張志峰，黃鵬程，祁風(fēng)華，王 貝，梁永平，陸愛國，王麗欣

（寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)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(gòu)造簡單，煤質(zhì)優(yōu)良，是寧東能源化工基地的重要原煤產(chǎn)地，但礦區(qū)高硫煤資源量達(dá)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(jìn)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(duì)礦區(qū)煤中硫區(qū)域分布特征的客觀認(rèn)識(shí)，科學(xué)指導(dǎo)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(qiáng)烈，風(fēng)大沙多，屬干旱半干旱大陸性季風(fēng)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(dá)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(gòu)造

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

1.3 煤層對(duì)比

煤巖層對(duì)比是本次研究工作的核心基礎(chǔ)，以礦區(qū)井田為基本單位，在每個(gè)獨(dú)立井田選取質(zhì)量合格、層序正常、煤層完整的鉆孔2～3個(gè)，在原有地質(zhì)勘查報(bào)告煤層對(duì)比成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆孔測井曲線、標(biāo)志層、含煤組段及煤巖組合特征等方法進(jìn)行煤巖層對(duì)比，統(tǒng)一煤層編號(hào)。本次煤巖層對(duì)比工作選取了紅墩子礦區(qū)4個(gè)井田（勘查區(qū)）的11個(gè)鉆孔，經(jīng)測井形態(tài)特征、層段間距及厚度、煤巖結(jié)構(gòu)、煤類特性及標(biāo)志層的比對(duì)［7］（表1），形成較為可靠的礦區(qū)煤巖層對(duì)比。

表1 煤巖層對(duì)比結(jié)果Table 1 Results of coal-rock correlation

1.4 煤質(zhì)

以上述煤巖層對(duì)比結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)礦區(qū)煤層煤質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(jié)—強(qiáng)黏結(jié)、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(duì)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(jìn)行地質(zhì)、煤質(zhì)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(shí)，將山西組、太原組各煤層的煤中硫分布情況進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，進(jìn)而探究煤中硫在垂向上的變化規(guī)律。同時(shí)，在測試分析資料的基礎(chǔ)上，以區(qū)域構(gòu)造和沉積背景為基礎(chǔ)，利用測井資料進(jìn)行沉積旋回分析，重點(diǎn)研究沉積序列和沉積旋回特征，進(jìn)而對(duì)煤田煤中硫的形成原因進(jìn)行分析［8］。

2.2 研究成果

2.2.1 硫分等級(jí)劃分

本次研究按照煤巖層對(duì)比結(jié)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(jìn)行分析。根據(jù)GB/T 214—2007《煤中全硫的測定方法》、GB/T 15224.2—2021《煤炭質(zhì)量分級(jí)第2部分：硫分》進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各煤層硫分等級(jí)如表2所示。

表2 硫分等級(jí)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(diǎn)見于紅四井田1706 鉆孔（3.58%），另有中高硫煤點(diǎn)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(zhì)分析結(jié)果顯示，煤中硫分含量變化較大，呈現(xiàn)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?yàn)樘M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(jī)硫?yàn)橹鳎袡C(jī)硫占比達(dá)46%，具有有機(jī)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?yàn)橹饕x存形式，具有硫化鐵硫最高、有機(jī)硫次之、硫酸鹽硫最低的賦存特點(diǎn)（表3），硫化鐵硫與全硫含量之比均超過50%，其中無機(jī)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(jì)晚期海侵?jǐn)U大的背景下，海水自西向東侵?jǐn)_，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(shí)，寧夏整個(gè)地區(qū)處于障壁海岸海水波動(dòng)頻繁、進(jìn)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(xiàn)的腕足類化石碎片和海綠石、鎂、綠泥石等海相礦物中，證實(shí)了二疊紀(jì)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(shí)河流作用明顯增強(qiáng)，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(jì)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(zhuǎn)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(yīng)、鐵的供應(yīng)、細(xì)菌的活動(dòng)以及泥炭沼澤介質(zhì)狀況等元素有著緊密關(guān)系，是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)過程。煤中的硫分特征與沉積環(huán)境有很大的關(guān)系，特別是海水起著決定性的作用。以硫鐵礦硫?yàn)橹鞯闹懈吡蛎汉透吡蛎喝菀自诤ｊ懡换ナ降某练e環(huán)境中形成；在碳酸鹽臺(tái)地沉積背景下發(fā)育的煤層，經(jīng)海水作用，生成高有機(jī)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(bǔ)給源供應(yīng)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(shù)。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(jī)質(zhì)發(fā)生一系列的生物、化學(xué)作用：硫酸鹽轉(zhuǎn)化為黃鐵礦的過程較為復(fù)雜，先是在適當(dāng)酸堿度的海水中，硫酸鹽還原菌活性最強(qiáng)，能夠?qū)⒑Ｋ械牧蛩岣x子還原成硫化氫，而后再和泥炭中的鐵離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)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(bǔ)充了足量的硫酸根離子，經(jīng)過硫酸鹽還原菌的生物作用，形成充足的硫化氫。鑒于有機(jī)質(zhì)的化學(xué)活性較弱、鐵離子活性高的特點(diǎn)，硫化氫將會(huì)優(yōu)先與活性鐵離子發(fā)生反應(yīng)而生成二硫化鐵；僅在硫化氫過量的條件下才能與有機(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)進(jìn)而形成有機(jī)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(jī)硫含量次之的中高硫煤。

3.3 有機(jī)硫

沉積過程中，因成煤植物中的硫分形成的有機(jī)硫含量低于40%，而實(shí)際上礦區(qū)山西組4 煤的有機(jī)硫含量達(dá)50%，說明山西組4 煤層中的有機(jī)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(shù)量的急劇減少。雖然鐵離子易于與硫化氫反應(yīng)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(shù)量匱乏的環(huán)境下，硫化氫與有機(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成大量的有機(jī)硫并富集下來，最終形成山西組4 煤以有機(jī)硫?yàn)橹鳎蚧F硫次之的賦存特征［22-23］。

4 結(jié)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(nèi)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(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成大量的有機(jī)硫富集下來，形成山西組4 煤有機(jī)硫最高、硫化鐵硫次之、硫酸鹽硫最低的賦存特點(diǎn)。

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(shù)量充足，經(jīng)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(jié)合進(jìn)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(jī)質(zhì)發(fā)生作用形成數(shù)量有限的有機(jī)硫。最終形成太原組8煤、9煤硫化鐵硫最高、有機(jī)硫次之、硫酸鹽硫最低的賦存特征。