楊 雪 韓明輝

（1.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550008；2.貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽(yáng) 550008）

0 引言

金沙縣是貴州省重要的煤炭生產(chǎn)基地之一，上二疊統(tǒng)煤層分布廣泛，煤類以無煙煤為主，儲(chǔ)量巨大。通過煤中的煤質(zhì)參數(shù)特征研究，在分析煤炭資源清潔利用、成煤環(huán)境識(shí)別和礦產(chǎn)綜合開發(fā)等方面已取得較大進(jìn)展［1-5］。近年來，對(duì)金沙縣官田壩向斜的含煤地層特征、煤質(zhì)特征、硫元素分析等已開展少量研究工作［6-8］，但缺乏對(duì)該區(qū)龍?zhí)督M煤層中硫分、灰分等煤質(zhì)參數(shù)與成煤沉積環(huán)境的關(guān)系研究。筆者以官田壩向斜地質(zhì)勘查時(shí)期取得的大量煤層工業(yè)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究該區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M主采煤層中煤質(zhì)參數(shù)對(duì)成煤沉積環(huán)境的指示意義。

1 地質(zhì)背景

貴州省金沙縣官田壩向斜位于揚(yáng)子陸塊內(nèi)部的黔北臺(tái)隆遵義斷拱中部，次級(jí)構(gòu)造單元屬于畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造形跡為一系列南西向及北西向的斷裂和北東向的褶皺。區(qū)域主體構(gòu)造為官田壩向斜，在該向斜南東翼，北西向和南西向的斷裂構(gòu)造交錯(cuò)展布，廣泛發(fā)育［7］155。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為區(qū)內(nèi)主要的含煤地層，厚度介于87.66～140.72 m，平均為115.90 m。龍?zhí)督M含煤地層有6～15 層，一般為10 層，含煤總厚度介于3.43～14.01 m，平均為6.88 m，含可采煤層5 層，可采煤層總厚度為2.70～11.72 m。上覆地層為上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組，下伏地層為中二疊統(tǒng)茅口組。從上到下為4、7、9、13、15 號(hào)煤層，巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、泥巖、煤層為主［7］155（圖1）。區(qū)內(nèi)煤層較穩(wěn)定，各煤層熱演化程度高，煤類均為無煙煤（WY3）。

2 研究方法

圖1 官田壩向斜某鉆孔龍?zhí)督M地層綜合柱狀圖

試驗(yàn)樣品均來自官田壩向斜鉆孔。針對(duì)研究區(qū)5層可采煤層，本次收集了117個(gè)煤層樣品的工業(yè)分析參數(shù)（水分、灰分、揮發(fā)分）、全硫分、灰成分測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析統(tǒng)計(jì)，考慮到數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性，本次工作統(tǒng)計(jì)了該煤層樣品測(cè)試數(shù)據(jù)的最大值、最小值，而某一煤層最后的煤質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)由該區(qū)不同鉆孔中該煤層樣品測(cè)試數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值求得。煤層樣品的工業(yè)分析參數(shù)（水分、灰分和揮發(fā)分）試驗(yàn)依據(jù)《煤的工業(yè)分析方法：GB／T212—2008》測(cè)定；煤層中全硫分采用庫(kù)倫測(cè)硫儀測(cè)定；各種形態(tài)硫依據(jù)《煤中全硫測(cè)定方法：GB／T214—2007》測(cè)定；煤灰成分依據(jù)《煤灰成分分析法：GB／T1574—2007》測(cè)定。

3 煤的化學(xué)性質(zhì)特征及成煤沉積環(huán)境分析

已有大量研究表明，煤質(zhì)參數(shù)特征對(duì)成煤沉積環(huán)境的分析和判斷具有重要意義［9-12］，眾多學(xué)者根據(jù)煤層樣品中硫分組成與分布［13-18］、灰分分布與組成及其變化規(guī)律進(jìn)而推測(cè)成煤環(huán)境［19-21］，曹志德［22］、王勝建［23］等分別探討了黔北安洛勘探區(qū)、林華地區(qū)元素特征與成煤沉積環(huán)境的關(guān)系。筆者基于金沙縣官田壩向斜主力煤層的大量硫分、灰分等煤質(zhì)參數(shù)，分析該區(qū)上二疊統(tǒng)主采煤層的煤質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律，探討其對(duì)成煤沉積環(huán)境的意義。

3.1 煤的化學(xué)性質(zhì)概況

5個(gè)可采煤層樣品的水分、灰分、揮發(fā)分及全硫分含量均值相似（表1）。全區(qū)煤層樣品的空氣干燥基水分含量變化較小，范圍為0.42%～3.68%，平均值為1.24%；干燥基全硫分含量為1.47%～11.70%，平均為8.97%；干燥基灰分含量為7.83%～38.35%，平均為23.10%?？傮w上屬于特低全水分、低灰—中灰分、中硫—高硫分、特低揮發(fā)分煤。

表1 可采煤層樣品工業(yè)分析和硫分組分表

3.2 硫分特征及成煤沉積環(huán)境分析

3.2.1 硫分特征

全區(qū)煤層全硫分含量變化較大，根據(jù)《煤炭質(zhì)量分級(jí)：GB／T15224.2-2010》中煤炭資源硫分分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)判斷，從中硫分煤（1.01%～2.00%）到高硫分煤（大于3.00%）均有分布?？v向上各個(gè)煤層干燥基全硫分平均值表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)。全硫分頻率分布較為接近（圖2），表現(xiàn)出中硫煤、中高硫煤和高硫煤頻率分布依次遞增的規(guī)律。各煤層均以高硫煤為主、中高硫煤次之，特別是13 號(hào)煤，高硫煤占比達(dá)84.00%，中硫煤占比較小。

圖2 不同煤層干燥基全硫分分布圖

硫分組成由多到少為黃鐵礦硫、有機(jī)硫、硫酸鹽硫。全硫分平均值的縱向變化規(guī)律與黃鐵礦硫一致（圖3）。黃鐵礦硫含量與全硫分含量呈線性正相關(guān)（圖4a）；有機(jī)硫含量與全硫分含量無明顯相關(guān)性（圖4b）。說明硫的組分以黃鐵礦硫?yàn)橹?，有機(jī)硫較少。

圖3 不同煤層干燥基全硫分和灰分平均值變化圖

圖4 煤層樣品中黃鐵礦硫、有機(jī)硫與全硫分含量的關(guān)系圖

3.2.2 硫分的成煤沉積環(huán)境分析

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，各個(gè)煤層中全硫分平均值在縱向上的變化趨勢(shì)反映了不同地質(zhì)歷史時(shí)期煤層受海水影響的程度［24-25］，干燥基全硫分值低反映煤層受海水影響程度較弱，全硫分值高則反映煤層受海水影響程度較強(qiáng)。研究區(qū)內(nèi)不同煤層干燥基全硫分的平均值縱向上表現(xiàn)為先降低后升高的變化規(guī)律（圖3），龍?zhí)督M上部的4號(hào)煤、7號(hào)煤干燥基全硫分平均值較低（小于4.10%），表明該煤層形成時(shí)期受海水影響較小，而9 號(hào)煤、13 號(hào)煤、15 號(hào)煤干燥基全硫分平均值比較高，接近于5%或者大于5%，表明煤層受海水影響程度相對(duì)較大。研究表明，灰?guī)r的出現(xiàn)總是與煤層全硫分增大嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，從圖1可見，下部的9號(hào)煤至15 號(hào)煤之間多以灰?guī)r、碳質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖等為主，推斷9 號(hào)煤、13 號(hào)煤和15 號(hào)煤形成時(shí)期受海水活動(dòng)影響較強(qiáng)，導(dǎo)致全硫分逐漸升高，此階段屬于海進(jìn)期，形成潟湖相環(huán)境。7 號(hào)煤全硫分較低，為3.12%，且低于4 號(hào)煤，巖性以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，推測(cè)可能形成于相對(duì)短暫的海退期，之后海水活動(dòng)緩慢增強(qiáng)，形成4號(hào)煤，導(dǎo)致全硫分含量升高，直至出現(xiàn)灰?guī)r，沉積環(huán)境發(fā)生變化，由潮坪相過渡至碳酸鹽臺(tái)地。

不同沉積環(huán)境下形成的煤層不僅全硫分含量不同，硫分組成也有一定的變化規(guī)律。學(xué)者對(duì)貴州西部煤硫分分布的研究表明，三角洲、潮坪等濱海環(huán)境下形成的中高硫煤（硫分0.60%～4.00%）以黃鐵礦硫?yàn)橹?，黃鐵礦硫占全硫分比重的50%～80%，有機(jī)硫占全硫分比重的8%～67%。研究區(qū)內(nèi)各煤層樣品硫分中黃鐵礦硫所占比例在62%～95%（圖4），雖然個(gè)別煤層中有機(jī)硫含量有所升高，但是總體上，其占全硫分含量的比重仍比黃鐵礦硫低，因此，根據(jù)煤層硫分分析認(rèn)為研究區(qū)龍?zhí)督M煤層形成于潮坪—潟湖相。

3.3 灰分特征及成煤沉積環(huán)境分析

3.3.1 灰分特征

各煤層干燥基灰分含量變化較大。根據(jù)《煤炭質(zhì)量分級(jí)：GB／T15224.2-2010》中煤炭資源灰分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，煤層灰分分布在特低灰煤（小于等于10.00%）和中高灰煤（30.01%～40.00%）之間，且以低灰煤和中灰煤為主。各煤層干燥基灰分的平均值表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)，與干燥基全硫分變化規(guī)律一致。不同煤層不同級(jí)灰分分布頻率有所變化（圖5），其中，4號(hào)煤和7號(hào)煤灰分分布頻率比較接近，表現(xiàn)為以低灰煤為主，特別是7 號(hào)煤，低灰煤占比達(dá)77.78%。13 號(hào)煤和15 號(hào)煤灰分分布頻率比較接近，表現(xiàn)為以中灰煤為主，特別是13 號(hào)煤，中灰煤占比達(dá)70.59%。

圖5 不同煤層干燥基灰分分布圖

不同煤層的干燥無灰基揮發(fā)分變化不大，變化范圍為6.19%～14.88%，平均為8.97%，屬于低—中等揮發(fā)分煤，這與該區(qū)煤類均為無煙煤相符合。

官田壩向斜煤層樣品中的各常量元素氧化物含量測(cè)試結(jié)果見表2，從表2 可知，各煤層中灰分常量元素含量略有差異：SiO2、Al2O3和Fe2O3含量較高，其中SiO2含量最高。4號(hào)煤、7號(hào)煤、9號(hào)煤的灰分含量較為一致，13 號(hào)煤和15 號(hào)煤的灰分含量更為接近，這可能是4 號(hào)煤、7 號(hào)煤、9 號(hào)煤的成煤沉積環(huán)境與13號(hào)煤、15號(hào)煤有所不同。

通過元素富集指數(shù)（C=煤／中國(guó)煤）可以反映元素富集程度，元素富集程度可分為6 級(jí)：C 小于0.5為虧損，C大于等于0.5且小于等于2表示相似，C大于2 且小于等于5 表示輕度富集，C 大于5 且小于等于10 表示富集，C 大于10 且小于等于100 表示高度富集［24］108。對(duì)比中國(guó)地區(qū)煤層均值（圖6），總的來說，SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 表 現(xiàn) 為 輕 度 富 集，其 中Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同煤層中的元素豐度存在差異，4號(hào)煤和13 號(hào)煤均表現(xiàn)為富集，7 號(hào)煤表現(xiàn)為相似，CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在13 號(hào)煤和15 號(hào)煤表現(xiàn)為富集，7 號(hào)煤與中國(guó)煤相似。MgO除在7號(hào)煤和9號(hào)煤表現(xiàn)為輕度富集，其他煤層均表現(xiàn)為富集。

3.3.2 灰分的成煤沉積環(huán)境分析

煤的灰分組成常以Ca、Mg、Si、Fe、Al、K 等常量元素的氧化物表示，元素與其氧化物在種類、數(shù)量上具有一定的相關(guān)性，水動(dòng)力、水體氧化還原、古氣候與古鹽度等條件在沉積過程中會(huì)影響元素富集［18］22。因此煤的灰成分中的一些參數(shù)比值可在一定程度上反映成煤環(huán)境特征，如SiO2／Fe2O3、CaO／MgO、（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）等。

根 據(jù) 學(xué) 者 的 研 究 表 明［25］27，當(dāng)（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）在0.03～0.22 時(shí)，反映了煤層形成于陸相沼澤環(huán)境，受海水影響較弱，反之，當(dāng)比值介于0.23～1.23 時(shí)，反映煤層受到較強(qiáng)的海水影響，形成于障壁島—潮坪—潟湖沼澤環(huán)境。葉道敏等學(xué)者通過對(duì)西南地區(qū)煤灰與成煤沉積環(huán)境的關(guān)系分析［26］得出，當(dāng)（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）大于或等于0.23 時(shí)，說明受海水影響較強(qiáng)，形成泥炭沼澤，當(dāng)（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）小于0.23 時(shí)，說明受海水影響較弱，形成陸相泥炭沼澤。研究區(qū)內(nèi)可采煤層樣品中煤灰成分參數(shù)（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）均大于0.23，表明成煤環(huán)境是沼澤環(huán)境，并且不同煤層全硫分均值與（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）灰成分參數(shù)均值的垂向變化規(guī)律基本趨于一致，總體表現(xiàn)為先降低后升高（圖7），反映了不同煤層的成煤環(huán)境有所差異。

表2 煤層樣品中常量元素氧化物含量統(tǒng)計(jì)表

圖6 各煤層常量元素富集程度圖

圖7 不同煤層全硫分和灰成分參數(shù)均值變化規(guī)律圖

綜合區(qū)內(nèi)主要煤層煤質(zhì)參數(shù)、巖性特征和區(qū)域沉積背景分析認(rèn)為，4 號(hào)煤、7 號(hào)煤受海水影響較弱，其成煤沉積環(huán)境為潮坪相泥炭沼澤，9號(hào)煤、13號(hào)煤、15 號(hào)煤受海水影響較強(qiáng)，其成煤沉積環(huán)境為潟湖相泥炭沼澤。

4 結(jié)論

1）研究區(qū)龍?zhí)督M煤層總體上屬于特低全水分、低灰—中灰分、中硫—高硫分、特低揮發(fā)分煤，煤類為無煙煤三號(hào)（WY3）。

2）煤層硫分以高硫煤為主，9 號(hào)煤、13 號(hào)煤、15 號(hào)煤干燥基全硫分平均值明顯高于4 號(hào)煤、7 號(hào)煤，硫分組成以黃鐵礦硫?yàn)橹鳎c全硫分含量呈線性正相關(guān)關(guān)系。4號(hào)煤和7號(hào)煤灰分分布頻率比較接近，表現(xiàn)為以低灰煤為主，13 號(hào)煤和15 號(hào)煤灰分分布頻率比較接近，表現(xiàn)為以中灰煤為主。

3）不同煤層灰成分中的常量元素氧化物以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主，與中國(guó)地區(qū)煤層均值相比，SiO2、Al2O3表現(xiàn)為輕度富集，F(xiàn)e2O3和CaO 表現(xiàn)為富集或相似。MgO在7號(hào)煤和9號(hào)煤表現(xiàn)為輕度富集，在其他煤層表現(xiàn)為富集。

4）縱向上，不同煤層全硫分均值與（Fe2O3+CaO+MgO）／（Al2O3+SiO2）灰成分參數(shù)均值的垂向變化規(guī)律基本趨于一致，總體表現(xiàn)為先降低后升高，反映了不同煤層的成煤環(huán)境有所差異。綜合分析認(rèn)為，4 號(hào)煤、7 號(hào)煤受海水影響較弱，其成煤沉積環(huán)境為潮坪相泥炭沼澤，9號(hào)煤、13號(hào)煤、15號(hào)煤受海水影響較強(qiáng)，其成煤沉積環(huán)境為潟湖相泥炭沼澤。