馬新濤， 魏迎春， 孟 濤

(1.山東能源集團(tuán)營(yíng)銷貿(mào)易有限公司，濟(jì)南 250014；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)決定了煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，且短期內(nèi)難以被全面取代[1-3]。隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)及“雙碳”政策的實(shí)施，對(duì)煤炭進(jìn)行清潔高效利用已成為我國(guó)煤炭工業(yè)綠色發(fā)展的必由之路[4-6]。煤炭的煤相特征決定了其煤質(zhì)特征，進(jìn)而決定了煤的質(zhì)量特征、工藝性質(zhì)及轉(zhuǎn)化利用方式[7-13]。因此，研究煤巖煤質(zhì)與煤相特征對(duì)煤炭的清潔高效利用具有重要意義。

魯西南煤田煤炭資源豐富[14-15]，東灘煤礦位于魯西南煤田聚煤盆地的東南部，是重要的煤炭資源基地[16]。目前關(guān)于東灘煤礦的研究多集中在構(gòu)造和水文地質(zhì)方面[17-18]，關(guān)于東灘煤礦煤巖煤質(zhì)特征和煤相分析較少。為此，筆者以東灘煤礦3上煤層樣品為研究對(duì)象，研究了東灘煤礦3上煤的煤巖、煤質(zhì)和煤相特征，探討了東灘煤礦3上煤的成煤環(huán)境，為該區(qū)煤炭資源的綜合評(píng)價(jià)和清潔利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

魯西南煤田位于華北地臺(tái)魯西古隆起西南角，區(qū)域構(gòu)造屬華北板塊魯西臺(tái)背斜西南部，東灘煤礦在礦區(qū)劃分上隸屬于兗州礦區(qū)，是于晚古生代發(fā)育在華北地臺(tái)的聚煤盆地東南部魯西南煤田的一部分[19]。東灘煤礦位于兗州向斜的南部，區(qū)內(nèi)較多發(fā)育次一級(jí)褶皺和斷裂[20-21](圖1)。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，其中山西組中下部3號(hào)煤在研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定分布，其上部分支煤層3上煤平均厚度約4.7m，是區(qū)內(nèi)主要可采煤層。

圖1 東灘煤礦區(qū)域位置和構(gòu)造綱要圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[21]修改)Figure 1 Dongtan coalmine regional position and structural outline map(after reference[21], modified)

2 樣品采集與測(cè)試

樣品采自魯西南煤田東灘煤礦3上煤層的采煤工作面，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 482—2008《煤層煤樣采取方法》自上而下進(jìn)行刻槽采樣，共計(jì)13件，包括11個(gè)煤樣，1個(gè)頂板樣和1個(gè)底板樣品。所有采集的樣品在采集后被立即儲(chǔ)存在密封袋中，以避免樣品被污染和氧化。

對(duì)采集的煤樣首先進(jìn)行宏觀特征描述和宏觀煤巖類型劃分，其次進(jìn)行煤的相關(guān)測(cè)試分析，其中工業(yè)分析基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T212—2008《煤的工業(yè)分析方法》中規(guī)定的要求進(jìn)行，煤中全硫及各種形態(tài)硫含量的測(cè)定參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T214—2007《煤中全硫的測(cè)定方法》和GB/T215—2003《煤中各種形態(tài)硫的測(cè)定方法》。煤樣中的顯微組分鑒定依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15588—2013《煙煤顯微組分分類》和GB/T8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測(cè)定方法》，在油浸反射光的條件下，按固定步長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)不少于500個(gè)點(diǎn)，以各顯微組分和礦物的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)占總有效點(diǎn)數(shù)的百分?jǐn)?shù)(視為體積分?jǐn)?shù))為煤樣中顯微組分含量的最終鑒定結(jié)果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試均在中國(guó)煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 煤巖煤質(zhì)特征

3.1 煤巖特征

東灘煤礦3上煤鏡質(zhì)體反射率為0.62%，屬于低煤階煙煤(氣煤)。煤層中部宏觀煤巖類型為半亮煤和半暗煤，向頂?shù)装逯饾u過(guò)渡為暗淡煤。東灘煤礦3上煤層樣品測(cè)試分析結(jié)果見(jiàn)表1。東灘煤礦3上煤樣的顯微煤巖組分中有機(jī)質(zhì)含量較高，平均含量達(dá)到了90%以上，其中以鏡質(zhì)組含量為主，其次為惰質(zhì)組，殼質(zhì)組含量最低，無(wú)機(jī)組分以黏土類礦物為主，碳酸鹽類礦物次之。鏡質(zhì)組含量最高為25.0%～70.8%，平均值為48.7%，主要以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主；惰質(zhì)組含量為14.9%～50.4%，平均值為33.1%；殼質(zhì)組含量最少，其含量為6.3%～18.9%，平均值為10.8%；礦物含量為5.0%～10.7%，平均值為7.5%。其中3上煤鏡質(zhì)組主要由基質(zhì)鏡質(zhì)體(圖2a)組成，均質(zhì)鏡質(zhì)體(圖2b)和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體(圖2c)含量較少，偶見(jiàn)團(tuán)塊鏡質(zhì)體和膠質(zhì)鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組主要由半絲質(zhì)體(圖3a)組成，碎屑惰質(zhì)體(圖3b)和氧化絲質(zhì)體(圖3c)含量較少，偶見(jiàn)粗粒體和微粒體。殼質(zhì)組組分含量相對(duì)較少，主要由小孢子體(圖4a)組成，其次是角質(zhì)體(圖4b)和樹(shù)脂體(圖4c)，偶見(jiàn)樹(shù)皮體和瀝青質(zhì)體。礦物質(zhì)主要為黏土類礦物(圖5a)為主，黏土類礦物較多以浸染的形式充填于均質(zhì)鏡質(zhì)體中，少量充填裂隙或胞腔中；黃鐵礦常充填于裂隙和細(xì)胞腔中(圖5b)；在裂隙和細(xì)胞腔中可見(jiàn)方解石充填(圖5c)，偶見(jiàn)也發(fā)現(xiàn)石英存在。

a.基質(zhì)鏡質(zhì)體 b.均質(zhì)鏡質(zhì)體 c.結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體

a.半絲質(zhì)體 b.碎屑惰質(zhì)體 c.氧化絲質(zhì)體

a.小孢子體 b.角質(zhì)體 c.樹(shù)脂體

a.黏土類 b.黃鐵礦 c.方解石

表1 東灘煤礦3上煤樣品測(cè)試分析

3.2 煤質(zhì)特征

東灘煤礦3上煤層煤樣屬于低灰分-特低灰分、高揮發(fā)分、低硫煤。原煤水分(Mad)為1.88%～2.31%，平均水分含量為2.06%，垂向上變化不明顯(圖6)，在煤層中部達(dá)到最大值；原煤灰分(Ad)為7.46%～17.26%，平均灰分含量為10.17%，為低灰-特低灰煤，在DT-3號(hào)煤樣有異常高值，靠近頂板灰分低于靠近底板灰分含量(圖6)；原煤揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率為35.78%～41.70%，平均揮發(fā)分產(chǎn)率為38.63%，屬于高揮發(fā)分煤，煤層下部揮發(fā)分產(chǎn)率高于煤層上部(圖6)；原煤全硫(St.d)含量為0.46%～0.76%，平均全硫含量為0.58%，屬于低硫煤，煤層中全硫含量在頂?shù)装甯浇兄饾u增高的趨勢(shì)并保持較高的含量(圖6)。形態(tài)硫測(cè)試表明，3上煤中硫分以黃鐵礦硫?yàn)橹?，其次為有機(jī)硫，且靠近頂板附近，有機(jī)硫出現(xiàn)異常高值，而黃鐵礦硫在頂?shù)装甯浇性龈叩内厔?shì)，煤分層的硫含量變化受有機(jī)硫和黃鐵礦硫的控制(圖6)。

圖6 東灘煤礦3上煤層煤巖煤質(zhì)特征垂向變化Figure 6 Coal No.3U coal petrology and coal quality features vertical variation in Dongtan coalmine

4 煤相指標(biāo)特征及煤相演化序列

4.1 煤相指標(biāo)特征

本文選擇了7種煤相參數(shù)指標(biāo)，各參數(shù)計(jì)算方法及表征沼澤特征敘述如下，主采煤層的煤相劃分主要依據(jù)以下參數(shù)的變化：①凝膠化指數(shù)(GI)；②結(jié)構(gòu)保存指數(shù)(TPI)；③植被指數(shù)(VI)；④地下水影響指數(shù)(GWI)；⑤鏡惰比指數(shù)(V/I)；⑥流動(dòng)性指數(shù)(MI)；⑦T-D-F圖等。

(1)GI-TPI圖分析

Diessel所提出的GI-TPI圖是引用較廣泛的煤相分析方法[22]。該方法是利用煤層的煤巖學(xué)標(biāo)志(主要是顯微煤巖組分含量)，引入兩個(gè)定量化參數(shù)GI和TPI來(lái)反映不同環(huán)境下形成的煤相類型。將TPI=1作為森林沼澤和低位沼澤(蘆葦草沼)的界線，GI=1作為潮濕型沼澤與干燥型沼澤的界線(圖7)。

從GI-TPI圖可以看出，東灘煤礦3上煤分層樣大部分分布在潮濕草本沼澤相(低位泥炭沼澤)中，只有DT-02、DT-03落在干燥森林沼澤相，說(shuō)明泥炭沼澤環(huán)境整體較為穩(wěn)定。除DT-02、DT-03、DT-11的凝膠化指數(shù)(GI)小于1外，其余樣品GI<5表明泥炭沼澤環(huán)境整體覆水程度較深，除DT-02和DT-03樣品TPI>1外，其余樣品TPI<1，反映成煤植物為草木混生，且以草本植物為主。

TPI

(2)GWI-VI圖分析

Calder提出地下水影響指數(shù)和植物指數(shù)來(lái)表征泥炭沼澤類型[23]，即將VI=1作為草本植物和木本植物界線，用GWI=1作為森林沼澤與流水沼澤的界線，東灘煤礦3上煤層GWI-VI圖如圖8所示。

圖8 3上煤GWI-VI圖Figure 8 Coal No.3U GWI-VI diagram

從GWI-VI圖可以看出，東灘煤礦3上煤地下水影響指數(shù)較低(介于0.1～0.5)，地下水動(dòng)力條件較弱，對(duì)沼澤水的補(bǔ)給較弱，泥炭沼澤整體處于貧營(yíng)養(yǎng)程度。植物指數(shù)VI均小于1，成煤植物以草本植物為主。

(3)T-D-F圖分析

M.B.Silva根據(jù)T-D-F圖將煤層分為潮濕森林沼澤、開(kāi)放沼澤和陸地森林沼澤三大類煤相類型[24]。一般潮濕森林沼澤通過(guò)高的T值反映，開(kāi)放沼澤通過(guò)高的D值反映，陸地森林沼澤通過(guò)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)。

東灘煤礦3上煤層T-D-F圖如圖9所示，東灘煤礦3上煤各分層T-D-F主要分布在陸地森林沼澤和開(kāi)放沼澤之間，F(xiàn)值為30%～67%，平均為54%，D值次之，為23%～54%，平均38%，T值相對(duì)較小，為1%～16%，平均9%，整體變化較大，反映泥炭沼澤環(huán)境干燥與潮濕氣候交替出現(xiàn)，變化頻繁，外來(lái)碎屑物質(zhì)供應(yīng)相對(duì)較少。

圖9 3上煤T-D-F圖Figure 9 Coal No.3U T-D-F diagram

(4)鏡惰比分析

鏡惰比是鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的比值(V/I)，是成煤泥炭遭受氧化程度的參數(shù)[25]。一般來(lái)說(shuō)，鏡質(zhì)組所代表的是一種潮濕的還原環(huán)境，惰質(zhì)組所代表的是一種干燥氧化環(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。

東灘煤礦3上煤各煤分層鏡惰比V/I為0.5～4.5，變化幅度較大。成煤初期，DT-11煤鏡惰比0.85，屬于弱覆水環(huán)境，氧化作用占主導(dǎo)地位，向上泥炭沼澤環(huán)境經(jīng)歷了突然性的水進(jìn)，DT-10鏡惰比升高至4.57，過(guò)渡為強(qiáng)覆水環(huán)境。成煤中期，DT-10—DT-05的鏡惰比由高-低-高發(fā)生變化，總體大于1，覆水深度也相應(yīng)地出現(xiàn)強(qiáng)覆水-覆水-強(qiáng)覆水的變化。成煤后期，煤分層鏡V/I為0.5～1.51，覆水深度有所下降，經(jīng)歷了由高—低—高的變化，泥炭沼澤環(huán)境相應(yīng)的由極潮濕—覆水到潮濕—弱覆水再到極潮濕—覆水發(fā)生變化。

4.2 煤相演化序列

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)東灘煤礦3上煤層進(jìn)行了煤相劃分，東灘煤礦3上煤層的煤相類型包括潮濕草本沼澤相和干燥森林沼澤相，煤相垂向自下而上經(jīng)歷潮濕草本沼澤相—干燥森林沼澤相—潮濕森林沼澤相等3個(gè)演化階段(圖10)。

圖10 3上煤層煤相柱狀圖Figure 10 Coal No.3U coal facies column

第一階段為潮濕草本沼澤相，對(duì)應(yīng)樣品DT-11至DT-04、VI<1，TPI<1，表明成煤植物以草本植物為主。宏觀煤巖類型以半亮煤和半暗煤為主，V/I為0.85～4.57，GI為0.93～4.96，表明沼澤覆水較深，為潮濕-弱覆水和極潮濕-覆水環(huán)境，凝膠化作用較強(qiáng)。GWI為0.13～0.42，表明地下水動(dòng)力條件較弱，對(duì)沼澤的補(bǔ)給較少，為貧營(yíng)養(yǎng)程度。MI為0.12～0.50，反映沼澤水流動(dòng)性較弱，主要為停滯相。

第二階段為干燥森林沼澤相，對(duì)應(yīng)樣品DT-03至DT-02。VI為0.87～0.96，TPI>1，表明成煤植物為草木混生型，且以木本植物為主。宏觀煤巖類型為暗淡煤，V/I為0.50～0.57，GI為0.51～0.58，表明沼澤覆水較淺，為潮濕弱覆水環(huán)境，絲炭化作用較強(qiáng)。GWI為0.33～0.42表明地下水動(dòng)力條件較弱，為貧營(yíng)養(yǎng)程度。MI為0.92～1.10，反映沼澤水流動(dòng)性較強(qiáng)。

第三階段為潮濕草本沼澤相，對(duì)應(yīng)樣品DT-01，VI=0.47，TPI=0.49，表明成煤植物以草本植物為主。宏觀煤巖類型為暗淡煤，VI為1.51，GI為1.53，表明沼澤覆水較深，為極潮濕-覆水環(huán)境，凝膠化作用較強(qiáng)。GWI為0.20，表明地下水動(dòng)力條件較弱，對(duì)沼澤的補(bǔ)給較少，為貧營(yíng)養(yǎng)程度。MI為0.36，反映沼澤水流動(dòng)性較弱，主要為較停滯相。

5 煤的清潔利用方向

通過(guò)對(duì)東灘煤礦3上煤層煤樣的煤巖、煤質(zhì)等指標(biāo)分析，東灘煤礦3上煤層的煤為低煤階煙煤(氣煤)，屬于低灰分-特低灰分、高揮發(fā)分、低磷、低硫煤。針對(duì)“雙碳”目標(biāo)，從煤炭清潔利用方向，評(píng)價(jià)東灘煤礦3上煤層煤炭利用的適宜性。參照(GB/T397—2009)《煉焦用煤技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，3上煤層原煤各指標(biāo)均能達(dá)到煉焦用煤的要求(表2)，宜作煉焦用煤。參照(GB/T23810—2009)《直接液化用原料煤技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，東灘煤礦3上煤層原煤各指標(biāo)均能達(dá)到直接液化用煤的要求(表2)，可作直接液化用煤。參照(GB/T29721—2013)《流化床氣化用原料煤技術(shù)條件》和(GB/T9143—2008)《常壓固定床氣化用煤技術(shù)條件》，根據(jù)不同氣化工藝對(duì)煤質(zhì)的要求，東灘煤礦3上煤層原煤黏結(jié)性指數(shù)GR.I為61，超過(guò)了50，不宜直接作為氣化用煤。

表2 3上原煤指標(biāo)與煉焦用煤和直接液化用煤指標(biāo)要求

6 結(jié)論

1)東灘煤礦3上煤層煤樣屬于低灰分-特低灰分、高揮發(fā)分、低硫煤，垂向上原煤水分(Mad)含量變化不明顯，灰分(Ad)和揮發(fā)分(Vdaf)產(chǎn)率表現(xiàn)為煤層上部較低、下部較高，硫分(St.d)在頂?shù)装甯浇兄饾u增高的趨勢(shì)并保持較高的含量。

2)東灘煤礦3上煤中顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主、惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量最少，煤中礦物組成主要以黏土類礦物為主，其次為碳酸鹽類礦物和黃鐵礦。

3)東灘煤礦3上煤中成煤植物主要為草本和草木混生型，煤相自下而上經(jīng)歷了潮濕草本沼澤相-干燥森林沼澤相-潮濕森林沼澤相3個(gè)演化階段。

4)針對(duì)“雙碳”目標(biāo)，從煤炭清潔利用方向，東灘煤礦3上煤層的煤適宜作煉焦用煤和直接液化用煤。