三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)富油煤賦存特征及沉積環(huán)境分析

高文博，馮 爍，田繼軍，吳 斌

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一煤田地質(zhì)勘探隊，新疆 烏魯木齊 830009)

當(dāng)前我國的資源稟賦特征為“相對富煤、貧油、少氣、缺鈾”，不斷升高的石油天然氣消費比重造成國內(nèi)大量的油氣資源依賴于外部進(jìn)口[1]。富油煤是具有較高焦油產(chǎn)率特征的一種特殊煤炭資源，通過現(xiàn)代煤化工的技術(shù)手段生產(chǎn)出的油、氣產(chǎn)品在當(dāng)前復(fù)雜的國際背景下，有利于保障國家能源安全[2-4]。研究富油煤的沉積環(huán)境對富油煤的清潔高效利用具有前瞻性[5，6]。作為中國最大的整裝煤田之一，三塘湖煤田富油煤資源豐富，資源量約為56.18億t[7]。依據(jù)《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(2014修訂版)》富油煤焦油產(chǎn)率介于7%～12%之間，高油煤的焦油產(chǎn)率大于12%，廣義的富油煤包含以上分類的富油煤和高油煤[8-10]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，以三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)主要可采煤層的富油煤作為研究對象，全面收集三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)中-下侏羅統(tǒng)9-1號、11號和15號煤層相關(guān)地質(zhì)勘探資料，對研究區(qū)的富油煤焦油產(chǎn)率、發(fā)育情況和分布特征進(jìn)行分析，討論總結(jié)富油煤富集時期沉積環(huán)境特點，從而確定研究區(qū)富油煤賦存與沉積環(huán)境特征。

1 地質(zhì)概況

三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)位于新疆東北部、準(zhǔn)噶爾盆地東端的三塘湖盆地西部。三塘湖盆地構(gòu)造單元屬于北準(zhǔn)噶爾構(gòu)造帶(Ⅱ級)的三塘湖-淖毛湖華力西期后山間坳陷(Ⅲ級)。自晚古生代起，盆地共經(jīng)歷了三個期次的演化，形成了當(dāng)前盆地兩隆一坳的構(gòu)造格局，東北沖斷隆起帶、中央坳陷帶、西南逆沖推覆帶自北向南發(fā)育[11-14]。本次研究區(qū)漢水泉礦區(qū)位于三塘湖盆地漢水泉凹陷西北部，東西長62km，南北平均寬約12.07km，面積為748.73km2。研究區(qū)構(gòu)造總體形態(tài)為一北西西走向北緩南陡不對稱的向斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)中部及西北部構(gòu)造較為簡單，地層傾角也較緩，為一北西西走向、傾向南南西，西南部及東南部構(gòu)造較為復(fù)雜，地層為北西西走向，傾向北北東，由于構(gòu)造的擠壓作用，地層具高傾角狀。

2 含煤地層與煤層性質(zhì)

2.1 煤層特征

漢水泉礦區(qū)含煤地層有中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)、下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)、下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)。中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)含煤性最佳，層位較穩(wěn)定，全區(qū)發(fā)育，含煤層數(shù)多，厚度大[15，16]。研究區(qū)煤層主要賦存于中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)下段和下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)上段，含煤1—37層，煤層編號為1—37號。煤層最大總厚度為152.92m，累計平均總厚度62.38m，含煤地層平均厚度約1200m。研究區(qū)內(nèi)有可采煤層23層，累計可采平均總厚度47.98m。其中全區(qū)可采煤層1層，大部分可采煤層17層，局部可采煤層5層。

2.2 煤巖煤質(zhì)特征

對漢水泉礦區(qū)31 個樣品進(jìn)行顯微組分觀察，依據(jù)漢水泉煤樣顯微組分統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表1)可知，三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)9-1號、11號與15號煤層宏觀煤巖組分均以亮煤為主，含少量暗煤，煤巖類型為光亮型煤，有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，含少量殼質(zhì)組。

依據(jù)所收集的研究區(qū)719 個原煤樣品的工業(yè)分析結(jié)果(表2)以及《煤炭質(zhì)量分級》(GB/T 15224.1—2018、GB/T 15224.2—2010)和《煤的揮發(fā)分產(chǎn)率分級》(MT/T 849—2000)，漢水泉礦區(qū)9-1號、11號與15號煤層具有低水、低灰、高揮發(fā)分、低硫～特低硫的特征。

表1 漢水泉礦區(qū)原煤顯微組分統(tǒng)計表

表2 漢水泉礦區(qū)原煤工業(yè)分析結(jié)果統(tǒng)計表 %

3 富油煤賦存及沉積環(huán)境特征

通過統(tǒng)計分析三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)9-1號、11號和15號煤層焦油產(chǎn)率情況，整理得出低溫干餾試驗結(jié)果(表3)，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制9-1號、11號和15號煤層富油煤分布特征圖(圖1)，明確漢水泉礦區(qū)富油煤分布特征。三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)總體看來富油煤賦存具有高焦油產(chǎn)率、較好的穩(wěn)定發(fā)育情況、大面積發(fā)育等特征。

表3 漢水泉礦區(qū)原煤低溫干餾焦油產(chǎn)率統(tǒng)計

3.1 焦油產(chǎn)率特征

焦油產(chǎn)率是含油煤、富油煤和高油煤的分類依據(jù)為探索研究的富油煤分布特征，對其煤炭焦油產(chǎn)率進(jìn)行分析。依據(jù)三個主采煤層154個原煤樣品低溫干餾實驗結(jié)果(表3)可知，9-1號煤層、11號煤層、15號煤層均具有較高的煤焦油產(chǎn)率，按照煤炭焦油產(chǎn)率分級均可劃分為富油～高油煤層。

3.2 富油煤發(fā)育穩(wěn)定性特征

變異系數(shù)可以被用來評價煤富油性穩(wěn)定程度，優(yōu)穩(wěn)定性等級，變異系數(shù)小于10%；良穩(wěn)定性等級，變異系數(shù)介于10%～12%；中穩(wěn)定性等級，變異系數(shù)介于12%～15%；大于15%，穩(wěn)定性等級為差[9]。因此利用漢水泉礦區(qū)9-1號、11號和15號煤層焦油產(chǎn)率數(shù)據(jù)，計算其標(biāo)準(zhǔn)差、和變異系數(shù)來進(jìn)行分析富油煤的發(fā)育穩(wěn)定性。從表3可以看出漢水泉礦區(qū)富油煤發(fā)育穩(wěn)定性整體為良好，其中15號煤層焦油產(chǎn)率平均值最大，變異系數(shù)最大，是富油煤發(fā)育最穩(wěn)定的煤層。

3.3 富油煤分布特征

由圖1可知，漢水泉礦區(qū)總體以富油煤為主，大面積連片發(fā)育，從西到東為富油—含油—富油，中部呈環(huán)狀分布、東部自北向南呈帶狀分布?？傮w看來，漢水泉礦區(qū)9-1號煤層富油煤分布大于11號煤層，大于15號煤層，焦油產(chǎn)率值逐漸降低。9-1號煤層含油煤小面積集中發(fā)育在礦區(qū)中部，11、15號煤層含油煤分布位置相同，分布面積逐漸增大。

3.4 富油煤沉積環(huán)境特征

還原條件主要影響煤中有機質(zhì)物質(zhì)的保存和成油能力[17]。煤灰分指數(shù)K是指SiO2、Al2O3含量之和與Fe2O3、CaO、MgO含量之和的比值，其可用來判斷煤沉積時期沼澤覆水程度和水介質(zhì)氧化還原條件，煤中灰成分指數(shù)與還原性呈現(xiàn)正相關(guān)，即灰成分指數(shù)越高，還原性越強，越有利于有機質(zhì)成油[18]。通過計算三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)灰成分指數(shù)，9-1號、11號和15號煤層灰成分指數(shù)依次減少，分別為0.382、0.300和0.263(表4)，表明漢水泉礦區(qū)煤層整體成煤環(huán)境還原性較強，且按照地層順序自下而上具有還原性逐漸增強的特點。

當(dāng)沉積物被水淹沒或者只有少量的沉積物露出水面，暴露在空氣中時，沉積物所處的沉積環(huán)境即具有較強的還原性，所以成煤時期的覆水深度也與成煤環(huán)境的還原性相關(guān)，還原性較強則水體深度較深[19]。漢水泉礦區(qū)成煤環(huán)境為較強的還原環(huán)境，說明成煤時期水體深度較深，并且水體深度按照地層順序自上而下具有逐漸加深的特點。從圖2可以看出隨著成煤時期的演化，富油煤分布面積在不斷地增大，且分布區(qū)域均為各煤層還原性最強和覆水深度最深的區(qū)域。

湖相成煤環(huán)境下煤中硫含量往往較少，因此煤中硫含量能夠在一定程度上可以反映成煤環(huán)境[20]。漢水泉礦區(qū)主力煤層全硫含量分別為0.50、0.55和0.61，煤層具有低灰、低硫～特低硫的特點，表明漢水泉礦區(qū)這些煤層成煤環(huán)境主要為濱淺湖環(huán)境。

表4 漢水泉礦區(qū)原煤灰成分參數(shù)

溫暖、潮濕的還原環(huán)境下，成煤植物組織能夠通過凝膠化作用增加煤中鏡質(zhì)組含量，所以鏡質(zhì)組往往代表溫暖潮濕的還原環(huán)境，惰質(zhì)組代表干燥氧化環(huán)境。同時鏡惰比能夠反映出沼澤的覆水程度及干濕狀況，當(dāng)V/I>4時，代表強覆水的潮濕環(huán)境[21]。因此能夠通過分析煤中鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組含量以及鏡惰比(V/I)煤相參數(shù)來指示成煤時期溫度、濕度等古氣候條件。由表1可知，漢水泉礦區(qū)9-1號、11號與15號煤層均具有高鏡惰比的特征，參數(shù)平均值分別為23.54、18.16和19.38，V/I>4。因此，漢水泉礦區(qū)9-1號、11號與15號煤層成煤環(huán)境具有溫暖潮濕的古氣候特征。

4 結(jié)果討論

何靜等指出三塘湖煤田西山窯組早期，三塘湖盆地基底的持續(xù)上升使得盆地大范圍準(zhǔn)平原化，相對平衡的可容空間增加速率與泥炭堆積速率有利于煤層的聚集[12]。馮爍等認(rèn)為西山窯組主要沉積環(huán)境為濱淺湖沉積[4]，與前文論述的富油煤形成于溫暖潮濕氣候下還原性強的濱淺湖環(huán)境觀點相同。

漢水泉礦區(qū)9-1號、11號與15號煤層形成的古氣候環(huán)境均為溫暖潮濕條件，發(fā)育于濱淺湖沉積相，與榆神礦區(qū)富油煤發(fā)育的沉積環(huán)境相同，進(jìn)一步證明溫暖潮濕的古氣候特征和還原性較強的濱淺湖環(huán)境有利于富油煤的發(fā)育。同時三塘湖礦區(qū)主力煤層成煤期的覆水深度逐漸加深，還原性逐漸變強，表明煤層焦油產(chǎn)率與覆水深度和還原性具有正相關(guān)關(guān)系，覆水深度越深，還原性越強，焦油產(chǎn)率越大，富油煤發(fā)育越好。

圖1指出從15號煤層到11號煤層再到9-1號煤層，富油煤焦油產(chǎn)率越來越大，發(fā)育越來越好，分布面積越來越大。漢水泉礦區(qū)主力煤層成煤期沉積相如圖2所示。15號煤層中部為辮狀河三角洲前緣相，向東、西方向延伸，逐漸為濱淺湖相，覆水深度逐漸加深，還原性逐漸變強，形成了15號煤層富油煤大面積賦存在漢水泉礦區(qū)東、西部的濱淺湖沉積相中，含油煤發(fā)育在中部的特征；隨著沉積環(huán)境的演化，漢水泉礦區(qū)辮狀河三角洲前緣向西北方向分布，中部面積不斷減少，東、西部濱淺湖面積增加，覆水深度較深區(qū)域增加，強還原區(qū)域面積增加，為11號煤層富油煤進(jìn)一步發(fā)育提供了更為有利的沉積條件；隨著沉積環(huán)境的進(jìn)一步演化，辮狀河三角洲前緣沉積相更向漢水泉礦區(qū)西北位置發(fā)育，三角洲前緣面積進(jìn)一步變小，使得9-1號煤層沉積區(qū)域覆水深度最深，還原性最強，含油煤發(fā)育面積達(dá)到最小，富油煤沉積條件最為有利。同時在垂向上來看，自下而上從15號煤層到9-1號煤層，覆水深度逐漸加深，還原性越來越強，同時伴隨辮狀河三角洲前緣相不斷向西北偏移，富油煤分布面積逐漸增大，富油煤發(fā)育越來越好。

5 結(jié) 論

1)三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)9-1號、11號與15號煤層有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之具有低水、低灰、高揮發(fā)分、低硫～特低硫的特征。

2)通過對三塘湖煤田漢水泉礦區(qū)焦油產(chǎn)率分析可知，漢水泉礦區(qū)富油煤賦存具有高焦油產(chǎn)率、發(fā)育穩(wěn)定、大面積分布的特征，9-1號、11號與15號煤層焦油產(chǎn)率均值均大于12%，均屬于富油煤；焦油產(chǎn)率變異系數(shù)均值均介于10%～12%，發(fā)育穩(wěn)定；富油煤大面積呈環(huán)、帶狀分布。

3)漢水泉礦區(qū)富油煤形成于溫暖潮濕氣候下還原性強的濱淺湖環(huán)境。平面上來看，從漢水泉礦區(qū)從中部向東、西部，由辮狀河三角洲前緣到濱淺湖，煤焦油產(chǎn)率有逐漸變大的特征。垂向上來看，從15號煤層到11號煤層再到9-1號煤層，隨著覆水深度的增加以及還原性的變大，同時隨著辮狀河三角洲前緣向西北偏移以及面積的減小，富油煤分布面積越來越大，發(fā)育越來越好。