貴州黔西龍場井田高硫煤煤質(zhì)特征及成因淺析

李少勇

(山東煤田地質(zhì)局第五勘探隊,山東泰安 271000)

貴州黔西龍場井田高硫煤煤質(zhì)特征及成因淺析

李少勇

(山東煤田地質(zhì)局第五勘探隊,山東泰安 271000)

基于煤田炭勘探資料和測試數(shù)據(jù),對貴州黔西龍場井田8個主采煤層的煤巖和煤質(zhì)特征及元素地球化學特征進行了評價,并對硫分、灰分及部分微量元素的富集規(guī)律進行了探討。結(jié)果表明：宏觀煤巖類型主要為半亮煤,各煤層變質(zhì)程度為Ⅵ、Ⅶ階段的高變質(zhì)無煙煤;煤層總體以特低全水分、中灰分、特低揮發(fā)分和高硫分煤為特征,灰分和硫分較易脫除;煤中F、Ga、U、Th、V、As、Pb、Cu和Zn等元素較為富集;煤中硫分受海水影響顯著,灰分主要受陸源碎屑物質(zhì)供給控制,灰成分指數(shù)可反映海水作用強弱。煤層中V、F、Ge和Ga等的富集可能受物源區(qū)母巖影響;Th、U富集受到沉積環(huán)境重要影響,As、Pb、Cu和Zn在煤層中異常富集,可能與成煤后期低溫熱液作用有關。

煤質(zhì)特征 煤層 黔西 貴州省

貴州西部晚二疊世煤資源豐富，煤種齊全，但除少數(shù)礦區(qū)之外，大部分煤中硫分偏高，有害微量元素也較為富集(徐彬彬等，2003;任德貽等，2006)。基于煤田地質(zhì)勘探，查清各煤礦的煤質(zhì)特征和煤地球化學特征，對于煤炭資源的清潔利用和有害成份(如硫分、有害微量元素等)的富集規(guī)律研究具有重要意義(易同生等，2008)。黔北煤田(尤其是煤田東南部)煤中硫分普遍較高，但針對該區(qū)煤質(zhì)特征與成煤環(huán)境關系(曹志德，2006;趙福平等，2007;程偉等，2013a)以及煤中微量元素的分布富集特征(Yang et al.，2011;程偉等，2013b)的研究相對較少。本文基于黔西龍場井田各主采煤層的鉆孔巖芯數(shù)據(jù)，對該煤礦煤質(zhì)資源特性進行評價，并結(jié)合巖相古地理資料，探討了煤中硫分及部分微量元素的地質(zhì)成因。

1 地質(zhì)背景

龍場井田位于貴州畢節(jié)市黔西縣境內(nèi)，面積約27.03平方公里。畢節(jié)地區(qū)晚二疊世聚煤盆地位于揚子準臺地西側(cè)，屬于華南陸表海凹陷的一部分。東吳運動形成貴州西高東低的古地理格局，自西北至東南依次發(fā)育河流、上三角洲平原、下三角洲平原、潮坪以及瀉湖等沉積相帶(邵龍義等，1998)，頻繁的海進海退形成了一套以碎屑巖、泥質(zhì)巖和少量碳酸鹽巖為主的海陸交替相含煤地層。

龍場井田礦區(qū)內(nèi)地層自老至新有二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)、上統(tǒng)峨嵋山玄武巖組(P3β)、龍?zhí)督M(P3l)、長興組(P3c)以及三疊系和第四系。含煤地層為上二疊系統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)，平均厚度215.58 m，含煤15～26層，全區(qū)可采、大部可采、局部可采煤層有8層(M9、M16、M18、M19、M20、M21、M25、M28煤層)，平均總厚11.53 m，可采煤層含煤率5.3%，多分布于龍?zhí)督M二段中下部。

2 煤質(zhì)特征

2.1 煤巖特征

圖1 黔西龍場井田各主采煤層中不同硫分組成Fig.1 Sulfur composition of various coalbeds from Longchang coal mine, Gizhou, China

表1 黔西龍場井田各主采煤層顯微煤巖組成Table 1 Maceral composition of mineable coalbeds from Longchang coal mine, Guizhou, China

圖2 黔西龍場井田各主采煤層中灰分和全硫分脫除率Fig.2 ash and sulfur removal ratios of various coalbeds from Longchang coal mine, Gizhou, China

表2 黔西龍場井田各主采煤層的工業(yè)分析及主量和微量元素含量Table 2 Industrial analysis and elemental determination for mineable coal from Longchang coal mine, Qianxi, Guizhou

表3 黔西龍場井田各主采煤層煤灰中常量元素含量Table 3 Concentration of major elements (oxide) in various mineable coalbeds from Longchang coalmine, Guizhou, China

各主采煤層堅固性系數(shù)變化為0.44～1.65，真密度變化在1.50～1.83g/cm3之間、視密度變化在1.44～1.72g/cm3之間。宏觀煤巖組分主要以亮煤為主，暗煤次之，夾鏡煤條帶，半亮型煤多見，以寬條帶狀結(jié)構為主，其次為均一狀結(jié)構;層狀、塊狀構造，內(nèi)生裂隙較發(fā)育。

顯微煤巖組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組多以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，其次為均質(zhì)鏡質(zhì)體、結(jié)構鏡質(zhì)體，少數(shù)碎屑鏡質(zhì)體、團塊鏡質(zhì)體，各向異性較明顯。惰質(zhì)組以絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體為主(胞腔多中空，少數(shù)充填黃鐵礦等礦物)，其次碎屑惰質(zhì)體，少見粗粒體、微粒體、菌類體，偶見分泌體。無機組分主要為粘土礦物，少量石英、黃鐵礦及方解石。鏡質(zhì)組最大反射率為2.32%～3.96%，平均值2.65%。各煤層變質(zhì)程度為Ⅵ、Ⅶ階段的高變質(zhì)無煙煤(表1)。

2.2 工業(yè)分析和常量元素含量

表2所示，各主采煤層的全水分為1.73%～2.19%，平均1.97%，屬于特低全水分煤;干基灰分為21.12%～30.35%，平均23.90%，總體屬于中灰分煤，但M28灰分最高為30.35%，屬于高灰分煤;干燥無灰基揮發(fā)分為8.68%～10.99%(僅M9、M16和M28的揮發(fā)分為10%～11%)，平均9.64%，總體屬于特低揮發(fā)分煤。各煤層全硫分為2.06～5.04%，平均3.39%，屬于高硫分煤，尤其以M28硫分最高;各硫分組分中，以黃鐵礦硫為主(1.47%～4.59%，平均2.96%)，其次是有機硫(0.49%～0.68%，平均0.56%)，硫酸鹽硫含量較少(0.06%～0.14%，平均0.09%)。各煤層中有機硫占全硫分的比例為10.06%～23.95%(平均16.35%)(圖1)，說明煤中的硫分主要還是以無機態(tài)賦存，理論上可以通過洗選達到較好的脫硫效果。簡易可選性實驗結(jié)果顯示，煤中灰分的脫除率約為53%～63%，硫分脫除率約為45%～68%(圖2)，脫除效果較好。

煤中碳和氫是重要的組成元素，也是重要的煤質(zhì)參數(shù)。龍場井田8個主采煤層的干燥無灰基碳含量為91.54%～91.96%(平均91.84%)，氫含量為3.45%～3.60%(平均3.50%)，波動均較小(表2)。前人研究資料表明，隨著無煙煤煤階增大，氫含量顯著減少，而碳含量則逐漸增大(任德貽等，2006)。對各煤層的碳、氫元素含量及對應樣品的鏡質(zhì)組最大反射率作相關性分析，結(jié)果顯示鏡質(zhì)組最大反射率與煤中碳和氫元素含量以及鏡質(zhì)組含量的相關性系數(shù)分別為0.475、0.328和0.316，均未達顯著相關，與煤中惰質(zhì)組含量略呈負相關(相關性系數(shù)為-0.217)，但亦未達顯著相關。說明煤中碳、氫元素含量以及顯微組分含量變化，尚不能準確反映煤變質(zhì)情況，也可能暗示煤變質(zhì)過程中受到了除深成變質(zhì)作用以外的其它因素影響。

表4 黔西龍場井田各主采煤層中11種微量元素含量(單位μg/g, 標明%除外)Table 4 Concentration of 11 trace elements in various mineable coalbeds from Longchang coalmine, Guizhou, China (in μg/g unless noted as %)

圖3 黔西龍場井田各主采煤層的硫分、灰分、灰分組成及微量元素縱向變化規(guī)律Fig.3 Vertical variation of sulfur, ash, ash composition and trace element concentration for the mineable coalbeds from Longchang coalmine, Guizhou, China

對煤灰化學成分進行測定，得到11種常量元素(以氧化物計)的含量(表3)。各煤層中SiO2、Al2O3、Fe2O3以及CaO和MgO等含量總體上波動較小，但M28具有最低的Si、Al含量和最高的Fe、Ca和Mg含量，反映該層煤形成時，無機質(zhì)來源可能與其它煤層不同。

2.3 煤中微量元素富集特征

煤中微量元素在煤炭開采和利用過程中可能產(chǎn)生環(huán)境污染，也可能富集成為煤伴生資源，因此應該將煤中微量元素(尤其是有害微量元素)的富集特征看作重要煤質(zhì)參數(shù)之一。本次工作測定了煤樣中11種微量元素的含量，經(jīng)綜合計算，得到8個主采煤層中微量元素的富集情況(表4)。

煤中的F因“氟中毒地方病”而受到關注(Zheng et al.，1999)。代世峰等(2005)、任德貽等(2006)和Dai et al(2007)等研究認為黔西地氟病起因于用作煤燃燒添加劑及制作煤球黏合劑的高氟黏土。盡管如此，煤中的氟仍是重要的氟釋放源。龍場井田各主采煤層的F含量為80.57μg/g～315.80μg/g(平均148.38μg/g)，此值高于貴州西部晚二疊世煤F平均含量83.1μg/g(代世峰等，2005)、世界煤平均含量(Ketris and Yudovich，2009)和中國煤平均含量(Dai et al.2012)(表4)。此外，相對于中國煤和世界煤，龍場井田煤總體上較為富集的元素有Ga(9.71μg/g)、U(5.46μg/g)、Th(9.13μg/g)、V(95.26μg/g)、As(11.12μg/g)、Pb(106.82μg/g)、Cu(175.19μg/g)和Zn(122.42μg/g)，其中Pb、Cu、Zn、As和U的含量顯著高于地殼克拉克值(Taylor，1964)，明顯富集。

3 地質(zhì)成因探討

3.1 硫分和灰分

根據(jù)各鉆孔巖性編錄資料，繪制出龍場井田綜合沉積柱狀圖(圖3)。由煤層上下巖性組合可以判斷，M16、M18、M20及M25煤層形成于海退期，煤層頂?shù)装鍘r性為泥巖、粉砂巖等碎屑巖，而M9、M19、M21及M28等煤層頂板或底板為灰?guī)r，或其鄰近地層為灰?guī)r，反映成煤時可能處于海侵期。上述各煤層硫分、灰分以及灰成份指數(shù)縱向變化規(guī)律如圖3所示，煤中硫分與海水作用密切相關，M28為底部煤層，可能形成與龍?zhí)对缙诤Ｇ?，其頂部發(fā)育大量灰?guī)r，說明海水作用較強，對應其硫分也為各煤層中最大(5.04%)，類似地，M9、M19和M21等也出現(xiàn)硫分增大現(xiàn)象，證明海水作用是煤層中硫分增大的主導因素;此外，煤中硫分自底部M28至頂部M9，硫分總體不斷增大，反映了貴州西部晚二疊世時期海平面逐漸抬升的過程。

煤中灰分含量曲線具有大致遞減的趨勢，說明隨著海水作用增強，灰分有減小趨勢，這可能是由于海水抑制了陸源碎屑物質(zhì)的供給。盡管灰分產(chǎn)率不能清晰反映海水進退，但灰成分指數(shù)(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)曲線則能很明確地反映海水對煤層的影響，其變化規(guī)律與硫分曲線相似。當海水入侵成煤盆地，海水中Ca2+和Mg2+在弱堿性條件下沉淀，鐵質(zhì)也在相對還原的環(huán)境里不斷被轉(zhuǎn)化為鐵礦物(黃鐵礦為主)留在煤層中，加大了煤層灰分中Fe、Ca和Mg等的含量;當海水作用較弱時，煤層中的灰分大量來自陸源碎屑物質(zhì)的供給，其成分主要是含Si、Al量較高的玄武巖風化物質(zhì)。因此，灰成分指數(shù)可以作為成煤環(huán)境判別的有效輔助參數(shù)。前人對灰成分指數(shù)的成煤環(huán)境意義進行過探討(趙師慶等，1994;葉道敏等，1997;代世峰等，2005;任德貽等，2006;Yi et al.，2007)，趙師慶等(1994)認為腐殖煤灰成分指數(shù)變化于0.03～0.22之間屬較弱還原型，變化于0.23～1.23之間則屬較強還原型。龍場井田8個主采煤層，除M20的灰成分指數(shù)為0.22之外，其它各煤層均大于0.25，尤其以底部M28煤層為0.61，反映強烈的還原環(huán)境，這與根據(jù)巖性組合和硫分變化所得出的結(jié)論相吻合。

3.2 煤中微量元素富集規(guī)律

有研究認為，由于海水中V含量較高，受海水影響較大的煤層中V含量較高(楊建業(yè)，1999;莊新國等，1999;任德貽等，2006)。圖3所示V含量在龍?zhí)?長興總體海侵背景下，逐漸增大，但在數(shù)次海水作用較強時，V含量未見明顯增大，M28中V含量較低，而受海水作用較弱的M16的V含量則最大，說明煤層中的V不能直接歸因與海水。貴州西部晚二疊世煤的物源區(qū)為峨眉山玄武巖覆蓋的康滇古陸，玄武巖富V(任德貽等，2006;Zhuang et al.，2012，)，陸源碎屑物質(zhì)的供給可能是煤層中V富集的重要原因。

Th和U都是天然放射性元素。Th是親石元素，典型的水解元素，形成Th(OH)4沉淀，在表生氧化條件下不太活潑，常存在穩(wěn)定的含Th礦物晶格中(劉英俊等，1986)。U是典型的親氧元素，化學性質(zhì)活潑，在表生氧化作用中遷移性較強。因此，在陸源碎屑物質(zhì)向濱海過渡帶環(huán)境中搬運過程中，U比Th更傾向于在下游富集。煤中的Th/U可以反映煤層受到海水作用強弱(Gayer et al.，1999)，任德貽等(2006)對中國西南晚二疊世煤的研究表明，滇東沖積平原環(huán)境的煤Th/U一般為3.64～3.91，黔西三角洲平原成煤的Th/U一般為2.60～3.00，川南、黔中瀉湖海灣環(huán)境下煤的Th/U為2.21～2.71，而形成與局限碳酸鹽臺地潮坪的煤(貴州貴定、廣西合山)，其Th/U則為0.03～0.48，總體上遠離陸地向海方向，Th/U遞減趨勢顯著。龍場井田各煤層的Th/U縱向變化曲線自龍?zhí)镀谥灵L興期逐漸遞減，正好反映了當時海平面不斷抬升的過程，且大部分煤層的Th/U值(M25、M19缺少數(shù)據(jù))為1.08～1.87，成煤環(huán)境可能為受海水影響強烈的潮坪、間灣或瀉湖等，也說明煤中U和Th的富集主要受到沉積環(huán)境因素影響。

F、Ge和Ga曲線自下向上具有大致遞減趨勢，暗示陸源碎屑供給可能是主要富集因素。其中Ga和F相關系數(shù)為0.871，二者均與Al、Si呈負相關(Ga與Al和Si相關系數(shù)為-0.056和-0.664;F與Al和Si的相關系數(shù)為-0.514和-0.854)，且均與Ca呈顯著正相關(相關系數(shù)分別為0.809和0.958)，說明Ga和F可能主要賦存在碳酸鹽巖礦物中，而極少賦存在硅酸鹽礦物中。煤中Pb、Cu、Zn和As的濃度分別為11.12μg/g、106.82μg/g、175.19μg/g和122.42μg/g，均顯著高于地殼克拉克值以及中國煤和世界煤中的平均值，屬異常富集。Pb在風化過程中遷移性較弱，易形成硫化物沉淀，且Pb在陸源母巖(峨眉山玄武巖)中含量不高，其在煤層中的富集不能歸因于陸源碎屑物質(zhì)的供給。As常以巖漿作用富集，而較難通過表生地球化學作用遷移(劉英俊等，1986)，前人研究表明，As在煤層中的富集與構造和熱液活動有關(Zhang et al.，2004;Yang，2006;Dai et al.，2012)。此外，Cu、Zn雖可經(jīng)陸表遷移富集，但Cu、Zn在龍場井田中的含量超過世界煤平均含量的近10倍和5倍，也不可能完全來自陸源物質(zhì)。因此，As、Pb、Cu和Zn在龍場井田各煤層中的富集，可能與后期低溫熱液作用改造有關。

4 結(jié)語

(1)宏觀煤巖類型主要為半亮煤，顯微煤巖組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，無機組分主要為粘土礦物，少量石英、黃鐵礦及方解石。鏡質(zhì)組最大反射率為2.32%～3.96%，平均2.65%。各煤層變質(zhì)程度為Ⅵ、Ⅶ階段的高變質(zhì)無煙煤。

(2)龍場井田各主采煤層總體以特低全水分、中灰分、特低揮發(fā)分和高硫分煤為特征。硫以黃鐵礦硫為主，其次是有機硫(占10.06%～23.95%)。煤中灰分的脫除率約為53%～63%，硫分脫除率約為45%～68%，脫除效果較好。

(3)與世界煤和中國煤相比，龍場井田煤中F(148.38μg/g)、Ga(9.71μg/g)、U(5.46μg/g)、Th(9.13μg/g)、V(95.26μg/g)、As(11.12μg/g)、Pb(106.82μg/g)、Cu(175.19μg/g)和Zn(122.42μg/g)等元素較為富集，其中Pb、Cu、Zn和As異常富集。

(4)煤中硫分受海水影響顯著，海水對煤層影響增大時，硫分隨之增大。煤中灰分主要受到陸源碎屑物質(zhì)供給控制，向海方向逐漸減小，灰分組成受沉積環(huán)境影響較大，灰成分指數(shù)可反映海水作用強弱。煤層中V、F、Ge和Ga等元素的富集可能受到陸源碎屑物質(zhì)供給重要影響;Th、U富集受到沉積環(huán)境重要影響，Th/U可以反映海水對煤層的影響大小;As、Pb、Cu和Zn在煤層中異常富集，可能與成煤后期低溫熱液作用有關

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李少勇(1979—),男,碩士,工程師,研究方向：煤炭勘查及檢測。