師慶民，王雙明，王生全，郭 晨，蔡 玥，杜芳鵬，喬軍偉，常波峰，張 宏，苗彥平

(1.西安科技大學(xué) 陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

我國富油煤資源儲量豐富，其中西北地區(qū)富油煤資源量高達5 000億t，廣泛分布于陜西、內(nèi)蒙古、新疆、寧夏、青海等地。富油煤在熱解條件下可生成不低于7%的焦油(格金干餾試驗工藝)，通過加氫反應(yīng)、催化裂化等輕質(zhì)化處理可產(chǎn)出汽油、柴油等優(yōu)質(zhì)燃油產(chǎn)品?？梢?，富油煤在增加國內(nèi)油氣供給途徑、保障國家油氣戰(zhàn)略安全方面具有巨大的資源潛力優(yōu)勢。

富油煤不同于傳統(tǒng)意義的富氫煤，礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(2014修訂版)將格金干餾試驗條件下焦油產(chǎn)率<7%的煤稱為含油煤，在7%～12%的煤稱為富油煤、大于12%為高油煤，王雙明等將焦油產(chǎn)率≥7%的煤統(tǒng)稱為富油煤。這一分類方式具有明確的實用性和目的性，也使得富油煤具有更廣義的范疇。以藻煤、燭煤、樹皮煤為代表的富氫煤具有高揮發(fā)分、高焦油產(chǎn)率特征，屬于富油煤范疇，但多數(shù)富油煤為高等植物經(jīng)歷以凝膠化作用為主的條件后形成的低中階煤，宏觀上不具有顯著的富氫特點。因此，富油煤不屬于特種煤炭資源范疇，而是具有油、氣資源屬性的煤基油氣資源。

在這一分類體系下，富油煤相對低中階煤具有充分而不必要性。從煤化程度角度，長焰煤、氣煤相比褐煤能夠熱解產(chǎn)出更高的煤焦油，高揮發(fā)分與高焦油產(chǎn)率并不具有單調(diào)對應(yīng)性。在同一煤級范圍內(nèi)，沉積環(huán)境、物質(zhì)組成等條件的差異性同樣造成富油煤在層域、區(qū)域上存在明顯的非均勻分布特點。以陜西侏羅系煤層為例，盡管富油煤分布廣泛，但焦油產(chǎn)率分布于3%～16%，富油煤與含油煤共存且不同礦區(qū)、煤層存在差異，這造成富油煤在地質(zhì)勘查評價中存在一定識別難度。

目前，格金干餾試驗下焦油產(chǎn)率是富油煤判識的惟一指標(biāo)，但在以往的勘探資料中數(shù)據(jù)較少。如何充分利用以往的基礎(chǔ)勘查數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確評價和識別富油煤是亟待解決的問題之一，尤其在有限的區(qū)域或煤階范圍內(nèi)，快速精準(zhǔn)評價富油煤的非均勻分布特性具有其現(xiàn)實意義。筆者以鄂爾多斯盆地神府南部礦區(qū)為例，系統(tǒng)探討格金干餾試驗條件下煤焦油產(chǎn)率的常規(guī)參數(shù)控制，旨在厘清富油煤的宏觀可識別性。

1 地質(zhì)概況

神府南部礦區(qū)位于鄂爾多斯坳陷盆地伊陜斜坡區(qū)的東北部，區(qū)內(nèi)僅存一些寬緩的波狀起伏及系列平行不整合面，構(gòu)造相對簡單、未見明顯斷層及巖漿活動。研究區(qū)煤層主要賦存于侏羅系延安組地層，自上而下分為5個煤組，分別賦存于5個地層段，可采煤層主要包括1煤、2煤、3煤、4煤、4煤、4煤和5煤(圖1)。煤層層位穩(wěn)定且厚度變化較小，以中厚-厚煤層為主，結(jié)構(gòu)簡單，煤類為長焰煤和不黏煤，煤層埋深在21～380 m，總體表現(xiàn)為南東部埋深較深、北西部較淺的趨勢，且在東部普遍存在煤層露頭、燒變巖等。

圖1 神府南部延安組沉積相-層序地層劃分綜合柱狀[19]Fig.1 General stratigraphic column of Yan’anFormation in the south of Shenfu[19]

研究區(qū)侏羅系延安組主要以三角洲-湖灣沉積為主(圖1)，延一段主要發(fā)育三角洲沉積，由三角洲平原逐漸過渡為三角洲前緣，其上發(fā)育5煤層組；延二段沉積期，湖水迅速擴張，由三角洲沉積迅速過渡到湖灣沉積，之后湖水逐漸退卻，由湖灣沉積逐漸過渡為三角洲前緣沉積，發(fā)育河口壩、分流間灣沉積，并發(fā)育有4煤層。隨著湖水繼續(xù)退卻，三角洲前緣逐漸轉(zhuǎn)化為三角洲平原沉積，并發(fā)育厚度較大的4煤層。延三段沉積早期，三角洲平原大范圍進積形成厚度較大、分布穩(wěn)定的裴莊砂巖，其后在該段頂部形成厚度較大的3煤層。延四段沉積期仍以三角洲平原沉積為主，在本段頂部發(fā)育了厚度較大的2煤層。延五段沉積期水位明顯降低，盡管同樣為三角洲平原沉積，但發(fā)育煤層厚度相對較薄、分布不甚穩(wěn)定。

2 常規(guī)分析指標(biāo)的不確定性

煤層厚度是煤炭資源儲量計算的關(guān)鍵參數(shù)，受控于泥炭沼澤類型及其演化穩(wěn)定性。建立煤層厚度與焦油產(chǎn)率間數(shù)學(xué)關(guān)系是預(yù)測高品質(zhì)富油煤最為理想的模型，然而，圖2顯示盡管隨著煤層厚度的增加，焦油產(chǎn)率數(shù)據(jù)具有一定收斂過程，即反映出煤層厚度越大，焦油產(chǎn)率分布越穩(wěn)定。這與不同煤層的厚度分布具有較大關(guān)系，1煤、3煤、4煤、4煤、4煤厚度總體較小且相對集中(表1)，不同煤層的形成的古地形、古環(huán)境條件存在一定差異，造成焦油產(chǎn)率不同、數(shù)據(jù)離散性相對較大；與之相比，2煤和5煤厚度較大、涉及層數(shù)少，沉積環(huán)境變化相對較小，焦油產(chǎn)率數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定、離散性低。

圖2 低階煤煤層厚度與焦油產(chǎn)率相關(guān)性Fig.2 Relationship between coal thickness and tar yield

工業(yè)分析是煤質(zhì)分析的常規(guī)性指標(biāo)，其中揮發(fā)分反映煤在高溫(900 ℃)熱解條件下氣態(tài)揮發(fā)物產(chǎn)率，而格金干餾試驗測定焦油產(chǎn)率溫度相對較低。在有限的煤階范圍內(nèi)，揮發(fā)分與焦油產(chǎn)率、產(chǎn)氣率、產(chǎn)水率之間相關(guān)性離散度較大。但可發(fā)現(xiàn)，隨著揮發(fā)分的增加，煤焦油產(chǎn)率()呈現(xiàn)微弱的增長趨勢、產(chǎn)氣率呈現(xiàn)一定減少趨勢、產(chǎn)水率則呈增加趨勢(圖3(a)～(c))，其中揮發(fā)分產(chǎn)率與焦油產(chǎn)率離散性最高，即高揮發(fā)分與高焦油產(chǎn)率間并不具有顯著的對應(yīng)關(guān)系。H/C原子比與焦油產(chǎn)率相關(guān)性同樣較差，并不具有明確的指示意義，這與傳統(tǒng)的認識存在差異。相比之下，隨著H/C原子比的增加，產(chǎn)氣率呈現(xiàn)較明顯的降低趨勢，產(chǎn)水率呈現(xiàn)一定的上升趨勢，如圖3(d)～(f)所示。

表1 神府南部煤層厚度統(tǒng)計

總體而言，盡管研究區(qū)低階煤以高揮發(fā)和中高揮發(fā)分煤為主，焦油產(chǎn)率普遍高于其他煤階。但在有限的煤階范圍內(nèi)，焦油產(chǎn)率同樣有較大差異，高揮發(fā)分與高H/C原子比并非一定指示高焦油產(chǎn)率，而煤中關(guān)鍵富氫結(jié)構(gòu)或氫、氧元素分布類型對焦油產(chǎn)率起到更為關(guān)鍵的作用，其受控于成煤植物類型與沉積環(huán)境特征。相比木本植物，草本植物形成的煤熱解可生成較多長鏈烴等液態(tài)烴類物質(zhì)；堿性介質(zhì)和強還原環(huán)境更有利于煤中富氫結(jié)構(gòu)生成。而煤中具有豐富的含氧官能團結(jié)構(gòu)，熱解過程中醚鍵、酚羥基等含氧官能團受熱裂解形成HO·，并與H·結(jié)合形成HO，這使得烴類自由基供氫條件受限，縮聚作用增強，進而影響最終煤焦油產(chǎn)率的生成與析出。

圖3 揮發(fā)分產(chǎn)率、H/C原子比與煤熱解產(chǎn)物相關(guān)性Fig.3 Correlation between coal pyrolysis products and volatile yield,H/C ratio

3 富油煤的有機巖石學(xué)特征

雖然揮發(fā)分、H/C原子比對焦油產(chǎn)率響應(yīng)性較弱，但從有機巖石學(xué)角度，宏觀煤巖類型對焦油產(chǎn)率具有相對顯著的區(qū)分度。其中光亮煤焦油產(chǎn)率普遍偏高，半亮-半暗煤次之，暗淡煤相對偏低，煤層中夾矸焦油產(chǎn)率最低(圖4(a))。前2者焦油產(chǎn)率仍然具有較高的離散性，光亮煤焦油產(chǎn)率平均值為8.45%，分異系數(shù)高達20.8%；半亮-半暗煤焦油產(chǎn)率平均值為7.56%，分異系數(shù)為17.7%。焦油產(chǎn)率的總體變化趨勢與宏觀煤巖類型的顯微組成具有顯著的對應(yīng)性，尤其與鏡質(zhì)組的演化趨勢最為顯著(圖4(b))。惰質(zhì)組在半亮-半暗煤中體積占比最高，是造成其與光亮煤焦油產(chǎn)率差異的主要原因。礦物體積分數(shù)在暗淡煤中明顯增加，并在夾矸中占據(jù)主體，造成焦油產(chǎn)率顯著降低，礦物含量對暗淡煤和夾矸焦油產(chǎn)率具有主導(dǎo)作用。說明煤的焦油產(chǎn)率一方面受控于煤體的凝膠化程度，這與成煤環(huán)境的還原程度密切相關(guān)；另一方面受控于沼澤水體的陸源碎屑補給程度，即陸源碎屑影響越大，煤的焦油產(chǎn)率越低。

圖4 不同宏觀煤巖類型煤的焦油產(chǎn)率與顯微組分特征Fig.4 Tar yield and maceral groups of differentmacrolitho type coals

進一步而言，焦油產(chǎn)率隨鏡質(zhì)組體積分數(shù)的升高總體呈遞增趨勢(圖5(a))，反映出煤體凝膠化程度越高，焦油產(chǎn)率越高。盡管暗淡煤、夾矸同樣符合這一總體趨勢，但表現(xiàn)出相對明顯的離散性，體現(xiàn)了煤焦油產(chǎn)率的多重控制性。圖5(b)顯示出更顯著的焦油產(chǎn)率分類控制，光亮煤和半亮-半暗煤焦油產(chǎn)率主體隨惰質(zhì)組體積分數(shù)的增加而逐漸減少，但部分暗淡煤和夾矸惰質(zhì)組體積分數(shù)低，控制性較弱。盡管殼質(zhì)組賦存更豐富的烷基結(jié)構(gòu)，由于殼質(zhì)組體積分數(shù)相對較少，其與焦油產(chǎn)率的離散性相對較高，焦油產(chǎn)率與殼質(zhì)組之間總體呈現(xiàn)正相關(guān)性(圖5(c))，但同時受到富鏡質(zhì)組、富惰質(zhì)組和富礦物質(zhì)的影響。光亮煤和半亮-半暗煤中礦物體積分數(shù)較少，對焦油產(chǎn)率影響較小。但從總體趨勢表現(xiàn)出隨礦物體積分數(shù)的增加，焦油產(chǎn)率逐漸減少(圖5(d))。

4 灰分對焦油產(chǎn)率的約束性

煤是有機質(zhì)與無機質(zhì)共同組成的復(fù)雜物質(zhì)，其中煤焦油來源于有機部分。盡管煤中部分堿金屬離子對煤焦油析出具有一定催化作用，但多數(shù)無機礦物質(zhì)對焦油產(chǎn)率并無貢獻。隨著灰分產(chǎn)率的提高，煤熱解焦油產(chǎn)率呈降低趨勢，該變質(zhì)程度煤焦油產(chǎn)率普遍處于10.32%上下浮動范圍(圖6)。與原煤相比，脫灰煤樣的焦油產(chǎn)率增加，且焦油中沸點低于360 ℃的輕質(zhì)組分中的輕油(<170 ℃)質(zhì)量分數(shù)大于原煤。ROETS等通過熱解酸洗富含鏡質(zhì)組煙煤，發(fā)現(xiàn)該煤樣熱解焦油中芳香化合物產(chǎn)率更高。

圖5 煤中顯微組分與焦油產(chǎn)率關(guān)系Fig.5 Relationship between tar yield and maceral content

圖6 低階煤灰分與焦油產(chǎn)率相關(guān)性Fig.6 The correlation between tar yield and ash yield

研究區(qū)煤灰中以SiO，AlO，F(xiàn)eO，CaO等成分為主，運用灰成分端元分析法可以定性表征聚煤環(huán)境特點。Si通常以硅酸鹽和硅鋁酸鹽形式存在于煤中，反映泥炭堆積過程中碎屑石英、黏土礦物等陸源碎屑的供給情況；Al主要以硅鋁酸鹽形式賦存于黏土礦物、長石等陸源碎屑中?；页煞种蠸iO-AlO質(zhì)量分數(shù)的增加指示了泥炭聚集階段淡水介質(zhì)注入過程中機械搬運的強弱特征。遠離這一端元則指示煤中硅酸鹽或硅鋁酸鹽礦物質(zhì)減少、機械搬運為主的陸源碎屑輸入減弱；CaO-MgO端元說明煤中鈣鎂礦質(zhì)量分數(shù)含量的增加，化學(xué)沉積作用增強，一般指示向半干旱氣候轉(zhuǎn)化的半潮濕氣候條件與弱氧化-弱還原環(huán)境。此外，F(xiàn)eO-SO端元指示形成較高質(zhì)量分數(shù)黃鐵礦的閉塞-半閉塞、還原閉流盆地環(huán)境。

研究區(qū)煤灰總體以SiO，AlO為主，部分以CaO-MgO為主，F(xiàn)eO-SO占比總體較少(圖7)。SiO，AlO之間具有較好的正相關(guān)性(圖8(a))，反映煤中陸源碎屑輸入礦物總體為黏土礦物，指示水動力相對較弱的穩(wěn)定沼澤水體環(huán)境。CaO與AlO之間呈一定負相關(guān)性(圖8(b))，反映一定水深條件下的內(nèi)源沉積作用增強、外源沉積作用減弱。FeO與AlO之間相關(guān)性不明顯(8(c))，研究區(qū)煤層在泥炭堆積過程中，容易在相對滯留的還原水體沼澤條件下形成黃鐵礦，圖8(d)顯示FeO與硫化物硫(S)具有一定相關(guān)性，也進一步印證煤中鐵元素主要以黃鐵礦硫占主導(dǎo)。

圖7 煤灰成分端元分析法三角Fig.7 Triangle diagram based on ash composition

圖8 煤灰成分相關(guān)性Fig.8 Relationship between some major element oxides

以黏土礦物為主的陸源碎屑物質(zhì)輸入不利于煤焦油產(chǎn)率的提高，隨著(SiO+AlO)增加，煤焦油產(chǎn)率總體呈降低趨勢(圖9(a))，堿土金屬則對煤熱解轉(zhuǎn)化具有催化促進作用，堿土金屬較強的活化位有助于降低C—C鍵裂解所需的活化能，綜合體現(xiàn)在對焦油或煤氣產(chǎn)率的提高。圖9(b)顯示隨著(CaO+MgO)增加，煤的熱解焦油產(chǎn)率呈現(xiàn)一定的增長趨勢，即內(nèi)源沉積作用增強有助于煤熱解轉(zhuǎn)化能力的提高。盡管黃鐵礦對煤熱解同樣具有催化作用，但圖9(c)顯示焦油產(chǎn)率與(FeO)間并無顯著相關(guān)性，反而在熱解過程中促進含氧官能團裂解，形成較多水分等小分子物質(zhì)，且隨著(FeO)增加，產(chǎn)水率呈增長趨勢(圖9(d))。

圖9 低階煤常量元素含量與焦油產(chǎn)率相關(guān)性Fig.9 Relationship between some major elements and tar yield of coal

5 真密度對富油煤的有效識別性

5.1 真密度與焦油產(chǎn)率相關(guān)性

富油煤的真密度反映了不包含孔裂隙的煤體骨架密度，一方面受煤中無機礦物質(zhì)影響，另一方面受控于煤中有機質(zhì)成分及煤化程度。隨著煤化程度的提高，煤的真密度先緩慢降低、然后急劇提高，其轉(zhuǎn)折點位于中等煤化程度煤，這一規(guī)律與煤焦油產(chǎn)率的演化趨勢恰好相反。

圖10 低階煤真密度與焦油產(chǎn)率相關(guān)性Fig.10 Relationship between true density and tar yield of coal

從微觀結(jié)構(gòu)而言，煤的真密度體現(xiàn)了分子結(jié)構(gòu)成分及空間密實程度。因此，對煤的微觀結(jié)構(gòu)組成具有一定的表征意義。尤其在低中階煤中，不同煤巖顯微組分的真密度存在顯著差異，煤中顯微組分富集差異對煤的熱解焦油產(chǎn)率具有顯著影響。圖10顯示隨著真密度的增加，煤的焦油產(chǎn)率呈總體降低趨勢，這為富油煤的有效識別提供了簡單、可行的宏觀指標(biāo)。

5.2 不同密度煤樣微觀結(jié)構(gòu)

選取研究區(qū)密度分別為1.25(LDM)，1.32(MDM)，1.47 g/cm(HDM)的煤巖樣品，通過傅里葉紅外光譜分析測定其官能團分布(圖11)。LDM紅外光譜中，在3 000～2 800 cm有較強的脂肪族C—H振動，在1 445,1 045,875 cm同樣具有較強振動信號，分別歸屬于脂肪族—CH振動、脂肪族C—O振動、苯環(huán)五位取代振動。3 000～2 800,1 520～1 350 cm內(nèi)較強的吸收峰強度指示煤中含有豐富的烷基官能團，其中2 850，2 922 cm吸收峰分別指示—CH—的對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動，低密度煤中吸收峰強度高于高密度樣品。

為了更清晰確定不同官能團的分布特點，采用分峰擬合方法獲取不同官能團的譜圖強度，其中MDM樣品在3 000～2 800 cm的分峰擬合圖譜如圖12所示，由此確定不同官能團的峰面積，以及煤結(jié)構(gòu)參數(shù)/，CH/CH(峰面積比)，和等(表2)，這些指標(biāo)已被廣泛應(yīng)用于有機質(zhì)紅外譜圖解析，計算方法為

圖11 不同密度煤的紅外譜圖Fig.11 FT-IR spectra of different density coals

=1 650-1 520 cm/2 800-3 000 cm

(1)

=3 000-2 800 cm/(3 000-2 800 cm+1 650-1 520 cm)

(2)

=1 650-1 520 cm/2 950 cm

(3)

圖12 MDM煤樣在3 000～2 800 cm-1內(nèi)的分峰擬合Fig.12 Cuves fitting of region from 3 000-2 800 cm-1 inspectrum of MDM

表2 煤中部分官能團峰面積A及煤結(jié)構(gòu)參數(shù)

6 結(jié) 論

(1)作為煤基油氣資源，富油煤的特殊性主要體現(xiàn)在以脂肪結(jié)構(gòu)為主的富氫結(jié)構(gòu)類型及豐度，其決定了富油煤焦油產(chǎn)出總體規(guī)律。富油煤相比富氫煤具有更廣義的范疇，造成在有限煤階范圍內(nèi)高揮發(fā)分產(chǎn)率、高H/C原子比與高焦油產(chǎn)率不具有單調(diào)且清晰對應(yīng)性，反而對應(yīng)低產(chǎn)氣率和高產(chǎn)水率，這與煤中含氧官能團特征具有密切聯(lián)系。煤層厚度與焦油產(chǎn)率不具有顯著相關(guān)性。

(2)宏觀煤巖類型對焦油產(chǎn)率具有較好的控制性，其本質(zhì)受煤中有機顯微組分與礦物雙重控制，其中光亮煤、半亮-半暗煤焦油產(chǎn)率主要與鏡質(zhì)組呈正相關(guān)性，暗淡煤和夾矸的焦油產(chǎn)率對礦物的響應(yīng)性更高。

(3)陸源碎屑沉積增強不利于煤焦油產(chǎn)出，表現(xiàn)為以SiO，AlO為主要成分的灰分與焦油產(chǎn)率間總體呈負相關(guān)性，陸源碎屑主要以黏土礦物為主。內(nèi)源沉積作用增強使煤灰成分中CaO，MgO質(zhì)量分數(shù)增加，對煤焦油產(chǎn)出具有一定促進作用。FeO(黃鐵礦)雖然對煤熱解具有催化裂解作用，但在研究區(qū)并未表現(xiàn)出與焦油產(chǎn)率的顯著相關(guān)性，反而對產(chǎn)水率具有促進作用。

(4)真密度體現(xiàn)了煤分子網(wǎng)絡(luò)的疏松程度，與焦油產(chǎn)率間呈相對明顯的負相關(guān)性。低密度煤樣表現(xiàn)為/，，，CH/CH參數(shù)相對較小，指示煤中脂肪結(jié)構(gòu)較為豐富、烷基側(cè)鏈豐富的特點。