祁曉燕，王志民

（內(nèi)蒙古煤田地質(zhì)局109地質(zhì)隊,內(nèi)蒙古海拉爾 021000）

神東礦區(qū)煤質(zhì)變化的地質(zhì)因素分析

祁曉燕，王志民

（內(nèi)蒙古煤田地質(zhì)局109地質(zhì)隊,內(nèi)蒙古海拉爾 021000）

通過對神東礦區(qū)影響煤層煤質(zhì)地質(zhì)因素的分析,發(fā)現(xiàn)沉積環(huán)境是影響煤層煤質(zhì)的主要地質(zhì)因素,煤層灰分含量、灰成分以及煤顯微組成、顯微類型等均受沉積環(huán)境的控制,而煤化作用條件則通過后生礦物的形成這一方式在一定程度上影響煤層的煤質(zhì)特征.

煤層煤質(zhì) 沉積環(huán)境 煤化作用條件

神東礦區(qū)具有煤層穩(wěn)定、灰分、硫含量低、灰熔融點低,鏡質(zhì)組含量低,而惰質(zhì)組含量高的特點.國內(nèi)眾多的研究者對神東礦區(qū)煤質(zhì)特征及其變化規(guī)律進行了詳細的研究,概括起來包含三個方面的內(nèi)容：①煤巖煤質(zhì)特征等物質(zhì)組成方面[1-5]；②煤質(zhì)變化的原因[6-7]；③煤的工藝性質(zhì)[8-9].本文從煤形成的沉積環(huán)境入手，系統(tǒng)分析煤質(zhì)變化的地質(zhì)因素.實際上煤質(zhì)特征的形成是在一定的大地構造條件下，經(jīng)過漫長的地質(zhì)過程，在各種綜合地質(zhì)作用下形成的，包括古沉積環(huán)境、植物供給、后期的煤化作用條件（溫度、壓力）等.

1 原始沉積環(huán)境對煤質(zhì)的影響和控制

由于沉積環(huán)境條件的不同，常造成煤巖類型和煤質(zhì)的變化.在植物遺體堆積過程中，泥炭沼澤的覆水深度、水動力強度、水化學特征（PH值、EH值）、碎屑物質(zhì)供給條件及植物組成等因素均會影響煤巖類型和煤質(zhì)的變化.

1.1 沉積環(huán)境對煤層灰份的影響

煤層中的灰份主要來源于煤層形成過程中無機礦物質(zhì)的混入，包括在泥炭沼澤中隨植物遺體堆積時無機礦物質(zhì)的混入，以及在煤化作用階段沿煤層裂隙滲入的部分礦物質(zhì)，此外還有植物本身含有的部分礦物質(zhì).其中以前者為主，其它來源的礦物質(zhì)均十分微弱.因此，煤層的形成環(huán)境對煤中灰份含量具有重要的作用.一般來說，泥炭沼澤形成于碎屑沉積體系廢棄后的比較低洼的地區(qū)，但在泥炭沼澤發(fā)育過程中仍有水體在活動，并與外界相連通，將無機礦物質(zhì)帶入泥炭中.所以距離活動碎屑體系較近的泥炭沼澤，如在沖積河道發(fā)育的地段，碎屑物質(zhì)供給比較充分，煤的灰分偏高.而在遠離活動碎屑體系的泥炭沼澤，如遠離沖積河道的地段，碎屑物質(zhì)供給比較少，煤的灰份較低.

本區(qū)各主要可采煤層的灰份均較低，大部分在15%以下，多為灰份小于10%的特低灰天然精煤.唯1-2＃煤層灰份較高，部分地區(qū)達15%～20%以上.根據(jù)沉積環(huán)境分析，本區(qū)5-2＃煤層主要形成于河流沉積平原，灰份較低的原因，一是由于煤層形成于初期充填體系域發(fā)育期，成煤范圍有限，可采煤層主要形成于遠離沖積河道的洪泛盆地；二是河流活動性較弱，混入泥炭沼澤的無機礦物質(zhì)較少.

4-2＃煤、3-1＃煤和2-2＃煤主要形成于湖泊三角洲平原廢棄后的森林泥炭沼澤，屬于高位沼澤，遠離沖積河道，無機礦物質(zhì)混入比較少，所以這三個煤層（組）均灰份較低，多在10%以下，僅局部地區(qū)灰份在10%～15%之間.

1-2＃煤層主要形成于湖泊三角洲平原（礦區(qū)中南部）和河流沖積平原（礦區(qū)北部）廢棄后的森林泥炭沼澤.由于1-2＃煤層形成于退覆體系域發(fā)育期的晚期，河流活動性明顯加強，河流體系不斷向礦區(qū)南部推進，在泥炭沼澤發(fā)育過程中，受沖積河道的影響較大，無機礦物碎屑供給比較充分，所以造成1-2＃煤層的灰份普遍較高.

1.2 沉積環(huán)境對煤巖組分和煤巖類型的影響

研究表明，煤巖組分和煤巖類型是反映泥炭沼澤環(huán)境和沼澤類型的重要指標.影響煤巖組分和煤巖類型的環(huán)境因素主要是沼澤水體的深度、酸堿度（PH值）和氧化還原電位（EH值）.

本區(qū)煤中的有機組分較高，一般在95%以上，最高可達99.6%，無機礦物質(zhì)含量普遍較低，一般小于4%.有機組分中惰質(zhì)組分普遍較高，一般在20～25%之間，最高可達40%以上.而鏡質(zhì)組含量相對較低；無機組分中，主要為粘土礦物，其它物質(zhì)含量甚微.5個主要可采煤層的顯微組分測定結(jié)果較相似，變化幅度很小，所具有的共同特點是鏡質(zhì)組含量較低，為63.3%～78.4%，惰質(zhì)組含量較高，可達19.3%～35.3%；鏡質(zhì)組中均以均質(zhì)鏡質(zhì)體為主，惰質(zhì)組中均以半絲質(zhì)體為主；凝膠化指數(shù)（GI）為1.95～4.43，植物保存指數(shù)（TPI）為2.67～5.83.表明本區(qū)各煤層（組）形成時的環(huán)境特點極為相似，均形成于較潮濕的森林沼澤，泥炭沼澤水體很淺，植物遺體的凝膠化作用較弱.這是造成本區(qū)各煤層的鏡質(zhì)組含量較低、宏觀煤巖類型以半暗型和暗淡型煤為主的主要原因.

1.3 沉積環(huán)境對煤灰成份的影響

1.3.1 煤灰成份的主要來源

煤灰中的主要成份與煤中的無機礦物成份有關，其中SiO2和Al2O3主要來自于鋁硅酸鹽礦物-粘土礦物，如高嶺石、伊利石、蒙脫石等；CaO和MgO主要來自于碳酸鹽礦物，如方解石（CaCO3）、白云石（MgCO3）、菱鐵礦（FeCO3）等，部分來自于硫酸鹽礦物，其中主要是石膏（CaSO4）；Fe2O3主要來自于含鐵的礦物，主要有硫鐵礦（Fe2S）、菱鐵礦、赤鐵礦（Fe2O3）等.這些礦物的形成與沉積環(huán)境具有密切的關系.

1.3.2 粘土礦物的成因及其形成環(huán)境

活動沉積體系廢棄進入泥炭沼澤發(fā)育期后，粗粒的碎屑沉積已經(jīng)非常微弱，混入泥炭的無機礦物質(zhì)主要是顆粒極細的粘土礦物.粘土礦物按其成因可分為碎屑成因和膠體成因兩類.碎屑成因的粘土礦物是碎屑物質(zhì)在搬運過程中由于磨蝕作用形成的，一般粒度較粗，在電子顯微鏡下放大1 000倍左右即可顯示出礦物的形態(tài)特征，而且呈定向排列，微層理較發(fā)育；膠體成因的粘土礦物是盆地水體中的凝膠狀硅、鋁物質(zhì)經(jīng)脫膠作用而形成的，礦物粒度較小，放大2 000倍以上時方可顯示礦物的形態(tài)特征，脫膠作用很弱時，仍顯示膠體形態(tài).而且礦物排列一般無定向性，微層理不發(fā)育，多呈塊狀結(jié)構.

粘土礦物成份與沼澤水體的酸堿度（pH值）有關.一般而言，高嶺石為主時，尤其以膠體成因的高嶺石為主時，應屬偏酸性環(huán)境；伊利石為主時，應為偏堿性環(huán)境.微層理的發(fā)育程度是水體動能的體現(xiàn)，膠體成因礦物為主時，水體近乎靜態(tài)，巖石呈塊狀結(jié)構，微層理不發(fā)育.煤中的其它礦物成因較為復雜，其中石英一般為碎屑成因，菱鐵礦、黃鐵礦、方解石、石膏等礦物成份，多為煤化作用過程中形成的自生礦物.

本次研究對5個主采煤層及其夾矸采樣，進行了電子顯微鏡掃描分析，發(fā)現(xiàn)夾矸中的主要礦物成份主要為各類粘土礦物，其中以高嶺石和伊利石為主，蒙脫石比較少見.本區(qū)煤層頂?shù)装搴蛫A矸泥巖的粘土礦物成份以碎屑成因的高嶺石和伊利石為主，僅有個別為蒙脫石.微層理多較發(fā)育，表明泥巖形成時的水體較淺，水體動能較強（見圖1）.測試的PH值為6左右，表明水體為偏酸性環(huán)境.

1.3.3 粘土礦物對煤灰成份的影響

煤中的粘土礦物經(jīng)燃燒氧化后，以SiO2和Al2O3出現(xiàn)在煤灰成份中.所以煤中粘土礦物的含量和礦物成份直接影響煤灰成份及其熔融性.粘土礦物含量高的地區(qū)，煤灰成份中SiO2和Al2O3含量也高，從而導致煤灰成份的酸堿比高；反之，在粘土礦物含量低的地區(qū)，煤灰成份中SiO2和Al2O3低，煤灰酸堿比也低.煤灰酸堿比是影響煤灰熔融性的主要指標之一.通過煤灰成份酸堿比等值線圖和煤層厚度等值線圖的對比發(fā)現(xiàn)，在煤層厚度較大的地區(qū)，一般酸堿比較低；而在煤層厚度較小或煤層分叉的地區(qū)，酸堿比較高.這種現(xiàn)象說明，在煤層厚度較大的地區(qū)，遠離河道區(qū)，沉積環(huán)境穩(wěn)定，成煤時間長，無機碎屑礦物質(zhì)供給少，泥炭沼澤的還原條件較好，其它成因的含鐵、鈣、鎂的礦物質(zhì)相對較多.而在煤層厚度較小或煤層分叉的地區(qū)，成煤環(huán)境不穩(wěn)定，成煤時間較短，距離河道區(qū)較近，碎屑物質(zhì)供給較充分.例如：本區(qū)5-2＃煤層在礦區(qū)南部的大柳塔和大海則井田一帶（北部無資料），煤層厚度最大，煤灰酸堿比值均較小;3-1＃煤層厚度最大的地區(qū)（＞3m）位于礦區(qū)中北部的巴圖塔、石圪臺、霍洛灣、補連塔等井田一帶，呈近南北向條帶狀展布，在此區(qū)域內(nèi)的煤灰酸堿比為 1-2＃，均低于其它地區(qū)；2-2＃煤層厚度最大的區(qū)域（＞5m）位于礦區(qū)中部的呼和烏素、爾林兔、補連塔、上灣、武家塔、哈拉溝等井田，呈近東西向的條帶狀展布，在此條帶內(nèi)的煤灰酸堿比較低，為1-2＃；1-2＃煤層厚度最大的區(qū)域（＞5 m）位于礦區(qū)北部的巴圖塔井田中部和礦區(qū)中南部的爾林兔、活雞兔、朱蓋塔等井田，呈北西向條帶狀展布.在此區(qū)域內(nèi)的煤灰酸堿比一般在2以 下.

表1 煤層底板及夾矸泥巖的掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果

2 煤化作用條件對煤質(zhì)的影響和控制

煤化作用是由泥炭轉(zhuǎn)變?yōu)槊核?jīng)歷的一系列物理化學作用.植物遺體經(jīng)過泥炭化作用階段轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗵亢?，隨著上覆沉積物的堆積，泥炭被埋藏于地下，在溫度、壓力的長期作用下，經(jīng)過脫水、壓實、變質(zhì)等一系列物理化學變化，最后轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌冑|(zhì)程度的煤.煤化作用是一個非常復雜的過程，由于不同的煤化作用條件，所形成的煤種煤質(zhì)變化很大.其中最主要的條件是溫度和壓力，其主要作用是影響煤的變質(zhì)程度，對煤質(zhì)指標的影響主要是水份、揮發(fā)份、發(fā)熱量及結(jié)焦性能等.此外，在煤化作用過程中，由于脫水作用和上覆巖層的淋濾作用等，煤中的一些化學元素發(fā)生遷移和富集，形成大量的自生無機礦物質(zhì)，如方解石、菱鐵礦、黃鐵礦、石膏、赤鐵礦等，常以煤層的裂隙薄膜或以結(jié)核形式存在.這些自生礦物的形成會使煤的灰份增加，并改變煤灰成份的組成和煤灰熔融性.

本區(qū)煤的變質(zhì)程度較低，屬于低變質(zhì)煙煤，主要是由于成煤后期的埋藏深度不大，構造活動較弱，沒有巖漿巖侵入，煤化作用階段的溫度和壓力均較低，而且煤化作用時間較短.所以本區(qū)煤的基本特點是水份較高，可達10%以上，而且以內(nèi)在水為主；煤的揮發(fā)份較高，最高可達40%以上.

本區(qū)各煤層煤灰成份中CaO較高的原因，主要與煤化作用階段的淋濾作用有關.如2－2＃煤層的CaO含量最高，發(fā)現(xiàn)煤層裂隙表面的方解石薄膜十分發(fā)育.這些方解石薄膜主要是在煤化作用過程中，上覆沉積物中的CaCO3沿煤層裂隙滲濾并經(jīng)重結(jié)晶作用而形成的.

煤灰中的其它成份，也與這種淋濾作用有關.

3 結(jié)論

通過分析，可以發(fā)現(xiàn)沉積環(huán)境是導致本區(qū)煤層煤質(zhì)變化的主要地質(zhì)因素，煤層灰分含量、灰分組成以及煤巖顯微組成、顯微類型均受沉積環(huán)境的控制，而煤化作用條件則在一定程度上影響煤層煤質(zhì)特征.

圖1 神東礦區(qū)泥巖電子顯微鏡掃描圖

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Analysis on Geological Factors of Coal Quality Variation in Shendong CoalM ing Area

QIXiao－yan，WANG Zhi－ming
（109 Geological Team，Coalfield Geological Bureau of Inner Mongolia，Hailaer Inner Mongolia，021000）

The analysis on geological factors of coal quality variation indicated that sedimentary environmental is themain factor.Ash content and composition，maceral composition were controlled by sedimentary environmental of coal seams.New mineral formation during coalification influenced the coal quality to some extent.

c oal q uality；s edimentary e nvironment；c oalification c ondition

TD163+.1

A

〔編輯 石白云〕

1674-0874(2010)04-0075-04

2010-04-12

祁曉燕（1963-）,女,內(nèi)蒙古包頭人,工程師,研究方向：工程地質(zhì).