李致潍1，赵正威2，冯 烁1，韩长城1
(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830017；2.新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一煤田地质勘探队，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830009)
摘 要 为揭示吐哈盆地大南湖矿区富油煤的赋存特征及主控因素，选取大南湖矿区3号、7号和25号煤层为研究对象，通过分析煤岩煤质和焦油产率特征，对大南湖矿区富油煤赋存特征进行研究；结合显微煤岩组分、H/C原子比、镜惰比、灰成分等方面，研究影响大南湖矿区富油煤赋存的主要因素。研究结果表明，大南湖矿区3号、7号和25号煤层以镜质组为主，总体属中水分、特低灰-低灰分、高挥发分煤；各煤层富油煤资源均在矿区边缘零星分布。煤焦油产率与镜质组、壳质组、氢元素含量、H/C原子比、灰成分指数呈正相关，与惰质组含量呈负相关。在潮湿、覆水的还原环境以及较低的煤化程度条件下，越有利于富油煤的形成和赋存。
关键词 大南湖矿区；富油煤；焦油产率；赋存特征；主控因素
富油煤作为集煤、油、气属性于一体且焦油产率大于7%的特殊煤炭资源，是促进我国传统煤炭资源高效、清洁转型的重要方向之一[1-3]。新疆吐哈盆地蕴藏着丰富的富油煤资源，仅哈密地区的富油煤资源量估算超过2 000亿t。大南湖矿区位于新疆维吾尔自治区哈密市南部，目前对大南湖矿区的研究主要集中在水文地质、煤岩煤质特征、成煤环境等方面[4-6]，对于该区富油煤赋存特征及主控因素的研究相对较少。因此，本文结合地质背景和相关测试分析，通过分析富油煤煤岩煤质和焦油产率特征，探讨研究区内富油煤资源的赋存特征；从成煤物质、沉积环境以及煤化程度入手，并将煤焦油产率与各项参数结合起来，查明影响富油煤赋存的主控因素，以期为大南湖矿区富油煤资源的开发和利用提供可靠的依据。
大南湖矿区位于吐哈盆地大南湖凹陷内，北与沙尔湖隆起带相邻，南以F1断层与觉罗塔格复背斜相邻，东西长约240 km，南北宽10～30 km，面积约4 437 km2。研究区构造总体以NW向和近EW向为主的斜列式复式向斜构造，区内总体地层产状平缓，地层倾角一般为3°～ 13°，局部地段地层近水平产出，仅在南湖向斜南翼17～23线地层倾角相对较大，一般为14°～ 26°，为全区最陡地层分布段[7-8]。大南湖矿区区域位置示意如图1所示。
图1 大南湖矿区区域位置示意
研究区内含煤地层主要分布在中侏罗统西山窑组(J2x)，根据岩性、含煤性等特征分上、中、下3个岩性段，其中西山窑组中段(J2x2)为主要含煤层段，含煤1～29层，煤层总厚度为36.47～143.39 m，平均厚度93.2 m；有可采煤层23层，煤层可采总厚度28.48～133.12 m，平均可采总厚度 79.28 m，其中全区可采煤层7层，煤层总厚度为 38.99 m；大部分可采煤层12层，煤层总厚度为46.70 m；局部可采煤层4层，煤层总厚度为7.36 m[9]。
大南湖矿区3号、7号和25号煤层富油煤样品的宏观煤岩成分以暗煤为主，丝炭及亮煤含量次之，暗煤多呈条带状分布，丝炭组份呈线理状、透镜状分布。宏观煤岩类型主要为半暗型煤及暗淡型煤，此外还含有少量的半亮型煤。大南湖矿区煤样显微煤岩组分见表1。由表1可知，有机显微组分主要有镜质组、惰质组和壳质组，镜质组为主要煤岩组分，含量为50.32%～58.83%；其次是惰质组，含量为26.14%～40.68%；壳质组含量较少，仅有0.26%～0.40%。无机显微组分以黏土类矿物为主，含量为8.22%～14.37%；其次为硫化物和碳酸盐类矿物。
表1 大南湖矿区煤样显微煤岩组分 %
煤层有机显微组分镜质组惰质组壳质组无机显微组分黏土硫化物类碳酸盐类镜质体最大反射率3号57.0629.230.4012.590.160.560.3207号58.8326.140.3514.370.230.080.31625号50.3240.680.268.220.100.420.354
对研究区数组原煤样品进行工业分析，分析结果见表2。由表2可知，3号煤层原煤水分、灰分、挥发分分别为6.26%～12.04%、7.39%～29.89%、37.3%～51.49%，60个样品的平均值分别为9.10%、15.70%、45.55%；7号煤层原煤水分、灰分、挥发分分别为6.55%～13.14%、5.91%～29.96%、40.05%～49.96%，55个样品的平均值分别为8.94%、14.23%、44.65%；25号煤层原煤水分、灰分、挥发分分别为5.52%～12.52%、3.42%～22.34%、28.94%～42.76%，80个样品的平均值分别为8.25%、7.58%、38.34%。根据《煤炭质量分级》(GB/T 15224. 1-2018) 和《煤的挥发分产率分级》(MT/T 849-2000)[10]，大南湖矿区3号、7号和25号煤层的煤样属于中水分、特低灰-低灰分、高挥发分煤。
表2 大南湖矿区煤工业分析测试结果 %
煤层水分Mad 灰分Ad挥发分Vdaf3号6.26～12.049.10 (60)7.39～29.8915.70 (60)37.3～51.4945.55 (60)7号6.55～13.148.94 (55)5.91～29.9614.23 (55)40.05～49.9644.65 (55)25号5.52～12.528.25 (80)3.42～22.347.58 (80)28.94～42.7638.34 (80)
注：最小值～最大值/平均值(样品数)。
依照《矿产资源工业要求手册(2014修订版)》煤炭焦油产率分级，焦油产率小于7%的煤炭被称为含油煤，焦油产率在7%～12%的煤炭被称为富油煤，焦油产率大于12%的煤炭被称为高油煤。对大南湖矿区3号、7号和25号3个主要可采煤层煤样进行格金低温干馏测试，测试结果见表3。由表3可知，3号、7号和25号煤层平均焦油产率分别为8.17%、8.09%、7.13%，按照煤炭焦油产率分级均已达到富油煤评级标准。
大南湖矿区3号、7号和25号煤层富油煤分布特征如图2所示。由图2可知，大南湖矿区煤焦油产率普遍偏低，总体以含油煤为主，富油煤资源在矿区边缘地区零星发育。3号煤层富油煤资源主要分布在矿区的西部和南部；7号煤层富油煤资源主要分布在矿区的南部，在矿区的北部也有小面积的富油煤资源发育；25号煤层富油煤资源分布位置与7号煤层基本相同，主要分布在矿区的南部和北部。总体上看，大南湖矿区3号、7号和25号煤层煤焦油产率表现出相似的变化趋势，均呈中间低四周高的特征。
表3 大南湖矿区煤格金低温干馏测试结果
煤层焦油产率/%半焦产率/%总水分产率/%煤气+损失/%焦油产率分级3号6.70～10.708.17 (8)60.10～65.4063.18 (8)13.90～17.8015.21 (8)11.50～15.5013.44 (8)富油煤7号6.40～10.308.09 (9)57.40～68.6062.91 (9)13.50～18.9016.15 (9)9.90～15.7012.85 (9)富油煤25号3.40～9.707.13 (12)63.90～68.5066.53 (12)13.00～18.9014.58 (12)9.20～16.2011.76 (12)富油煤
注：最小值～最大值/平均值(样品数)。
从成煤物质方面来看，煤中镜质组、壳质组、氢元素Hdaf等富氢组分含量的高低是决定煤是否具有高焦油产率的重要因素[11-12]。显微煤岩组分与煤焦油产率关系如图3所示。由图3可知，大南湖矿区煤焦油产率与镜质组、壳质组的含量呈正相关关系，R2分别为0.52、0.21；与惰质组含量呈负相关关系，R2为0.44。在矿区所采煤样中镜质组含量较高，与煤焦油产率的正相关性也较高，而壳质组含量及相关性都相对较低，因此在大南湖矿区镜质组对煤焦油产率的影响更为显著。氢元素Hdaf 、H/C原子比与煤焦油产率关系如图4所示，由图4可知，焦油产率与氢元素Hdaf含量以及H/C原子比之间也呈正相关关系，R2分别为0.41、0.48，证明了氢元素含量是影响焦油产率的重要因素。
图2 大南湖矿区3号、7号和25号煤层富油煤分布特征
图3 显微煤岩组分与煤焦油产率关系
图4 氢元素Hdaf 、H/C原子比与煤焦油产率关系
有机质类型是衡量生烃潜力的重要指标之一，通过范氏图对干酪根类型进行划分，可以确定成烃母质类型，研究成油物质来源[13-14]。大南湖矿区煤元素分析测试结果见表4。
由表4可知，大南湖矿区煤样的平均H/C原子比为0.73～0.79，平均O/C原子比为0.17～0.21，结合富油煤H/C-O/C原子比范氏图，如图5所示，可判断，大南湖矿区富油煤干酪根类型为标准腐殖型Ⅲ2，其成油物质主要是由植物经漫长沉积演化形成。
表4 大南湖矿区煤元素分析测试结果
煤层Cdaf/%Hdaf/%Ndaf/%Odaf/%O/C原子比H/C原子比3号72.54～77.9974.07 (18)3.92～5.364.78 (18)0.89～1.171.04 (18)14.64～21.3518.80 (18)0.14～0.220.19 (18)0.61～0.880.73 (18)7号71.86～76.0373.81 (17)3.99～5.244.85 (17)0.97～1.141.07 (17)17.80～22.2020.26 (17)0.18～0.230.21 (17)0.64～0.860.79 (17)25号74.44～82.7377.12 (23)4.21～5.234.72 (23)0.91～1.171.05 (23)11.40～19.8417.10 (23)0.10～0.200.17 (23)0.65～0.810.74 (23)
注：最小值～最大值/平均值(样品数)。
通常镜质组代表潮湿还原环境，惰质组代表干燥氧化环境，因此镜惰比(V/I)在一定程度上可以较为直观地反映出成煤环境的氧化还原程度、覆水程度和气候的干湿状况[15-16]。当V/I>4时，为强覆水环境；当1<V/I<4时，为极潮湿-覆水环境；当0.25<V/I<1时，为潮湿-弱覆水环境；当V/I<0.25时，为干燥-极干燥环境[17]。由表1计算可得，3号、7号和25号煤层的镜惰比分别为1.95、2.15、1.15，V/I均在1～4之间，因此大南湖矿区3号、7号和25号煤层成煤环境属于极潮湿-覆水的还原环境。
根据已有研究表明，灰成分特征参数能够较好地反映出古盐度、古气候、氧化还原条件、水动力条件等聚煤环境信息[18-19]。对大南湖矿区煤样进行灰成分分析见表5。大南湖矿区3号、7号和25号煤层Fe2O3+CaO+MgO的质量分数分别为25.68%、26.19%、36.56%，SiO2+Al2O3的质量分数分别为58.79%、58.19%、45.69%。由此表明，随着含煤地层由下至上发育，泥炭沼泽受到海水的影响程度逐渐减小，陆源物质供给逐渐增多。
图5 富油煤H/C-O/C原子比范氏图
表5 大南湖矿区煤层灰成分分析结果
煤层灰成分/%Fe2O3CaOMgOSiO2Al2O3SO3灰成分指数K3号3.60～24.408.99 (23)1.40～18.9412.16(23)2.58～6.994.53 (23)23.49～54.4239.95 (23)13.03～25.2318.84 (23)1.40～14.475.13(23)0.447号3.62～19.126.80 (23)6.37～27.4113.78 (23)3.13～11.715.61 (23)7.76～51.0639.74 (23)4.73～23.7818.45 (23)0.25～25.645.89 (23)0.4525号3.27～34.7113.02 (37)5.97～28.8218.60 (37)1.96～8.594.94 (37)10.37～57.6330.68 (37)7.43～27.6815.01 (37)0.59～15.936.83 (37)0.80
注：最小值～最大值/平均值(样品数)。
SO3+Fe2O3值也可反映成煤环境的还原程度，其值越大，还原性越强。灰成分与煤焦油产率关系如图6所示。由图6可知，灰成分指数K、SO3+Fe2O3、CaO+MgO、CaO的质量分数与煤焦油产率均呈正相关关系，表明成煤环境的还原程度和凝胶化程度越高，越有利于富油煤的形成。
图6 灰成分与煤焦油产率关系
煤化程度是指在温度、压力、时间及其相互作用下，煤的物理、化学性质变化的程度通常用镜质体最大反射率(Rmax)来确定煤的变质程度[22]。大南湖矿区煤层镜质体最大反射率整体较低，3号、7号和25号煤层镜质体最大反射率分别为0.320%、0.316%、0.354%，Rmax均小于0.50%，属低煤级褐煤变质阶段。煤化程度与煤焦油产率关系如图7所示。由图7可知，镜质体最大反射率与煤焦油产率呈正相关关系，表明较低的煤化程度对富油煤的发育有促进作用。因此，煤化程度这一因素对焦油产率也具有一定的影响。
(1)大南湖矿区3号、7号和25号煤层有机显微组分主要为镜质组和惰质组，壳质组含量较少。煤质总体表现为中水分、特低灰-低灰分、高挥发分的特征。从平面上看，大南湖矿区3号、7号和25号煤层富油煤资源在矿区内零星分布，主要富集于矿区边缘，焦油产率均呈中低外高的趋势；从垂向上看，大南湖矿区3号、7号和25号煤层煤平均焦油产率分别为8.17%、8.09%、7.13%，自上而下呈逐渐减小的趋势。
图7 煤化程度与煤焦油产率关系
(2)研究区内富油煤有机质类型为Ⅲ2型；煤焦油产率与惰质组含量呈负相关关系，与镜质组、壳质组、氢元素Hdaf含量以及H/C原子比呈正相关关系，表明富氢组分对煤的含油率有促进作用。
(3)研究区内随着含煤地层由下至上发育，泥炭沼泽受到海水的影响程度逐渐减小，陆源物质供给逐渐增多。根据测试表明，煤焦油产率与镜惰比、灰成分指数、SO3+Fe2O3、CaO+MgO、CaO含量均呈正相关关系，表明潮湿、覆水的还原环境有利于分富油煤的形成和发育。
(4)富油煤的形成还受到煤化程度的影响。大南湖矿区整体煤化程度较低，镜质体最大反射率Rmax平均约为0.34%，且Rmax与煤焦油产率呈正相关关系，因此较低的煤化程度有利于煤焦油的生成。
参考文献：
[1] 王双明,师庆民,王生全,等.富油煤的油气资源属性与绿色低碳开发[J].煤炭学报,2021,46(5):1365-1377.
[2] 王双明,王虹,任世华,等.西部地区富油煤开发利用潜力分析和技术体系构想[J].中国工程科学,2022,24(3):49-57.
[3] 李华兵,姚征,李宁,等.神府矿区5-2煤层富油煤赋存特征及资源潜力评价[J].煤田地质与勘探,2021,49(3):26-32,41.
[4] 何建国,张静,马荣,等.吐哈盆地大南湖矿区煤岩煤质特征及成煤环境分析[J].中国煤炭,2022,48(1):63-69.
[5] 王宝成.哈密大南湖煤田含煤岩系煤层特征[J].新疆地质,2006(2):153-156.
[6] 王宝成,邵洪文,韦波.大南湖煤田一井田水文地质条件分析[J].新疆地质,2006(3):267-269.
[7] 王雁飞.哈密大南湖煤田详查区沉积环境及聚煤规律[J].中国煤田地质,2004(4):36-37,40.
[8] 姬亚东,黄欢.向斜轴部煤层顶板水疏放效果定量化评价[J].煤矿安全,2019,50(9):183-186.
[9] 何建国,秦云虎,马荣,等.大南湖矿区煤岩煤质特征及清洁利用方向探讨[J].中国煤炭地质,2021,33(12):6-10,41.
[10] 许婷,李宁,姚征,等.陕北榆神矿区富油煤分布规律及形成控制因素[J].煤炭科学技术,2022,50(3):161-168.
[11] 杨甫,段中会,马丽,等.陕西省富油煤分布及受控地质因素[J].煤炭科学技术,2023,51(3):171-181.
[12] 姚征,罗乾周,李宁,等.陕北石炭-二叠纪富油煤赋存特征及影响因素[J].煤田地质与勘探,2021,49(3):50-61,68.
[13] 东振,张梦媛,陈艳鹏,等.三塘湖-吐哈盆地富油煤赋存特征与资源潜力分析[J].煤炭学报,2023,48(10):3789-3805.
[14] 惠一凡,赵习民,冯烁,等.新疆三塘湖盆地富油煤赋存特征及主控因素[J].煤炭技术,2023,42(8):117-123.
[15] 黄鹏程,王力圆,王贝,等.宁夏红墩子矿区富油煤赋存特征及其沉积环境研究[J].中国煤炭地质,2021,33(10):65-70.
[16] 张建强.高头窑益阳露天矿3煤组煤岩煤质特征及成煤环境研究[J].中国煤炭地质,2020,32(8):12-19.
[17] 宁树正,张莉,徐小涛,等.新疆北部早、中侏罗世富油煤分布规律及控制因素[J].煤炭科学技术,2024,52(1):244-254.
[18] 许婷,李宁,姚征.榆横矿区3#煤层富油煤的煤岩煤质及成煤环境[J].煤炭技术,2022,41(7):82-85.
[19] 贺丹,杨甫,马丽,等.古城矿区富油煤赋存特征及主控因素分析[J].煤炭技术,2024,43(2):97-103.
[20] 王锐,夏玉成,马丽.榆神矿区富油煤赋存特征及其沉积环境研究[J].煤炭科学技术,2020,48(12):192-197.
[21] 郝吉生,葛宝勋,谢洪波.“灰成分端元分析法”及其在聚煤环境分析中的应用[J].沉积学报,2000,18(3):460-464.
[22] 谢青,李宁,姚征,等.黄陵矿区富油煤焦油产率特征及主控地质因素分析[J].中国煤炭,2020,46(11):83-90.
LI Zhiwei1, ZHAO Zhengwei2, FENG Shuo1, HAN Changcheng1
(1. School of Geology and Mining Engineering, Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang 830017, China;2. No. 161 Team of Coalfield Geological Exploration, Coalfield Geological Bureau of Xinjiang Uyghur Autonomous Region, Urumqi, Xinjiang 830009, China)
Abstract In order to reveal the occurrence characteristics and thier main controlling factors of tar-rich coal in Dananhu mining area in Turpan-Hami Basin, taking No. 3, No. 7 and No. 25 coal seams as research objects, the occurrence characteristics of tar-rich coal in Dananhu mining area were studied by analyzing the characteristics of coal, rock and coal quality and tar yield. The main factors affecting the occurrence of tar-rich coal in Dananhu mining area were studied in combination with the composition of microscopic coal, H/C atomic ratio, vitrine ratio and ash composition and so on. The results show that the coal from No. 3, No. 7 and No. 25 coal seams in Dananhu mining area is dominated by vitrinite, which generally belongs to medium-moisture, ultra-low-low ash, high-volatile coal; the tar-rich coal resources of each coal seam are scattered in the edge of the mining area; coal tar yield is positively correlated with vitrinite content, exinite content, hydrogen content, H/C atomic ratio, ash component index, and negatively correlated with inertinite content. The formation and occurrence of tar-rich coal are more favorable under the conditions of wet, water-covered reduction environment and lower coalification degree.
Keywords Dananhu mining area; tar-rich coal; tar yield; occurrence characteristics; main controlling factors
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基金项目：国家自然科学基金项目(42162017)；新疆维吾尔自治区科技计划项目(2023D04056)