乌达矿区主采煤层煤相特征与煤的可选性

　　注：V——镜质组；I——惰质组；E——壳质组；Py——黄铁矿；Clay——粘土；Q——石英；C——方解石；GI——凝胶化指数；TPI——植物组织保存指数；δ³⁴S_py——黄铁矿硫同位素；δ³⁴S_org——有机硫同位素

　　根据显微煤岩类型，可以把9煤层自下而上划分成5种煤相类型，分别为F1(1、2分层)、F2(3、4、5分层)、F3(6、7分层)、F4(8、9、10、11分层)和F5(12、13分层)。F1和F5以镜质组为主，而且具有条带状、线理状结构。凝胶化指数较高，反映了一种弱氧化、强凝胶化的还原性条件和覆水较深的低位沼泽特征。F3以富惰质组为特征，惰屑体、镜屑体常见，凝胶化指数较低，反映一种比较干燥的氧化条件和覆水较浅的高位沼泽特征。F2和F4的显微组分介于F1、F5和F3之间。其主要的煤岩特征如表1所示。

3　不同煤相中煤的可选特性

　　我国原煤炭工业部MT620—93规定了用煤样密度组成的煤岩学方法来预测煤的可选性。用公式(1)计算煤粒的密度，用公式(2)计算煤粒的灰分。(1)式和(2)式可取之处在于考虑了矿物质在煤粒中密度和含量的不同，但未考虑不同有机显微组分之间密度和含量的不同，它只是有机质的一个总体概念，因此误差较大。笔者根据乌达矿区的具体情况，把公式(1)和(2)作如下修改(见公式3和4)。

式中　ρ₁——煤粒的密度，g/cm³；
　　　C_r——煤粒中有机物的含量，%；
　　　ρ₂——煤粒中有机物的密度，g/cm³；
　　　M_i——煤中粘土、石英、方解石、黄铁矿、菱铁矿的含量，%；
　　　ρ_mi——煤中粘土、石英、方解石、黄铁矿、菱铁矿的密度，g/cm³；
　　　A_d——煤粒的干基灰分，%；
　　　F_i——煤中粘土、石英、方解石、黄铁矿、菱铁矿的入灰系数，%；
　　　C_ri——镜质组、惰质组、壳质组的含量，%；
　　　ρ_ri——镜质组、惰质组、壳质组的密度，g/cm³；
　0.025——有机质的入灰系数，%；
　　镜质组、惰质组、壳质组的密度是根据镜质组的平均最大反射率和颗粒中惰质组的含量计算出来的；粘土、石英、方解石、黄铁矿、菱铁矿的密度分别取2.40、2.65、2.70、5.00、3.80；其入灰系数分别取0.86、1.00、0.56、0.67、0.69。研究表明，用此方法预测煤的可选性，与用沉浮方法做的结果相近^［1］。图1是用此方法计算的不同密度级下浮物产率可选性曲线图。从图中可以看出，同一煤相中不同煤分层的可选性相似，自下而上煤的可选性由难变易再变难，煤层的顶部F5中的12、13分层和煤层底部F1中的1、2分层煤的可选性曲线接近直线，可选性最差；在煤层中部的F3的6、7分层煤具有较高的浮煤产率，可选性最好；F2的3、4、5分层和F4中的8、9、10、11分层煤的可选性介于煤层顶底部和中部之间。

图1　不同煤相中浮物的累积产率和密度级的关系

4　讨论

　　9煤层中大量的黄铁矿化菌落的发现^［3］，以及煤层剖面上无论是有机硫同位素，还是黄铁矿硫同位素值都具有顶底部轻而中部重的特点(表1)，表明在9煤层形成的初期(F1)和晚期(F5)有大量的细菌繁殖和活动。丰富的海水供给，为细菌的活动提供了一种弱碱性的有利介质条件
^［4］，并为黄铁矿的生成提供了硫源。地下水的供给为黄铁矿的生成提供了铁离子。这种情况下泥炭沼泽的潜水位较高，凝胶化作用较为彻底，溶于水中的矿物质丰富，植物大量繁殖，为泥炭的形成提供了有利的条件，导致煤中镜质组含量较高，矿物含量亦较高。煤中的粘土矿物大多以细小颗粒密集分布于基质镜质体中，或充填于丝质体和结构镜质体的胞腔中，与有机质结合比较密切；还有部分呈细条带状沿层理分布的是附近分流河道发生洪泛时侵入泥炭沼泽的证据。黄铁矿大多是同生作用形成的，以细小晶粒为主，呈平行层理延伸的线理状集合体。这种沿层理分布的黄铁矿集合体是泥炭沼泽中特定的化学界面产物，在此界面上硫离子和铁离子较易获取。煤中粘土矿物和黄铁矿的这种赋存状态决定了煤的可选性较差，在分选过程中，即使把煤破碎得非常细小，分选效果也不理想。
　　在煤层的中部，随着泥炭的积累，地下水和海水供给不足，处于一种贫营养的高位泥炭沼泽状态，此时氧气供给充足，易发生丝炭化作用，因而煤中惰质组含量较高，甚至演化为粗粒体。植物残体分解速度较慢，泥炭的增长速度较快，沼泽水面位于潜水面之上，小规模的洪泛不易侵入泥炭沼泽^［5，6］，除非发生规模较大的洪泛(F3中的7分层)，河水带有较多的粘土矿物侵入泥炭沼泽并快速堆积，大多以粒径较大的透镜体、团块状分布于煤的基质镜质体中，这种分布状态的粘土矿物易于洗选。上述讨论说明煤可选性的优劣，主要与煤中有效矿物密切相关，和煤中矿物的总量没有必然联系。F2和F4形成时的环境介于高位泥炭沼泽和低位泥炭沼泽之间，相应煤的可选性也介于F1、F5和F3之间。植物组织保存指数TPI虽然较低，但在剖面上无明显变化规律，与煤的可选难易程度相关性小。

5　结论

　　综上所述，煤的可选性和GI值及有效矿物的赋存状态密切相关，而与TPI值相关性不大，也与煤中矿物总量无必然联系。煤的可选性受控于煤聚积时的沉积环境，低位泥炭沼泽成煤的可选性较之高位泥炭沼泽差。
　　感谢任德贻教授、张鹏飞教授和唐跃刚博士的悉心指导。