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        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

        2022-02-11 07:49:24何建國項(xiàng)歆璇
        中國煤炭 2022年1期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)體泥炭沼澤

        何建國,張 靜,馬 榮,項(xiàng)歆璇

        (1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心),江蘇省徐州市,221006;2.中國煤炭地質(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.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京市海淀區(qū),100083)

        我國煤炭資源豐富,從能源消耗占比來看,煤炭在一段時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)我國化石能源消耗的主體地位。黨的十九大以來,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、成煤過程及成煤物質(zhì)等特征[3],通過對(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,位于新疆北部東天山地區(qū),區(qū)域煤炭資源豐富,是我國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,呈近東西向狹長扁豆?fàn)睿娣e約為4.9萬km2,是我國海拔最低的內(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)行了宏觀特征描述和宏觀煤巖類劃分;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射線熒光光譜(XRF)分析煤中常量元素的種類及含量,利用偏光顯微鏡進(jìn)行顯微煤巖組分分析,確定煤巖類型,大南湖二礦25號(hào)煤層樣品測(cè)試分析成果見表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、石英等礦物為主,次為氧化硅類礦物,再次為硫化物類礦物主要為黃鐵礦,多見充填狀,少數(shù)粒狀、團(tuán)塊狀;偶見碳酸鹽類礦物,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)境類型[11]。將TPI=1作為森林沼澤和低位沼澤(蘆葦草沼)的界線,用GI=1作為潮濕型沼澤與干燥型沼澤的界線。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),說明成煤植物類型以木本植物為主。

        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)來表征泥炭沼澤類型[12]。將VI=1作為草本植物和木本植物的界線,GWI=1作為森林沼澤與流水沼澤的界線,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,說明沼澤水動(dòng)力較弱,水體流動(dòng)不暢,營養(yǎng)成分富集,有利于木本植物的生長,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、開放沼澤和陸地森林沼澤三大類煤相類型。一般潮濕森林沼澤通過高的T值反映,開放沼澤通過高的D值反映,陸地森林沼澤通過高的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)。

        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)

        一般來說,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,V/I>4;II類,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+成煤植物類型進(jìn)行命名。根據(jù)以上煤相指標(biāo)反映的泥炭沼澤類型,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,宏觀煤巖類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,宏觀煤巖類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,成煤中期的宏觀煤巖類型以暗淡煤為主,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,成煤中后期的宏觀煤巖類型為半亮煤,該階段沉積環(huán)境營養(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,該階段煤相類型潮濕草本沼澤;

        第五階段DNH2-05~DNH2-01,成煤后期的宏觀煤巖類型以暗淡煤為主,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、石英等礦物為主,次為氧化硅類礦物和黃鐵礦。

        (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)。

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