昭通盆地褐煤煤巖煤質特征及清潔利用方向

李聰聰 寧樹正 杜芳鵬,3 雒 錚 譚富榮

(1.中煤航測遙感集團有限公司，陜西省西安市，710199；2. 中國煤炭地質總局，北京市豐臺區(qū)，100038；3. 西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西省西安市，710069)

我國擁有豐富的褐煤資源，據(jù)估計褐煤約占我國煤炭總儲量的12.7%。隨著優(yōu)質煤炭資源的不斷消耗，資源量豐富的褐煤資源逐漸得到重視，在我國未來能源供應的構成中將占據(jù)重要的位置。褐煤含水量和含氧量高、發(fā)熱量低，導致褐煤直接利用效率相對較低、經(jīng)濟性差，使得褐煤的開發(fā)利用受到限制，長期以來被視作一種劣質煤，但褐煤具有良好的液化活性，是一種適宜煤炭直接液化的煤種。目前在原有燃燒的基礎上，隨著生態(tài)文明建設對能源發(fā)展和煤炭清潔高效利用的新要求，褐煤液化、氣化、褐煤制化工產(chǎn)品、提取褐煤蠟與腐植酸等是實現(xiàn)褐煤資源高效利用的主要方向。

云南省褐煤資源總量達205億t，占全國褐煤資源量的12.6%，居我國褐煤資源儲量第二位，僅次于內蒙古自治區(qū)。其中昭通盆地褐煤資源量80億t，位居云南新生代褐煤盆地之首。前人曾對昭通盆地新近系的聚煤作用、煤地球化學特征及煤層氣富集規(guī)律等進行研究，并對該區(qū)褐煤的液化、氣化性能進行了區(qū)域上的初步分析，但是對礦區(qū)內褐煤的煤巖煤質分布特征深入研究相對較少，對云南昭通盆地褐煤煤巖煤質進行系統(tǒng)分析評價，對促進褐煤資源的清潔高效利用具有參考意義。

1 礦區(qū)概況

昭通盆地是國家規(guī)劃的大型煤炭基地礦區(qū)之一，位于云貴高原烏蒙山的北部，是一個發(fā)育在古近系之上的殘留山間盆地，呈北東—南西向近似橢圓形展布，北東—南西方向長20 km、北西—南東方向寬8～15 km，面積約230 km2，盆地內廣泛發(fā)育新近系中新統(tǒng)、更新統(tǒng)和全新統(tǒng)，均以角度不整合超覆于泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系和白堊系之上。含煤地層為新近系上新統(tǒng)茨營組，整體呈一寬緩的復向斜，自西向東由荷花向斜、海子向斜、諸葛營向斜和鳳凰山、獅子山兩個狹小背斜組成，一般含可采煤層3層，由上而下編號為M1、M2、M3，其中M2煤層為主要可采煤層，可采總厚度達80～130 m，區(qū)內煤層厚、傾角平緩、埋藏淺，易剝易采，適于露天開采。目前昭通盆地分為海子、荷花、諸葛營、紅衛(wèi)4個勘探區(qū)，褐煤資源暫未大規(guī)模實質性開發(fā)。

2 采樣與測試

本次研究過程中，收集了云南昭通盆地以往勘探地質報告中大量鉆孔煤質測試的數(shù)據(jù)，并對昭通盆地荷花井田M2煤層的褐煤剖面進行系統(tǒng)采樣，從地表煤層頂板砂礫巖松散層開始由上至下采樣，采樣點間隔為2 m，地表煤層揭露厚度約30 m。本次共取得M2煤層垂向剖面煤樣13個，由上至下編號為ZT-01至ZT-13，主要對 M2煤層煤樣的工業(yè)分析、全硫、灰成分、煤灰熔融性、哈氏可磨指數(shù)、粘結指數(shù)、微量元素、煤巖顯微組分等指標進行了測試分析，見表1。

表1 昭通盆地 M2煤層采樣測試數(shù)據(jù)

3 煤巖特征

(1)宏觀煤巖特征。M2煤呈黑褐色，暗淡土狀光澤，以塊狀構造為主，偶見水平層理、平坦狀及參差狀斷口。宏觀煤巖組分中除絲炭及偶見少量鏡煤外，其他組分無法辨認。

(2)顯微煤巖特征。腐植組和穩(wěn)定組與轉化率有著較好的正相關關系，在三大顯微組分組中：惰質組屬于非活性顯微組分，在通常的液化反應條件下難于液化；而腐植組和穩(wěn)定組統(tǒng)稱為活性組分，容易直接液化。

昭通盆地 M2煤的顯微組分以腐植組為主，含量為85%～97.85%，平均為92.80%；其次為穩(wěn)定組，含量為0.70%～6.11%，平均為4.60%；惰質組含量最少，含量為0～5.70%，平均為2.58%。顯微煤巖類型屬暗亮—亮煤型，以亮煤型為主。

昭通盆地的無機顯微組分以粘土礦物為主，含量為0.40%～15.70%，平均為13.86%，有少量的黃鐵礦、微量的石英和方解石，偶見褐鐵礦和白鐵礦。通常在煤層上部的無機組分含量較低，下部含量較高，且多分布在煤的凝膠化基質中。

4 煤質特征分析

本次昭通盆地褐煤煤質分布特征分析采用平面與垂向相結合的方式，平面分布特征根據(jù)勘探地質報告的鉆孔煤質測試數(shù)據(jù)進行分析，垂向變化特征研究采用以往煤田勘查鉆孔煤質化驗結合實地煤層剖面采樣的測試數(shù)據(jù)進行。M2煤層煤質指標等值線見圖1，煤層整體指標垂向變化見圖2。

(1)水分(Mad)。水分是影響褐煤利用的重要因素，我國褐煤的水分含量為25%～40%，水分含量高，對煤的氧化、蓄熱和散熱過程都有一定的影響。褐煤的干燥提質是其高效利用的重要途徑，昭通盆地 M2煤層原煤水分含量為7.28%～35.18%，平均為14.92%，屬中高全水分煤。

圖1 M2煤層煤質指標等值線

圖2 煤層整體指標垂向變化

(2)灰分(Ad)?；曳趾康母叩蛯γ旱囊夯療o明顯影響，但對煤轉化終端產(chǎn)品的質量有負面影響，一般認為煤中的無機組分越低，越有利于煤炭直接液化。昭通盆地 M2煤層原煤灰分產(chǎn)率為8.37%～37.14%，平均為16.83%。按GB/T15224.1-2010《煤炭質量分級 第一部分：灰分》中煤炭資源評價灰分分級，昭通盆地M2煤層原煤主要為低灰煤，含有少量的特低灰煤、中灰煤、中高灰煤。平面上，礦區(qū)大部分區(qū)域的原煤灰分產(chǎn)率介于12%～28%。總體上，原煤灰分呈現(xiàn)為東北部和西南部較高、中部較低，由東北部向西南部表現(xiàn)為先變小再變大的趨勢，如圖1(a)所示。在垂向上，從 M2煤層至 M3煤層灰分有逐漸增大趨勢，針對 M2煤層而言，從頂部到底部灰分逐漸增大。

(3)揮發(fā)分(Vdaf)。煤的揮發(fā)分產(chǎn)率與液化性能表現(xiàn)出明顯的正相關關系。昭通盆地 M2煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率為50.73%～63.56%，平均為55.59%，屬特高揮發(fā)分煤。M2煤層揮發(fā)分在平面上變化較小，礦區(qū)大部分區(qū)域的原煤揮發(fā)分產(chǎn)率介于54%～61%?？傮w上，原煤揮發(fā)分呈現(xiàn)為東北部和西南部較高、中部較低，由東北部向西南部表現(xiàn)為先變小再變大的趨勢，如圖1(b)所示，昭通盆地西部荷花井田M2煤層13個樣品揮發(fā)分產(chǎn)率為54.73%～76.86%，揮發(fā)分從上至下變化不大，平均為58.79%。

(4)硫分(St,d)。煤中硫分含量也是影響煤炭直接液化的因素之一， M2煤層原煤硫分含量為0.26%～3.32%，平均為0.86%，屬低-中硫煤，如圖1(c)所示，主要以硫化鐵硫和有機硫為主，硫酸鹽硫極少。剖面上 M2全硫含量為0.45%～0.85%，從上至下變化不大，平均為0.62%。在垂向上，從 M2煤層至 M3煤層硫分含量有逐漸增大趨勢，針對 M2煤層而言，從頂部到底部硫分含量變大，由低-中硫煤逐漸過渡為高硫煤。

(4)氫碳原子比(H/C)。煤中氫碳原子比對煤直接液化有重大影響，氫碳原子比與煤的轉化率有著良好的相關性。昭通盆地 M2煤層原煤氫碳原子比為0.84～0.97，平均值為0.92。平面上，礦區(qū)大部分區(qū)域的原煤氫碳原子比介于0.90～0.95?？傮w上，原煤氫碳原子比呈現(xiàn)中部較低，東北部與西南部較高的趨勢，氫碳原子比在垂向上變化范圍較大，呈現(xiàn)中部低兩端高的特點。

(5)煤灰熔融性(ST)。昭通盆地 M2煤層的煤灰熔融性范圍為1145℃～1380℃，平均為1250℃。 M2煤以中熔灰分(85.7%)為主，含少量難熔灰分(4.8%)和易熔灰分(9.5%)。

(6)煤灰成分。昭通盆地 M2煤層煤灰中主要成分SiO2含量為23.42%～65.27%，平均為36.33%；Al2O3含量為7.97%～28.98%，平均為15.10%；Fe2O3含量4.17%～19.99%，平均為7.20%；CaO含量為5.20%～36.88%，平均為23.41%； MgO含量為1.36%～9.82%，平均為5.06%；SO3含量為1.43%～16.58%，平均為9.03%?？傮w上以硅鋁酸鹽氧化物為主，堿性氧化物次之。灰成分指數(shù)K[K=(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+CaO+MgO)]較低，平均為0.84，說明灰分的來源主要以陸相為主。

(7)焦油產(chǎn)率與腐植酸。 M2煤層原煤焦油產(chǎn)率為3.05%～10.23%，平均為7.27%，屬富油煤，煤層中絕大部分是游離腐植酸，含量一般為30%～50%，平均值為42.72%，如圖1(d)所示，屬中—富腐植酸煤。

5 褐煤綜合利用方向評價

昭通盆地主要可采煤層 M2煤層主要為褐煤，本次以采樣化驗和資料收集為基礎，以煤巖顯微組分(惰質組含量)和煤質(灰分、揮發(fā)分、氫碳原子比、硫分等)兩方面7項參考指標進行研究，結果如表2所示，通過對昭通盆地 M2煤層的液化性能進行分析發(fā)現(xiàn)， M2煤層符合直接液化用煤的評價指標，可作為直接液化用煤。結合GB/T23810-2009直接液化用原料煤技術條件中項目指標值，秦云虎等提出直接液化用煤(原煤)指標分級方案，在符合上述指標的前提下，將灰分小于12%的褐煤劃分為優(yōu)質液化用煤，將灰分介于12%～25%之間的褐煤劃分為一般液化用煤。

表2 M2煤層直接液化用煤參考指標

6 結論

受成煤古地理條件和沉積環(huán)境的控制，昭通盆地新近系 M2煤層的優(yōu)質液化用煤分布于礦區(qū)西北部，全部位于海子向斜，分布面積占整個礦區(qū)面積的6%，其余全部為一般液化用煤，占整個礦區(qū)范圍的94%，如圖3所示。可將褐煤直接液化作為昭通盆地煤炭清潔高效利用的方向之一。

(1)在前期地質勘查鉆孔煤質資料分析的基礎上，結合實地采樣測試，采用平面與垂向分析的方式對昭通盆地M2煤層煤巖煤質特征進行分析，得出M2煤層屬中高全水分、低灰分、特高揮發(fā)分、低—中硫分、高氫碳原子比、富油煤、中—高腐植酸褐煤的結論。

(2)對比直接液化用煤評價指標，認為昭通盆地M2褐煤可作為直接液化用煤，可將褐煤直接液化作為昭通盆地煤炭清潔高效利用的方向之一。

圖3 昭通盆地 M2煤層液化用煤分區(qū)圖