川南煤田河壩礦段晚二疊世主要煤層中硫分含量及其形成因素分析

戴勝群,張行昱 (油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué)),湖北武漢 430100)

祝旭雙 (四川省煤田地質(zhì)局135五隊,四川瀘州 646000)

川南煤田河壩礦段晚二疊世主要煤層中硫分含量及其形成因素分析

戴勝群,張行昱 (油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué)),湖北武漢 430100)

祝旭雙 (四川省煤田地質(zhì)局135五隊,四川瀘州 646000)

研究硫的含量及其形態(tài)、成因是煤質(zhì)工作的重點。對川南煤田河壩礦段晚二疊世含煤地層中主要煤層的硫分含量及其形成因素進行了分析研究。河壩礦段含煤巖系主要為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l),為海陸交互相沉積,其中第1段(P3l1)和第3段(P3l3)為主要含煤層段。其主要煤層中硫的賦存形態(tài)以硫化鐵(黃鐵礦)硫(Sp)為主,有機硫(So)次之;煤層硫分含量在垂向上與可采煤層的分布具有相似性:含煤巖系上部C10～C11煤層及下部C24～C25煤層含硫較高;在平面分布上規(guī)律性不明顯。其原因主要受控于該區(qū)所處的大地構(gòu)造體系及海水的進退以及由此而形成的各種原生沉積環(huán)境。此外,后期斷層的擠壓和破壞、地表淺層風(fēng)氧化裂隙及鉆探工藝等因素也對其含量和變化有較大影響。

川南煤田;河壩礦段;硫分;形成因素;沉積環(huán)境

硫是煤中的有害雜質(zhì),煤質(zhì)分析時要充分研究硫的含量及其形態(tài),以便為煤的工業(yè)用途作初步評價。河壩礦段內(nèi)含有豐富的煤炭和硫鐵礦資源,區(qū)內(nèi)可采煤層主要為中硫～中高硫煤。礦段已經(jīng)進行了部分勘查工作,取得了較豐富的地質(zhì)資料,筆者嘗試對所取得的地質(zhì)資料進行分析,對礦區(qū)內(nèi)硫分與主要煤層的賦存關(guān)系及影響其變化的控制因素進行研究。

1 區(qū)域概況

河壩礦段位于川南煤田古敘礦區(qū)西南部,礦區(qū)面積約248km2。2007～2009年在礦區(qū)內(nèi)進行了普查勘查,2013年至今正在礦區(qū)內(nèi)進行詳查勘查工作。礦段出露最新地層為第四系全新統(tǒng)及侏羅系,次為三疊系上統(tǒng)須家河組,最老為志留系中統(tǒng)韓家店組,其間缺失石炭系、泥盆系及志留系上統(tǒng)。含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l),厚101.80～150.00m,平均124.45m,與下伏地層二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)呈不整合接觸。

礦段位于古藺復(fù)背斜南翼的河壩向斜西段,基本構(gòu)造形態(tài)為一呈近東西向展布,南翼陡、北翼緩、東端翹起的不對稱向斜構(gòu)造,在礦段內(nèi)走向長33km,南北寬5～10km。向斜軸走向變化不大,總體約為N80°E,僅東部翹起端向北偏轉(zhuǎn)為N40°E;向斜軸面向南傾斜[1]。斷層發(fā)育多受主體構(gòu)造的影響,礦段北翼次級褶曲和斷層較發(fā)育,南翼次級褶曲不發(fā)育,斷層稀少。

2 煤層特征

礦區(qū)內(nèi)含煤系為二疊系龍?zhí)督M(P3l),屬海陸交互相沉積??四川省煤田地質(zhì)局135隊.四川省敘永縣川南煤田古敘礦區(qū)河壩礦段煤炭資源普查地質(zhì)報告,2009.[1]。根據(jù)巖性組合特征及煤層賦存情況,自下而上細(xì)分為P3l1～P3l3段。第1段(P3l1)和第3段(P3l3)為主要含煤段,第2段(P3l2)僅見煤線分布,一般都不可采。其中P3l1厚27.87～54.48m,平均41.80m,P3l3厚27.30～54.42m,平均39.56m,全組共含煤9～20層,其中具有一定分布范圍、可對比的煤層有12層;全區(qū)可采和大部可采各1層(C11、C25煤層),局部可采4層(C10、C11-1、C13、C24)。各煤層層間距及主要可采煤層厚度(見表1)。

3 硫分

3.1 硫的賦存形態(tài)

礦區(qū)主要煤層中硫的賦存形態(tài)以硫化鐵(黃鐵礦)硫(Sp)為主(見圖1),平均為89.85%;其次是有機硫(So),平均為8.05%;硫酸鹽硫(Ss)含量極少(見表2)。

3.2 分布特征

各煤層硫分以中硫～中高硫煤為主。在垂向剖面上分布特征表現(xiàn)為上部C10～C11煤層及下部C24～C25煤層含硫較高,中部C13～C23煤層含硫較低(見表3),與可采煤層的垂向分布具有相似性。平面分布特征上C10煤層以中高硫煤為主,中硫煤次之,高硫煤呈零星分布;C11-1煤層北翼為中高硫煤,南翼為特低～高硫煤;C11煤層以中高硫煤為主,低硫、中硫、高硫煤呈零星分布(見圖2),該煤層頂部炭質(zhì)泥巖或高灰分煤中一般富含黃鐵礦結(jié)核,硫分變化幅度中等;C13煤層在礦段北翼以中硫煤為主,零星點見中高硫煤,南翼以特低硫煤為主,低硫煤次之;C24煤層以低～特低硫煤為主,僅東部出現(xiàn)中～中高硫煤,零星點見高硫煤;C25煤層北翼以中高硫煤為主,次為中硫煤,特低、高硫煤零星分布,南翼硫分變化無規(guī)律,從高硫～特低硫煤均有分布,且分布零星(見圖3),硫分變化幅度大。

表1 各煤層層間距及主要可采煤層厚度統(tǒng)計表

圖1 123-2鉆孔C24頂板豆?fàn)铧S鐵礦

4 硫分變化的控制因素

4.1 大地構(gòu)造條件

在地史時期中,地殼運動引起海陸變化、氣候更替,推動了植物界演化遷移和聚煤作用呈波浪式向前發(fā)展;同時,地殼運動引起的地殼變形,形成了一系列隆起和拗陷,在其成生過程中,對聚煤拗陷的形成和發(fā)展,煤、硫等沉積礦產(chǎn)的賦存和分布起著一定的控制作用。

圖2 C11煤層硫分等值線圖

圖3 C25煤層硫分等值線圖

河壩礦段位于揚子板塊西部,四川盆地南緣的古藺復(fù)背斜南翼。古藺復(fù)背斜地處川南-黔北區(qū)域性東西向構(gòu)造帶與北東向的婁山斷褶帶之過渡地帶,總體呈近東西向展布,長約110km,構(gòu)造形跡在平面上呈一組向南突出的弧形褶皺群。該復(fù)背斜北翼發(fā)育的次級褶皺較寬緩,主要有茶葉溝背斜、大安山向斜、三家壩背斜、落窩背斜、烏龍溝向斜、落葉壩背斜和堡子山背斜等;南翼次級褶皺較緊密,構(gòu)造較復(fù)雜,主要有河壩向斜、新街(石壩)背斜、赤水河向斜、高田坎背斜、石寶向斜、吳家寨背斜和二郎壩向斜等。上述褶皺構(gòu)造構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)的主要構(gòu)造框架,對煤、硫等沉積礦產(chǎn)的分布起著控制作用。

4.2 原生沉積環(huán)境

中二疊世晚期,東吳運動以后,礦段所在的上揚子盆地整體抬升為陸地,海水大規(guī)模退出。在黔北～川南隆起帶與康滇古陸的共同控制下,川南總體上為西高東低和南高北低的平緩地形,茅口組灰?guī)r大面積裸露[2]。由于長期的風(fēng)化剝蝕作用,在茅口組灰?guī)r風(fēng)化平面上,形成低平而略有起伏的古藺低地溶蝕殘積平原(見圖4),在地勢低洼處沉積了石巖殘積角礫巖。之后,峨嵋山玄武巖噴發(fā),大量的基性火山凝灰物質(zhì)降落在古藺低地溶蝕殘積平原上,經(jīng)次生風(fēng)化殘積,沉積了厚約3～5m的含黃鐵礦高嶺石化基性凝灰?guī)r,形成了風(fēng)化殘積平原,隨著大量植物的生長堆積,形成泥炭沼澤,沉積了C25煤層。之后隨著地殼緩慢下降、海水入侵,該區(qū)形成了湖泊沉積體系。先后沉積了淺湖相的黑、灰黑色高嶺石泥巖和濱湖相的逆粒序粉砂巖、砂巖。受海水的影響,該區(qū)該時期沉積普遍含有黃鐵礦結(jié)核,煤層中硫分含量較高。之后海水開始緩慢退卻,加之湖泊不斷淤積,植物大量生長和堆積,在其上發(fā)育了泥炭沼澤相,沉積了C24煤層。C24煤層沉積后,海水繼續(xù)退縮,該區(qū)進入三角洲平原沉積體系。三角洲平原中分流河道、泛濫盆地、決口扇、分流間洼地發(fā)育,在分流間洼地發(fā)育沼澤相和泥炭沼澤相,天然堤發(fā)育不完整或缺失。分流河道沉積物為正粒序砂巖、粉砂巖,對下伏巖層有較弱的沖刷;泛濫盆地沉積物為泥巖、砂質(zhì)泥巖,沉積了黏土巖和煤層(如C13煤層);分流間洼地發(fā)育的沼澤、泥炭沼澤沉積了黏土巖和C23、C22、C21、C19、C16和C14等煤層。分流河道和泛濫盆地沉積物中富含菱鐵礦結(jié)核,局部可見泥礫,含豐富的植物根莖化石及碎片。由于該時期受海水的影響小,未見動物化石,黃鐵礦結(jié)核少見,各煤層硫分含量均較低。直到C11煤層沉積時,該區(qū)已處于一次大規(guī)模海侵之前的轉(zhuǎn)變時期,此時三角洲沉積體系處于停滯穩(wěn)定階段,且持續(xù)時間較長,在廣闊的三角洲平原上沼澤相廣泛發(fā)育,沉積了穩(wěn)定的淺灰～灰白色高嶺石泥巖,成為區(qū)域性的對比標(biāo)志。并隨著植物的大量生長堆積,形成了該區(qū)厚度最大、層位穩(wěn)定、分布最廣的C11煤層。C11煤層沉積后,受海水入侵的影響,造成煤層頂部劣質(zhì)煤或炭質(zhì)泥巖中含豐富的黃鐵礦結(jié)核,呈豆?fàn)?、透鏡狀,密集分布,其含量達(dá)7.18%～21.36%。之后,隨著海水的進一步大規(guī)模入侵,該區(qū)進入有障壁海岸沉積體系和澙湖沉積體系。有障壁海岸沉積體系發(fā)育有潮下帶、潮間帶和潮上帶亞相。潮下泥坪沉積物為泥巖、砂質(zhì)泥巖,發(fā)育生物擾動構(gòu)造;潮間砂坪沉積物為逆粒序的砂巖、粉砂巖,發(fā)育有條帶狀、透鏡狀潮汐層理;潮上沉積物為泥巖、沼澤相黏土巖、泥炭沼澤相炭質(zhì)泥巖或煤層,沉積了C11-1、C10等煤層。潮下泥坪和潮間砂坪經(jīng)常受海水淹沒,沉積物中含大量的動物化石,以及黃鐵礦和菱鐵礦結(jié)核;受海水的影響,潮上沉積的煤層,其頂板和底板含硫量高,煤質(zhì)較差[3]。澙湖沉積體系發(fā)育于煤系頂部。沉積物主要為含生物碎屑的灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖,含黃鐵礦結(jié)核。煤系地層沉積結(jié)束后,大規(guī)模海侵開始,該區(qū)進入長興組灰?guī)r的沉積。

綜上所述,該區(qū)晚二疊世主要煤層及硫的沉積主要受控于海水的進退以及由此而形成的各種沉積體系。在含煤巖系頂?shù)撞坑捎?次海水不同規(guī)模的侵入而形成的湖泊沉積體系和有障壁海岸沉積體系、澙湖沉積體系,對硫分含量普遍較高具有決定性的控制作用,亦是該層段煤層硫分含量較高的直接原因。

4.3 斷層擠壓和破壞

該區(qū)處在南、北兩側(cè)由古生代志留紀(jì)+寒武紀(jì)地層組成的背斜擠壓下所形成的中生代三疊紀(jì)+侏羅紀(jì)向斜構(gòu)造中,含煤巖系賦存于堅硬的茅口組灰?guī)r與長興組灰?guī)r之間,在褶皺構(gòu)造所形成的斷層強烈擠壓下,煤系軟弱地層在堅硬巖層之間易產(chǎn)生塑性流動,特別是礦區(qū)北翼東部,該部位處于應(yīng)力集中的構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位,煤系和煤層局部更易遭到破壞,其影響的范圍主要是煤系上部(P3l1)。如C11煤層及其頂板中所含的大量黃鐵礦結(jié)核,在經(jīng)過擠壓破碎后重新分布,有的被擠壓在一起,使局部地段煤層中的硫含量增高,而黃鐵礦少的地段則硫含量有所下降,使煤層原聲硫含量出現(xiàn)變化。

4.4 鉆孔取心的影響

黃鐵礦結(jié)核比較堅硬,鉆孔打煤時結(jié)核容易進入取心管,而煤因呈碎粒狀、鱗片狀,易被沖洗液沖走;有的較大黃鐵礦結(jié)核堵塞鉆頭,將煤被堵在取芯管外,這些因素也常造成采取的煤芯中黃鐵礦多,而缺失的主要為煤,使少數(shù)鉆孔見煤點的含硫量出現(xiàn)高值異常點。

4.5 淺層風(fēng)氧化作用

含煤地層上部煤層受風(fēng)化的影響,裂隙比較發(fā)育,地表水及老窯水中攜帶的硫通過裂隙滲透到煤層中,增高了煤層的含硫量。如C11煤層的煤層煤樣采于淺部的小煤窯和坑探巷道中,采樣處距離地表較近,部分煤層煤樣硫含量高達(dá)5%～6%,比鉆孔煤心煤樣還高,應(yīng)與風(fēng)化裂隙影響有關(guān)。

5 結(jié)語

通過以上分析,河壩礦段晚二疊世主要煤層硫分含量及其變化幅度大,其控制因素主要是所處的區(qū)域構(gòu)造體系及其影響下形成的各種沉積環(huán)境;此外,后期斷層、地表淺層風(fēng)氧化裂隙及鉆探工藝等因素也對其含量和變化有較大影響。

[1]中國煤田地質(zhì)總局.黔西川南滇東晚二疊世含煤地層沉積環(huán)境與聚煤規(guī)律[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,1994.

[2]邵龍義,劉紅梅.上揚子地區(qū)晚二疊世沉積演化及聚煤[J].沉積學(xué)報,1998,16(2):55-60.

[3]朱志敏,陳岑,尹中山.川南煤田晚二疊世含煤系統(tǒng)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(7):104-108

[編輯] 洪云飛

TD712.72

A

1673-1409(2014)32-0034-05

2014-07-09

戴勝群(1963-),男,博士,副教授,現(xiàn)主要從事構(gòu)造精細(xì)解釋等方面的教學(xué)與研究工作。