0 引言

煤是由无机矿物质和有机组分组成的复杂固体有机岩，有机组分是煤炭加工利用的主要对象，其特征决定了煤的性质，直接影响煤的转化工艺和工业利用途径[1-4]。有机显微组分包括镜质组、惰质组、壳质组3种类型，其中镜质组占煤有机组分的绝大多数，学者常将壳质组占比较高的煤称为残植煤[5]；将惰质组含量大于30%、镜惰比小于2的煤称为富惰质组或高惰质组煤、丝炭型煤[6-7]。

富惰质煤在全球范围分布较为广泛，最典型的如澳大利亚冈瓦纳大陆的煤，其惰质组含量达到85%以上，以半丝质体和惰屑体为主[8-9]。我国西部新疆准葛尔盆地准东煤田、吐哈盆地、三塘胡盆地等侏罗纪煤田广泛发育有低阶富惰质组煤，且煤炭资源储量巨大，开发程度较高，具有低灰、低硫、高发热量的特点。随着我国能源中心向西北转移，具有特殊演化/反应特征的富惰质组煤逐渐受到学者的关注，其中吐哈盆地中侏罗纪西山窑组煤中惰质组含量较高，大多数介于40%～60%之间[10-12]，但三道岭矿区西山窑组4号煤层惰质组平均含量达到76.1%，为典型的富惰质煤，煤层巨厚且发育稳定，虽然相关专家对三道岭矿区开展过不少研究[13-14]，但针对其煤岩组分及惰质组成因分析的较少。笔者以三道岭矿区4号煤层为研究对象，通过垂向刻槽采样、分析测试，系统地论述了煤岩组分特征，通过煤相分析系统论述了富惰质组煤成煤环境及成因，对煤炭资源综合开发和利用，具有一定意义。

1 地质概况

吐哈盆地是吐鲁番坳陷(即吐鲁番盆地)和哈密坳陷(即哈密盆地)的统称，位于我国新疆东部，是我国重要的含煤、油气盆地。吐哈盆地总体显示为一个大的箕状向斜构造，具有南北分带特征，其中南部构造较简单，北部构造复杂，边缘具推覆构造，见有不完整的次级背斜和向斜褶曲，坳陷内褶皱、断裂构造不发育。吐哈盆地赋煤带可划分为3个一级构造单元和11个二级构造单元，其中三道岭矿区位于一级构造单元哈密坳陷中的二级构造单元哈密凹陷[15]。吐哈盆地主要构造单元划分及三道岭矿区位置如图1所示。

三道岭矿区含煤地层主要为中、下侏罗统。中侏罗统含煤地层为西山窑组(J2x)，地层厚度为67.0～670.5 m，下侏罗统含煤地层为八道湾组(J1b)，地层厚度为30.0～490.8 m，均属于扇三角洲沉积体系。三道岭矿区主采西山窑组(J2x)4号煤层，煤层厚度约11.5 m，煤种为长焰煤。

2 样品采集和分析

笔者研究的样品采自三道岭露天矿4号煤层剖面，煤层厚度约11.5 m，自上而下刻槽取样，每隔0.2～0.3 m采集一个样品，共采集样品42件，其中煤样39件，依次编号为SDL-1～SDL-39；矸石样3件，分别是顶板矸石样1件，煤层夹矸1件，底板矸石样1件，编号分别为SDLG-1、SDLG-2、SDLG-3，三道岭矿区4号煤层采样剖面及采样编号如图2所示。样品委托送至中国煤炭地质总局煤系矿产资源重点实验室进行了工业分析、碳氢元素分析、显微组分和显微岩石类型的定量分析等。三道岭矿区4号煤层样品测试成果见表1。

3 结果与讨论

3.1 煤岩组分特征

3.1.1 宏观煤岩特征

煤样颜色暗黑，煤质致密坚硬，不易破碎，呈块状构造，以条带状结构为主。煤层光泽暗淡，多呈较暗沥青光泽，条痕呈黑褐色。用地质锤敲开样品可见参差状、贝壳状断口，节理发育，含少量薄层夹矸，煤样中夹有亮煤条带，可见方解石薄膜和黄铁矿。宏观煤岩类型以暗淡煤、半暗煤为主。

3.1.2 显微煤岩特征

(1)镜质组显微组分特征如图3所示。

由图3(a)可以看出，镜质组分主要以基质镜质体(胶结丝质体碎片和碎屑惰质体等)为主，油浸反射光下为深灰色，表面纯净且不平整；由图3(b)～(d)可以看到结构镜质体和均质镜质体，部分层位含有团块状镜质体。煤中镜质组含量较低，介于10.1%～32.1%之间，平均含量为19.7%。

(2)惰质组显微亚组分特征如图4所示。

由图4(a)和(b)可以看出，惰质组主要以半丝质体为主，其次是碎屑惰质体；由图4(c)～(f)可见氧化丝质体(多呈条带状)，偶见火焚丝质体、粗粒体和微粒体。煤中惰质组含量非常高，介于47.1%～88.6%之间，平均含量为76.1%，属富惰质组煤。

(3)壳质组显微亚组分特征如图5所示。

由图5(a)和(b)可以看出，壳质组分主要为孢粉体中的小孢子体，大多呈蠕虫状或条带状分布，其次是角质体；由图5(c)和(d)可见其外缘呈平滑弯曲形态，而内缘作锯齿状，部分层位可见树脂体和树皮体；由图5(e)和(f)可见树脂体呈单一的个体形态；由图5(g)和(h)可见树皮体呈多层扁平的长方形木栓细胞组成，排列规则。煤中壳质组含量为0.5%～9.4%，平均含量为3.3%。

(4)矿物组成主要以粘土矿物、碳酸盐矿物为主，其次含有少量黄铁矿和菱铁矿。矿物组分特征如图6所示。

由图6(a)和(b)可见粘土矿物呈浸染状、簿层状广泛分布于镜质组间隙或惰质组间隙；碳酸盐矿物为方解石脉；由图6(c)和(d)可见方解石脉主要充填裂隙或胞腔中；由图6(e)可见黄铁矿呈脉状充填于裂隙中；由图6(f)可见菱铁矿主要以结核状形式存在。

(5)镜质体反射率特征。最大镜质体反射率介于0.50%～0.75%之间，平均为0.53%，属于低变质阶段。

3.2 煤的工业分析及灰成分分析

3.2.1 煤的工业分析

由表1可以看出，三道岭矿区4号煤层分层原煤水分(Mad)介于5.74%～9.57%之间，平均值为8.06%，水分从上到下逐渐升高；原煤灰分产率(Ad)介于1.24%～24.10%之间，平均值为6.82%，按《煤炭质量分级第一部分：灰分》(GB/T 15224.1-2018)质量分级标准，主要为特低灰煤，少量为低灰煤，这主要是由于西山窑成矿期水动力条件减弱，基本处于准平原化的泥炭沼泽，碎屑物质来源不足，导致灰分含量相对较低[16]；分层原煤挥发分产率(Vdaf)介于23.65%～46.93%之间，平均值为30.13%，原煤挥发分呈现出上部高，中、下部低的特点，根据《煤的挥发分产率分级》(MT/T 849-2000)标准，主要为中等挥发分煤，部分为中高挥发分煤，反映出煤层形成过程中的凝胶化作用时间短；分层原煤碳原子质量分数69.02%～73.36%，平均值为70.47%，氢原子质量分数2.52% ～ 4.77%，平均值为3.51%，从测试数据来看该煤层具有高碳低氢的特点。分层原煤全硫(St，d)含量介于0.04%～0.86%之间，平均值为0.24%，按《煤炭质量分级第二部分：硫分》(GB/T 15224.2-2004)质量分级标准，煤层主要为特低硫煤，少量为低硫煤，属陆相成煤环境，形态硫测试表明4号煤层以有机硫(So.d)为主，这主要是由于新疆早、中侏罗统属于内陆气候亚热带-温带气候环境，植物大量繁殖，成煤植物本身硫含量较低，堆积过程凝胶化作用弱，不利于硫富集，同时吐哈盆地西山窑组为流河三角洲沉积环境沼泽覆水浅，并具活动性，水面波动频繁，弱还原与弱氧化交替出现，水流较为活动且呈弱碱性，不利于硫化物的形成[17-18]。

3.2.2 灰成分分析

三道岭矿区4号煤层灰成分组成主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，矿区4号煤层灰中主要成分中CaO含量较高，为10.76%～73.70%，平均含量为32.40%，其次为Fe2O3，含量为6.72%～32.24%，平均含量为21.40%；相比而言，酸性氧化物含量明显较低，其中SiO2含量为10.03%～38.42%，平均含量为17.30%，Al2O3含量为5.83%～24.24%，平均含量为13.80%，相比于其他盆地的灰成分特征，三道岭矿区4号煤层具有高钙、低硅、低铝的特点，说明SiO2和Al2O3缺乏陆源碎屑供给，泥炭可能沉积于富钙的沼泽中[19]。

4号煤层灰成分指数K值介于0.25～10.64之间，均大于0.20，有学者研究认为陆相成煤环境的灰成分指数K值通常小于0.22，而4号煤层K值偏高可能是由于古气候出现短期波动性干热现象，造成盆地内蒸发量大于补给量，盐度升高，造成受海水影响的假象[20-21]。

3.3 富惰质组成因分析

煤相即一定泥炭沼泽环境下形成的煤成因类型和煤岩类型，通过煤的有机显微组分、矿物成分以及与煤级关系不大的化学特征和结构特征来体现[22]。不同的煤相反映泥炭沼泽的覆水深度、水介质的酸度、氧化还原电位、成煤植物种类和堆积方式等环境条件不同。研究煤相的参数主要包括植物组织保存指数(TPI)、凝胶化指数(GI)、地下水流动指数(GWI)、植被指数(VI)、氧化指数(OI)和镜惰比(V/I)等，三道岭矿区4号煤层煤相参数见表2。

3.3.1 TPI-GI煤相图

1986年迪赛尔(Diessel)通过建立的凝胶化指数(GI)和植物组织保存指数(TPI)分析了煤层泥炭沼泽的覆水程度、植物残体的凝胶化程度及微生物降解(pH值)信息。依据三道岭矿区4号煤层GI和TPI数值，建立了4号煤层GI-TPI煤相如图7所示。

由图7可以看出，4号煤层大多形成于干燥的森林沼泽环境，仅个别点落在低位泥炭沼泽相。植物结构保存指数(TPI)值介于0.89～30.10之间，均值为15.60，属于高TPI群体，说明植物残体结构大多保存程度较好，降解程度低，成煤植物以木本植物为主，主要由于早侏罗期(J1x)地势逐渐夷平，沼泽形成，气候温暖潮湿，银杏、松柏等乔木生长繁盛。GI值绝大多数小于1，最大不超过10，说明泥炭沼泽还原性差，偏弱氧化，成煤物质丝炭化作用强，导致惰质组总体较高，从测试数据也可以看出半丝质体和丝质体占比大多介于70%～80%之间。吐哈盆地早、中侏罗统时期岩相受古地理、古气候、古水体、沉积环境及植被种类等多方面影响，造成了不同显微煤岩组分特征。哈密凹陷位于吐哈盆地东北部，哈密凹陷中侏罗世西山窑组时期主要聚煤凹陷为三角洲平原沉积体系[23]，吐哈盆地西山窑组沉积相如图8所示。煤层形成水退序列，成煤环境主要以干燥森林沼泽为主，覆水浅，成煤植物遗体始终处于弱还原环境，经丝炭化作用形成了富惰质组，因此成煤宏观煤岩类型以暗淡-半暗煤为主。

3.3.2 GWI-VI煤相图

CALDER等研究人员[24]提出地下水流动指数(GWI)和植被指数(VI)，主要用于反映地下水对成煤泥炭沼泽的控制程度和地下水位的变化，其中地下水流动指数(GWI)可反映矿物的含量、地下水对泥炭沼泽的控制程度及地下水位的变化，植被指数(VI)可反映成煤植物类型，4号煤层GWI-VI关系如图9所示。

由图9可以看出，有15个样品落在VI>1的区域，仅3个样品落在VI<1的区域，说明成煤植物类型为草木混生型，且主要以木本植物为主。GWI值主要分布在0.01～0.50之间，表明沼泽覆水程度较浅，泥炭沼泽聚积时地下水补给流通条件较差，在一定程度上养分富集，有利于木本植物的大量繁殖，这就为西山窑组厚煤层堆积创造了条件，同时西山窑组处于水退沉积序列，沼泽水位较低，为丝炭化创造了条件。

3.3.3 氧化指数(OI)

氧化指数(OI)是碎屑惰质体和粗粒体与其他显微组分的比值，可以揭示古泥炭沼泽表面氧化程度的强弱[25]，三道岭矿区4号煤层的OI范围主要介于0.4～1.0之间，反映了成煤环境为氧化环境较强 。

3.3.4 镜惰比(V/I)

镜惰比(V/I)能够反映成煤泥炭沼泽的覆水强弱和成煤气候的干湿。根据许福美等研究人员[26]关于镜惰比的划分：有火灾发生<0.25 <潮湿-弱覆水> <1.00 <极潮湿-覆水> <4.00 <强覆水这4种成因类型。三道岭矿区4号煤层成煤早期，矿区煤的> V/I值普遍小于0.25，处于相对干燥的环境，野火灾害发生的概率较高，成煤中期处于潮湿-覆水环境，成煤后期则集中于0.25< V/I<1.00的范围，反映为潮湿-弱覆水环境。

4 结论

(1)从煤岩特征看，三道岭矿区4号煤层宏观煤岩类型以暗淡煤、半暗煤为主。煤岩显微组分中有机质含量高，平均含量达到94%以上，有机质以富惰质组分为主，其次为镜质组，壳质组占比最低；无机组分主要以粘土、碳酸盐矿物为主。

(2)从煤的工业分析结果看，三道岭矿区4号煤层分层原煤灰分产率平均为6.82%，主要为特低灰煤，挥发分产率平均为30.13%，主要为中等挥发分煤；固定碳平均为65.33%；从元素分析上看，碳元素含量平均值为70.47%，氢元素含量平均值为70.47%，具有高碳低氢的特点；全硫含量平均为0.24%，主要特低硫煤，以有机硫为主。

(3)从成因条件来看，三道岭矿区4号煤层富惰质组煤属内陆相沉积，成煤环境为干燥的森林泥炭沼泽氧化环境，发生过森林大火。通过TPI-GI，GWI-VI等参数分析认为，该矿区富惰质组煤形成主要受其成煤环境所控制，成煤植物主要以木本植物为主，覆水性弱，泥炭整体处于弱还原环境下，丝炭化作用强，发生过野火灾害(煤层含有火焚丝质体)。

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Characteristics and genesis analysis of coal maceral in No. 4 coal seam of Sandaoling Coal Mine in Tu-Ha Basin

MA Rong1,2, HE Jianguo1,2, ZHANG Ning3, ZHANG Jing1,2, SONG Xuejuan4, LIU Zhifei5, WEN Mingzhong1,2

(1. Jiangsu Mineral Resources and Geological Design and Research Institute〈Testing Center of China National Administration of Coal Geology〉, Xuzhou, Jiangsu 221006, China;2. Key Laboratory of CoalMeasures Mineral Resources, China National Administration of Coal Geology, Xuzhou, Jiangsu 221006, China;3. School of Civil Engineering, Hebei University of Engineering, Handan, Hebei 056038, China;4. Xuzhou University of Technology, Xuzhou, Jiangsu 221018, China;5. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Abstract As an important coal base in southern Xinjiang, Sandaoling mining area is located in Hami Depression of Tu-Ha Basin. In order to study the maceral and genesis of the rich inertinite coal in Xishangyao Formation in Tu-Ha Basin, coal samples were collected from No.4 coal seam in Xishangyao Formation in Sandaoling Coal Mine, and the characteristics of the coal maceral of the No. coal seam in Xishangyao Formation were systematically analyzed by industrial analysis and maceral identification of the samples and using methods of coal petrology, coal chemistry and coal phase, and the coal-forming environment of rich inertinite coal was discussed. The results show that the No. 4 coal seam of the Middle Jurassic Xishangyao Formation is mainly dark coal and semi-dark coal, and the coal maceral is mainly rich inertinite, with an average content of 76.1%, followed by vitrinite, and the content of chitin is lowest, which is belong to low metamorphic coal, and the rich inertinite is mainly semi-silica, and the vitrinite is mainly desmocollinite, and the mineral composition is mainly clay minerals and carbonate minerals. The coal quality of No. 4 coal seam belongs to ultra-low sulfur coal with ultra-low ash, medium volatile matter, high carbon and low hydrogen, the coal ash composition is mainly CaO and Fe2O3, with an ash composition index K between 0.25 and 10.64. The coal-forming environment is mainly characterized by dry forest-peat-swamp oxidation type, the coal-forming plants are mainly woody plants such as ginkgo, pine cypress, which grow luxuriantly and are prone to forming thick coal seams. At the same time, the Xishanyao Formation is in a retrograde sedimentary sequence with weak water coverage, and the peat is generally in a weak reducing environment, the material carbonization is strong, forming rich inertinite coal.

Keywords Tu-Ha Basin; rich inertinite; coal maceral; genesis analysis

中图分类号 TQ529；TQ531

文献标志码 A

引用格式：马荣,何建国,张宁,等. 吐哈盆地三道岭煤矿4号煤层煤岩组分特征及其成因分析[J]. 中国煤炭,2023,49(7):14-24.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.002MA Rong, HE Jianguo, ZHANG Ning, et al. Characteristics and genesis analysis of coal maceral in No. 4 coal seam of Sandaoling Coal Mine in Tu-Ha Basin[J]. China Coal, 2023,49(7):14-24. DOI: 10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.002

基金项目：国家自然科学基金项目(42002193)，中国煤炭地质总局科技创新项目(ZMKJ-2020-J01-3、ZMKJ-2021-ZX02)

作者简介：马荣(1982-)，女，陕西宝鸡人，硕士，高级工程师，主要从事测试分析、地质科研工程等方面的研究。E-mail：279835670@qq.com

(责任编辑 王雅琴)