山西嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层的煤质和煤岩特征研究

当今国际形势下我国的能源结构一直在转型过程中,但煤炭资源作为我国使用最为广泛的有机矿产资源,仍是重要的不可替代的能源基础。在我国的一次性能源结构中,它仍然占据着无法比拟的位置。随着我国生产力的大力发展,在煤的洗选、炼焦、液化、气化、燃烧等方面,均需要对煤岩煤质特征进行研究分析,来更好的实现煤的清洁利用[1]。近些年来,随着人们对战略性矿产资源和环境问题的日益重视,诸多学者对煤中微量元素的富集、赋存、迁移和转化等问题进行了大量的研究[2-4],对煤的煤岩和煤质特征的分析研究可以为煤炭在实际利用过程中所产生的空气污染问题和煤灰提取过程中战略性金属的提取利用问题提供科学有效的指导[5]。

煤的物质成分组成相对于其他矿产资源而言较复杂,作为一种特殊的可燃有机岩,除了包括无机组分以外,还包括有机物质。煤岩煤质特征的研究,除了在煤炭资源的安全绿色发展以及全面利用方面产生积极影响外,同时在煤的开采冶炼和工业化利用过程中起到非常大的作用。如镜质体作为华北聚煤盆地C-P煤的主要有机显微组分,其含量与性质极大地影响着煤的加工与利用性能[5,6],另外,在煤炭开采的过程中,如果煤中的惰质体含量增加,除了会加速粉尘的形成以外,适量的惰质体又有利于增强焦炭的强度和稳定性[7]。除此之外,煤的腐植化程度,尤其是腐植体的凝胶化程度,在煤的加工利用等方面也会产生很大的影响[8]。煤中的菌类体以及粗粒体也通常被用来反映古成煤沼泽的沉积环境[9,10]。因此,通过应用煤岩学和煤化学的方法,对煤的煤岩煤质特征进行研究是正确评价煤的物质组成以及煤燃烧过程中所带来的环境问题的重要依据。

本文以山西省嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层为研究对象,着重对其进行了水分、灰分、挥发分产率的测定,结合煤岩显微组分,系统分析了山西嘉乐泉8# 煤层的煤岩煤质特征,有助于煤炭深加工和综合利用,为矿区今后的煤炭合理开发利用提供指引,为煤中的关键元素的潜在利用提供一些重要的数据支撑,对嘉乐泉矿区煤炭资源分质分级和选取适合的清洁高效利用方式具有指导意义。

山西省作为我国的产煤大省,也是我国举足轻重的能源化工基地,其主要由6大煤田构成,分别是:西山煤田、河东煤田、沁水煤田、宁武煤田、大同煤田以及霍西煤田[10,11]。山西煤田有5个主要的成煤期,其中工业和经济价值最高的成煤期是石炭纪—二叠纪。因此,对山西石炭纪—二叠纪煤层的煤岩煤质特征的研究分析有助于阐明煤层形成历史、煤变质程度、聚煤盆地的沉积微环境以及煤的矿化作用等。山西西山煤田在山西省的中北部、太原市的西南方向约16 km的位置上,面积大约1 900 km2[11]。作为我国至关重要的焦煤生产基地,其位属华北克拉通中段,是一个并不十分对称的中大型复式向斜构造形式,其东侧平缓西翼陡峻,其东翼的断裂构造比较发育,边山断裂是其主要边界;西侧中部和北部被燕山期的焦城碱性杂岩体侵入,形成了煤和岩浆岩的接触变质带,导致煤化作用升高[12,13]。

太原嘉乐泉矿在吕梁山古隆起的东侧翼、西山煤田的东北方向,井田东西长4.8 km,南北宽1.6 km,面积约7.2 km2,属于低矮山地地貌,矿区地表由于经历长期的风化剥蚀,导致沟谷发育,地形多样[13]。煤矿总体构造样式表现为由外到内倾斜的向斜构造 (图1)[14,15],嘉乐泉井田内可见一些延伸很短、落差比较小的正断层,在它们的边缘可见一些规模较大的断层。总体沉积地层走向为北东向,在局部表现为北西向,倾角一般为6°-15°,局部达到30°以上,区内含煤地层主要为太原组与二叠系下统山西组[15]。

太原组在本区全厚95.26~123.77 m,平均113.13 m,含煤 8 层。主要由泥岩、粉砂岩、细粒砂岩以及6~8层可采煤层组成,沉积环境为潮坪和碳酸盐台地[11,16]。其中主要的可开采含煤地层为太原组8#和9#煤层。二叠系下统山西组厚度为21.97~48.97 m,平均39.25 m,含煤 5 层。主要由暗灰色砂质泥岩、粉砂岩、灰色砂岩以及4~5层可采煤层组成,形成于三角洲平原环境[17]。

样品采自山西太原西山煤田嘉乐泉煤矿8#煤层,均为新鲜样品。从嘉乐泉矿8#煤层工作面分别采集了10个煤分层样品(为方便标记,样品编号为J8-1至J8-10)和2个顶底板样(包括顶板J8-R和底板J8-F),样品采集后应迅速的储存到样品袋中避免外部环境的污染和氧化。根据实验要求对样品进行预处理,在实验室内将煤分层样品通过碎样机粉碎成200目粉末并按顺序放入小密封袋中保存好,然后对样品后续进行矿物学和煤化学实验。

煤样采用ASTM标准D3173-11、D3174-11、D3175-11,分别测定了空气干燥基水分、空气干燥基灰分产率以及干燥无灰基挥发分产率。依据国家标准GB/T214—2007对煤和围岩中的干燥基全硫进行了测试[18]。按照ASTM标准D2798-11a,在油浸的反射光下,运用 Leica DM-4500P型 偏光显微镜对煤样光片开展有机显微组分观察和定量分析,再应用显微镜分光光度计(Craic QDI 302TM)测试煤的镜质组反射率。在中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室应用英国产EMITECH K1050X型号的等离子低温灰化仪对煤中灰分产率小于50%的煤分层样品低温等离子灰化(小于200℃,75W)后,再进行 X 射线衍射分析(LTA+XRD;2θ=2.6°~70°,连续扫描),并用 Mjade 5.0 软件对样品 XRD 图谱进行矿物的定性分析。

3.1 煤质特征

工业分析是检验煤质的基本手段。原煤的工业分析数据主要包括对煤样的水分、灰分、全硫、形态硫、镜质组反射率以及挥发分产率的测定,是评价煤质的基础数据,也是科研工作者进行煤质特性分析的主要指标[6-9]。本次实验的数据结果如表1所示。

表1 嘉乐泉晚石炭—早二叠世8# 煤层的厚度、水分、灰分产率、挥发分产率和和全硫测定结果(%)Table 1 Thickness, moisture, ash yield, volatile fraction yield and total sulfur measurement results of the Late Carboniferous—Early Permian 8# coal seam at Jialequan (%)

3.1.1 水分

山西嘉乐泉8#煤层的水分含量变化范围在0.66%~3.39%之间,加权平均值为1.10%,整体上看变化范围浮动不大。不同煤化程度的煤中均含有一定量的水分,同时水分也是衡量煤炭质量的重要参照指标,尤其在低变质煤(如褐煤)中,水中含有一些非矿物态溶解盐类,会随着变质程度的增高而结晶,进而影响煤炭的加工和利用。煤在不断的变质作用下,其所含的水分也会发生规律性的变化,因而水分也可作为煤的变质程度的评价指标之一。在嘉乐泉8#煤层中靠近顶板的煤分层水分较大,其余煤分层水分变化不大,最低值出现在J8-4煤分层中,而最高值则出现在J8-1煤分层中,与灰分产率在煤层剖面的变化规律类似(图3)。

3.1.2 灰分产率

山西嘉乐泉8#煤层的灰分产率介于9.78%~41.67%之间,变化范围较大,其中灰分产率最高值出现在嘉乐泉8#煤层J8-8煤分层样品中,最低值则出现在J8-5煤分层样品中,加权平均值为22.42%,总体上分析属于中灰分煤。按照国家标准GB/T 15224.1-2010,将原煤分为五级,包括:干燥基灰分产率≤10.00%属于特低灰煤,在10.01%~20.00%之间属于低灰煤,在20.01%~30.00%之间属于中灰煤,在30.01%~40.00%之间属于中高灰煤,在40.01%~50.00%之间属于高灰煤。嘉乐泉8#煤层中J8-5为特低灰煤,J8-3、J8-4、J8-9为低灰煤,J8-1、J8-6、J8-7、J8-10为中灰煤,J8-2为中高灰煤,J8-8为高灰煤(图3)。

嘉乐泉8#煤层中灰分产率的高低与其矿物质的含量相关,煤中的矿物质既包括已经结晶的矿物,同时也包括尚未结晶的隐晶质和存在于有机显微组分中的无机元素。由于煤中矿物在高温下会发生一系列的化学反应,因此对山西嘉乐泉8#煤层进行低温灰化,用以去除煤中的有机组分,但是低温灰化不会改变原煤的自身矿物组成,灰化后,运用X射线衍射仪(XRD)分析其矿物组成(图2),可见太原嘉乐泉8#煤层中的矿物组成主要是黄铁矿、石英、伊利石、高岭石、锐钛矿、烧石膏以及少量的硫酸盐矿物(如黄钾铁矾)。在太原西山煤田嘉乐泉8#煤层剖面上,灰分产率表现为先减小后增大的变化趋势,这与陆源碎屑的供给程度相关,陆源控制越强,嘉乐泉的灰分产率越高。嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层的陆源区为阴山古陆的前寒武纪变质片麻岩,经风化作用、剥蚀作用,碎屑物质经流水和风力等介质被搬运到沼泽后沉积成煤,成煤后经历了煤化作用。

3.1.3 挥发分产率和镜质组反射率

山西嘉乐泉8#煤层的挥发分产率变化范围为23.23%~38.15%之间,加权平均值为28.24%,挥发分产率最高值出现在J8-1煤分层中,最低值出现在J8-4煤分层中。根据D388-12 煤级分类标准,依据挥发分产率对烟煤进行划分,干燥无灰基挥发分产率介于14.01%~22.00%之间为低挥发分烟煤,处于22.%~31%之间的煤为中挥发分烟煤,干燥无灰基挥发分产率大于31.00%的定为高挥发分烟煤。山西嘉乐泉8#

煤层大多数煤分层属于中挥发分烟煤,仅仅煤分层J8-1属于高挥发分烟煤,挥发分产率和镜质组反射率一样,均可视为煤化程度的标准。干燥无灰基挥发分产率越低,表明煤经历的变质程度越高。在嘉乐泉8#煤层剖面上,挥发分产率表现为先减小后平稳的趋势,反映出剖面中下部煤层煤化程度大于上部煤层。

山西西山煤田嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层的镜质组随机反射率整体变化不大,8#煤层中镜质组随机反射率为1.16%~1.26%,加权平均值为1.22%。通常对于镜质组反射率大于1.3%,测定其最大镜质组反射率,然而嘉乐泉8#煤层的镜质组反射率均小于1.3%,则估测其镜质组随机反射率。由于镜质组反射率不受灰分产率、沼泽水位以及还原程度的影响,是良好的煤化程度的指标。镜质组反射率小于0.5%属于低阶煤(褐煤和亚烟煤),大于0.5%属于烟煤。嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层均属于中等煤化程度烟煤(图3)。

3.1.4 全硫含量

硫作为煤中的有害元素之一,在煤的生产加工利用过程中无时无刻不对人类的生产生活产生无法避免的影响。比如高硫煤在其生产加工和利用过程中所带来的巨大危害,主要表现在高硫煤被用作燃料燃烧时所产生的气体,不仅会对仪器设备的管道造成严重腐蚀,而且煤中的硫作为酸雨的重要来源之一,还会对大气环境造成严重污染[12,15,19];在半水煤气的制作中,有时合成氨催化剂会发生失效,这主要由于高硫煤的使用;在钢铁的冶炼过程中,如若煤中硫分过大则会导致钢铁的质量降低。煤中的硫可以分为有机硫(So)和无机硫两大类,无机硫又被分为硫化物硫(Sp)和硫酸盐硫(Ss)两类,当然在一些高硫煤中还含有一些元素硫[19]。

山西嘉乐泉8#煤层的全硫含量在0.68%~9.12%之间,加权平均值为2.28%,干燥基硫含量的最小值出现在煤分层J8-3中,最大值则出现在煤分层J8-10中。根据国家标准GB/T15 224.2-2010,划分为五级,把干燥基全硫含量小于等于0.50%的定义为特低硫煤,含量在0.51%~1.00%之间定义为低硫煤,介于1.01%~2.00%之间的定义为中硫煤,介于2.01%~3.00%之间的煤定义为为中高硫煤,干燥基全硫含量大于3.00%则定义为高硫煤。山西嘉乐泉8#煤层J8-3、J8-4、J8-7、J8-8为低硫煤;J8-2、J8-5为中硫煤;J8-1、J8-6、J8-9为中高硫煤;J8-10为高硫煤(图3)。

煤中硫的形成是一个复杂的地质过程,其全硫含量与成煤的沉积环境密切相关,同时受多种因素的影响,陆相沉积成煤中全硫含量较低,而海相沉积或受海水影响的煤中全硫含量则较高,主要泥炭沼泽由于受海水的影响从而富含硫酸根离子。低硫煤(S≤1%)中的硫源主要继承于沼泽内的植物,而中硫煤(＞1%~＜3%)和高硫煤(S≥3%)中的硫大部分来源于原始成煤沼泽中入侵的海水提供的硫酸盐离子[16-19]。山西嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层属于太原组沉积地层,为海陆过渡相沉积,其形成受海水和淡水的共同控制,含硫份高的煤层(如J8-10)受海水影响较强,硫源主要来自海水的供给,主要由黄铁矿硫组成,并含少量黄钾铁矾和烧石膏等硫酸盐硫,它们是硫酸盐矿物低温灰化的产物。

3.2 煤岩特征

煤是一种组成复杂的固体可燃有机岩,具有独特的还原障和吸附障性能,有机显微组分是煤的最基本组成部分,它是由植物遗体在泥炭沼泽中经一系列成煤作用变化而来的,可分为3大组:镜质组、壳质组和惰性组[20]。对煤岩特征的分析是进行煤地质学研究的重要基础工作之一。仅仅通过肉眼的话只能分辨出不同的宏观煤岩成分,从而判断其宏观煤岩类型(如镜煤、亮煤、暗煤等),因此需要在光学显微镜下通过结构、颜色、突起等进一步识别煤的各种有机显微组分。对太原嘉乐泉8#煤层的粉煤光片在偏光显微镜下的定量结果分析表明(表2),有机显微组分主要是镜质组和惰质组,并未发现壳质组。

表2 嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层的镜质组反射率(%)及显微组分定量结果(无矿物基;vol.%)Table 2 Quantitative results of reflectance (%) and microfraction of specular group of Late Carboniferous—Early Permian 8# coal seam in Jialequan (no mineral base; vol.%)

3.2.1 镜质组含量及特征

山西嘉乐泉8#煤层中镜质组含量为84.64%~95.06%,加权平均值为91.19%。镜质组是由植物的根、叶、茎和树皮等在覆水的还原条件下,经凝胶化作用和煤化作用而形成,其结构以及胞腔保存程度取决于以上两种作用的强弱[6,20]。随着煤的变质作用进行,在油浸反射光下,镜质组会由低煤阶的浅灰色逐渐变为高煤阶的亮灰色。按照它们形状和结构的异同,可将它们分为结构镜质体、无结构镜质体和碎屑镜质体3种,无结构的镜质体被分为胶质镜质体、均质镜质体、基质镜质体和团块镜质体[20,21]。山西嘉乐泉8#煤层中主要为基质镜质体(均值为74.88%),其次为均质镜质体(均值为14.49%),且在一些煤分层中可以看到少量的结构镜质体和碎屑镜质体,但是没有凝胶体,仅在煤分层J8-2中发现了少量的团块状镜质体。随着煤阶的演变,镜质体的颜色会由低煤阶煤的暗灰色变成高煤阶煤的浅灰色。镜质组通常是在厌氧的环境下保存下来的,山西嘉乐泉8#煤层镜质组的含量和分布特征表明原始泥炭沼泽为厌氧条件。

(1)无结构镜质体

山西嘉乐泉8#煤层中基质镜质体含量变化范围浮动较大,为63.74%~87.86%,加权平均值为74.88%。基质镜质体经历了彻底的凝胶化作用(镜煤化作用),是由其他显微组分和同生矿物的凝胶化基质组成的,山西嘉乐泉8#煤层中基质镜质体常常胶结石英、黏土矿物、黄铁矿以及碎屑惰质体等,作为各种显微组分的胶结物(图4)。

嘉乐泉8#煤层中均质镜质体的含量变化范围为4.79%~30.77%,加权平均值为14.49%,变化幅度较小。例如:J8-9样品中有些微粒体(图5A)和粗粒体(图5B)分布在均质镜质体中,J8-10样品均质镜质体中含有少量的黄铁矿微晶(图5C)。均质镜质体在8#煤层中常呈规则的透镜状,个别呈长短不一的条带状,纯净且均匀,在反射光下表现为为暗灰色,发育垂直裂纹,常常被不规则的裂痕贯穿。

(2)结构镜质体

山西嘉乐泉8#煤层中结构镜质体含量加权平均值为0.92%,含量较少。J8-9样品结构镜质体中具有非常整齐的细胞结构,其中主要被高岭石、伊蒙混层和黄铁矿充填(图5D)。结构镜质体通常表现为透镜状,且细胞结构较完好,在反射光下呈现出灰—深灰色,是细胞结构清晰的镜质组组分。

(3)碎屑镜质体

山西嘉乐泉8#煤层中碎屑镜质体含量较低,加权平均值为1.66%(图6A)。碎屑镜质体是由镜质组粒度＜30 μm的碎屑颗粒组成的,且常呈不规则状产出。

3.2.2 惰质组含量及特征

山西嘉乐泉8#煤层中惰质组含量在1.86%~11.73%之间变化,主要由丝质体和半丝质体组成(均值分别为4.34%和3.02%)。除此之外,在J8-6和J8-10煤分层样品中还观察到了少量粗粒体,含量分别为0.32%和0.27%。在J8-4和J8-10煤分层样品中观察到了少量碎屑惰质体,含量分别为0.56%和0.55%。惰质组是山西嘉乐泉8#煤层中含量居第2位的常见显微组分,其反射率高,在变无烟煤阶段以前,高于镜质体,其反射色具有浅灰色、灰色、黄白色,变为正的突起,无荧光或显示弱荧光。山西嘉乐泉8#煤层中惰质组含量明显低于镜质组含量。

(1)丝质体

丝质体在山西嘉乐泉8#煤层中含量范围为1.10%~11.17%,加权平均值为4.35%。丝质体通常是古植物的根、茎等组织,由于气候干燥,氧化条件充分,经过比较强烈的丝炭化作用逐步形成的。其丝炭化组分具有十分完整的木质体细胞结构,可以分为火焚型丝质体和氧化态丝质体两种亚有机组分。太原嘉乐泉8#煤层中丝质体并没有经历明显的矿化,但是氧化明显,有机显微结构保存不好,J8-4样品中的丝质体(图6B)及胞腔丝质体(图6C)遭受破坏,被黏土矿物充填。

(2)半丝质体

半丝质体的平均含量在山西嘉乐泉8#煤层中是4.01%,例如:样品J8-10保存原始细胞结构,有较为明显半丝质体膨胀现象(图6D),煤分层J8-9有高岭石、伊利石充填于细胞的胞腔之中(图6E)。半丝质体的来源和丝质体大体相同,是一种过渡型的丝炭化组分,处于丝质体与结构镜质体之间,所经受的丝炭化作用微弱,其细胞结构并不完整且没有丝质体保存好。

(3)碎屑惰质体

山西嘉乐泉8#煤层中碎屑惰质体含量较低,在个别煤分层中可见(图6F)。碎屑惰质往往由颗粒粒径＜30 μm的惰质组碎屑颗粒构成,反射光下浅灰色,一般情况下被基质镜质体所胶结,有时呈碎片状成堆出现。

(1)山西嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层属于中灰分、低硫分、中挥发分产率的烟煤。8#煤层的矿物组成主要包括黄铁矿、石英、高岭石、锐钛矿、伊利石、烧石膏以及少量的黄钾铁矾等硫酸盐矿物组成。在嘉乐泉8#煤层剖面上,水分与灰分产率在煤层剖面的变化规律类似,均表现为先减小后增大的变化趋势,这与陆源碎屑的供给程度相关。

(2)嘉乐泉8#煤层含硫份高的煤层受海水影响较强,硫源主要来自海水的供给,主要由黄铁矿硫组成,含少量黄钾铁矾和烧石膏等硫酸盐硫,它们是硫酸盐低温灰化的产物。

(3)山西嘉乐泉晚石炭—早二叠世8#煤层以富镜质组和惰质组有机显微组分为主,没有发现壳质组。山西嘉乐泉8#煤层中主要为基质镜质体(均值为74.88%),其次为均质镜质体(均值为14.49%),且在个别煤分层中可见少量的结构镜质体和碎屑镜质体,仅在J8-2煤分层样品中发现了团块镜质体,未发现凝胶体。惰质组含量明显低于镜质组含量,且主要由丝质体和半丝质体组成(均值分别为4.34%和3.02%)。镜质组的含量和分布特征表明原始成煤环境为厌氧的还原条件。

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