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地球科学与测法
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Distribution and geological controls of tar－rich coals in Yushen Mining Area of Northern Shaanxi
“富煤、贫油、少气”的资源禀赋决定了煤炭在未来几十年我国能源安全保障中起着重要作用［1］。 煤基液体清洁燃料是洁净煤技术之一，煤低温热解是煤制油的重要途径［2］，煤在隔绝空气条件下低温热解可生成焦油、煤气和半焦，进一步可转化形成清洁燃料和化工原料，不仅可以提高产品附加值，同时也是对我国能源结构中“贫油”的有效补充［3－4］。 富油煤是集煤油气属性为一体的煤炭资源［5］，其具有较高的焦油产率，是产生油气的优质原料，开展富油煤的研究和利用，对提升我国油气自主保障能力，实现煤炭清洁高效利用，推进“碳达峰、碳中和”具有重要意义。
陕西省赋存着大量具有中高挥发分的低阶富油煤，是低温干馏的优质煤炭资源，主要分布在陕北侏罗纪煤田、黄陇侏罗纪煤田、陕北三叠纪煤田以及陕北石炭－二叠纪煤田，储量高达到1 500 亿t［6］。 其中，陕北侏罗纪煤田的煤炭资源量最高，该煤田榆神矿区在煤层埋藏条件、开采条件、煤质及资源量等方面均是最好的。 然而，榆神矿区富油煤研究工作相对较少，查明富油煤资源分布特征及影响因素是富油煤下一步开发利用研究的基础。 富油煤的分布规律影响着其规模化产业布局和利用，影响其焦油产率分布的地质因素同样值得深入探究。 为此，以榆神矿区生产煤矿主采煤层为研究对象，对富油煤的分布特征和煤质特点进行研究，并通过镜质体反射率、富氢显微组分、氢元素含量（Hdaf）、H／C 原子比、镜惰比等煤层形成过程中的参数，对影响焦油产率的主要控制因素进行了分析，旨在为该区富油煤资源的勘探开发以及综合高效利用提供地质依据。
榆神矿区位于鄂尔多斯盆地东北部，陕西省榆林市境内（图1）。 区内构造简单，尚未发现大断层，亦无岩浆活动。 地层走向为NW，倾向为NWW，倾角1°左右。 矿区内由老至新依次发育三叠系上统永坪组，侏罗系下统富县组，侏罗系中统延安组、直罗组和安定组，白垩系下统洛河组，新近系及第四系。
图1 榆神矿区交通位置及延安组煤层编号
Fig.1 Location of Yushen Mining Area and coal seam number of Yan’an Formation
延安组是区内主要的含煤地层，一般厚250 m，含煤20 层，可采及局部可采8 层。 其中，可采煤层有2－2，3－1，4－3，5－2，5－3五层，煤层总厚5.42～26.89 m，一般为18 m，含煤系数6.5%～8.5%。 本文研究2－2，3－1和5－2号主采煤层（图1）。 其中，2－2号煤层位于延安组第4 段顶部，埋深一般为8.84 ～605.80 m，煤层厚度大，一般在0.35～12.98 m，以厚－特厚煤层为主，煤层结构简单，区内大部分可采，一般含1－2 层夹矸；3－1号煤层位于延安组第3 段顶部，埋深一般为36.20～637.61 m，煤层厚度在0.65 ～4.32 m，以中厚煤层煤主，一般为不含夹矸的单一煤层，或偶含1层夹矸，煤层稳定，区内大部分可采；5－2号煤层位于延安组第1 段顶部，埋深一般为59.80～714.29 m，煤层厚度在0.66～7.96 m，以中厚煤层为主，煤层较稳定，大部分无夹矸，区内大部分可采。
《矿产资源工业要求手册（2014 修订版）》规定，以焦油产率（Tar，d）为分级标准，高油煤Tar，d ＞12%，富油煤Tar，d ＞7%～12%，含油煤Tar，d≤7%［7］。榆神矿区原煤低温干馏数据分析表明，该区焦油产率特征存在明显的差异性。
2－2 号煤层焦油产率主要分布在5.10% ～16.17%，平均10.73%，其中含油煤占比2.03%，富油煤占比80.81%，高油煤占比17.16%，主要为富油－高油煤，富油煤分布面积达2 627.96 km2，高油煤分布面积达86.18 km2。 3－1号煤层焦油产率主要分布在4.70%～15.20%，平均10.87%，其中含油煤占比2.86%，富油煤占比70.48%，高油煤占比26.67%，主要为富油－ 高油煤， 富油煤分布面积达2 908.69 km2，高油煤分布面积达122.38 km2。 5－2号煤层焦油产率主要分布在4.40%～15.91%，平均10.53%，其中含油煤占比3. 21%，富油煤占比78.07%，高油煤占比18.72%，主要为富油－高油煤，富油煤分布面积达2 629.45 km2，高油煤分布面积达12.24 km2。
总体而言，3－1 号煤层的富油煤发育最好，焦油产率最高，富油煤和高油煤的分布面积最广。 各煤层焦油产率分布具有东南部较高，西北部较低的特征，除西北部局部地区分布含油煤外，其他区均被富油煤和高油煤覆盖（图2）。 高油煤以3－1号煤层发育最好，分布面积最大且连续性最好，主要在矿区东南部地区较连续分布，东北部地区零星分布；其次为2－2号煤层，高油煤主要在矿区东南部榆树湾、曹家滩、西湾、方家畔一带较连续分布；5－2号煤层高油煤发育面积最小，由东北向西南零星分布。
图2 榆神矿区主采煤层焦油产率等值线
Fig.2 Contour map of tar yield of main coal seams in Yushen Mining Area
2－2号煤层富油煤水分含量为0.31%～14.13%，平均6.73%，属特低全水分煤；灰分产率为2.80%～24.07%，平均7.58%，以特低灰分煤为主（占比87.11%）；挥发分产率为29.32% ～47.18%，平均38.10%，其中，高挥发分煤占比76.70%，中高挥发分煤占比23.30%，总体属于高挥发分煤；全硫含量为0.09%～2.30%，平均0.59%，总体属于低硫煤。
3－1号煤层富油煤水分质量分数为1.91% ～11.33%，平均6.90%，属特低全水分煤；灰分产率为2.00% ～28.07%，平均7.05%，以特低灰分煤为主（占比88.63%）；挥发分产率为31.66%～42.11%，平均37.63%，其中，高挥发分煤占比66.04%，中高挥发分煤占比33.96%，总体属于高挥发分煤；全硫质量分数为0.21%～1.39%，平均0.54%，总体属于低硫煤。
5－2号煤层富油煤水分质量分数为1.21% ～11.36%，平均6.92%，属特低全水分煤；灰分产率为3.16% ～37.15%，平均8.19%，以特低灰分煤为主（占比84.09%）；挥发分产率为31.45%～53.19%，平均36.80%，其中，高挥发分煤占比41.90%，中高挥发分煤占比57.54%，总体属于中高挥发分煤；全硫质量分数为0.15%～1.27%，平均0.41%，总体属于特低硫煤。
延安组上部2－2，3－1号煤层煤质特征相似，与下部5－2号煤层煤质有所差异，由上至下灰分产率增加，挥发分产率下降，全硫含量下降。 各煤层挥发分产率与焦油产率呈正相关趋势（图3a），灰分产率与焦油产率呈负相关趋势（图3b），即：挥发分产率越高，焦油产率越大；灰分产率越高，焦油产率越小。
图3 煤样焦油产率与挥发分产率和灰分产率之间关系
Fig.3 Plots of tar yield to volatile matter and ash yield of coal samples
煤化程度表征了煤在温度、压力、时间影响下的组分和性质变化［8］，一般可以用镜质体反射率（Ro）表征。 榆神矿区2－2号煤层镜质体反射率为0.53%～0.67%，平均0.60%；3－1 号煤层镜质体发射率为0.56%～0.69%，平均0.61%；5－2 号煤层镜质体发射率为0.53%～0.68%，平均0.62%。 榆神矿区煤层总体上变质程度较低，以中煤阶I 变质阶段为主。 镜质体反射率与焦油产率之间有一定的正相关性（图4），表明较低的变质程度有利于富油煤的发育。 榆神矿区富油煤和高油煤比例达96%以上，整体富油性较好，证明煤化程度对富油煤发育起着至关重要的作用，中低阶煤分布区是富油煤发育的有利区。
图4 煤样镜质体反射率与焦油产率之间关系
Fig.4 Plots of vitrinite reflectance to tar yield of coal samples
煤的有机显微组分由植物遗体变化而成，分为镜质组、壳质组和惰性组三大组［9］，煤的生烃潜力直接取决于各组分所占比例［10－11］。
榆神矿区2－2，3－1 号煤层有机显微组分主要为镜质组，5－2号煤层主要为惰质组，各煤层的壳质组含量均较低（表1）。 在低—中成熟阶段，镜质组的生油潜量、氢指数和转化系数大约是惰质组的2 ～4倍［11］。 榆神矿区煤中壳质组含量较低，含量较高的镜质组才是主要的生烃组分。 镜质组与焦油产率之间呈正相关趋势，而惰质组与焦油产率之间呈负相关趋势（图5a）。 由此表明，镜质组含量增高有利于焦油产率提高，上部2－2，3－1号煤层镜质组含量较下部5－2号煤层高，其富油煤的发育较下部5－2号煤层好。
图5 煤岩焦油产率与物质组成之间关系
Fig.5 Plots of tar yield to material composition of coal samples
表1 煤样显微组成定量结果
Table 1 Micro－component composition of coal samples
注：数据为最小值～最大值，括号内为平均值。
煤层 体积分数／%镜质组 惰质组 壳质组 无机总数2－2 33.30～83.10（58.84）16.10～58.60（37.09）0.20～2.00（0.64）0.40～20.50（3.43）3－1 51.80～75.40（59.80）23.20～46.30（35.95）0.20～1.20（0.82）0.70～8.60（3.43）5－2 31.70～43.20（37.45）46.40～65.70（56.05）0.40～1.00（0.70）1.60～10.00（5.80）
镜质组对焦油产率的贡献主要取决于其中的富氢组分。 镜质组中，结构镜质体和镜屑体属于贫氢镜质组，基质镜质体和均质镜质体属于富氢镜质组［12］。 2－2，3－1，5－2号煤层的基质＋均质镜质体在全岩显微组分中的均值分别为51.35%，54.85%，32.30%，见表2，占镜质组比例均在86%以上，镜质组内富氢的基质＋均质镜质体占绝对优势。 同时，基质＋均质镜质体占全岩显微组分比例与焦油产率之间正相关趋势显著（图5b）。 其中，含油煤的基质＋均质镜质体占全岩显微组分体积分数在30.20%～49.40%，平均42.57%；富油煤的基质＋均质镜质体占全岩显微组分的体积分数在28.50%～66.10%，平均50.33%；高油煤的基质＋均质镜质体占全岩显微组分体积分数在50.40%～72.30%，平均61.64%。富氢镜质组含量为高油煤＞富油煤＞含油煤，富油煤和高油煤的基质＋均质镜质体含量在全岩显微组分的体积分数均在50%以上，富氢组分在物质基础上对焦油产率起着决定性作用。
表2 煤样中基质＋均质镜质体相对含量
Table 2 Relative content of desmocollinite and telocollinite vitrinite in coal samples
注：数据为最小值～最大值，括号内为平均值。
镜质组中的相对含量／%煤层全岩显微组分中的相对含量／%基质镜质体 均质镜质体 基质＋均质镜质体占比 基质镜质体 均质镜质体 基质＋均质镜质体占比2－2 27.90～68.60（45.29）0.60～15.20（6.07）30.20～72.30（51.35）47.94～89.57（77.92）1.54～21.41（10.08）66.92～97.40（88.00）3－1 34.10～45.30（40.52）5.10～22.40（14.33）47.40～67.70（54.85）60.08～85.52（68.61）9.85～32.41（23.21）87.13～95.37（91.82）5－2 27.50～33.50（30.50）1.00～2.60（1.80）28.50～36.10（32.30）77.55～86.75（82.15）3.15～6.02（4.59）83.56～89.91（86.74）
同时，焦油产率与氢元素含量（Hdaf）、H／C 原子比之间也具有较好的正相关性（图5c、5d），进一步证实氢元素含量对焦油产率具有重要影响。 榆神矿区富油煤的氢元素含量均在4%以上，氢元素含量高，加热后易软化分解，是产生煤焦油的主要来源［13］。
显微煤岩组分是良好的成煤环境指标［14－15］，煤中各显微组分的含量主要决定于植物残骸在泥炭化阶段的降解程度。 一般说来，镜质组代表潮湿还原环境，惰质组代表干燥氧化环境［16－17］。 榆神矿区主采煤层有机显微组分百分含量存在差异（表1），表明各煤层的成煤环境有所不同。
利用镜惰比（V／I）能较直观反映成煤沼泽的覆水程度与气候的干湿情况［18］。 由此，将成煤环境划分为4 种成因类型：V／I 大于4，代表强覆水；V／I 在1～4，代表极潮湿－覆水；V／I 在0.25 ～1，代表潮湿－弱覆水；V／I 小于0.25，代表干燥－ 极干燥环境［19－21］。 榆神矿区2－2号煤层V／I 为0.58 ～5.16，平均1.89；3－1号煤层V／I 为1.13 ～3.25，平均1.86；5－2号煤层V／I 为0.48～0.93，平均0.71。 煤层层位由下到上，镜惰比增加，泥炭沼泽覆水程度增大，还原性变强。 如图6 所示，镜惰比与焦油产率之间具有明显的正相关趋势，镜惰比越高，焦油产率值越高。 上部2－2，3－1号煤层的覆水深度和还原性大于下部5－2号煤层，焦油产率值亦大于下部5－2号煤层，表明还原性越强，越有利于富油煤的形成。
图6 煤样镜惰比与焦油产率之间关系
Fig.6 Plots of V／I to tar yield of coal samples
采用Diessel（1986）建立的方法，利用煤岩显微组分定量结果，计算各分层煤样的结构保存指数（TPI）和凝胶化指数（GI），以此判断泥炭沼泽环境覆水程度和泥炭埋藏速度［22］。 榆神矿区2－2号煤层GI 在0.70 ～5.86，平均2.07；3－1 号煤层GI 在1.20～3.38，平均1.95；5－2号煤层GI 在0.56～1.01，平均0.79。 2－2号煤层TPI 在0.31～1.34，平均0.88；3－1号煤层TPI 在0.84 ～1.57，平均1.15；5－2号煤层TPI在0.94～1.42，平均1.18。 综合分析，2－2号煤层形成环境以低位沼泽和湿地森林沼泽为主，覆水程度较高，植物组织凝胶化程度较高；3－1号煤层以湿地森林沼泽为主，覆水程度较高；5－2号煤层以干燥森林沼泽为主，覆水相对较浅（图7）。 同时，凝胶化指数与焦油产率之间也具有较好的正相关性，同样表明潮湿覆水深度大的环境，还原性强，有利于富油煤的形成。
图7 基于结构保存指数和凝胶化指数的主采煤层煤相图解
Fig.7 Coal facies diagram of main coal seams based on structure preservation index and gelation index
榆神矿区2－2，3－1和5－2号煤层主要发育在鄂尔多斯中生代陆相含煤盆地持续稳定沉降构造背景和温暖潮湿古气候背景，沉积环境主要为湖控三角洲，物源由西北向东南注入，西北部发育广大的三角洲平原沉积，向东南部逐渐过渡为三角洲前缘和滨浅湖沉积［23－24］。 由西北向东南，覆水深度逐渐变深，还原性变强，焦油产率也由西北向东南增高（图2）。富油煤主要发育在三角洲平原到滨浅湖相环境，高油煤主要发育在东南部滨浅湖区域，表明还原性越强，越有利于高焦油产率煤的形成。
1）榆神矿区延安组2－2，3－1，5－2号煤层焦油产率高，总体以富油－高油煤为主。 垂向上，3－1号煤层富油煤发育最好，高焦油产率煤所占比例以及富油煤和高油煤分布面积最大。 平面上，焦油产率分布具有东南部高，西北部低的特征，除西北部局部分布含油煤外，其他区域均被富油煤和高油煤覆盖，高油煤在矿区东南部地区连续分布，东北部地区零星分布。
2）煤质影响煤的含油性。 2－2，3－1 号煤层以特低水、特低灰、高挥发分、低硫煤为主，5－2 号煤层主要以特低水、特低灰、中高挥发分、特低硫煤为主，各煤层焦油产率分别与挥发分产率和灰分产率呈正、负相关趋势。
3）富油煤的形成受煤化程度、成煤物质和成煤环境等因素的控制。 煤化程度较低时，煤的焦油产率较高，榆神矿区煤变质程度为富油煤形成有利阶段，富油煤和高油煤发育比例达96%以上。 有机显微组分中富氢镜质组含量越高，焦油产率越大，上部2－2，3－1号煤层的富氢镜质组含量较下部5－2号煤层高，其焦油产率值也较下部5－2号煤层高，富油煤和高油煤的基质＋均质镜质体含量在全岩显微组分中比例均在50%以上，氢元素含量均在4%以上。 强还原性环境为富油煤的生成和富集提供了良好条件，富油煤主要发育在三角洲平原到滨浅湖相区，高油煤主要发育在东南部水体深度最大，还原性最强的滨浅湖相区。
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