豆貫銘，馬美玲，劉東娜，廉凱龍

（太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原030024）

大同煤田是山西省動力煤主產(chǎn)區(qū)之一，由于煤田內(nèi)賦存的侏羅系煤層資源將近枯竭，多個生產(chǎn)礦井相繼關閉，石炭—二疊系煤層開采已全面展開。加之煤炭燃燒所引起的環(huán)境問題越來越受重視［1］，對煤炭洗選比率和洗選效果的要求也逐年增加。近年來，大量學者開始針對石炭—二疊系可采煤層進行研究，認為大同煤田煤系地層的分布范圍主要受壓縮構造和伸展構造控制［2］，沉積相特征由海陸過渡相逐漸變?yōu)殛懴喑练e［3－5］，其物源區(qū)為大同北部的陰山隆起構造帶［4，6］，但是對于煤層本身的成因環(huán)境及煤巖煤質(zhì)特征研究工作較少。筆者在前人研究基礎上［4，7］，對塔山井田石炭—二疊系太原組3號煤分層的成煤環(huán)境進行了對比分析，旨在探討煤田內(nèi)主采煤層的形成演化規(guī)律，為進一步研究大同煤田煤層的賦存規(guī)律和煤礦開采提供理論指導。

1 地質(zhì)背景

圖1 采樣點及區(qū)域地質(zhì)簡圖

2 樣品采集及研究方法

樣品采自大同煤田塔山井田白洞礦區(qū)3號煤層，從上到下刻槽采取，按宏觀煤巖特性劃為11個煤分層和2個夾矸層（如圖2）。宏觀煤巖類型分類依據(jù)GB／T18023—2000；顯微組分和顯微巖石類型分 類 依 據(jù) GB／T15588—2001 和 GB／T15589—1995；全硫及灰分產(chǎn)率依據(jù)煤的工業(yè)分析方法GB／T212—2001測 定；主、次 元 素 含 量 依 據(jù) GB／T14506．28—93，硅酸鹽巖石化學分析方法采用X射線熒光光譜法（XFS）測定；微量元素含量依據(jù)DZ／T0223—2001，采用電感耦合等離子質(zhì)譜（ICPMS）分析方法測定，測試條件為溫度20℃，相對濕度30%。

圖2 3號煤宏觀煤層柱狀及分層結構圖

3 結果與討論

3．1 煤巖學特征

經(jīng)測定，3號煤的鏡質(zhì)組平均反射率為0．82%，屬于中變質(zhì)程度煙煤。煤層結構相對復雜，含有兩層夾矸。分層宏觀煤巖類型主要以半亮型煤為主，半暗型煤和暗淡型煤次之，僅一個光亮型煤分層（如圖2）。分層煤樣結構以條帶狀為主，線理狀少見，構造以層狀為主，塊狀次之。

3號煤的顯微煤巖組分（表1）以鏡質(zhì)組為主，平均體積分數(shù)為55．71%；惰質(zhì)組次之，平均體積分數(shù)為18．24%；殼質(zhì)組最少，平均體積分數(shù)為7．4%。其中1，2，3，4，6，8，12，13分層中鏡質(zhì)組體積分數(shù)均在50%以上；3，7，11分層惰質(zhì)組體積分數(shù)均在30%以上；6，8分層中殼質(zhì)組體積分數(shù)均在10%以上。3號煤中的鏡質(zhì)組以無結構鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之。惰質(zhì)體以半絲質(zhì)體、惰屑體為主，部分煤分層還含有少量有菌類體。殼質(zhì)組以孢子體為主，其次是角質(zhì)體。

3號煤層的顯微鏡光學測定及XRD實驗結果（如圖3）表明，該煤分層中礦物主要以粘土礦物為主，體積分數(shù)均在7．1%以上（表1）；其次是碳酸鹽礦物方解石和菱鐵礦，體積分數(shù)在0．2%～1．1%之間；個別煤分層還含有較多的黃鐵礦（3分層）和少量石英（7分層）。其中，9和11分層中礦物體積分數(shù)大于20%；1，7和13分層礦物體積分數(shù)稍大于10%，其余分層中礦物質(zhì)體積分數(shù)均小于10%。

圖3 3號煤XRD實驗結果

煤中的顯微煤巖組成及含量影響著煤的光澤度。分層7，9，11的宏觀煤巖類型為暗淡型煤，取決于較高的礦物含量（9，11）和惰質(zhì)組含量（7）；分層1，3，6均為半暗型煤，取決于較高的惰質(zhì)組含量和相對較高的礦物含量；2，8，12，13分層因其較高的鏡質(zhì)組及較低的礦物和惰質(zhì)組含量為半亮型煤；分層4的鏡質(zhì)組體積分數(shù)高達80%以上，故為光亮型煤。

煤的顯微組分受泥炭沼澤內(nèi)部條件的制約［9］，故顯微組分的組成可以從側面反映成煤泥炭沼澤的原始沉積環(huán)境［10］。

13，12分層的高鏡質(zhì)組表明，分層成煤沼澤環(huán)境覆水明顯；演化至11，9分層鏡質(zhì)組含量明顯；降低而惰質(zhì)組含量增多，殼質(zhì)組變化不明顯，表明泥炭沼澤已變?yōu)橄鄬\覆水的開放或半開放環(huán)境。11分層中的粗粒體含量明顯較其他顯微組分偏高，這可能是由于動蕩水體的注入造成的。

3.3 吸煙及黃斑色素 有研究表明[51，52]，與不吸煙者相比，吸煙者發(fā)生干性AMD的相對危險度是2.54。Fujihara等[53]發(fā)現(xiàn)在動物模型中，長期慢性吸煙容易造成RPE細胞膜折疊，細胞內(nèi)出現(xiàn)空泡結構、視網(wǎng)膜中Bruch膜增厚等超微結構的改變，RPE細胞的這些改變和早期AMD中RPE細胞凋亡的特征性病理改變相一致。

8分層中鏡質(zhì)組含量較9分層明顯增多，且殼質(zhì)組體積分數(shù)高達20．4%，泥炭沼澤可能是一種覆水活氧的開放性環(huán)境；演化至7分層鏡質(zhì)組體積分數(shù)明顯降低，而惰質(zhì)組體積分數(shù)高達50%；泥炭沼澤又變?yōu)橐环N相對淺覆水的開放或半開放環(huán)境，6分層中顯微組成與8分層相近但略低，泥炭沼澤恢復了覆水活氧的開放性沼澤環(huán)境。

4，3，2，1分層整體鏡質(zhì)組體積分數(shù)均高于50%，礦物質(zhì)含量總體偏低，表明此時完全處于一種明顯覆水但沉降均衡的泥炭沼澤環(huán)境。

此外，7，11，12，13中碳酸鹽礦物的較多出現(xiàn)，反映了一種湖沼或濱海相沉積環(huán)境。

3．2 煤相參數(shù)特征

本文選用的表征煤相特征的參數(shù)結構保存指數(shù)（TPI）和凝膠化指數(shù)（GI）是C．F．K．Diessel于1982年提出并改進的，現(xiàn)為國內(nèi)學者廣泛引用［11－15］。

結構保存指數(shù)（TPI）［14－15］是鏡質(zhì)組和惰性組組分中結構顯微組分和無結構顯微組分的比值，反映泥炭沼澤中植物體遭受搬運及氧化作用的程度。凝膠化指數(shù)是凝膠化物質(zhì)和非凝膠化物質(zhì)的比值，指示沼澤的相對濕度和氧化程度。

3號煤分層的GI值均大于1，屬于淺覆水或明顯覆水環(huán)境（如圖4）；TPI值較分散，結構保存程度不一。根據(jù)TPI－GI相圖可以將3號煤分層的原始泥炭沼澤沉積相劃分為4種類型，即湖沼相、潮濕森林沼澤相、較深覆水森林沼澤相、覆水森林沼澤相，主體煤相為潮濕森林沼澤相。其中分層9、11屬湖沼相，GI值均為3．4，TPI值分別為0．3和0．4。結構保存程度最差，可能處于不同成因的成煤環(huán)境轉(zhuǎn)化階段，受動蕩水體（如，洪泛水）影響所致；分層1，2，3，6，7，8和12屬潮濕森林沼澤相，GI值為1．1～6．8，TPI值為1．2～1．9；分層13屬覆水森林沼澤相，GI值為6．1，TPI值為2．8，結構保存程度最好；分層4屬較深覆水森林沼澤相，GI值為19．4，TPI值為2．1。

圖4 3號煤TPI－GI相圖

表1 3號煤顯微組分含量及煤相參數(shù)統(tǒng)計表（體積分數(shù)）

3．3 煤地球化學特征

本次研究實際共測定主、次量元素10種，微量元素47種，鑒于微量元素在沉積環(huán)境指向意義上的不確定性和分層煤樣對比的微小差異性，由于篇幅所限，在分析過程中只選用了部分具有沉積環(huán)境指向意義的元素。

不同的泥炭沼澤環(huán)境下形成的煤中礦物組分、灰分及微量元素具有不同地球化學特征?；页煞种笖?shù)w（CaO＋MgO＋Fe2O3）／w（SiO2＋Al2O3）比值可以作為海陸分界的依據(jù)；w（Sr）／w（Ba）值及硫分（S）、磷含量（P2O5）可以判斷成煤沼澤中介質(zhì)的鹽度，從而推斷成煤環(huán)境是否受海水影響；另外，高位泥炭沼澤形成的煤中，Co的總含量較低［16］。本次研究中我們?nèi)圆捎肒值等于0．23作為海陸相分界值，w（Sr）／w（Ba）為0．6作為咸水淡水的分界值［7］。分別以微量元素w（Co）＜3，3～10，＞10（μg／g）確定泥炭沼澤為高位、中位和低位。

3號煤的地球化學參數(shù)統(tǒng)計結果顯示（表2），只有分 層 7 的 K 值 大 于 0．23，w（Sr）／w（Ba）為0．547，接近淡水和咸水的邊界值；且 wt．d（S）只有29%，w（P2O5）只有0．036，說明7分層的原始泥炭沼澤可能并未受海水影響，只是分層內(nèi)賦存較多含Ca礦物而使該分層灰成分參數(shù)偏高。在顯微煤巖組分統(tǒng)計中，該分層的碳酸鹽礦物含量（表1）也確實相對其他分層偏高。7分層Co的質(zhì)量分數(shù)為4．05μg／g，綜合分析認為，7分層的原始成煤環(huán)境為曲流河相沉積，泥炭沼澤沉積環(huán)境為中位半咸水河成沼澤。

13、12分層的K值在0．095以上，雖然低于分界值0．23，卻也略高于大部分分層，可能未受明顯海水影響；不過 wt．d（S）均大于0．6，w（Sr）／w（Ba）也高達2．2以上，w（P2O5）更是明顯高于其他分層，均在0．29以上；Co值均稍高于3。分析認為，該底部分層的原始成煤環(huán)境為障壁島或瀉湖相沉積，泥炭沼澤屬于中位咸水濱海沼澤。

11分層的地球化學參數(shù)值較底部13、12分層有所降低，K 值小于0．23，w（Sr）／w（Ba）小于0．6，w（P2O5）只有0．037，wt．d（S）為0．38；Co值小于3。分析認為，該分層的原始成煤環(huán)境已經(jīng)開始向曲流河相沉積轉(zhuǎn)變，泥炭沼澤屬于高位淡水河成沼澤。

表2 3號煤地球化學參數(shù)統(tǒng)計分析

10分層為夾矸層，其地球化學參數(shù)的K值，w（Sr）／w（Ba），w（P2O5），wt．d（S）均較11分層大幅降低，表現(xiàn)出明顯的陸相沉積特征，K值更為所有分層的最低值0．003，Co值均小于3。分析認為，該分層的原始成煤環(huán)境為典型河流相沉積，泥炭沼澤屬高位淡水河成沼澤。

9分層的K 值為0．022，較10分層增大，w（Sr）／w（Ba）增加至1．26，w（P2O5）也高達0．23，St．d%增加不明顯，僅為0．23，Co值小于3。分析認為，該分層的原始成煤環(huán)境為湖相沉積，泥炭沼澤屬高位咸水湖成沼澤。

8，6分層除了K 值有明顯不同外（均小于0．23），w（Sr）／w（Ba）、w（P2O5）、wt．d（S）均較低，表現(xiàn)出明顯相似的陸相沉積特征；Co值大小均在3～10之間。分析認為，這兩個分層的原始成煤環(huán)境為河流相沉積，泥炭沼澤屬中位淡水河成沼澤。

5分層為夾矸層，K 值為0．012，wt．d（S）、Sr／Ba、P2O5%均較低，Co值小于3。分析認為，該分層的原始成煤環(huán)境為河流相沉積，泥炭沼澤屬高位淡水河成沼澤。

4，3，2，1分層的 K 值，wt．d（S），w（P2O5）分別從4分層的0．139，0．87，0．024向上部分層逐漸減小，Sr／Ba也均小于0．227，Co值均大于10。說明成煤后期階段的沉積環(huán)境相似，為明顯河流相沉積，泥炭沼澤均屬低位淡水河成沼澤。

3．4 成煤沉積環(huán)境旋回特征

綜合分析3號煤分層的煤相參數(shù)和地球化學參數(shù)發(fā)現(xiàn)，其在垂向剖面上沉積環(huán)境表現(xiàn)出明顯的三次旋回韻律（圖5）。

圖5 3號煤分層煤樣地球化學參數(shù)剖面變化圖

第一旋回：分層13，12，11－10－9。13，12分層的濱海瀉湖環(huán)境由于洪泛水的影響，水體動蕩，從閉塞體系環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)為開放體系，形成淡水河湖沼澤的11分層和河成沼澤的夾矸層10分層，以及水退下的湖成沼澤的9分層，覆水條件逐漸變淺，結構保存程度逐漸變差。宏觀煤巖類型為半亮型變化至暗淡型，煤相上表現(xiàn)為覆水森林沼澤相－潮濕森林沼澤相－湖成沼澤相的變化特征。

第二旋回：分層8－7－6－5。8分層覆水條件明顯，表現(xiàn)為半開放體系下的水進變化，至7分層變?yōu)槿醺菜胂趟映烧訚桑?分層時期再次水進，覆水變深，至分層5水體又退卻形成高位淡水河成沼澤，泥炭沼澤處于過補償狀態(tài)，沉積間斷形成夾矸層。覆水條件出現(xiàn)8－7和6－5兩次由深至淺的變化，結構保存程度逐漸變差。宏觀煤巖類型表現(xiàn)為半亮型－暗淡型－半暗煤－夾矸變化，煤相上表現(xiàn)為潮濕森林沼澤相內(nèi)的微循環(huán)。

第三旋回：分層4－3－2－1?？傮w為4分層水進條件下的強覆水泥炭沼澤逐漸過渡為水退條件下的覆水沼澤環(huán)境。覆水條件呈變淺趨勢，結構保存程度逐漸變差。宏觀煤巖類型表現(xiàn)為光亮型煤—半暗煤—半亮型—半暗煤變化，煤相上表現(xiàn)為較深覆水森林沼澤相至潮濕森林沼澤相的變化特征。

4 結論

相比太原組5號煤［7］，3號煤層在形成過程中所受到的海水影響已經(jīng)大幅減小，顯微組成和煤地球化學參數(shù)上均表現(xiàn)出海陸過渡逐漸向陸相轉(zhuǎn)化的沉積特征，這與通過含煤巖系研究在沉積環(huán)境上的整體判定是一致的［4］。研究得出以下結論。

1）3號煤宏觀煤巖類型以半亮煤為主，顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，煤中礦物組成以粘土礦物為主，屬中變質(zhì)程度煙煤。

2）3號煤分層13和12煤相分別為覆水森林沼澤相和潮濕森林沼澤相，沼澤條件為中位咸水濱海沼澤。分層11和9為湖沼相，沼澤條件分別為高位淡水河成沼澤和高位咸水湖成沼澤。分層7為潮濕森林沼澤相，沼澤條件為中位半咸水河成沼澤。分層8和6為潮濕森林沼澤相，沼澤條件為中位淡水河成沼澤。分層4為較深覆水森林沼澤相，沼澤條件為低位淡水河成沼澤。分層1，2，3為潮濕森林沼澤相，沼澤條件為低位淡水河成沼澤。

3）3號煤分層的原始泥炭沼澤沉積環(huán)境在垂向上呈現(xiàn)三次明顯的旋回韻律，煤相上表現(xiàn)為覆水森林沼澤相—潮濕森林沼澤相－湖沼澤相的變化特征。

［1］ 倪維斗，陳貞．煤的清潔高效利用是中國低碳經(jīng)濟的關鍵［J］．太原理工大學學報，2010，41（5）：454－458．

［2］ 袁遠，曹代勇，林中月，等．大同煤田構造控煤特征研究［J］．中國煤炭地質(zhì)，2011，23（8）：63－66．

［3］ 趙省民，鄭浚茂．山西大同晚古生代含煤地層的沉積特征及其層序地層意義［J］．地質(zhì)論評，1997，43（1）：85－90．

［4］ 周安朝．大同晚古生代含煤盆地地質(zhì)學研究［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2010：22－28．

［5］ 王保平，王海生．山西中晚石炭世陸表海的沉積特征［J］．太原理工大學學報，1998，29（5）：479－486．

［6］ 郗寶華，趙文艷．山西大同煤田石炭系物源區(qū)構造背景分析［J］．中國煤炭地質(zhì)，2011，23（9）：14－18．

［7］ 劉東娜，周安朝，馬美玲．大同煤田白洞礦區(qū)5號煤層煤相特征［J］．中國煤炭地質(zhì)，2011，23（5）：1－5．

［8］ 山西煤田地質(zhì)勘探115隊．山西省大同煤田塔山井田石炭二疊系煤炭勘探（精查）地質(zhì)報告［R］．大同：大同礦務局，2001．

［9］ 韓德馨，楊起．中國煤田地質(zhì)學（上冊）［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1979：28－44．

［10］ Howera James C，Wagner Nicola J．Notes on the methods of the combined maceral／microlithotype determination in coal［J］．International Journal of Coal Geology，2012（95）：47－52．

［11］ 許福美，方愛民．山東兗州礦區(qū)太原組16號煤層煤相研究［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2005，43（1）：10－13．

［12］ 毛婉慧，莊新國，周繼兵．煤相參數(shù)在煤層層序劃分中的應用［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2011，39（1）：6－10．

［13］ 許福美，黃文輝，吳傳始，等．頂峰山礦區(qū)39號煤層的煤巖學與煤相特征［J］．煤炭學報，2010，35（4）：623－628．

［14］ Diessel C F K．An appraisal of coal facies based on maceral characteristics［J］．Australian Coal Geology，1982，4（2）：474－484．

［15］ Diesel C F K．Coal－bearing depositional systems［M］．Berlin：Spinger，1992：179－263．

［16］ 李紅敬，解習農(nóng)，顏佳新，等．揚子地區(qū)典型剖面二疊系不同沉積相地球化學特征［J］．地質(zhì)科技情報，2010，29（2）：16－23．