乌鲁木齐县后峡东南沟隆昌煤矿B5煤层煤岩煤质特征及煤相分析

张 静， 秦云虎， 朱士飞

(江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)，江苏徐州 221006)

0 引言

乌鲁木齐县后峡东南沟隆昌煤矿(以下简称隆昌煤矿)位于新疆乌鲁木齐县南山后峡东南沟的中偏东部，井田东南方向距后峡跃进钢铁厂10km，东北北方向距乌鲁木齐市70km，东距216国道岔口8.5km。主要含煤地层为中侏罗统西山窑组下段。

B5煤层该煤层位于西山窑下段的中部，揭露的最大厚度20.01m，最小厚度15.01m，平均厚度17.37m，具有中间厚、向东、西两头变薄的规律，以单一结构为主，局部偶夹一层10cm的透镜状泥质夹矸；底板岩性为粉砂岩，顶板岩性为厚层状细—中砂岩。

1 采样和研究方法

本次野外工作连续采取一个完整的煤层剖面，共32个样品，包括煤层顶板1个、30个煤分层样和煤层底板1个，从上至下将煤层编号为1～30。

本次按照《煤层煤样采取方法》(GB/T 482—2008)标准采样[1]。按照《煤样制备方法》(GB/T 474—2008)制备煤样[2]。按照国家的相关标准，进行煤岩光片制备，各煤分层的工业分析、全硫和灰成分的测定。煤相类型的划分参照Diessel提出的煤相图解[3]。

2 煤岩煤质特征

2.1 煤岩特征

根据国家标准《煤岩术语》(GB/T12937—2008)和各分层的相对光泽强度，从上至下，主要为暗淡煤-半亮煤-半暗煤-半亮煤-暗淡煤[4]。依据《煤的显微组分组和矿物测定方法》(GB/T 8899—2013)对B5煤层中各个煤分层的显微组分、矿物及显微煤岩类型进行了定量统计(表1)[5]。30个煤分层加权平均值，镜质组含量为49.1%，惰质组含量为48.9%，壳质组含量为1.2%，矿物0.8%。矿物主要为黏土类和硫化物类矿物。B5煤层以镜质组和惰质组为主要组成，镜质组含量稍高于惰质组含量(图1)。煤层中的矿物主要是碳酸盐类，其次是黏土矿物，少量的硫化物类。

2.2 煤质特征

2.2.1 煤的工业分析

由表1可知，30个煤分层挥发分产率(Vdaf)为25.51%～41.73%，挥发分从上至下变化不大，平均33.67%，属于中高挥发分煤。灰分(Ad)为 0.83%～5.56%，平均1.61%，为特低灰煤。灰分低的原因一是煤层形成于河流沉积平原，远离冲积河道的洪泛盆地；二是河流活动性弱，混入泥炭沼泽的无机矿物质较少[6]。全硫含量(St,d)为 0.16%～1.12%，平均0.45%，属于特低硫煤，B5煤层属于侏罗系中统西山窑组含煤地层，主要为河流-湖泊三角洲沉积体系,研究表明在淡水影响下聚集的泥炭含硫普遍较低[7-8]，因此硫分普遍低。综上，B5煤为中高挥发、特低灰分、特低硫煤。

图1 B5煤层各分层显微组分组成特征Figure 1 Maceral composition features of coal B5 slices

表1 B5煤层基础煤质分析数据Table 1 Fundamental coal quality analyzed data of coal B5

2.2.2 灰成分分析

1)灰成分指数。灰成分指数K[K=(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]的变化在一定程度上能够很好地反映灰分的来源情况[9]。由表2可知，隆昌煤矿B5煤层各分层的灰成分指数较低为0.51～1.56，平均为0.89，煤灰熔融性温度普遍较低。

2)沾污指数。煤灰对高温受热面沾污的倾向，可以用类似的基于煤灰组成成分计算的沾污指标Rf来衡量[10]，Rf=(碱性氧化化合物/酸性氧化化合物)×Na2O，煤灰中碱性氧化化合物为Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O，酸性氧化化合物为SiO2+Al2O3+TiO2，Na2O为煤灰中Na2O成分的干燥基重量百分数。依据煤灰的Rf值，可将煤灰的沾污特性分成四类：当Rf值<0.2时为轻微沾污；当Rf=0.2～0.5时为中等沾污；当Rf=0.5～1.0时为强沾污；Rf>1.0时为严重沾污。B5煤层各分层的平均沾污指数为1.36，属于强沾污。

3 煤岩煤质综合分析

根据B5煤层垂向上的宏观煤岩类型、显微煤岩组分、部分煤质项目数据，绘制了综合柱状示意图(图2)。从图中可以直观看出宏观煤岩类型，显微组分、灰分、硫分、挥发分在垂向上的变化规律。镜质组和惰质组含量呈相互消长关系；灰分在垂向上变化范围比较小；硫分曲线平缓，显示变化范围小；挥发分变化较小。

分析表明，B5煤层各分层的硫分和灰分基本成正相关关系，也就是硫分变高，灰分相应地变高(图3)。灰分和无机矿物成正相关关系，无机矿物含量高，对应的灰分也高(图4)。镜质组含量与挥发分基本呈正相关，镜质组含量越高，挥发分含量越高(图5)。

表2 B5煤层剖面各分层的灰成分统计Table 2 Statistics of coal B5 section slices ash components %

图2 B5煤层剖面各分层的煤质指标综合柱状示意图Figure 2 Schematic comprehensive column of coal B5 section slices coal quality indices

图3 B5煤层剖面各分层的硫分和灰分之间的关系Figure 3 Relationship between sulfur and ash in coal B5 section slices

图4 B5煤层剖面各分层的灰分和无机矿物之间的关系Figure 4 Relationship between ash and inorganic mineral contents in coal B5 section slices

图5 B5煤层剖面各分层的镜质组含量和 挥发分之间的关系Figure 5 Relationship between vitrinite and volatile matter contents in in coal B5 section slices

4 煤相分析

在煤相的识别标志中最重要的是煤的显微组分和显微煤岩类型，因为煤的显微组成可以充分反应成煤植物群落、成煤气候以及泥炭聚集环境[11-12]。Diessel(1986)[3]利用凝胶化指数(GI)和结构保存指数(TPI)建立了沉积环境与煤相的关系图(图6)。

图6 GI-TPI关系图Figure 6 Relationship between gelatification index (GI) and texture preservation index (TPI)

根据表1可知，B5煤层各分层凝胶化指数(GI)为0.2～5.14，植物保存指数(TPI)为0.21～2.97，凝胶化指数和植物保存指数呈周期性变化，说明覆水程度呈周期性变化[13]；镜惰比(V/I)值中仅14号煤样大于4，有14个煤样的(V/I)值在1～4，13个煤样的(V/I)值为0.25～1，1号和2号的(V/I)小于0.25，成煤环境处于干燥环境—潮湿弱富水—极潮湿覆水—潮湿弱富水的变化中。27个煤层分层的流动性指数MI大于0.1小于0.4，多数属于停滞相，水动力条件弱，1、2和6三个分层MI大于0.4，属于流动相。

根据 GI-TPI关系图(图6)得知：GI值小于1，TPI值大于1，煤相类型属于干燥森林沼泽相，宏观煤岩类型以暗淡煤和半暗煤为主，具有较低的灰分和挥发分。沼泽处于弱氧化环境，成煤植物经丝炭化作用，主要形成半暗煤，镜质组含量为40%～50%，惰质组含量大于50%，成煤植物以木本植物为主。

GI值小于5，TPI值小于1，煤相类型属于湿地草本沼泽相，宏观煤岩类型以半亮煤为主，间或有半暗煤。具有较高的灰分和挥发分。成煤植物遗体在还原条件下经过较强凝胶化作用，主要形成半亮煤和半暗煤[14]，镜质组含量均在50%以上，镜惰比较高(>1)，成煤植物以草本植物为主，是沼泽发展的初阶段。

隆昌煤矿B5煤层形成环境以干燥森林沼泽相和湿地草本沼泽相为主，覆水程度由低—高—低变化，植物凝胶化程度由弱—强—弱变化。

5 结论

隆昌煤矿B5煤层为特低硫、低灰、高挥发分煤；隆昌煤矿B5煤层分层显微组分平均含量，镜质组为49.1%，惰质组为48.9%，壳质组为1.2%；隆昌煤矿B5煤层形成环境以干燥森林沼泽相和湿地草本沼泽相为主，覆水程度由低—高—低变化，植物凝胶化程度由弱—强—弱变化。