三塘湖煤田汉水泉矿区富油煤赋存特征及沉积环境分析

高文博，冯 烁，田继军，吴 斌

(1.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；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 乌鲁木齐 830009)

当前我国的资源禀赋特征为“相对富煤、贫油、少气、缺铀”，不断升高的石油天然气消费比重造成国内大量的油气资源依赖于外部进口[1]。富油煤是具有较高焦油产率特征的一种特殊煤炭资源，通过现代煤化工的技术手段生产出的油、气产品在当前复杂的国际背景下，有利于保障国家能源安全[2-4]。研究富油煤的沉积环境对富油煤的清洁高效利用具有前瞻性[5，6]。作为中国最大的整装煤田之一，三塘湖煤田富油煤资源丰富，资源量约为56.18亿t[7]。依据《矿产资源工业要求手册(2014修订版)》富油煤焦油产率介于7%～12%之间，高油煤的焦油产率大于12%，广义的富油煤包含以上分类的富油煤和高油煤[8-10]。

在前人研究的基础上，以三塘湖煤田汉水泉矿区主要可采煤层的富油煤作为研究对象，全面收集三塘湖煤田汉水泉矿区中-下侏罗统9-1号、11号和15号煤层相关地质勘探资料，对研究区的富油煤焦油产率、发育情况和分布特征进行分析，讨论总结富油煤富集时期沉积环境特点，从而确定研究区富油煤赋存与沉积环境特征。

1 地质概况

三塘湖煤田汉水泉矿区位于新疆东北部、准噶尔盆地东端的三塘湖盆地西部。三塘湖盆地构造单元属于北准噶尔构造带(Ⅱ级)的三塘湖-淖毛湖华力西期后山间坳陷(Ⅲ级)。自晚古生代起，盆地共经历了三个期次的演化，形成了当前盆地两隆一坳的构造格局，东北冲断隆起带、中央坳陷带、西南逆冲推覆带自北向南发育[11-14]。本次研究区汉水泉矿区位于三塘湖盆地汉水泉凹陷西北部，东西长62km，南北平均宽约12.07km，面积为748.73km2。研究区构造总体形态为一北西西走向北缓南陡不对称的向斜构造，区内中部及西北部构造较为简单，地层倾角也较缓，为一北西西走向、倾向南南西，西南部及东南部构造较为复杂，地层为北西西走向，倾向北北东，由于构造的挤压作用，地层具高倾角状。

2 含煤地层与煤层性质

2.1 煤层特征

汉水泉矿区含煤地层有中侏罗统西山窑组(J2x)、下侏罗统三工河组(J1s)、下侏罗统八道湾组(J1b)。中侏罗统西山窑组(J2x)含煤性最佳，层位较稳定，全区发育，含煤层数多，厚度大[15，16]。研究区煤层主要赋存于中侏罗统西山窑组(J2x)下段和下侏罗统八道湾组(J1b)上段，含煤1—37层，煤层编号为1—37号。煤层最大总厚度为152.92m，累计平均总厚度62.38m，含煤地层平均厚度约1200m。研究区内有可采煤层23层，累计可采平均总厚度47.98m。其中全区可采煤层1层，大部分可采煤层17层，局部可采煤层5层。

2.2 煤岩煤质特征

对汉水泉矿区31 个样品进行显微组分观察，依据汉水泉煤样显微组分统计数据(表1)可知，三塘湖煤田汉水泉矿区9-1号、11号与15号煤层宏观煤岩组分均以亮煤为主，含少量暗煤，煤岩类型为光亮型煤，有机显微组分以镜质组为主，惰质组次之，含少量壳质组。

依据所收集的研究区719 个原煤样品的工业分析结果(表2)以及《煤炭质量分级》(GB/T 15224.1—2018、GB/T 15224.2—2010)和《煤的挥发分产率分级》(MT/T 849—2000)，汉水泉矿区9-1号、11号与15号煤层具有低水、低灰、高挥发分、低硫～特低硫的特征。

表1 汉水泉矿区原煤显微组分统计表

表2 汉水泉矿区原煤工业分析结果统计表 %

3 富油煤赋存及沉积环境特征

通过统计分析三塘湖煤田汉水泉矿区9-1号、11号和15号煤层焦油产率情况，整理得出低温干馏试验结果(表3)，依据实验数据绘制9-1号、11号和15号煤层富油煤分布特征图(图1)，明确汉水泉矿区富油煤分布特征。三塘湖煤田汉水泉矿区总体看来富油煤赋存具有高焦油产率、较好的稳定发育情况、大面积发育等特征。

表3 汉水泉矿区原煤低温干馏焦油产率统计

3.1 焦油产率特征

焦油产率是含油煤、富油煤和高油煤的分类依据为探索研究的富油煤分布特征，对其煤炭焦油产率进行分析。依据三个主采煤层154个原煤样品低温干馏实验结果(表3)可知，9-1号煤层、11号煤层、15号煤层均具有较高的煤焦油产率，按照煤炭焦油产率分级均可划分为富油～高油煤层。

3.2 富油煤发育稳定性特征

变异系数可以被用来评价煤富油性稳定程度，优稳定性等级，变异系数小于10%；良稳定性等级，变异系数介于10%～12%；中稳定性等级，变异系数介于12%～15%；大于15%，稳定性等级为差[9]。因此利用汉水泉矿区9-1号、11号和15号煤层焦油产率数据，计算其标准差、和变异系数来进行分析富油煤的发育稳定性。从表3可以看出汉水泉矿区富油煤发育稳定性整体为良好，其中15号煤层焦油产率平均值最大，变异系数最大，是富油煤发育最稳定的煤层。

3.3 富油煤分布特征

由图1可知，汉水泉矿区总体以富油煤为主，大面积连片发育，从西到东为富油—含油—富油，中部呈环状分布、东部自北向南呈带状分布。总体看来，汉水泉矿区9-1号煤层富油煤分布大于11号煤层，大于15号煤层，焦油产率值逐渐降低。9-1号煤层含油煤小面积集中发育在矿区中部，11、15号煤层含油煤分布位置相同，分布面积逐渐增大。

3.4 富油煤沉积环境特征

还原条件主要影响煤中有机质物质的保存和成油能力[17]。煤灰分指数K是指SiO2、Al2O3含量之和与Fe2O3、CaO、MgO含量之和的比值，其可用来判断煤沉积时期沼泽覆水程度和水介质氧化还原条件，煤中灰成分指数与还原性呈现正相关，即灰成分指数越高，还原性越强，越有利于有机质成油[18]。通过计算三塘湖煤田汉水泉矿区灰成分指数，9-1号、11号和15号煤层灰成分指数依次减少，分别为0.382、0.300和0.263(表4)，表明汉水泉矿区煤层整体成煤环境还原性较强，且按照地层顺序自下而上具有还原性逐渐增强的特点。

当沉积物被水淹没或者只有少量的沉积物露出水面，暴露在空气中时，沉积物所处的沉积环境即具有较强的还原性，所以成煤时期的覆水深度也与成煤环境的还原性相关，还原性较强则水体深度较深[19]。汉水泉矿区成煤环境为较强的还原环境，说明成煤时期水体深度较深，并且水体深度按照地层顺序自上而下具有逐渐加深的特点。从图2可以看出随着成煤时期的演化，富油煤分布面积在不断地增大，且分布区域均为各煤层还原性最强和覆水深度最深的区域。

湖相成煤环境下煤中硫含量往往较少，因此煤中硫含量能够在一定程度上可以反映成煤环境[20]。汉水泉矿区主力煤层全硫含量分别为0.50、0.55和0.61，煤层具有低灰、低硫～特低硫的特点，表明汉水泉矿区这些煤层成煤环境主要为滨浅湖环境。

表4 汉水泉矿区原煤灰成分参数

温暖、潮湿的还原环境下，成煤植物组织能够通过凝胶化作用增加煤中镜质组含量，所以镜质组往往代表温暖潮湿的还原环境，惰质组代表干燥氧化环境。同时镜惰比能够反映出沼泽的覆水程度及干湿状况，当V/I>4时，代表强覆水的潮湿环境[21]。因此能够通过分析煤中镜质组、惰质组含量以及镜惰比(V/I)煤相参数来指示成煤时期温度、湿度等古气候条件。由表1可知，汉水泉矿区9-1号、11号与15号煤层均具有高镜惰比的特征，参数平均值分别为23.54、18.16和19.38，V/I>4。因此，汉水泉矿区9-1号、11号与15号煤层成煤环境具有温暖潮湿的古气候特征。

4 结果讨论

何静等指出三塘湖煤田西山窑组早期，三塘湖盆地基底的持续上升使得盆地大范围准平原化，相对平衡的可容空间增加速率与泥炭堆积速率有利于煤层的聚集[12]。冯烁等认为西山窑组主要沉积环境为滨浅湖沉积[4]，与前文论述的富油煤形成于温暖潮湿气候下还原性强的滨浅湖环境观点相同。

汉水泉矿区9-1号、11号与15号煤层形成的古气候环境均为温暖潮湿条件，发育于滨浅湖沉积相，与榆神矿区富油煤发育的沉积环境相同，进一步证明温暖潮湿的古气候特征和还原性较强的滨浅湖环境有利于富油煤的发育。同时三塘湖矿区主力煤层成煤期的覆水深度逐渐加深，还原性逐渐变强，表明煤层焦油产率与覆水深度和还原性具有正相关关系，覆水深度越深，还原性越强，焦油产率越大，富油煤发育越好。

图1指出从15号煤层到11号煤层再到9-1号煤层，富油煤焦油产率越来越大，发育越来越好，分布面积越来越大。汉水泉矿区主力煤层成煤期沉积相如图2所示。15号煤层中部为辫状河三角洲前缘相，向东、西方向延伸，逐渐为滨浅湖相，覆水深度逐渐加深，还原性逐渐变强，形成了15号煤层富油煤大面积赋存在汉水泉矿区东、西部的滨浅湖沉积相中，含油煤发育在中部的特征；随着沉积环境的演化，汉水泉矿区辫状河三角洲前缘向西北方向分布，中部面积不断减少，东、西部滨浅湖面积增加，覆水深度较深区域增加，强还原区域面积增加，为11号煤层富油煤进一步发育提供了更为有利的沉积条件；随着沉积环境的进一步演化，辫状河三角洲前缘沉积相更向汉水泉矿区西北位置发育，三角洲前缘面积进一步变小，使得9-1号煤层沉积区域覆水深度最深，还原性最强，含油煤发育面积达到最小，富油煤沉积条件最为有利。同时在垂向上来看，自下而上从15号煤层到9-1号煤层，覆水深度逐渐加深，还原性越来越强，同时伴随辫状河三角洲前缘相不断向西北偏移，富油煤分布面积逐渐增大，富油煤发育越来越好。

5 结 论

1)三塘湖煤田汉水泉矿区9-1号、11号与15号煤层有机显微组分以镜质组为主，惰质组次之具有低水、低灰、高挥发分、低硫～特低硫的特征。

2)通过对三塘湖煤田汉水泉矿区焦油产率分析可知，汉水泉矿区富油煤赋存具有高焦油产率、发育稳定、大面积分布的特征，9-1号、11号与15号煤层焦油产率均值均大于12%，均属于富油煤；焦油产率变异系数均值均介于10%～12%，发育稳定；富油煤大面积呈环、带状分布。

3)汉水泉矿区富油煤形成于温暖潮湿气候下还原性强的滨浅湖环境。平面上来看，从汉水泉矿区从中部向东、西部，由辫状河三角洲前缘到滨浅湖，煤焦油产率有逐渐变大的特征。垂向上来看，从15号煤层到11号煤层再到9-1号煤层，随着覆水深度的增加以及还原性的变大，同时随着辫状河三角洲前缘向西北偏移以及面积的减小，富油煤分布面积越来越大，发育越来越好。