郭 强 ，张 鹏

(1.山西省地质矿产研究院有限公司，山西 太原 030001； 2.煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西 太原 030001)

现有针对高硫煤的相关研究广泛涉及对沉积环境的控硫、高硫煤区域分布、煤中硫赋存状态和地质成因、脱硫理论及脱硫工艺、煤中硫及伴生元素、煤炭加工过程中硫的特性、煤中硫环境的影响等领域。刘大锰等[1]对华北晚古生代8层主采煤层中黄铁矿的赋存特征和地质成因进行了全面系统的研究，应用S同位素研究了煤中黄铁矿硫的形成世代，指出了沼泽水介质性质为煤中硫含量高低的决定性因素；代世峰[2]以内蒙古乌达矿区9号煤层煤中硫为研究对象，研究了高硫煤中硫的成因；唐跃刚[3]、刘贝[4]等对煤中黄铁矿的成因进行了研究，提出了直接沉淀系列和复杂成因等两大类成因演化模式；濮英英等[5]对贵州省六枝、贵定、盘县3种不同沉积环境下的煤进行取样研究，认为聚煤环境与煤中硫赋存的关系密切。

沁水煤田太原组为海陆交互相，煤类主要为无烟煤，其中高硫煤层分布广泛[6-8]，但相关研究比较缺乏。云泉矿区地处沁水煤田东南部，9号、15号煤层为连片分布的高硫煤区域。笔者基于云泉矿区的煤质资料，分析了矿区煤中硫的赋存规律、地质成因，以期对今后相关企业响应山西省能源革命政策提供借鉴和参考。

1 地质背景

云泉矿区位于山西省高平市米山镇境内，区域构造位置处在我国东部新华夏构造体系第三隆起带的中段，即太行隆起带。太行隆起带北段逐渐往北东弯曲，南段往南西乃至往西扭转，总体延伸方向为北20°～30°东。太行隆起带与其他隆起带和沉降带彼此平行，并呈雁行排列，如图1所示。

2 数据来源及硫分分布特征

本次样品为山西高平科兴云泉煤业有限公司的地质勘查取得的12个钻孔煤心和15件井下刻槽样，其中井下刻槽样均按照国标(GB/T 482—2008)采样。对云泉煤业9号、15号煤层进行分析，利用云泉矿区12个地勘钻孔中的原煤煤质数据研究了煤层硫分的平面分布特征；通过分析井下刻槽采样的15件样品，研究了煤层硫分的垂直分布特征。

2.1 平面分布特征

根据12个钻孔原煤煤质数据，利用Surfer 13软件平台，分别以硫分0.1、0.2为等值间距，绘制了9号、15号煤层全硫等值线图，见图2、图3。

图2 9号煤层全硫等值线图

图3 15号煤层全硫等值线图

从图2可以看出，平面上，云泉矿区9号煤层为低硫—中高硫无烟煤，其原煤的全硫含量为0.86%～2.45%，平均1.89%。从全硫等值线可以看出，云泉矿区9号煤层以中硫煤—中高硫煤为主，中硫煤主要分布在矿区的北部，中高硫煤主要分布在矿区的南部。

云泉矿区15号煤层为中硫—高硫无烟煤，其原煤的全硫含量为1.34%～4.97%，平均2.88%。从图3可以看出，云泉矿区15号煤层以中高硫煤—高硫煤为主，中高硫煤主要分布在矿区的中西部区域，高硫煤主要分布在矿区的东南部与北部。

2.2 垂直分布特征

依据15件样品分析出的数据绘制云泉9号、15号煤灰分与硫分剖面变化图，如图4、图5所示。

图4 云泉9号煤灰分与硫分剖面变化图

图5 云泉15号煤灰分与硫分剖面变化图

由图4可看出，云泉9号煤剖面上，全硫平均为3.95%，属于中灰高硫煤，以硫铁矿硫为主(平均为2.84%)，灰分平均产率为20.9%，产率范围为14.68%～35.23%。剖面从上到下，灰分产率基本呈增高态势。根据形态硫数据可知，全硫中以无机硫为主，有机硫含量相对较少，这就说明煤中的硫较易洗选；全硫含量呈现先增后减、来回变化的态势。

由图5可以看出，云泉15号煤剖面上，全硫平均为4.34%，属于低灰高硫煤，以有机硫为主(平均为2.35%)。灰分平均产率为9.92%，产率范围为6.18%～13.30%。剖面从上到下，灰分产率基本呈现先减后增的态势；全硫含量总体呈现出先增后减、来回变化的态势。根据形态硫数据可知，全硫中以有机硫为主，说明煤中的硫不易洗选，全硫含量变化较大。

2.3 煤岩特征

云泉9号煤的显微煤岩组分以镜质组为主，平均含量为57.4%；惰质组含量次之，为16.2%；矿物质含量为26.4%。镜质组占比可达一半以上。说明云泉9号煤层在形成过程中主要为还原环境，较强的还原环境造成煤中镜质组含量较多。云泉15号煤的显微煤岩组分也是以镜质组为主，平均含量为60.6%；惰质组含量次之，为28.0%；矿物质含量为11.4%。反映云泉15号煤层的形成环境亦为还原性环境。大多数煤岩微组分呈近圆状—椭圆状，其中大部分充填有黏土矿物和黄铁矿，如图6～7所示。

(a)镜质体(云泉9号煤) (b)镜质体(云泉15号煤)

(a)丝质体(云泉9号煤) (b)丝质体(云泉15号煤)

3 高硫煤地质成因研究

3.1 煤相分析

煤相是指煤的原始成因类型，其取决于泥炭堆积的古环境；煤相决定了煤中矿物质的赋存，进而对煤的可选性起到决定性作用。除了最为常用和准确的TPI(植物组织保存指数)和GI(凝胶化指数)外[8-9]，GWI(地下水流动指数)和VI(植被指数)也是十分有效的煤相参数。笔者同时也将镜惰比V/I和骨基比F/M纳入考虑作为补充，原因是一般镜质组形成于潮湿还原环境，而惰质组则形成于干燥氧化环境。对于成煤沼泽而言，覆水情况与氧化还原程度无疑有着密切的联系，V/I这一参数可以在一定程度上反映沼泽覆水和气候干湿的情况[10]，因此可以对其他参数起到一个很好的补充作用，而骨基比F/M是骨架组分与基质组分的比值，主要反映植物细胞破坏程度和沼泽水流活动性的强弱。

基于显微组分定量数据，按照唐跃刚[11]、侯贤旭[12]、秦身钧[13]、 马良[14]等提供的公式对研究区样品进行煤相参数计算，结果见表1。

表1 各煤样的煤相参数计算结果

就云泉矿区而言，TPI变化范围在0.35～1.12，变化范围较大，说明云泉9号光亮煤、15号光亮煤植物组织保存相对完好，云泉9号半亮煤植物组织保存状况较差；GI值普遍较大，平均值为3.63，说明云泉煤层经历了较强的凝胶化作用，处于覆水—高覆水的环境，有机质供给较为充分、泥炭沼泽相对潮湿的强还原环境；GWI值范围为1.42～5.75，平均值2.87，其中云泉9号半亮煤的GWI值更是高于其他两层煤，反映出泥炭沼泽形成时水位较高，水动力较强，因此，矿物输入增多，显微组分也发生了更强的降解；VI值变化范围较大，从云泉9号半亮煤最小的0.35到中位的云泉9号光亮煤1.07，再到最大的云泉15号光亮煤1.19，说明云泉9号光亮煤、云泉15号光亮煤更具有木本亲和性；镜惰比V/I值在2.16～4.20，表明成煤环境介于极潮湿—覆水到强覆水之间；骨基比F/M为0.35～1.12，波动范围较大，表明云泉15号光亮煤在成煤阶段处于水流活动性较弱的滞留环境，而向上的云泉9号半亮煤处于水流活动性较强的活水环境，到云泉9号光亮煤时水流活动性再次趋于平静。

绘制云泉盖州矿区的TPI-GI图和VI-GWI图，如图8所示，可以看到云泉9号光亮煤、15号光亮煤位于潮湿森林泥炭沼泽相，云泉9号半亮煤落于沼泽湿地相；从VI-GWI图中看，除了云泉9号半亮煤投点于草沼，剩余所有的样品点都落在树沼相中。

图8 云泉矿区的TPI-GI及VI-GWI煤相图

3.2 凝胶化作用

凝胶化作用:是指泥炭化作用阶段，成煤植物组织在积水较深、气流闭塞的沼泽环境下，产生的极其复杂的变化[15-16]，一般认为镜质组与惰质组比值V/I可作为表征泥炭凝胶化作用强弱的直接尺度[16-17]。云泉矿区煤中硫化铁硫与镜惰比并非严格呈正相关关系，但有机硫与镜惰比呈正相关关系较为明显，如图9所示。因此，云泉矿区在0.5

(a)硫化铁硫—镜惰比

3.3 氧化还原性

煤的灰成分指数K为煤灰成分中Fe2O3、CaO、MgO质量分数之和与SiO2、Al2O3质量分数之和的比值，K值的高低反映了泥炭沼泽还原性的强弱。云泉矿区9号煤层K值在0.019～1.191，平均值为0.457；15号煤层K值在0.137～2.367，平均值为0.947。灰成分指数K与硫化铁硫含量呈正相关关系，如图10所示。K值越高，还原性越强，促进了硫化铁硫的形成。但是灰成分指数K与有机硫含量之间相关性不明显。

(a)硫化铁硫—K

3.4 铁离子丰度

煤中黄铁矿形成的关键因素是Fe2+、有机质和细菌活动[18-20]。煤灰成分中Fe2O3的含量通常用来表示同生阶段和成岩阶段铁离子的丰度。云泉矿区的煤灰成分中Fe2O3的含量与全硫、硫化铁硫含量之间均呈正相关关系，但与有机硫含量之间相关性不明显，如图11所示。

(a)全硫—煤灰Fe2O3

经上述分析，可以推测云泉矿区在形成的过程中经历了较为频繁的海进海退[14，18，21]，受到海水影响较大，因此，导致云泉9号半亮煤呈现低植物组织保存指数、高凝胶化指数、高地下水流动指数的煤相特征与高灰、高硫的煤质特征。从同生阶段到晚年成岩和后生阶段以脉状黄铁矿为主，随着成煤作用的推进，煤层上覆堆积物厚度增大，煤中硫的聚集作用越来越弱[21-22]。

4 结论

1)云泉矿区9号煤层为低硫—中高硫无烟煤，以黄铁矿硫为主，有机硫次之。15号煤层为中硫—高硫无烟煤，以有机矿硫为主，黄铁矿硫次之。

2)云泉矿区煤镜惰比与有机硫正相关关系较为明显；云泉矿区灰成分指数K与黄铁矿硫含量呈正相关关系，K值越高，还原性越强，促进了黄铁矿硫的形成；云泉矿区的煤灰成分中Fe2O3的含量与全硫和硫化铁硫含量之间呈正相关关系，但与有机硫含量之间相关性不明显。

3)从煤相分析，云泉矿区在形成的过程中经历了较为频繁的海进海退，煤中硫的含量和形态受到海水影响较大。硫化铁硫的形成富集受氧化还原条件和铁离子丰度影响。本研究成果可为云泉矿区煤炭资源的开发利用、绿色矿山建设和矿区生态环境保护提供基础资料。