王 巖，楊承偉，曲思建

( 1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

煤的物理和化學(xué)性質(zhì)由成煤環(huán)境及其成巖作用過程中的變化所決定。成煤地質(zhì)因素直接影響煤炭在煉焦過程中能量輸出和成焦性能的優(yōu)劣。煤炭的清潔高效利用的工藝性質(zhì)根本由變質(zhì)程度和煤巖組成決定，顯微組分的種類和組成等特征的差異，會造成不同的物化性質(zhì)及工藝性能[1-6]。基于我國優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源短缺背景，探討煤巖組分性質(zhì)的差異，可為煤炭的分質(zhì)利用提供依據(jù)。

煉焦用煤的選擇和配比的重點是研究煤中顯微組分的組成和含量，利用鏡質(zhì)組反射率鑒別配煤種類等。煤的顯微組分的組成、分類、含量和成因特征，都會影響煉焦用煤的品質(zhì)，其中顯微組分的種類和含量影響尤為突出[7]。從早古生代到新生代，成煤環(huán)境從淺?！獮I海過渡相—陸相演化，形成的煤在物質(zhì)成分和性質(zhì)等方面也發(fā)生相應(yīng)的變化。晚古生代海陸過渡相形成的煤黏結(jié)性較強，而中生代以來陸相形成的煉焦煤的粘結(jié)性相對較弱。對不同聚煤時代煤巖組分和煤化程度相近的煤進行對比研究后可知，其化學(xué)工藝性質(zhì)，尤其是粘結(jié)性有很明顯的差異，而且煤巖成分不同、煤化程度相近的煤也具有這種特征。這些粘結(jié)性強的煤都形成于海陸過渡相。這種現(xiàn)象不僅表現(xiàn)在不同時代煤之間，而且同一時代、不同沉積環(huán)境的煤還原性也不相同，所以沉積環(huán)境及其沼澤水介質(zhì)的變化是影響煤巖煤質(zhì)發(fā)生變化的重要因素之一。

目前針對地質(zhì)因素對成焦特性的研究僅僅集中表述顯微組分的差異對成焦性質(zhì)的影響，并沒有結(jié)合地質(zhì)因素和成煤環(huán)境等根本控制因素進行討論。針對我國優(yōu)質(zhì)焦煤資源枯竭現(xiàn)實問題，研究地質(zhì)因素對煉焦煤及其成焦特性的影響，用地質(zhì)的視角指導(dǎo)配煤煉焦過程中煤炭的最大化和最優(yōu)化利用，進而提出以煤地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)研究煉焦煤煤巖煤質(zhì)差異性的地質(zhì)地球化學(xué)控制因素(物源性質(zhì)、構(gòu)造沉降、沉積環(huán)境和湖平面變化等)，具有重要意義。本文綜合運用煤化學(xué)、煤巖學(xué)、煤地球化學(xué)方法，通過光學(xué)顯微鏡和煤巖自動分析系統(tǒng)研究了沁水煤田煉焦煤的巖石學(xué)特征。通過工業(yè)分析和灰成分分析確定煉焦煤的主要化學(xué)成分組成和受物源影響程度，并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景和沉積相確定煤巖組分差異、煤質(zhì)特征差異和成焦特性差異的地質(zhì)控制因素。

1 地質(zhì)背景

1.1 層序Ⅰ古地理特征

沁水煤田石炭二疊紀巖相古地理圖如圖1所示，從圖1(a)中看出，本層序發(fā)育有三角洲平原相、障壁島相、潟湖相、潮坪相、和碳酸鹽陸棚相。物源方向主要來自山西省西北部內(nèi)蒙古古陸(陰山古陸)，而海侵方向在沁水煤田北東向。層序Ⅰ的煤層基本發(fā)育在潮坪—潟湖的沉積環(huán)境[8，9]。在聚煤中心區(qū)域內(nèi)泥炭沉積速度和地殼沉降速率有較好的一致性時，泥炭可以此時期連續(xù)發(fā)育，形成的煤層也會較厚；當泥炭堆積速率大于地殼沉降速度，泥炭堆積從聚煤中心向外擴展，并發(fā)展成彼此相連形成基底不平的大型沼澤。

圖1 沁水煤田石炭二疊紀巖相古地理圖

1.2 層序Ⅱ古地理特征

從圖1(b)可知，層序Ⅱ從下至上有河流相，上三角洲平原相，下三角洲平原相，潟湖—潮坪相，障壁島相以及碳酸鹽陸棚相等[10]。物源方向主要來自研究區(qū)西北部的陰山古陸，海侵方向則由山西陽泉以東的地區(qū)轉(zhuǎn)移到山西高平地區(qū)南東方向。上三角洲平原發(fā)育聚煤中心，向海侵方向泥炭沼澤越不發(fā)育。障壁島可以阻止海水的大規(guī)模侵入，使得障壁島后區(qū)域水動力條件不足，水體深度增加，有利于泥炭沼澤和潮坪環(huán)境的發(fā)展。

1.3 層序Ⅲ古地理特征

層序Ⅲ主要的沉積相為沖積平原相、河流相、三角洲平原相、三角洲前緣相、潮坪—潟湖相。物源來自西北向，海侵則來自研究區(qū)東南向。層序Ⅲ的煤主要形成于三角洲平原相，煤層較厚、煤質(zhì)較好，而三角洲前緣及潮坪—潟湖環(huán)境形成的煤層相對較薄。主采煤層形成于三角洲平原環(huán)境的泥炭沼澤中，總體上聚煤條件好，發(fā)育的煤層厚，往三角洲前緣及潮坪—潟湖煤層變薄。

2 煤巖煤質(zhì)特征

2.1 煤巖學(xué)特征

煤的組成比較復(fù)雜，用肉眼觀察可以分辨出不同的宏觀煤巖類型；在鏡下可以分辨出不同的顯微煤巖類型和顯微煤巖類型。鏡質(zhì)組是由植物的木質(zhì)纖維組織受凝膠化作用轉(zhuǎn)化形成的顯微組分(圖2)。低中煤階時，鏡質(zhì)組反射光下呈灰至淺灰色；揮發(fā)分產(chǎn)率較高，黏結(jié)性最好，是煉焦的最主要成分。

圖2 研究區(qū)煤中均質(zhì)鏡質(zhì)體

影響顯微組分的地質(zhì)因素主要有成煤母質(zhì)類型、成煤期氣候環(huán)境、泥炭沼澤環(huán)境，古森林火災(zāi)等因素[11-16]學(xué)術(shù)界現(xiàn)已達成共識是成煤母質(zhì)從根本上決定了顯微組分類型的演化。成煤期的氣候條件可以直接影響到成煤母質(zhì)和聚煤環(huán)境。成煤環(huán)境的氧化-還原性、酸堿度、埋藏速率等對顯微組分有很大的影響，尤其是鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量占比受成煤環(huán)境影響很大。惰質(zhì)組一般是由植物殘骸受到絲炭化作用形成的(圖3)，當成煤植物的組織在積水較少，濕度不足的條件下，木質(zhì)纖維組織經(jīng)脫水作用和緩慢氧化作用，或者受到火焚后，又轉(zhuǎn)入缺氧環(huán)境，經(jīng)進一步煤化作用后形成惰質(zhì)組。煤中兩大組分通常不是獨立存在，經(jīng)常觀察到兩種組分共存(圖4)。

圖3 研究區(qū)煤中絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體

圖4 研究區(qū)煤中鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體共存

2.2 煤質(zhì)特征

研究區(qū)煤的工業(yè)分析和結(jié)焦性結(jié)果見表1。YT煤，GX-2煤，LS-10煤和MY-9煤的平均灰分產(chǎn)率分別為9.12%，8.51%，9.97%和7.81%，均屬于低灰煤；PY-10煤，GX-8煤和 MY-2煤的平均灰分產(chǎn)率為10.25%，10.07%和10.99%?？梢钥吹剑芯繀^(qū)灰分變化不大，產(chǎn)率穩(wěn)定在10%左右。全硫含量變化很大，最低僅為0.47%，最高可達2.65%，山西組和太原組含硫量分異明顯。研究區(qū)煤的平均最大反射率范圍為1.04%～1.64%，煤類主要為焦煤。通過焦炭反應(yīng)性測定和反應(yīng)后強度數(shù)據(jù)可知，同種煤類焦炭的反應(yīng)性和強度大小不一，這就需要從煤巖學(xué)和煤地質(zhì)學(xué)角度去解析。

表1 研究區(qū)煤質(zhì)特征

2.3 成焦特性表征

由表2中膠質(zhì)層厚度及粘結(jié)指數(shù)等指標可以看出，研究區(qū)各煤的粘結(jié)性及流動性較好且差別不大；活惰比從1.038到1.687不等，活性組分含量與反射率有較強的正相關(guān)關(guān)系，活惰比高的煤，反射率較高。焦炭反應(yīng)后強度與活惰比也呈現(xiàn)較強的正相關(guān)性。焦炭的抗碎強度(M40)強度集中在80左右，僅MY煤所得的焦炭抗碎強度為79.2，并且其耐磨強度(M10)最高，達6.8。

表2 研究區(qū)樣品煤焦性質(zhì)

3 煉焦用煤煤質(zhì)的地質(zhì)影響因素

影響煉焦煤質(zhì)特征的主要地質(zhì)因素貫穿于煤炭的發(fā)育、形成、后期改造全過程，煤炭在發(fā)育過程中的差異性保存就會影響煤中顯微組分和無機組分的組成、種類、含量等；煤化作用階段控制著煤炭的變質(zhì)程度、煤級和煤類。從地質(zhì)的角度去探究煉焦用煤的成因、性質(zhì)和利用途徑是解決實際生產(chǎn)中的配煤混亂和不精準問題的關(guān)鍵所在。本次研究主要從源區(qū)物源性質(zhì)、構(gòu)造沉降、沉積環(huán)境和湖平面變化四個方面著手，探討泥炭聚集時期煤質(zhì)差異的主要控制因素。

3.1 源區(qū)母巖性質(zhì)

陸源區(qū)母巖性質(zhì)與主要含煤盆地中發(fā)育的煤層的礦物質(zhì)種類、含量和地球化學(xué)背景值有密切的關(guān)系[17]。相對于成煤環(huán)境穩(wěn)定的地區(qū)，沉積過程對煤炭影響較小，鋁硅比這一地球化學(xué)指標可以有效地反映成煤過程中除原地基底外源巖的性質(zhì)。鋁硅比值在3～8指示源巖主要為基性組分，8～21指示源巖為中性組分，21～70指示源巖為酸性。這個指標廣泛應(yīng)用于各大煤田，例如云南主要煤田[18]、內(nèi)蒙古大青山煤[19]、貴州晚二疊世煤[20]、Kentucky煤[21]以及吉林省煤[22]。諸多研究也應(yīng)用這一指標推斷不同煤田煤的源區(qū)母巖性質(zhì)。研究區(qū)在成煤期遠離陰山物源區(qū)(圖1)，鋁硅比均未超過1(表3)，說明研究區(qū)受物源區(qū)影響很小。

3.2 構(gòu)造沉降速率

聚煤盆地基底的構(gòu)造沉降速率往往控制著泥炭沼澤的形成，進而影響泥炭沼澤的水位、成煤植物的埋藏情況，最終反映在煤的顯微組分差異和無機質(zhì)的含量方面[23]。相較于伸展裂陷或前陸沖斷陡坡帶背景的盆地構(gòu)造部位，大型坳陷或前陸盆地地區(qū)的基底沉降速率明顯較高。伴隨著基底沉降速率，盆地內(nèi)泥炭的堆積速率若與沉積速率相匹配，則泥炭沼澤會穩(wěn)定保持在低水位，保證泥炭堆積持續(xù)發(fā)生，所形成的煤通常具有較高的鏡質(zhì)組含量，無機質(zhì)含量也相對較高。例如我國東北早白堊世、古近系和云南新近系斷陷盆地煤中鏡質(zhì)組含量甚至可以超過90%[24-27]，鄂爾多斯侏羅系大型含煤坳陷盆地煤中鏡質(zhì)組含量一般在40%上下，局部可達60%以上[28，29]。

表3 研究區(qū)煤的灰成分

研究區(qū)印支期地塊總體構(gòu)造格局是近南北方向展布的大型隆起和坳陷(圖1)。分布于隆起帶的煤級較低，如臨汾地區(qū)，分布有長焰煤、氣煤、氣肥煤。而分布在坳陷帶的煤級較高，如長治是中高變質(zhì)煤。山西中部陽泉—太原西山—離石東西一線為中高變質(zhì)煤，南部呂梁山至霍山間的霍西煤田靈石—霍縣一帶，以中變質(zhì)的肥煤、焦煤為主，部分為瘦煤和貧瘦煤。坳陷帶由于受到擠壓和地溫的影響，煤的變質(zhì)程度高，并且呈現(xiàn)高活惰比。所產(chǎn)的焦炭質(zhì)量較好，焦炭的反應(yīng)后強度高，抗碎強度(M40)大，耐磨強度(M10)小等特點。

3.3 沉積水位

泥炭沼澤的覆水程度直接控制沼澤氧化-還原性和無機質(zhì)來源，覆水程度深的沼澤通常處于還原環(huán)境，水體平靜也能沉積較多的無機質(zhì)，在所形成的煤層中鏡質(zhì)組含量、礦物質(zhì)含量相對較高[30-32]。

研究區(qū)山西組煤層形成時，泥炭沼澤以弱氧化或弱還原環(huán)境為主，沼澤覆水淺，水流活動性強；煤相的垂向演化一般由淺覆水滯流沼澤相經(jīng)淺覆水活流沼澤相，進而變?yōu)楦稍镎訚上唷Ｋ?，泥炭堆積時凝膠化作用弱，絲炭化作用強。反映在煤巖組成上，煤中惰質(zhì)組含量增高。也正是由于此特點，導(dǎo)致煤層的黏結(jié)性有差異。山西組煤多具有透鏡狀、線理狀結(jié)構(gòu)和微波狀層理，反映煤相較弱覆水的低位泥炭沼澤特點。研究區(qū)北部在泥炭沼澤發(fā)育時為注水區(qū)，水動力作用較強，水流順著地勢向研究區(qū)中部進發(fā)，水流的定向流動會將形成的凝膠化物質(zhì)帶走，從而降低了煤中的鏡質(zhì)組含量。

研究區(qū)太原組煤中鏡質(zhì)組含量最高，煤中礦物硫鐵礦較多，鏡煤條帶較多，呈較規(guī)則的水平層狀構(gòu)造，反映近海強覆水低位泥炭沼澤的特點。海水的多期次侵入，形成不連續(xù)的三角洲相、瀉湖相、潮坪相等沉積環(huán)境(圖1)，主要為弱還原-還原環(huán)境。太原組形成時，多次的廣泛海侵，使泥炭堆積處于近海型聚煤環(huán)境，受海水影響，沼澤介質(zhì)酸度降低，呈中性或弱堿性，有利于微生物大量繁殖，沼澤中植物殘體木質(zhì)部的生物降解作用顯著增強。植物殘體處于沼澤水上部分遭受腐朽作用向氧化絲質(zhì)體演化。水下部分遭受強烈的生物降解凝膠化作用后，大部分膨脹降解成水溶凝膠。

3.4 揮發(fā)分產(chǎn)率的地質(zhì)影響因素

揮發(fā)分產(chǎn)率在煤化作用中主要受溫度、壓力和時間的影響。隨著煤層埋藏深度的加深，地熱增溫率逐漸增高，揮發(fā)分產(chǎn)率隨之降低。可以發(fā)現(xiàn)，地熱增溫率的高低決定煤的揮發(fā)分產(chǎn)率的高低。在低煤級階段，煤中的揮發(fā)分產(chǎn)率主要受顯微組分的影響；殼質(zhì)組具有最高的揮發(fā)分產(chǎn)率，惰質(zhì)組具有最低的揮發(fā)分產(chǎn)率，鏡質(zhì)組介于兩者之間[33]。但是，隨著變質(zhì)程度的增加，揮發(fā)分呈現(xiàn)降低的趨勢。研究區(qū)煤的揮發(fā)分產(chǎn)率是山西組的揮發(fā)分產(chǎn)率一般都高于太原組煤。顯微煤巖分析結(jié)果表明，煤中惰質(zhì)組含量相對較高，而鏡質(zhì)組含量一般較低。而惰質(zhì)組的揮發(fā)分較鏡質(zhì)組低，如圖5所示。這是因為山西組煤在形成時，泥炭沼澤環(huán)境相對比較干燥導(dǎo)致的。

圖5 揮發(fā)分與最大反射率的關(guān)系

研究區(qū)煤的揮發(fā)分產(chǎn)率在 17%～30%之間，揮發(fā)分產(chǎn)率分布特征為中部低于東部和西部，這與煤類分布呈現(xiàn)相同趨勢。研究區(qū)東部揮發(fā)分出現(xiàn)雙值特征，即同一地區(qū)，不同煤層，揮發(fā)分產(chǎn)率出現(xiàn)最高值和低值。研究區(qū)煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與鏡質(zhì)組含量具有明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖6)，指示煤巖組分的差異在一定程度上影響了揮發(fā)分產(chǎn)率的分布。靈石和長治太原組煤層煤中揮發(fā)分產(chǎn)率普遍高于平遙，介休和古縣的山西組煤層，這種揮發(fā)分產(chǎn)率倒置現(xiàn)象，并非熱作用所致，主要由于太原組煤層形成于相對還原的沼澤環(huán)境，具有相對高的鏡質(zhì)組含量有關(guān)。

圖6 鏡質(zhì)組含量與揮發(fā)分產(chǎn)率的關(guān)系

4 結(jié) 論

1)在煤地質(zhì)研究方面，顯微組分的變化與沉積環(huán)境的氧化還原性、覆水深度等有密切相關(guān)。顯微組分中鏡質(zhì)組形成于強覆水還原條件，惰質(zhì)組形成于氧化條件。結(jié)果顯示，煉焦用煤的工藝性優(yōu)劣取決于顯微組分組成、水體流動性、氧化-還原性及煤相特征，氧化還原性為強還原、淺覆水的低位沼澤環(huán)境條件下煤的鏡質(zhì)組越高，這一結(jié)果對預(yù)測煤的結(jié)焦性具有借鑒意義。

2)地殼運動和構(gòu)造運動影響不同構(gòu)造區(qū)煤的成焦特性。分布于隆起帶的煤級較低，而分布在坳陷帶的煤級較高，坳陷帶由于受到擠壓和地溫的影響，煤的變質(zhì)程度高，并且呈現(xiàn)高活惰比。所產(chǎn)的焦炭質(zhì)量較好，焦炭的反應(yīng)后強度高，抗碎強度大，耐磨強度小等特點。

3)煉焦煤的工藝性質(zhì)實質(zhì)上就是煤的顯微組分組成和煤化程度的反映。煤巖學(xué)的手段和方法在探究煤的形成過程之時也同樣解釋了煤炭利用方式不同的根本差異。今后隨著科技的進步，煤分子結(jié)構(gòu)研究必然是發(fā)展方向，基于煤巖組分尺度上的研究基礎(chǔ)，分子結(jié)構(gòu)尺度的研究必定會為煤化工的綠色高效發(fā)展提供新的機遇和挑戰(zhàn)。