貴州省打磨沖煤礦煤質(zhì)特征研究

郄汝兵，周 澤

(貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽 550000)

0 引 言

煤炭資源作為我國重要能源組成部分，其消費比例占全國一次能源的59%[1-4]。我國目前煤炭資源主要用于火力發(fā)電、供暖等，而其使用方式普遍利用率偏低，很難完全發(fā)揮煤炭中所含的全部資源，造成嚴重的資源浪費[5]。煤炭的直接燃燒增加了大氣污染，隨著新的能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，清潔能源越來越受到重視，針對煤炭資源的合理工業(yè)評價對煤炭的使用具有重要意義[6，7]。貴州省作為煤炭資源重要產(chǎn)出地，開發(fā)程度比較高，煤類主要以高變質(zhì)無煙煤為主[8]。韓忠勤對貴州省盤縣馬依西17-1號煤展開煤質(zhì)特征研究，認為具有廣闊的開發(fā)利用前景[9]。姜秉仁等在織納煤田對上二疊統(tǒng)煤層發(fā)育特征和煤質(zhì)特征進行分析[10]。從煤炭資源的地理分布上看，我國呈現(xiàn)“西多東少、南貧北富”的狀態(tài)[5]，貴州素有“西南煤?！敝Q，其作為西南地區(qū)電力輸送樞紐，具有著力將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢[11]。對其煤質(zhì)特征進行科學(xué)研究，可提高貴州省煤炭資源利用率及合理開發(fā)利用貴州煤炭資源，為煤炭開采轉(zhuǎn)型升級及地下氣化提供基礎(chǔ)資料，其氣化煤種與地表移動存在內(nèi)在關(guān)系[12]。筆者長期從事煤田地質(zhì)研究，基于打磨沖煤礦鉆孔和測試實驗分析，結(jié)合近幾年在該區(qū)開展的勘查成果，總結(jié)分析打磨沖煤礦煤質(zhì)特征，并基于煤質(zhì)特征的分析，對煤的工業(yè)用途進行評價，以期對該區(qū)煤炭資源的合理開發(fā)和利用提供依據(jù)。

1 含煤地層

含煤地層為龍?zhí)督M，平均厚度為436.49 m，最小厚度約396.44 m，最大厚度約458.77 m。含主要可采煤層5層，6號、16號煤層為全區(qū)可采，6號下(6x)、15號、27號煤層為大部分可采，5層主要可采煤層均為穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層，可采總厚平均8.83 m，可采系數(shù)2%。上下標(biāo)志層均為全區(qū)穩(wěn)定分布的灰?guī)r地層，對比可靠，其組合特征見表1。

表1 研究區(qū)主要可采煤層組合特征表
Table 1 Main mineable coal seam combination characteristics in study area

煤層編號間 距/m全層厚度/m夾石層數(shù)采用厚度/m可采性對比可靠程度結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度穩(wěn)定程度灰?guī)r標(biāo)志層66x151627灰?guī)r標(biāo)志層0～4.720.99(22)7.97～16.3212.54(22)132.50～16.03155.06(22)10.20～27.6416.20(12)95.60～108.50105.69(25)2.67～21.7314.81(25)1.29～4.132.88(22)可 靠穩(wěn)定0.99～5.653.64(22)0～20.99～10.433.17(22)全區(qū)可采可 靠較簡單穩(wěn) 定0.25～3.431.42(21)0～10.25～3.431.18(21)大部分可 靠較簡單較穩(wěn)定0.71～4.511.49(25)0～20.70～4.511.20(25)大部分可 靠較簡單較穩(wěn)定0.70～4.821.81(25)0～10.70～4.031.70(25)全區(qū)可采可 靠較簡單穩(wěn) 定0.20～2.210.96(25)0～20.25～1.030.52(25)大部分可 靠較簡單較穩(wěn)定1.33～8.586.06(25)可 靠穩(wěn) 定

2 物理性質(zhì)

選取研究區(qū)20個鉆孔55件煤層巖芯樣品，進行煤巖和煤質(zhì)測試分析，所選鉆孔均勻分布于礦區(qū)范圍，巖芯樣品從下至上均勻分布，測試結(jié)果在橫向、縱向均具有代表性。

2.1 宏觀煤巖特征

主要可采煤層宏觀煤巖特征一致，均以油脂、絲絹光澤為主，斷口參差、階梯狀，脆度較大，塊狀、層狀構(gòu)造，發(fā)育一定密度的內(nèi)生外裂隙，易碎。煤巖成分多以亮煤、暗煤為主，夾少量鏡煤和絲炭條帶，煤巖類型以半亮型煤、半暗型煤為主，少量暗淡型煤。

2.2 顯微煤巖特征

煤顯微煤巖特性分析是煤制評價的重要組成部分[8，9]，筆者選取各主采煤層鉆孔薄片樣品，通過顯微鏡進行顯微煤巖特征鑒定以確定煤顯微成分。測試結(jié)果表明:6、6x、15、16、27號煤層煤有機組分為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組含量達81.10%～84.68%，平均含量為82.57%；惰質(zhì)組含量為15.33%～18.91%，平均含量為17.43%，其成分主要由不規(guī)則半絲質(zhì)體構(gòu)成，少量粗粒體分布，偶見真菌體，綜合分析該區(qū)主采煤層微觀煤巖類型為微鏡惰煤。無機顯微組分以黏土類物質(zhì)為主，氧化物類(石英)次之，含有少量硫化物和碳酸鹽類物質(zhì)，整體含量較低。黏土類物質(zhì)多以不規(guī)則塊狀、帶狀產(chǎn)出。研究區(qū)主要可采煤層煤巖特征詳見表2。

表2 研究區(qū)主要可采煤層煤巖特征
Table 2 Coal rock characteristics of main mineable coal seams

煤層煤巖類型宏觀微觀有機組分/%鏡質(zhì)組惰質(zhì)組無機組分/%黏土組硫化物組碳酸鹽組氧化物組總量有機總量/%鏡質(zhì)組最大反射率R0max/%顯微硬度(HV)/(N·mm-2)變質(zhì)階段6暗煤微鏡惰煤82.6817.326.864.150.378.2519.6380.383.033.12Ⅶ16x暗煤微鏡惰煤84.6815.336.800.850.582.0510.2789.733.053.17Ⅶ115亮煤微鏡惰煤81.1018.917.642.901.703.5715.8084.213.003.09Ⅶ116暗煤微鏡惰煤81.8218.176.612.280.867.2216.9793.033.103.24Ⅶ127亮煤微鏡惰煤80.4619.547.053.240.863.6314.7885.222.552.62Ⅶ1最大值84.6818.917.644.151.708.2519.6393.033.103.24Ⅶ1全區(qū)最小值81.1015.336.610.850.372.0510.2780.382.552.62平均值82.5717.436.982.540.875.2715.6784.343.043.15

2.3 煤的變質(zhì)程度

3 煤的化學(xué)性質(zhì)

3.1 主要工業(yè)分析

(1)水分(Mad)。打磨沖煤礦各主要可采煤層原煤空氣干燥基水分以6號煤層最低，為1.10%，27號煤層最高，為1.46%，礦區(qū)平均水分為1.24%。且浮煤空氣干燥基水分具有相同的規(guī)律，6號煤層最低，為1.05%，27號煤層最高為1.37%，平均水分為1.17%。

(2)灰分(Ad)及硫分(St,d)。橫向上各煤層原煤干燥基灰分為9.30%～43.47%，平均灰分含量為23.61%，各主要可采煤層總體呈現(xiàn)中灰煤。浮煤干燥基灰分為7.77%～9.07%，其中27號煤層平均值較高，為9.07%。

原煤干基全硫含量為2.04%～11.20%，平均硫含量為4.78%，屬高硫煤。全區(qū)可采煤層中硫以硫化鐵硫為主，次之為有機硫，只占總硫分的13.18%，硫酸鹽硫最少，其中黃鐵礦硫(Sp,d)含量為4.15%；有機硫(So,d)含量為0.52%；硫酸鹽硫(Ss,d)含量為0.08%。礦區(qū)內(nèi)浮煤與原煤全硫比見表3。區(qū)內(nèi)主要煤層脫硫率均在60%以上，表明煤中的無機硫較易洗選，脫硫效果較好。

由于僅6號煤及16號煤全區(qū)可采，橫向變化作為重點研究。

6號煤層原煤灰分介于16.99%～26.86%，平均值為22.76%，總體為中灰煤，僅中部分布部分低灰、特低灰煤，南部分布少量高灰煤；硫分介于1.79%～7.52%，主要為高硫煤，少量中硫煤，平均值為4.39%，全層均為高硫煤；硫分分布趨勢呈現(xiàn)礦區(qū)南北兩側(cè)高，中部低的趨勢，硫分變化較大。 6號煤層灰分、硫分等值線示意如圖1所示。

16號煤層原煤灰分介于15.67%～36.20%，平均值為22.94%，全區(qū)大部為中灰煤，僅東部、西部分散零星的高灰煤，東北部為少量的低灰煤，橫向上總體變化不大；硫分介于2.42%～8.06%，平均值為4.34%，全層硫分均為高硫煤，僅在礦區(qū)東部及東北部零星分布有中硫煤，且硫分變化較大。16號煤層灰分、硫分等值線示意如圖2所示。

表3 浮煤全硫與原煤全硫的比值表
Table 3 Ratio of total sulfur of floating coal to total sulfur of raw coal

煤層66x151627全區(qū)比值0.390.300.330.340.370.34脫硫率/%60.8169.7167.4266.4363.3665.6

圖1 6號煤層灰分、硫分等值線示意圖Fig.1 Contour diagram of ash and sulfur content in No.6 coal seam

圖2 16號煤層灰分、硫分等值線示意圖Fig.2 Contour diagram of ash and sulfur content in No.16 coal seam

縱向上煤層灰分變化不明顯，與橫向上研究結(jié)果一致，全區(qū)大部為中灰煤；浮煤硫分變化亦不明顯，全區(qū)大部為高硫煤，說明研究區(qū)內(nèi)灰分及硫分與煤層埋深基本無關(guān)；原煤硫分以6x、15號煤層較高，分析認為該煤層沉積期可能為海侵時期，帶入了較多無機硫，進而形成較其它煤層硫分含量較高的特征[13-15]。主采煤層灰分、硫分含量垂向分布如圖3所示。

(3)干燥基固定碳及揮發(fā)分。干燥基固定碳含量平均值為68.60%，各層煤均為中高固定碳級別。原煤干燥無灰基揮發(fā)分為6.81%～16.38%，平均為10.38%，區(qū)內(nèi)各煤層均屬低揮發(fā)份煤(LV)；浮煤干燥無灰基揮發(fā)分含量為5.38%～11.58%，平均含量為7.72%。

3.2 煤灰成分

主要煤層原煤煤灰成分中以含SiO2為主，含量為31.8%～71.98%，平均值為46.66%；其次為Al2O3和Fe2O3，含量分別為5.10%～24.15%和10.19%～43.09%，平均含量分別為16.92%和24.93%，占灰成分總量的88.51%，少量的CaO含量分別為0.57%～13.79%，平均含量分別為2.72%；其余成分含量均在1.84%以下。礦區(qū)主要煤層的煤灰成分性質(zhì)各項指數(shù)匯總于表4。通過研究得到，區(qū)內(nèi)各煤層在燃燒過程中較易結(jié)渣，較易產(chǎn)生污垢，對鍋爐等有一定量的腐蝕作用，對環(huán)境有一定量的污染。

圖3 主采煤層灰分、硫分含量垂向分布圖Fig.3 Vertical distribution of ash and sulfur content in main coal seam

表4 礦區(qū)主要煤層的煤灰成分性質(zhì)各項指數(shù)表
Table 4 Table of indices of coal ash composition of main coal seam in mining area

煤層號酸性礦物總量/%堿性礦物總量/%堿酸比鐵鈣比硅鋁比結(jié)渣指數(shù)結(jié)渣等級結(jié)污指數(shù)結(jié)污等級649.2448.500.435.702.671.83中等0.42中等6x46.4251.450.5219.492.772.86高等0.56高等1548.9049.110.5010.423.122.66高等0.56高等1648.7348.920.447.632.701.89中等0.49中等2746.1250.830.479.642.472.19高等0.57高等

3.3 有害元素分析

研究區(qū)內(nèi)有害元素分析簡述如下，分級均根據(jù)我國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。① 磷(P):原煤磷含量為0.001%～0.026%，平均為0.011%，屬特低、低磷分煤。② 砷(As):原煤砷含量為1.10 μg/g ～128 μg/g，平均值為13.88 μg/g，屬三級含砷煤。③ 氯(Cl):原煤氯含量為0.005 %～0.021%，平均值為0.012%，屬特低氯煤。④ 氟(F):原煤氟含量為4.10 μg/g ～376.00 μg/g，平均含量為107.92 μg/g，屬低氟煤。

4 煤的工藝性質(zhì)

4.1 原煤與浮煤的發(fā)熱量

發(fā)熱量是評價動力煤質(zhì)量的重要指標(biāo)。研究區(qū)內(nèi)原煤的干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)為19.169 MJ/Kg～35.170 MJ/Kg，平均26.696 MJ/Kg；浮煤Qgr,d為31.096 MJ/Kg～34.330 MJ/Kg，平均32.673 MJ/Kg；原煤干燥基低位發(fā)熱量(Qnet，d)為19.149 MJ/Kg～34.591 MJ/Kg，平均26.462 MJ/Kg。依據(jù)GB/T 15224.3—2004《煤炭質(zhì)量分級 第3部分:發(fā)熱量》，確定礦區(qū)煤均為高熱值無煙煤(HQ)。

4.2 其它工藝性質(zhì)

(1)碳酸鹽二氧化碳(CO2):礦區(qū)內(nèi)碳酸鹽二氧化碳含量小于2%。

(2)煤灰分、灰熔融性:灰成分以黏土礦物為主，主要為SiO2和Al2O3，兩者含量達到67.50%；其次為Fe2O3，其含量可達23.00%；CaO、SO3、MgO 和Na2O 等含量較少。礦區(qū)煤層灰成分含量分布如圖4所示。區(qū)內(nèi)可采煤層的煤灰軟化溫度，其最低值為1 080 ℃，最高值為1 500 ℃，平均值為1 176 ℃，屬低軟化溫度灰-較高軟化溫度灰。區(qū)內(nèi)可采煤層的煤灰流動溫度，其最低值為1 120 ℃，最高值為1 500 ℃，平均值1 304 ℃，屬低流動溫度灰-較高流動溫度灰。

(3)結(jié)渣性:6號、16號煤為中等結(jié)渣煤，6x、15、27號煤為高等結(jié)渣煤。

5 結(jié) 論

(1)綜合分析研究區(qū)各主采煤層的物理、化學(xué)性質(zhì)和工藝性質(zhì)，表明打磨沖礦區(qū)煤層煤種單一，為無煙煤三號(WY3)，煤變質(zhì)階段為Ⅶ1；且煤層硫分以較易脫除的無機硫為主，為高效清潔的使用煤炭資源，可通過對其進行常規(guī)洗選，以降低煤中無機硫含量，進而達到減少燃燒后產(chǎn)生的二氧化硫的目的。

(2)區(qū)內(nèi)6號、16號煤的煤質(zhì)特征與其它煤層基本一致，但6號、16號煤為全區(qū)可采煤層，分布穩(wěn)定性、結(jié)渣性等明顯優(yōu)于其它煤層，具有廣闊的開發(fā)利用前景。

圖4 區(qū)內(nèi)可采煤層灰成分含量分布圖Fig.4 Distribution of ash composition in coal seam

(3)煤巖成分以暗煤、亮煤為主，煤巖類型主要為半亮型煤、半暗型煤；有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，平均含量82.57%，黏土礦物是主要無機組分，具有中灰分、高硫分煤、高熱值發(fā)熱量、低揮發(fā)分、低磷、低氯、低氟等特征。由此決定了打磨沖礦區(qū)煤炭資源的廣泛用途，不僅可作為民用煤，還可作為火力發(fā)電等動力煤。