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★ 洁净利用与深加工 ★

宁东煤田侏罗纪煤中硫分、灰分特性及成因探讨

黄鹏程 张小五 张志峰 马永祥

(宁夏回族自治区煤炭地质勘查院,宁夏自治区银川市,750000)

摘 要 以大量煤田地质勘探和煤质分析资料为基础,对宁东煤田不同矿区侏罗纪延安组煤的煤岩、灰分和硫分组成特征进行了系统研究,并结合构造背景和成煤环境对煤中硫分、灰分成因进行研究探讨。研究结果表明,宁东煤田延安组煤中显微组分以惰质组为主,镜质组次之,壳质组最少;成煤沼泽为淡水沼泽,硫的供给不足,形成了以硫化铁硫为主的低硫煤;成煤泥炭沼泽以高位沼泽为主,由地下水输入的陆源碎屑物质较少,形成特低-低灰煤。

关键词 宁东煤田 侏罗纪 延安组 灰分 硫分

宁东煤田位于宁夏回族自治区中东部,地处华北聚煤区西部,鄂尔多斯盆地西缘。中侏罗世是宁东煤田的主要聚煤期,主要含煤地层为中侏罗纪延安组,含煤面积为1643.59 km2,累计查明资源储量约为22.8亿t。延安组主体为1套湖泊三角洲沉积体系,煤层形成于冲积平原和三角洲平原之上的沼泽环境。已有研究人员对宁东煤田侏罗纪延安组煤的煤岩特征进行过一些研究,认为宁东煤田侏罗纪的煤主要以低硫分、低灰分为特征[1],但针对硫分及灰分成因并没有做深入的探讨。笔者在已有研究的基础上,结合大量煤田勘探资料和煤质分析资料,对宁东煤田侏罗纪延安组煤的煤岩、硫分、灰分变化特征及其成因进行了探讨。

1 主要煤层分布及对比

宁东煤田侏罗纪延安组含煤地层自北向南主要分布在灵武矿区、鸳鸯湖矿区、马家滩矿区、积家井矿区和萌城矿区,宁东煤田侏罗纪矿区分布如图1所示。

图1 宁东煤田侏罗纪矿区分布

宁东煤田侏罗纪延安组煤主要由灰色和灰白色各级砂岩、灰色和深灰色粉砂岩、粉砂质泥岩、灰黑色泥岩及煤层组成。延安组自下而上可划分5个段及5个煤组,含煤特征主要表现为煤层层数多、总体厚度大、稳定性好,主要煤层均为中厚煤层,垂直向上表现出周期性变化的特点[1-2]。下部一般煤层少,稳定性差;中部煤层多,有2~3层全区发育的中厚煤层;上部煤层少,但发育一层全区广布的厚煤层。含煤层30余层,最多处可达37层,其中可采和局部可采煤层为7~17层,对比可靠的煤层为13层,自上而下编号依次为五1、五2、五3、四1、四2、四3、三1、三2、二1、二2、一1、一2、一3煤层,其中五2、四2、三1、二1、一3号煤为主要可采煤层,宁东煤田侏罗纪煤层对比见表1。

2 煤岩、硫分及灰分组成特征

2.1 煤岩组成特征

宁东煤田侏罗纪延安组各矿区主要可采煤层的宏观煤岩组分以暗煤为主,亮煤次之,夹少量镜煤条带,含薄层丝炭。宏观煤岩类型以半暗型煤为主,暗淡型煤次之,少量半亮型煤[1]。显微煤岩组分是分析煤层成因环境的良好标志,镜惰比值的大小可反映泥炭沼泽的覆水程度和沼泽的氧化还原环境,镜惰比高则沼泽覆水较深,处于较还原环境;反之镜惰比低则沼泽覆水较浅,处于较氧化环境[3]。宁东煤田侏罗纪主要煤层有机显微组分构成见表2。

1 宁东煤田侏罗纪煤层对比

段统一编号各矿区煤层编号灵武矿区鸳鸯湖矿区马家滩矿区积家井矿区萌城矿区煤层稳定性J2y5五112未22不稳定五2233-233稳定五3-3下4-14上24较稳定J2y4四1554-265较稳定四26未4-397稳定四376-未未较稳定J2y3三19861011稳定三21110未--不稳定J2y2二11315121215稳定二21416未1516稳定J2y1一11517未1617较稳定一2--171818较稳定一31618未未21稳定

2 宁东煤田侏罗纪主要煤层有机显微组分构成 %

矿区有机显微组分镜质V惰质组I壳质E镜惰比V/I灵武矿区38.460.21.40.64鸳鸯湖矿区40.257.72.10.70马家滩矿区42.356.31.40.75积家井矿区42.955.02.10.78萌城矿区42.954.82.30.78

由表2可以看出,宁东煤田灵武矿区、鸳鸯湖矿区、马家滩矿区、积家井矿区和萌城矿区的主要可采煤层显微煤岩组分以惰质组为主,含量在54.8%~60.2%;镜质组含量中等偏低,含量在38.4%~42.9%,说明凝胶化作用程度不高;各矿区延安组煤的镜惰比较低,比值在0.64%~0.78%,这说明成煤时泥炭沼泽覆水较浅,属于弱氧化-弱还原环境,且由北向南镜惰比逐渐升高,表明成煤时期泥炭沼泽覆水北浅南深[3-5]

2.2 硫分及灰分组成特征

宁东煤田侏罗纪主要可采煤层硫分及灰分组成特征见表3。

3 宁东煤田侏罗纪主要可采煤层硫分及灰分组成特征 %

矿区煤层各种形态硫全硫St,d硫酸盐硫Ss,d硫化铁硫Sp,d有机硫So,d主要灰成分灰分产率Ad SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO灵武矿区五20.540.030.280.239.8326.9112.5914.4421.676.94四20.390.020.270.107.6335.913.4911.0617.105.77三10.560.030.290.257.6143.3316.468.2912.144.75二10.540.020.280.2310.1450.1114.997.7210.514.32一30.390.030.170.1911.8444.5514.4810.8214.373.79平均0.490.030.260.209.4140.1614.4010.4715.165.11鸳鸯湖矿区五21.330.030.820.4812.2737.3614.6313.158.023.09四20.830.020.510.2911.5541.5915.6411.997.343.65三10.970.020.560.409.6634.1013.7915.236.773.19二10.690.020.410.2611.1342.3016.2812.085.482.71一30.570.020.390.1613.6044.5514.4810.8214.373.79平均0.880.020.540.3211.6439.9814.9612.658.403.29马家滩矿区五21.170.020.600.557.9536.3014.1311.4916.273.80四21.300.010.740.585.9534.5314.2913.0017.633.52三10.900.020.400.487.4233.5813.6513.9317.273.55二10.880.020.400.466.6736.7813.3511.7018.403.21一30.980.030.500.457.9629.6812.3011.4423.203.51平均1.050.020.530.507.1934.1713.5412.3118.553.52积家井矿区五20.780.020.310.449.7732.5813.3914.6017.494.62四20.680.030.330.329.0027.7813.0311.2822.964.93三11.000.040.510.4511.8634.2614.9112.1017.393.92二10.920.030.450.4411.2032.9812.7912.7719.124.81一30.880.030.500.3511.8638.8016.9110.3215.303.26平均0.850.030.420.4010.7433.2814.2112.2118.454.31萌城矿区五20.720.030.360.3314.1736.6315.027.8621.586.54四20.700.020.260.429.3131.2914.3811.0320.623.48三10.850.040.420.398.9736.2013.4710.0518.766.27二10.680.030.380.2710.2239.9416.328.4916.293.72平均0.740.030.360.3510.6736.0214.809.3619.315.00

(1)硫分。宁东煤田各矿区侏罗纪主要可采煤层的全硫含量平均值分别为0.49%、0.88%、1.05%、0.85%和0.74%。平面分布上,马家滩矿区主要可采煤层的硫分含量最高,平均含量为1.05%,显示为中硫煤;灵武矿区主要可采煤层的硫分含量最低,平均为0.49%。就各矿区主要可采煤层而言,五2煤层硫分含量最高,平均为0.91%;一3煤层硫分含量最低,平均为0.71%。宁东煤田不同矿区侏罗纪煤的硫含量分布如图2所示。

图2 宁东煤田不同矿区侏罗纪煤的硫含量分布

由图2可以看出,各矿区侏罗纪主要可采煤层的硫分以硫化铁硫为主,有机硫次之,硫酸盐硫含量极低。

(2)灰分。宁东煤田各矿区侏罗纪主要可采煤层的灰分产率平均值分别为9.41%、11.64%、7.19%、10.74%、10.67%,为特低灰-低灰分产率煤。煤灰主要成分由SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO 、MgO组成,宁东煤田不同矿区侏罗纪煤灰成分分布如图3所示。

图3 宁东煤田不同矿区侏罗纪煤灰成分分布

由图3可以看出,不同矿区煤灰成分中主要成分的分布模式相似,这表明不同矿区煤的无机组分可能来自于相同的物源区。各个矿区主要可采煤层煤中SiO2/Al2O3比值介于2.13~3.14,平均值为2.55,此值高于高岭石中的SiO2/Al2O3比值(1.18),表明煤中有较高的石英含量;煤中CaO/MgO比值介于2.60~4.28之间,平均值为3.80,远高于白云石中CaO/MgO的比值(1.39),但低于铁白云石中CaO/MgO的比值(4.64),表明煤中可能含有多种碳酸盐矿物;煤中CaO/Fe2O3比值较小,在0.66~1.45之间,平均值为1.43,说明煤层形成时受海水的影响较小,形成于淡水环境[3]

3 硫分及灰分成因探讨

3.1 煤中硫分成因探讨

煤中硫的聚集必须具备的条件为硫酸盐的供给、铁的供给、合适的水介条件及泥炭提供的丰富有机质[6]。煤中硫分含量的高低主要与成煤物质、成煤时期的沉积环境及沼泽的覆水程度等因素密切相关[5]。但由于成煤机理的复杂性,细菌活动、泥炭沼泽介质条件、热液活动等也是影响煤中硫分含量的重要因素[6-7]。宁东煤田延安组地层的沉积环境是浅湖三角洲环境,煤层主要形成于三角洲平原之上的泥炭沼泽环境[8-9],宁东煤田侏罗纪延安组沉积相分布如图4所示。

图4 宁东煤田侏罗纪延安组沉积相分布

由图4可以看出,淡水环境下铁质、钙质、SO42-含量较低[5-10],硫的供给不足;同时各矿区主要可采煤层的煤岩组成显示,镜质组含量中等偏低,凝胶化作用程度不强,说明成煤时泥炭沼泽的覆水深度较浅,为弱氧化-弱还原环境[10],水质为酸性介质。宁东煤田虽然处于鄂尔多斯盆地西缘,靠近剥蚀区,河流搬运作用易带来陆源碎屑物质,但由于偏酸性的水介质不利于厌氧细菌特别是硫酸盐还原菌的活动和繁殖[11],加之淡水环境下SO42-的供给有限,所以通过硫酸盐还原菌将SO42-转变成可利用的活性H2S的量较少。因为H2S的供给有限,煤层中只能形成少量的黄铁矿和有机硫[6]。其次由于活性铁离子与有机质相比对H2S有更大的竞争能力,所以 H2S会优先与Fe2+结合形成硫化铁物质。H2S与Fe2+结合过剩的H2S与有机质反应生成少量的有机硫[10-11]。所以宁东煤田侏罗纪延安组最终形成了有机硫含量低于硫化铁硫含量的低硫煤。

3.2 煤中灰分成因探讨

煤中灰分成因主要有陆源碎屑成因、化学成因和生物成因,在大多数煤中以陆源碎屑成因为主[10]。陆源碎屑成因的矿物质主要是以碎屑或胶体的形式由水流搬运到泥炭沼泽并和成煤植物一起堆积的陆源碎屑物质,煤层灰分高低与基底沉降及沼泽环境密切相关[5]

由灰分组成特征可知,宁东煤田各矿区侏罗纪延安组主要煤层为低灰煤。宁东煤田侏罗纪延安组煤层主要形成于三角洲平原之上的泥炭沼泽环境,且成煤时泥炭沼泽的覆水较浅,因此地下水的搬运能力较弱,由地下水输入的碎屑物质量较少;其次中生代鄂尔多斯盆地大地构造稳定,宁东煤田沼泽基底的下沉速度缓慢且均匀,导致泥炭聚积速率高于构造沉降速率,随着泥炭的不断堆积,沼泽表面会逐渐接近并高出潜水面,最终形成中至高位沼泽[12-13],形成于高位沼泽的延安组煤层受地表水和地下水的影响较弱,主要受控于大气降水的补给,成煤植物以下部泥炭为生长基底,因此无机组分主要来自于植物本身[14-15]。综上所述,宁东煤田延安组煤层成煤时由水流搬运到泥炭沼泽和成煤植物一起沉积的陆源碎屑物质的量较少,所以形成了以特低-低灰为特征的煤层。

4 结论

(1)宁东煤田侏罗纪延安组煤中显微组分以惰质组为主,镜质组次之,壳质组最少。主要由于宁东煤田在侏罗纪处于稳定的构造背景,煤田基底构造沉降速率较慢,泥炭聚积速率高于构造沉降速率,泥炭覆水较浅。

(2)宁东煤田侏罗纪延安组煤层中硫分以特低硫-低硫为主,且以硫化铁硫为主。主要由于受淡水成煤环境的影响,硫的供给不足,同时成煤时期泥炭沼泽覆水不深,水质偏酸性,不利于硫酸盐还原菌的繁殖, 制约了硫化物的形成,最终形成了低硫煤。

(3)宁东煤田侏罗纪延安组各煤层灰分产率较低。主要是因为煤层形成于高位沼泽,主要接受雨水补给,加之煤层形成时沼泽覆水较浅,地下水的搬运能力较弱,碎屑物质注入量较少,从而形成灰分产率较低的煤层。

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Discussion on sulfur and ash characteristics and origin in Jurassic coal in Ningdong coalfield

Huang Pengcheng, Zhang Xiaowu, Zhang Zhifeng, Ma Yongxiang

(Coal Geological Exploration Institute of Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan, Ningxia 750000, China)

Abstract Based on a large number of coal field exploration and coal quality analysis data, the characteristics of coal rock, ash and sulfur composition of Jurassic Yan'an formation in different mining areas of Ningdong coalfield are systematically studied, and the origin of sulfur and ash in coal was discussed combing with tectonic background and coal-forming environment. The results demonstrated that the coal macerals of Yan'an formation in Ningdong coalfield were mainly inertinite, followed by vitrinite and exinite; the coal forming swamp was freshwater swamp, and the sulfur supply was insufficient, resulting in the formation of low sulfur coal dominated by iron sulfide; the coal forming peat swamp was dominated by high-level swamp, with less terrigenous clastic material imported from groundwater, forming coal characterized by ultra-low-low ash.

Key words Ningdong coalfield, Jurassic, Yanan formation, ash content, sulfur content

中图分类号 TQ533

文献标识码 A

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引用格式:黄鹏程,张小五,张志峰,等. 宁东煤田侏罗纪煤中硫分、灰分特性及成因探讨[J].中国煤炭,2020,46(7):86-91.

Huang Pengcheng, Zhang Xiaowu,Zhang Zhifeng, et al. Discussion on sulfur and ash characteristics and origin in Jurassic coal in Ningdong coalfield[J].China Coal, 2020, 46(7):86-91.

作者简介:黄鹏程(1991-),男,宁夏固原人,工程师,硕士研究生,主要从事矿产勘查及评价工作。E-mail:cughpc@163.com。

(责任编辑 王雅琴)