吐哈盆地大南湖礦區(qū)煤巖煤質(zhì)特征及成煤環(huán)境分析

何建國(guó)，張 靜，馬 榮，項(xiàng)歆璇

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)，江蘇省徐州市，221006；2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221006;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京市海淀區(qū)，100083)

我國(guó)煤炭資源豐富，從能源消耗占比來(lái)看，煤炭在一段時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)我國(guó)化石能源消耗的主體地位。黨的十九大以來(lái)，隨著生態(tài)文明建設(shè)大力推進(jìn)以及“雙碳”目標(biāo)的制定，以煤制油、煤制氣、潔凈煤發(fā)電為代表的綠色、清潔、高效利用，必將成為煤炭清潔高效利用的主要方向[1-2]。煤巖煤質(zhì)及煤相特征決定了煤的不同加工轉(zhuǎn)化工藝和工業(yè)用途，煤相的研究有助于掌握區(qū)域內(nèi)的成煤條件、成煤過(guò)程及成煤物質(zhì)等特征[3]，通過(guò)對(duì)煤質(zhì)化學(xué)性質(zhì)綜合性能的深入研究，有助于實(shí)現(xiàn)煤炭的潔凈利用。

吐哈盆地是吐魯番凹陷(即吐魯番盆地)和哈密凹陷(即哈密盆地)的統(tǒng)稱(chēng)，位于新疆北部東天山地區(qū)，區(qū)域煤炭資源豐富，是我國(guó)重要的煤炭資源基地[4]。大南湖礦區(qū)位于吐哈盆地南緣大南湖凹陷內(nèi)，目前已有的研究主要集中于古生物、煤層對(duì)比和水文地質(zhì)等方面[5-6]，對(duì)于大南湖煤質(zhì)、煤巖特征及煤相分析研究得相對(duì)較少。為此，筆者以大南湖煤礦25號(hào)煤層采樣為研究對(duì)象，分析通過(guò)分析其煤質(zhì)、煤巖和煤相特征，劃分煤相特征，探討成煤聚煤規(guī)律，為區(qū)域煤炭資源的綜合利用和評(píng)價(jià)提供了可靠依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

吐哈賦煤帶位于新疆東部、天山山脈之中，呈近東西向狹長(zhǎng)扁豆?fàn)睿娣e約為4.9萬(wàn)km2，是我國(guó)海拔最低的內(nèi)陸山間盆地，盆地處于伸張發(fā)育階段，主要發(fā)育沖積扇、三角洲、湖泊沉積體系。大南湖煤田位于吐哈盆地南緣、東南緣大南湖凹陷，呈東西向-北東向展布。地貌特征東高西低，構(gòu)造形態(tài)為斜列式復(fù)式向斜構(gòu)造，北翼被斷層破壞；東部為緊閉向斜褶皺，大南湖區(qū)為開(kāi)闊式褶皺[7-8]。鉆孔資料顯示主要地層包括：新白堊系-古近系鄯善群(K2-E)、侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)、石炭系上統(tǒng)梧桐窩子組(C2wt)。侏羅系中統(tǒng)西山窯組是該區(qū)的主要含煤地層，根據(jù)巖性特征，可分為上段、中段、下段，中段為全區(qū)主要含煤層段，含煤29層，煤層總厚度36.47～143.39 m，可采煤層23層，其中15號(hào)、23號(hào)和25號(hào)煤層為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，25號(hào)煤層平均煤厚度為9.55 m[9]。

2 樣品采集和分析方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤層煤巖采樣方法》(GB 482-1985)要求和方法，從煤層頂?shù)矫簩拥卓滩鄄杉竽虾V區(qū)二礦主采煤層25號(hào)煤層樣品共計(jì)34件，其中煤樣31件、夾矸樣1件、頂?shù)装鍢痈?件，采后將樣品裝入采樣袋包裝密封送至實(shí)驗(yàn)室。

首先，在采集樣品及其制備前，對(duì)樣品進(jìn)行了宏觀(guān)特征描述和宏觀(guān)煤巖類(lèi)劃分；然后，對(duì)樣品進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)定水分、灰分、揮發(fā)分和全硫含量等工業(yè)分析參數(shù)；最后，利用X射線(xiàn)熒光光譜(XRF)分析煤中常量元素的種類(lèi)及含量，利用偏光顯微鏡進(jìn)行顯微煤巖組分分析，確定煤巖類(lèi)型，大南湖二礦25號(hào)煤層樣品測(cè)試分析成果見(jiàn)表1。

表1 大南湖二礦25號(hào)煤層樣品測(cè)試分析成果 %

續(xù)表1

3 結(jié)果與討論

3.1 煤質(zhì)特征

工業(yè)分析結(jié)果表明，25號(hào)煤層煤樣屬于特低灰分、高揮發(fā)分、特低硫煤。原煤水分(Mad)13.19%～21.17%，平均值18.18%，垂向上變化不明顯，上部煤層水分含量整體略低于下部煤層；原煤灰分(Ad)含量5.88%～40.47%，平均值9.36%，垂向上變化不明顯，僅DNH05、DNH06及DNH09出現(xiàn)異常高值，按照《煤炭灰分分級(jí)》(GB/T15224.1-2010)，25號(hào)煤層為特低灰煤；原煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率32.08%～47.08%，平均值37.49%，按照《煤炭揮發(fā)份分級(jí)》(MT/T849-2000)，25號(hào)煤層屬于高揮發(fā)份煤，揮發(fā)分在煤層的上部較高，下部較低；原煤全硫(St.d)含量0.07%～1.78%，平均值0.59%，按照《煤炭硫分分級(jí)》(GB/T 15224.1-2010)，25號(hào)煤層屬于低硫煤。

形態(tài)硫測(cè)試表明，25號(hào)煤中硫分以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎簩酉虏苛蚝吭龈?，其次為有機(jī)硫，靠近底板處，有機(jī)硫出現(xiàn)異常高值，黃鐵礦硫和有機(jī)硫?yàn)槊悍謱恿蚝康闹饕煞帧?/p>

3.2 顯微組分含量特征

由表1可以看出，大南湖礦區(qū)25煤層煤巖顯微組分有機(jī)質(zhì)含量高，平均含量達(dá)到93%以上。有機(jī)質(zhì)以惰質(zhì)組分為主，次為鏡質(zhì)組，殼質(zhì)組占比最低；無(wú)機(jī)組分以粘土、氧化硅礦物為主。惰質(zhì)組含量較高，其值為32.3%～91.3%，平均值為64.7%，主要以半絲質(zhì)體為主；鏡質(zhì)組含量較低，其值為6.1%～65.6%，平均值為30.1%；殼質(zhì)組比例最少，其值為0.4%～5.6%，平均值為2.4%。大南湖礦區(qū)惰質(zhì)組含量偏高主要是由于西北地區(qū)侏羅紀(jì)煤大部分屬于低變質(zhì)程度的煙煤，富含惰質(zhì)組組分[10]。

惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體為主，其次為碎屑惰質(zhì)體和氧化絲質(zhì)體(多呈碎片狀)，再次為粗粒體及微粒體，偶見(jiàn)火焚絲質(zhì)體。惰質(zhì)組顯微煤巖組分特征如圖1所示。

圖1 惰質(zhì)組顯微煤巖組分特征

鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主(可見(jiàn)其中分布碎屑惰質(zhì)體、小孢子體、薄壁角質(zhì)體等)，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，偶見(jiàn)團(tuán)塊鏡質(zhì)體，鏡質(zhì)組顯微煤巖組分特征如圖2所示。

圖2 鏡質(zhì)組顯微煤巖組分特征

殼質(zhì)組以孢子體為主，其次為角質(zhì)體和樹(shù)脂體，再次為木栓質(zhì)體，殼質(zhì)組顯微煤巖組分特征如圖3所示。

圖3 殼質(zhì)組顯微煤巖組分特征

礦物主要以粘土類(lèi)、石英等礦物為主，次為氧化硅類(lèi)礦物，再次為硫化物類(lèi)礦物主要為黃鐵礦，多見(jiàn)充填狀，少數(shù)粒狀、團(tuán)塊狀；偶見(jiàn)碳酸鹽類(lèi)礦物，呈片狀、充填狀、放射狀分布，礦物顯微煤巖組分特征如圖4所示。

圖4 礦物顯微煤巖組分特征

3.3 煤相指標(biāo)特征

本次研究主要統(tǒng)計(jì)了7項(xiàng)煤巖表征參數(shù)，主要包括植物組織保存指數(shù)(TPI)、凝膠化指數(shù)(GI)、地下水流動(dòng)指數(shù)(GWI)、植被指數(shù)(VI)、鏡惰比(V/I)、流動(dòng)性指數(shù)MI和T-D-F相圖等。

3.3.1GI-TPI煤相圖解

凝膠化指數(shù)(GI)和組織保存指數(shù)(TPI)用于表征沉積環(huán)境類(lèi)型[11]。將TPI=1作為森林沼澤和低位沼澤(蘆葦草沼)的界線(xiàn)，用GI=1作為潮濕型沼澤與干燥型沼澤的界線(xiàn)。筆者將森林沼澤細(xì)分為干燥森林沼澤、較干燥森林沼澤、潮濕森林沼澤、較淺覆水森林沼澤和較深覆水森林沼澤這5個(gè)煤相。經(jīng)計(jì)算之后進(jìn)行相圖投點(diǎn)，得出GI-TPI相圖，大南湖二礦25號(hào)煤層GI-TPI相圖如圖5所示。

圖5 大南湖二礦25號(hào)煤層GI-TPI相圖

由圖5圖可以看出，采取的31件煤樣品中27件煤樣品分布在較干燥森林沼澤及干燥森林沼澤相中，DNH2-06、DNH2-19、DNH2-20則落在潮濕草本沼澤相，DNH2-18處于較潮濕森林沼澤相。該煤層樣品總體的TPI>1，具有較高的結(jié)構(gòu)保存指數(shù)；GI<1，具有較低的膠凝化指數(shù)，說(shuō)明成煤植物類(lèi)型以木本植物為主。

3.3.2GWI-VI煤相圖解

采用地下水影響指數(shù)(GWI)和植物指數(shù)(VI)來(lái)表征泥炭沼澤類(lèi)型[12]。將VI=1作為草本植物和木本植物的界線(xiàn)，GWI=1作為森林沼澤與流水沼澤的界線(xiàn)，之后進(jìn)行相圖投點(diǎn)，得出GWI-VI相圖，大南湖二礦25號(hào)煤層GWI-VI相圖如圖6所示。

圖6 大南湖二礦25號(hào)煤層GWI-VI相圖

由圖6可以看出，采取的31件煤樣品均落在富營(yíng)養(yǎng)的苔蘚森林沼澤相，GWI小于0.5，水流流動(dòng)指數(shù)較低，說(shuō)明沼澤水動(dòng)力較弱，水體流動(dòng)不暢，營(yíng)養(yǎng)成分富集，有利于木本植物的生長(zhǎng)，同時(shí)覆水較淺，為泥炭沼澤的穩(wěn)定發(fā)展提供了有利條件，VI值小于7，多介于1～4之間，均值為2.35，進(jìn)一步指明成煤植物受到草本和木本共同的影響，且具有木本親和性，這和GI-TPI反應(yīng)的情況相似。

3.3.3T-D-F煤相圖圖解

依據(jù)T-D-F煤相圖將煤層分為潮濕森林沼澤、開(kāi)放沼澤和陸地森林沼澤三大類(lèi)煤相類(lèi)型。一般潮濕森林沼澤通過(guò)高的T值反映，開(kāi)放沼澤通過(guò)高的D值反映，陸地森林沼澤通過(guò)高的F值反映。

其中：T=結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體+均質(zhì)鏡質(zhì)體；F=絲質(zhì)體+半絲質(zhì)體；D=碎屑鏡質(zhì)體+孢子體+碎屑?xì)べ|(zhì)體+角質(zhì)體+碎屑惰質(zhì)體+碎屑礦物(黏土礦物+氧化硅類(lèi))。

大南湖二礦25號(hào)煤層T-D-F相圖由圖7所示。

圖7 大南湖二礦25號(hào)煤層T-D-F相圖

由圖7可以看出，絕大部分樣品集中于F區(qū)域，表明沼澤類(lèi)型為陸地森林沼澤相，這與GI-TPI相圖一致。

3.3.4 鏡惰比(V/I)

一般來(lái)說(shuō)，鏡質(zhì)組代表潮濕的還原環(huán)境，惰質(zhì)組代表干燥的氧化環(huán)境，這一參數(shù)可以較為直觀(guān)地反映沼澤的覆水程度及氣候的干濕情況。根據(jù)許福美等研究人員[13]關(guān)于鏡惰比的劃分：I類(lèi)，V/I>4；II類(lèi)，1

大南湖二礦25號(hào)煤層分層鏡惰比V/I為0.07～2.03，成煤環(huán)境處于經(jīng)歷了干燥-極干燥環(huán)境、潮濕弱覆水環(huán)境和極潮濕覆水環(huán)境3種環(huán)境，整體變化幅度不大。成煤初期，DNH2-31的鏡惰比為0.22，氧化作用占主導(dǎo)地位，其后經(jīng)歷了水進(jìn)的過(guò)程，DNH2-18的鏡惰比升高至1.36；成煤中期， DNH2-17～DNH2-07的鏡惰比經(jīng)歷高-低-高的變化，總體小于1；成煤后期，煤分層鏡惰比再次升高后急劇下降，沼澤環(huán)境在DNH2-06再次升高，后下降。

3.3.5 流動(dòng)性指數(shù)(MI)

流動(dòng)性指數(shù)(MI)表述沼澤水的流動(dòng)性，MI值大于0.4為流動(dòng)相，MI值小于0.1為停滯相，MI值在0.1～0.4之間為較停滯相。

大南湖二礦25號(hào)煤層各煤分層流動(dòng)性指數(shù)分布于0.04～1.77之間，成煤初期，MI值呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì)，值介于0.04～1.23之間；成煤中期趨于穩(wěn)定，MI值介于0.19～0.61之間；成煤后期，MI值略有上升，介于0.24～0.58之間。

4 煤相演化序列

煤炭形成最重要的2個(gè)條件是植被的生長(zhǎng)狀況和適宜的地理環(huán)境，本研究煤相的劃分按照覆水程度+成煤植物類(lèi)型進(jìn)行命名。根據(jù)以上煤相指標(biāo)反映的泥炭沼澤類(lèi)型，并結(jié)合煤巖煤質(zhì)特征，對(duì)大南湖二礦25號(hào)煤層進(jìn)行煤相的劃分，主要有干燥森林沼澤、較干燥森林沼澤、潮濕泥炭沼澤、較潮濕泥炭沼澤和干燥森林泥炭沼澤5種類(lèi)型。

大南湖二礦25號(hào)煤層共經(jīng)歷5個(gè)演化階段。

第一階段DNH2-31～DNH2-21，宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以暗淡煤及半暗煤為主，成煤初期沼澤覆水較淺，氧化作用占主導(dǎo)地位，該階段煤相類(lèi)型主要為干燥森林泥炭沼澤及較干燥森林泥炭沼澤；

第二階段DNH2-20～DNH2-18，宏觀(guān)煤巖類(lèi)型為光亮煤及半亮煤，較上一階段，第二階段經(jīng)歷了一次水進(jìn)過(guò)程，成煤環(huán)境覆水較深，水動(dòng)力較緩，成煤植被主要以草本植被為主，該階段煤相類(lèi)型主要為較潮濕森林泥炭沼澤；

第三階段DNH2-17～DNH2-07，成煤中期的宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以暗淡煤為主，成煤環(huán)境覆水變淺，水動(dòng)力較強(qiáng)，以氧化環(huán)境為主，成煤植物以木本植物為主，該階段煤相類(lèi)型主要為干燥森林泥炭沼澤；

第四階段DNH2-06，成煤中后期的宏觀(guān)煤巖類(lèi)型為半亮煤，該階段沉積環(huán)境營(yíng)養(yǎng)程度較高，成煤環(huán)境以還原環(huán)境為主，成煤植物以草本植物為主，該階段煤相類(lèi)型潮濕草本沼澤；

第五階段DNH2-05～DNH2-01，成煤后期的宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以暗淡煤為主，成煤環(huán)境覆水較淺，水動(dòng)力較強(qiáng)，以氧化環(huán)境為主，成煤植物以木本植物為主，此階段主要煤相類(lèi)型為干燥森林泥炭沼澤。

5 結(jié)論

(1)此次研究的大南湖煤田研究區(qū)的25號(hào)煤層屬于特低灰分、高揮發(fā)分、特低硫煤，垂向上水分(Mad)、灰分(Ad)無(wú)明顯變化，(Vdaf)表現(xiàn)為在煤層上部較高、下部較低，硫分(St.d)表現(xiàn)為下部硫含量較上部增高，主要以黃鐵礦硫?yàn)橹鳌?/p>

(2)顯微煤巖類(lèi)型以惰質(zhì)組為主、鏡質(zhì)組次之，少量殼質(zhì)組，煤的礦物組成主要以粘土類(lèi)、石英等礦物為主，次為氧化硅類(lèi)礦物和黃鐵礦。

(3)大南湖25號(hào)煤層煤相分析GI-TPI相圖與GWI-VI相圖可以看出，成煤植物主要為草本和木本共同混生型，主要成煤期為干燥森林泥炭沼澤、較干燥森林泥炭沼澤、較潮濕森林泥炭沼澤、干燥森林泥炭沼澤、潮濕草本沼澤和干燥森林泥炭沼澤5個(gè)階段。

通過(guò)對(duì)大南湖礦區(qū)煤巖、煤質(zhì)特征、煤相分析以及對(duì)聚煤規(guī)律進(jìn)行的研究，既有利于進(jìn)一步地按煤種研究煤炭資源的潔凈轉(zhuǎn)化利用，還可以為新疆吐哈盆地氣候環(huán)境變化研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。