新安煤田深部煤中硫分布特征及成煤環境分析

張 齊

(河南省地質研究院,河南 鄭州 450016)

硫是煤中主要有害元素之一,其存在嚴重影響了煤炭的利用方向以及燃煤鍋爐排放是否達標。多年來,煤中硫元素的形態、成因、分布特征以及脫硫、降硫方法一直是行業學者關注的焦點和熱點,研究領域涉及煤中硫區域分布、硫的形態與結構、煤巖特征與硫的關系、煤中微量元素與硫的關系以及煤中硫的地質成因等[1]。在我國,胡軍等[2-5]先后從成煤時代、煤階、聚煤區分布等多方面對我國煤中硫的分布特征和地質成因進行了研究,并總結了煤中硫的分布規律,指出煤中硫的含量與成煤時代、聚煤地區環境密切相關;劉大錳等[6]研究了華北晚古生代煤中形態硫的分布特征;桑樹勛等[7]對華北晚古生代成煤環境與成煤模式多樣性進行了研究,提出海相成煤環境主要為瀉湖泥炭坪;唐躍剛等[8]在系統研究四川晚二疊世高硫煤中黃鐵礦礦物學的基礎上,提出了黃鐵礦直接沉淀系列和復雜成因兩大演化模式,對了解黃鐵礦物性具有重要意義。

煤中硫的存在為煤炭資源的儲存、加工和清潔利用帶來了難度。新安煤田為河南省重要的煤炭基地之一,通過對新安煤田深部煤中硫的分布特征和成煤環境進行研究,可為煤炭產品脫硫、降硫措施的選擇和煤炭的清潔開發利用提供依據?；诖?筆者以煤田深部大量地質鉆孔、煤質測試資料為基礎,對煤中硫的分布、變化規律以及成煤環境進行了研究,分析了煤中硫的分布特征,提出山西組二煤組成煤環境為淺水河流和海水潮汐共同控制的三角洲沉積體系。

1 煤田位置

新安煤田位于河南省西部,東南距洛陽市約20 km,西距義馬市約30 km,隸屬新安縣、孟津縣管轄。煤田總面積約900 km2[9]。研究區位于新安煤田深部,長14～24 km,寬7～10 km,面積約203 km2。

新安煤田地處太行構造區、嵩箕構造區和崤熊構造區三區的交界部位[10],煤田主體位于太行構造區內,基本構造形態為一夾持于龍潭溝斷層(岸上斷層)和常袋斷層間的軸向近東西的向斜構造?；緲嬙焯卣饕择薨櫈橹?由新安向斜兩翼構成現今的新安煤田;斷裂主要發育在北部,除西南部的龍潭溝斷層、東南部的常袋斷層以及東北部的馬屯斷層規模較大外,其余規模一般較小。研究區位于新安煤田南部、新安向斜北翼,靠近向斜軸位置(圖1)。

圖1 新安煤田構造綱要Fig.1 Outline diagram of Xin′an Coalfield structure

2 煤層與煤類

研究區含煤地層為二疊系下統本溪組(P1b)、太原組(P1t),中統山西組(P2s)及下石盒子組(P2x),上統上石盒子組(P3sh),按沉積特征及含煤性共劃分為8個煤段[11-12],總厚584.55 m,含煤27層,煤層總厚為7.72 m,含煤系數1.24%。二1煤層位于山西組下部,研究區內大部發育,煤層厚度0～12.33 m,平均厚3.87 m,以中厚—厚煤層為主,是研究區內主要可采煤層。二1煤層結構較簡單,部分鉆孔見1～3層炭質泥巖或泥巖夾矸,夾矸厚0.10～1.65 m,平均厚0.46 m。二2煤層位于二1煤層之上,下距二1煤層約20 m,主要發育于研究區西北部,煤層厚度0～1.96 m,可采范圍內煤厚1.00～1.96 m,平均厚1.35 m,屬局部可采薄煤層[13]。二2煤層結構簡單,個別鉆孔見1層泥巖或炭質泥巖夾矸,夾矸厚0.11～0.45 m,平均厚0.29 m。二1煤層屬中灰、特低—高硫、低揮發分、中—中高固定碳、低磷、低氟、高發熱量、高軟化溫度粉狀無煙煤和貧煤;二2煤層屬中灰、低硫—中高硫、低揮發分、中—中高固定碳、低磷、低氟、中高發熱量、高軟化溫度粉狀無煙煤和貧煤。二1煤層貧煤主要分布于研究區西部和北部邊界附近,其他區域為無煙煤;二2煤層貧煤主要分布于研究區西北部邊界附近,無煙煤分布于貧煤東南部。

3 硫分

研究區煤中硫分按照《煤炭質量分級 第2部分:硫分》(GB/T 15224.2—2021)進行分級,共分為特低硫煤(St,d≤0.50%)、低硫煤(0.50%3.00%)5類。

3.1 全硫

研究區二1貧煤原煤全硫(St,d)含量0.55%～3.64%,平均2.17%(表1);無煙煤原煤全硫(St,d)含量0.28%～3.76%,平均1.73%。經1.40 t/m3密度液洗選后,貧煤浮煤全硫(St,d)含量0.46%～2.09%,平均1.16%;無煙煤浮煤全硫(St,d)含量為0.36%～2.02%,平均0.78%。二1煤層貧煤原煤以中—中高硫煤為主,低硫、高硫煤次之;浮煤以低—中硫煤為主,特低硫、中高硫煤次之;無煙煤原煤以低—中高硫煤為主,高硫煤次之;浮煤以特低—低硫煤為主,高硫煤次之(圖2)。

圖2 二1煤層全硫分布Fig.2 Distribution of total sulfur in Ⅱ1 coal seam

研究區內二2貧煤原煤全硫(St,d)含量為0.36%～2.12%,平均1.16%(表1);無煙煤原煤全硫(St,d)含量0.45%～2.98%,平均1.23%。經1.40 t/m3密度液洗選后,貧煤浮煤全硫(St,d)含量為0.38%～1.89%,平均0.76%;無煙煤浮煤全硫(St,d)含量值為0.42%～0.86%,平均0.52%。二2煤層貧煤原煤以低—中硫煤為主,低硫、高硫煤次之;浮煤以特低—低硫煤為主,中硫煤次之。無煙煤原煤以低—中高硫煤為主,特低硫煤次之;浮煤以特低—低硫煤為主(圖3)。

表1 煤層硫分統計Tab.1 Coal seam sulfur statistics

圖3 二2煤層全硫分布Fig.3 Distribution of total sulfur in Ⅱ2 coal seam

3.2 各形態硫

(1)硫化鐵硫(Sp,d)。二1、二2煤層中硫均以硫化鐵硫為主。二1、二2煤層貧煤原煤硫化鐵硫含量分別在0.26%～2.73%和0.16%～1.64%,平均分別為1.28%和0.82%(表1)。在二1煤層中—中高硫貧煤中,硫化鐵硫占比在65%～90%;二2煤層貧煤硫化鐵硫占比在60%～90%。二1、二2煤層無煙煤原煤硫化鐵硫含量分別在0.19 %～3.03%和0.24%～1.63%,平均分別為1.05%和0.73%。二1煤層低—中高硫無煙煤中,硫化鐵硫占比在60%～90%;在二2煤層貧煤中硫化鐵硫占比在65%～85%。表明硫化鐵硫是二1、二2煤層硫含量高的主要原因。

(2)有機硫(So,d)。有機硫是二1、二2煤層硫分的另一個重要組成部分。二1煤層貧煤原煤有機硫含量0.07%～2.02%,平均0.88%;無煙煤原煤有機硫含量0.04%～1.75%,平均0.46%。二2煤層貧煤原煤有機硫含量0.07%～0.60%,平均0.31%;無煙煤原煤有機硫含量0.10%～0.41%,平均0.28%。

(3)硫酸鹽硫(Ss,d)。二1、二2煤層煤中硫酸鹽硫含量很小。貧煤原煤硫酸鹽硫含量分別為0～0.14%和0.01%～0.13%,平均分別為0.03%和0.04%;無煙煤原煤硫酸鹽硫含量分別為0.01%～0.13%和0～0.08%,平均分別為0.03%和0.03%。

3.3 硫分分布特征

在平面上,研究區二1煤層硫分整體上具有西南部高、東北部低的趨勢特征。西南部以中—中高硫煤為主,面積約148.78 km2,占比73.29%(圖4);低硫煤主要分布于研究區東北部,面積約38.1 km2,占比18.81%;高硫煤呈云朵狀分布于西南部中高硫煤中,面積約8.35 km2,占比4.11%;特低硫煤主要分布于研究區北部,面積約7.69 km2,占比3.79%。二2煤層北中部以低硫煤為主,中硫煤和中高硫煤分布于研究區南部和北東部區域,特低硫煤分布于研究區西部(圖5)。

圖4 二1煤層煤類、硫分分布Fig.4 Coal and sulfur distribution map of Ⅱ1 coal seam

圖5 二2煤層煤類、硫分分布Fig.5 Coal and sulfur distribution map of Ⅱ2 coal seam

4 煤中硫的成因

4.1 高硫煤中硫的特征

在研究區高硫煤中,硫化鐵硫起主導作用,占比65%～80%。硫化鐵硫主要以黃鐵礦的形式出現,黃鐵礦硫的賦存狀態有分散狀、微粒狀的自形晶、自形晶集合體、草莓狀等,在局部煤層中常見黃鐵礦結核。由此可見,煤中的黃鐵礦基本是同生或早期成巖階段所形成的。

4.2 煤中硫的形成機制

煤中有機硫主要來源于成煤植物本身。不同植物或同一植物的不同組織器官中硫含量都有較大差異。如內陸酸性土壤中石松科植物中硫含量多為0.10%～0.14%;生長在半咸水中的植物能吸收生存環境中的硫酸鹽使之轉變為有機硫,如白骨壤、桐花樹等植物硫含量多為0.30%～0.40%,而桐花樹葉含硫量高達1.58%。成煤植物硫含量相對較高,直接導致煤中有機硫含量較高。

4.3 煤中硫的成因

成煤時期的沉積環境對煤中硫的含量起控制作用,主要表現為2個方面:①泥炭沼澤發育過程中,介質條件是影響黃鐵礦形成的主要因素;②沼澤的介質條件不同,所生長的植物群落亦有差別,致使造泥炭植物的優勢種群有所不同。

由于半咸水泥炭沼澤環境中生長的植物相對淡水植物硫含量高,半咸水泥炭沼澤環境下最易形成黃鐵礦,常比淡水環境高出2個數量級。半咸水泥炭沼澤是形成研究區高硫煤的主要原因。

5 成煤環境

在早二疊世早期,研究區屬亞熱帶—熱帶潮濕氣候,總體地勢呈西北略高、東南略低的形態[16]。陸生、水生植物生長繁茂,樹冠龐大且分布廣泛的科達綱在早二疊世植物中占有非常重要的位置。新安煤田山西組底部的沉積受古地形、古氣候、構造、植物等多種因素的影響,山西組大占砂巖段為一充填淡化海灣的一套淺水河流三角洲沉積體系。該三角洲以河流作用為主,并受到海水潮汐作用的影響。成煤植物的分布亦受淡水河流和海水的雙重控制,在淡水和海水的共同影響下,形成了硫分含量變化較大的二1煤層。隨著海水向東南方向的不斷后退,淡水河流對煤層分布起主導作用,形成了以低硫—中硫為主的二2煤層。成煤后期逐漸演變為以河床相和泥炭沼澤相沉積為主的內陸環境,河流對煤層的沖蝕明顯增強,致使二1、二2煤層局部變薄或尖滅。

6 結論

(1)新安煤田地處太行構造區、嵩箕構造區和崤熊構造區三區的交界部位,山西組二1、二2煤層為主要可采煤層。二1煤層貧煤分布于研究區西部和北部邊界附近,其他區域為無煙煤;二2煤層貧煤主要分布于研究區西北部邊界附近,無煙煤分布于貧煤東南部。

(2)二1煤層貧煤以中—中高硫煤為主,無煙煤原煤以低—中高硫煤為主;二2煤層貧煤以低—中硫煤為主,無煙煤原煤以低—中高硫煤為主。二1、二2煤層煤中硫均以硫化鐵硫、有機硫為主,硫酸鹽硫含量極低。

(3)二1煤層硫分整體上具有西南部高、東北部低的趨勢特征。高硫煤呈云朵狀分布于西南部中高硫煤,特低硫煤主要分布于研究區北部。二2煤層西部以特低硫煤為主,北中部以低硫煤為主,南部和北東部以中硫煤和中高硫煤。

(4)山西組大占砂巖段為一充填淡化海灣的一套淺水河流三角洲沉積體系。在淡水和海水的共同影響下,形成了硫分含量變化較大的二1煤層。隨著海水的不斷后退,淡水河流對煤層分布起主導作用,形成了以低硫—中硫為主的二2煤層。