遼寧撫順煤礦始新世煤的煤巖學(xué)特征分析

張谷春， 朱士飛， 曹 磊， 姜堯發(fā)， 周國慶， 柯 妍， 毛禮鑫

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇徐州 221006；2.中國煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221006; 3.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 引言

我國的能源現(xiàn)狀是“富煤、貧油、少氣”，煤炭作為我國的主要消費(fèi)能源，在能源結(jié)構(gòu)中始終占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。煤經(jīng)過長(zhǎng)期沉降和地溫不斷作用的影響，由于變質(zhì)作用、受熱時(shí)間的不同等原因造成了其變質(zhì)程度的不同[3-5]。故不同的煤質(zhì)參數(shù)指示不同的煤炭質(zhì)量[6]。煤巖煤質(zhì)特征研究是煤炭資源利用和煤礦開采的有效科學(xué)依據(jù)，煤的工藝性研究對(duì)煤層性質(zhì)和成因的認(rèn)識(shí)有重要意義，是評(píng)價(jià)煤質(zhì)及其合理開發(fā)的必要支撐[7-10]。隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，煤炭的清潔高效利用成為當(dāng)今煤化工的發(fā)展趨勢(shì)，氣/液化煤作為煤炭清潔轉(zhuǎn)化利用的方式，對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境等方面起著至關(guān)重要的作用[11-16]。

撫順礦區(qū)是我國煤礦瓦斯抽放最早的礦區(qū)，目前井下瓦斯抽放量和利用量均居全國第一位。我國煤層氣藏普遍具有低滲低壓低飽和的特點(diǎn)，而撫順礦區(qū)則不同，其特殊的煤層氣地質(zhì)條件和儲(chǔ)層條件受到了人們廣泛的關(guān)注[17]。目前，對(duì)該礦區(qū)煤的煤巖學(xué)研究較少，為此，本文從撫順煤礦始新世煤樣入手，分析研究區(qū)煤的煤巖學(xué)特征，為進(jìn)一步完善撫順礦區(qū)聚煤規(guī)律提供依據(jù)和參考。

1 地質(zhì)背景

撫順煤田位于遼寧省撫順市，為一近東西向的不完整向斜，東西長(zhǎng)18km，南北寬約2km，面積約36km2(圖1)。含煤地層為古新統(tǒng)—始新統(tǒng)撫順群，總厚度880～1 050m，自下而上劃分老虎臺(tái)組、栗子溝組、古城子組、計(jì)軍屯組、西露天組和耿家街組等6個(gè)組。含煤3層(組)，分別稱為B組煤、A組煤、本層煤(主煤層)；B組煤賦存在老虎臺(tái)組、A組煤賦存在栗子溝組，本層煤賦存在古城子組。B組煤厚0.70～27.34m，平均7.52m；A組煤厚0.26～10.89m，平均3.60m；本層煤厚0.70～97.00m，平均50.00m。本層煤(主煤層)是撫順礦區(qū)的主要煤層，其頂板為油頁巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖。在撫順煤田的主煤層中，常分布有樹脂殘殖煤(琥珀煤)夾層和煤精(燭煤)等特殊成因類型的煤。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖Figure 1 Study area structural map

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)樣品采自撫順露天礦主煤層的各分層，樣品編號(hào)FS-0～FS-37。對(duì)樣品進(jìn)行工業(yè)分析、全硫、鏡質(zhì)組反射率等測(cè)定，分析撫順露天礦主煤層的煤質(zhì)特征；遵循國際煤和有機(jī)巖石學(xué)委員會(huì)(ICCP, 1994)頒布的煙煤顯微組分分類方案[18]，以及我國煤的顯微組分和礦物測(cè)定方法(GB/T 8899—2013)，對(duì)采自撫順露天煤礦主煤層各分層樣品的煤磚光片進(jìn)行了顯微組分鑒定和定量統(tǒng)計(jì)，分析撫順露天礦主煤層的煤巖組成以及顯微組分特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 撫順露天礦主煤層的煤質(zhì)特征

由表1 可知，撫順露天礦主煤層(28個(gè)煤分層)的水分(Mad)含量為3.00%～9.57%，加權(quán)平均5.00%；灰分產(chǎn)率(Ad)為0.66%～44.41%，加權(quán)平均8.54%；揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)為27.36%～50.60%，加權(quán)平均39.32%；全硫含量為0.27%～1.79%，加權(quán)平均0.45%；鏡質(zhì)組反射率(Ro,ran)為0.57%～0.70%，平均0.64%。數(shù)據(jù)顯示，撫順露天礦主煤層的各個(gè)煤分層是低灰、低硫、高揮發(fā)分煙煤(亞煙煤)。

樹脂殘殖煤夾層(FS-23M、FS-33M)的水分(Mad)含量為3.75%～4.23%，平均3.99%；灰分產(chǎn)率(Ad)為20.35%～23.23%，平均21.79%；揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)為52.79%～55.05%，平均53.92%；全硫含量為0.28%。樹脂殘殖煤夾層表現(xiàn)中灰、特高揮發(fā)分產(chǎn)率特征。

煤精(FS-37)的水分(Mad)含量為4.54%；灰分產(chǎn)率(Ad)為6.50%；揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)為52.41%；全硫含量為0.74%。煤精顯示灰分產(chǎn)率低、揮發(fā)分產(chǎn)率特高的煤質(zhì)特征。

3.2 撫順露天礦主煤層的煤巖組成

遵循國際煤和有機(jī)巖石學(xué)委員會(huì)(ICCP, 1994)頒布的煙煤顯微組分分類方案，以及我國煤的顯微組分和礦物測(cè)定方法(GB/T 8899—2013)，對(duì)采自撫順露天煤礦主煤層各分層樣品的煤磚光片進(jìn)行了顯微組分鑒定和定量統(tǒng)計(jì)(表2)。

表1 撫順露天煤礦本層煤樣品的工業(yè)分析、全硫和鏡質(zhì)組反射率測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 撫順煤礦本層煤樣品的顯微組分(無礦物基)和礦物體積分?jǐn)?shù)

續(xù)表2

由表2可見，在28個(gè)煤分層中，有機(jī)質(zhì)總量為62.3%～99.5%，加權(quán)平均值為94.3%。其中鏡質(zhì)組含量為54.4%～96.2%，加權(quán)平均值為86.6%；惰質(zhì)組含量為0.4%～4.2%，加權(quán)平均值為1.7%；類脂組含量為2.5%～44.4%，加權(quán)平均值為11.7%。在鏡質(zhì)組中，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2(Ct)含量為7.0%～50.7%，加權(quán)平均值為31.3%；基質(zhì)鏡質(zhì)體(Cd)含量為3.8%～74.4%，加權(quán)平均值為41.8%；結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2和基質(zhì)鏡質(zhì)體是撫順主煤層的優(yōu)勢(shì)顯微組分。在類脂組中，孢子體(1.6%～22.2%，加權(quán)平均值為6.7%)是主要顯微組分。

在2個(gè)樹脂殘殖煤夾層中，有機(jī)質(zhì)總量為91.1%～95.7%，平均93.4%。其中鏡質(zhì)組含量為36.6%～38.4%，平均37.5%；惰質(zhì)組含量為0.2%～2.7%，平均1.5%；類脂組含量為60.7%～61.4%，平均61.1%。在類脂組中，樹脂體含量為51.0%～55.2%，平均53.1%；孢子體含量為5.3%～10.3%，平均7.8%；樹脂體是樹脂殘殖煤的主要顯微組分，其次是孢子體、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2(18.7%)、基質(zhì)鏡質(zhì)體(9.1%)和碎屑鏡質(zhì)體(5.7%)。

在煤精樣品中，有機(jī)質(zhì)總量為98.8%。其中鏡質(zhì)組含量為59.0%；惰質(zhì)組含量為2.2%；類脂組含量為38.8%。在鏡質(zhì)組中，基質(zhì)鏡質(zhì)體(47.1%)是主要顯微組分，其次是結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體2(6.6%)和碎屑鏡質(zhì)體(4.0%)。在類脂組中，孢子體(37.1%)是優(yōu)勢(shì)顯微組分，含少量樹脂體(1.5%)和角質(zhì)體(0.2%)。

3.3 撫順露天礦主煤層的顯微組分特征

撫順露天煤礦主煤層中的顯微組分特征鮮明。在透射光下，鏡質(zhì)組分呈紅色，惰質(zhì)組分呈黑色，類脂組分呈黃色；在油浸反射光下，鏡質(zhì)組分呈灰色、淺灰色，惰質(zhì)組分呈黃白色、白色，類脂組分呈深灰色；在藍(lán)光激發(fā)下，類脂組分發(fā)亮黃色熒光，鏡質(zhì)組分和惰質(zhì)組分不發(fā)熒光。

1)鏡質(zhì)組顯微組分特征。煤層中的鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，由結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、團(tuán)塊鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體組成。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體顯示較好的植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)， 均質(zhì)鏡質(zhì)體在煤薄片橫切面上顯示清晰的生長(zhǎng)輪構(gòu)造，年輪的寬度700～1 000μm，早材帶很寬，晚材帶較窄，如圖2.1所示，基質(zhì)鏡質(zhì)體大都呈基底狀“膠結(jié)”著孢子體、角質(zhì)體、碎屑惰質(zhì)體等其他顯微組分(圖2.2)。團(tuán)塊鏡質(zhì)體普遍存在，以圓形、橢圓形顆粒為主，散布或聚集，粒徑10～50μm，有時(shí)富集成層或充填木栓質(zhì)體胞腔。碎屑鏡質(zhì)體含量也很高，主要由細(xì)小無定形的鏡質(zhì)組分顆粒組成，在油浸反射光下呈灰色—淺灰色。由于撫順煤礦的主煤層處于亮褐煤向煙煤轉(zhuǎn)變的過渡階段，這種碎屑鏡質(zhì)體是由褐煤階段的細(xì)屑體(圖2.3)轉(zhuǎn)變而成，或由密屑體轉(zhuǎn)變而成(圖2.4)。

圖2 撫順露天礦主煤層中的顯微組分Figure 2 Macerals in main coal seam, Fushun surface coalmine

2)惰質(zhì)組顯微組分特征。煤層中的惰質(zhì)組以半絲質(zhì)體為主，由絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、粗粒體、真菌體和碎屑惰質(zhì)體組成。撫順煤礦主煤層中的絲質(zhì)體較少，在FS-6分層中，絲質(zhì)體被擠壓破碎，弧形細(xì)胞壁中仍殘留少量由晚材厚壁細(xì)胞形成的篩孔狀絲質(zhì)體(圖2.5)；半絲質(zhì)體普遍存在，在油浸反射光下呈白色—灰白色，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存較差(圖2.6)，粗粒體，在油浸反射光下呈黃白色或白色，圓?；虿灰?guī)則塊狀，邊界清晰，內(nèi)部均質(zhì)化，不顯示結(jié)構(gòu)(圖2.7)。微粒體在油浸反射光下呈亮白色，反射率高，圓粒狀，粒徑1μm左右，仍可見微粒體與殘留的多孔凝膠體共生(圖2.8)。碎屑惰質(zhì)體在油浸反射光下呈白色，粒徑<30μm，無定形，常散布在基質(zhì)鏡質(zhì)體中和燭煤夾層中，菌核體呈不規(guī)則圓形，內(nèi)部多孔。

3)類脂組顯微組分特征。層中的類脂組主要由孢子體、角質(zhì)體、瀝青質(zhì)體等組成。孢子體在油浸反射光下孢子體呈黑灰色(圖2.9)，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)黃色熒光(圖2.10)。角質(zhì)體呈細(xì)條帶狀，在油浸反射光下呈深灰色、灰色(圖2.11)，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)黃色、綠黃色弱熒光(圖2.12)。熒光體在油浸反射光下呈黑灰色、灰黑色(圖2.11)，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)黃色強(qiáng)熒光(圖2.12)，可能是松科植物針葉組織的衍生物。樹脂體在油浸反射光下呈深灰色、黑灰色，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)黃色熒光。瀝青質(zhì)體在油浸反射光下，呈深灰色、灰黑色，在藍(lán)光激發(fā)下發(fā)黃色熒光。

4)礦物特征。在撫順煤礦主煤層中，常見的礦物有黏礦物、石英、黃鐵礦、白鐵礦、菱鐵礦、方解石等。黏礦物，微粒狀，灰黑色，有時(shí)呈褐紅色；石英，次棱角狀，反射光下深灰色或黑色，常與黏土礦物共生，有時(shí)密集分布；黃鐵礦，亮黃白色，呈莓球狀或細(xì)晶狀；白鐵礦，呈白色，放射狀，有時(shí)分布在黃鐵礦外圈；菱鐵礦，呈結(jié)核狀，深灰色或棕紅色；方解石，呈脈狀充填在煤的微裂隙中，脈體顯示櫛狀構(gòu)造。

4 結(jié)論

1)撫順露天礦主煤層的各個(gè)煤分層是低灰、低硫、高揮發(fā)分煙煤(亞煙煤)。樹脂殘殖煤夾層表現(xiàn)中灰、特高揮發(fā)分產(chǎn)率特征。煤精顯示灰分產(chǎn)率低、揮發(fā)分產(chǎn)率特高的煤質(zhì)特征。

2)煤中顯微組分以鏡質(zhì)組為主(86.6%) ，類脂組次之(11.7%) ，惰質(zhì)組最少( 1.7%)。在2個(gè)樹脂殘殖煤夾層中，類脂組含量最高(61.1%)，鏡質(zhì)組次之(37.5%)，惰質(zhì)組最少(1.5%)；在煤精樣品中，鏡質(zhì)組含量最高(59.0%)，類脂組(38.8%)次之，惰質(zhì)組含量最少(2.2%)。

3)撫順露天煤礦主煤層中的顯微組分特征鮮明。在透射光下，鏡質(zhì)組分呈紅色，惰質(zhì)組分呈黑色，類脂組分呈黃色；在油浸反射光下，鏡質(zhì)組分呈灰色、淺灰色，惰質(zhì)組分呈黃白色、白色，類脂組分呈深灰色；在藍(lán)光激發(fā)下，類脂組分發(fā)亮黃色熒光，鏡質(zhì)組分和惰質(zhì)組分不發(fā)熒光。