤覆水和氣候干濕的情況[10]，因此可以對其他參數(shù)起到一個很好的補充作用，而骨基比F/M是骨架組分與基質(zhì)組分的比值，主要反映植物細胞破壞程度和沼澤水流活動性的強弱。

基于顯微組分定量數(shù)據(jù)，按照唐躍剛[11]、侯賢旭[12]、秦身鈞[13]、 馬良[14]等提供的公式對研究區(qū)樣品進行煤相參數(shù)計算，結(jié)果見表1。

表1 各煤樣的煤相參數(shù)計算結(jié)果

就云泉礦區(qū)而言，TPI變化范圍在0.35～1.12，變化范圍較大，說明云泉9號光亮煤、15號光亮煤植物組織保存相對完好，云泉9號半亮煤植物組織保存狀況較差；GI值普遍較大，平均值為3.63，說明云泉煤層經(jīng)歷了較強的凝膠化作用，處于覆水—高覆水的環(huán)境，有機質(zhì)供給較為充分、泥炭沼澤相對潮濕的強還原環(huán)境；GWI值范圍為1.42～5.75，平均值2.87，其中云泉9號半亮煤的GWI值更是高于其他兩層煤，反映出泥炭沼澤形成時水位較高，水動力較強，因此，礦物輸入增多，顯微組分也發(fā)生了更強的降解；VI值變化范圍較大，從云泉9號半亮煤最小的0.35到中位的云泉9號光亮煤1.07，再到最大的云泉15號光亮煤1.19，說明云泉9號光亮煤、云泉15號光亮煤更具有木本親和性；鏡惰比V/I值在2.16～4.20，表明成煤環(huán)境介于極潮濕—覆水到強覆水之間；骨基比F/M為0.35～1.12，波動范圍較大，表明云泉15號光亮煤在成煤階段處于水流活動性較弱的滯留環(huán)境，而向上的云泉9號半亮煤處于水流活動性較強的活水環(huán)境，到云泉9號光亮煤時水流活動性再次趨于平靜。

繪制云泉蓋州礦區(qū)的TPI-GI圖和VI-GWI圖，如圖8所示，可以看到云泉9號光亮煤、15號光亮煤位于潮濕森林泥炭沼澤相，云泉9號半亮煤落于沼澤濕地相；從VI-GWI圖中看，除了云泉9號半亮煤投點于草沼，剩余所有的樣品點都落在樹沼相中。

圖8 云泉礦區(qū)的TPI-GI及VI-GWI煤相圖

3.2 凝膠化作用

凝膠化作用:是指泥炭化作用階段，成煤植物組織在積水較深、氣流閉塞的沼澤環(huán)境下，產(chǎn)生的極其復(fù)雜的變化[15-16]，一般認為鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組比值V/I可作為表征泥炭凝膠化作用強弱的直接尺度[16-17]。云泉礦區(qū)煤中硫化鐵硫與鏡惰比并非嚴格呈正相關(guān)關(guān)系，但有機硫與鏡惰比呈正相關(guān)關(guān)系較為明顯，如圖9所示。因此，云泉礦區(qū)在0.5

(a)硫化鐵硫—鏡惰比

3.3 氧化還原性

煤的灰成分指數(shù)K為煤灰成分中Fe2O3、CaO、MgO質(zhì)量分數(shù)之和與SiO2、Al2O3質(zhì)量分數(shù)之和的比值，K值的高低反映了泥炭沼澤還原性的強弱。云泉礦區(qū)9號煤層K值在0.019～1.191，平均值為0.457；15號煤層K值在0.137～2.367，平均值為0.947?；页煞种笖?shù)K與硫化鐵硫含量呈正相關(guān)關(guān)系，如圖10所示。K值越高，還原性越強，促進了硫化鐵硫的形成。但是灰成分指數(shù)K與有機硫含量之間相關(guān)性不明顯。

(a)硫化鐵硫—K

3.4 鐵離子豐度

煤中黃鐵礦形成的關(guān)鍵因素是Fe2+、有機質(zhì)和細菌活動[18-20]。煤灰成分中Fe2O3的含量通常用來表示同生階段和成巖階段鐵離子的豐度。云泉礦區(qū)的煤灰成分中Fe2O3的含量與全硫、硫化鐵硫含量之間均呈正相關(guān)關(guān)系，但與有機硫含量之間相關(guān)性不明顯，如圖11所示。

(a)全硫—煤灰Fe2O3

經(jīng)上述分析，可以推測云泉礦區(qū)在形成的過程中經(jīng)歷了較為頻繁的海進海退[14，18，21]，受到海水影響較大，因此，導(dǎo)致云泉9號半亮煤呈現(xiàn)低植物組織保存指數(shù)、高凝膠化指數(shù)、高地下水流動指數(shù)的煤相特征與高灰、高硫的煤質(zhì)特征。從同生階段到晚年成巖和后生階段以脈狀黃鐵礦為主，隨著成煤作用的推進，煤層上覆堆積物厚度增大，煤中硫的聚集作用越來越弱[21-22]。

4 結(jié)論

1)云泉礦區(qū)9號煤層為低硫—中高硫無煙煤，以黃鐵礦硫為主，有機硫次之。15號煤層為中硫—高硫無煙煤，以有機礦硫為主，黃鐵礦硫次之。

2)云泉礦區(qū)煤鏡惰比與有機硫正相關(guān)關(guān)系較為明顯；云泉礦區(qū)灰成分指數(shù)K與黃鐵礦硫含量呈正相關(guān)關(guān)系，K值越高，還原性越強，促進了黃鐵礦硫的形成；云泉礦區(qū)的煤灰成分中Fe2O3的含量與全硫和硫化鐵硫含量之間呈正相關(guān)關(guān)系，但與有機硫含量之間相關(guān)性不明顯。

3)從煤相分析，云泉礦區(qū)在形成的過程中經(jīng)歷了較為頻繁的海進海退，煤中硫的含量和形態(tài)受到海水影響較大。硫化鐵硫的形成富集受氧化還原條件和鐵離子豐度影響。本研究成果可為云泉礦區(qū)煤炭資源的開發(fā)利用、綠色礦山建設(shè)和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護提供基礎(chǔ)資料。