陜北三疊紀煤田子長礦區(qū)瓦窯堡組特高焦油產率煤富集規(guī)律分析

李華兵，李 寧，姚 征，謝 青，高 駿，許 婷

(1.陜西省礦產地質調查中心，西安 710068； 2.陜西省地質調查院，西安 710054)

0 引言

實現(xiàn)煤炭安全綠色開采、清潔高效利用是推動能源生產和消費革命的要求，是煤炭資源向綠色能源轉變的根本出路，“綠色煤炭”是煤炭綠色開發(fā)的基礎[1]。煤作為一種能源資源，不僅是工業(yè)的“糧食”，還可以成為工業(yè)的“血液”。近年來，用煤煉油成為一種新的潮流。煤焦油就是煤通過低溫干餾在干餾和氣化過程中得到液態(tài)產物，作為一種優(yōu)質的原料油，經過后期加工生成成品油，是普通燃料油的替代產品[2]。另外，煤焦油也在一定程度上保證國家的能源安全。中國工程院院士王雙明曾說過“富油煤不僅是煤，更是煤基的油氣資源，若在煤炭熱解技術和規(guī)模化發(fā)展上取得突破，西部地區(qū)豐富的煤炭資源可替代一至兩個大油田”。

陜北三疊紀煤田子長礦區(qū)瓦窯堡組煤層厚度較薄，夾矸多，煤層回采率低[3]。同時，該礦區(qū)煤質好，目前大多用做配焦煤，綜合利用率低。針對這種現(xiàn)狀，利用低溫干餾得到煤焦油可以提高該區(qū)煤炭利用價值。本文在充分利用低溫干餾數(shù)據(jù)的基礎上，對子長礦區(qū)特高焦油產率煤的富集特點進行分析，為煤炭高效利用提供支撐。

1 區(qū)域地質及煤層特征

1.1 地質概況

晚三疊世，隨著印支造山運動，華北克拉通整體抬升。受此影響，鄂爾多斯盆地呈現(xiàn)西高東低的態(tài)勢，沉積中心由盆地西南部轉移至中部的陜北子長地區(qū)[4]。鄂爾多斯盆地在晚三疊世沉積形成了厚煤層瓦窯堡組(相當于延長組長1段)。瓦窯堡組是在相對穩(wěn)定的構造條件下由一系列河流、湖泊及湖泊三角洲環(huán)境沉積而成。晚三疊世末期，由于受到印支造山運動的影響，盆地整體向上隆起，瓦窯堡組遭受到不同程度的剝蝕，僅在榆林橫山—延安富縣一帶保留[5]，其中子長地區(qū)煤層最厚，達到1～3m。

1.2 煤層特征

瓦窯堡組自下而上分為五段，含煤層(煤線)20余層，最多可達36層，可采和局部可采2層，具對比意義的煤層7層，編號自下而上依次為1、2、3、3-1、4、5、6。煤層總厚度達11 m左右，含煤系數(shù)1.67%，局部地較高為2.53%，富煤中心在子長縣與蟠龍鎮(zhèn)一帶[6]。

子長礦區(qū)主要可采煤層為5、3號煤層。5號煤層位于瓦窯堡組第四段的中上部，煤層較穩(wěn)定，煤厚0～3.10m，平均1.34m，含夾矸0～7層，矸厚0.01～0.50m，頂板巖性為泥巖、粉砂巖，底板巖性為泥巖、黏土巖[7]。3號煤層位于瓦窯堡組第四段的下部，屬局部可采煤層，煤厚0.50～1.35m，上距5號煤40～90m，含夾矸1～2層，厚0.05～0.35m，頂板巖性為泥巖、砂巖，底板巖性為泥巖、細粒砂巖[8]。

2 子長礦區(qū)特高焦油產率煤賦存特征

煤經過低溫干餾得到焦油產率，根據(jù)現(xiàn)行標準，焦油產率(Tard)大于12%為高油煤，也被稱為特高焦油產率煤[9]，焦油產率小于7%為含油煤，位于兩者之間的是富油煤。陜北三疊紀煤田瓦窯堡組煤層煤焦油產率普遍大于12%，屬于特高焦油產率煤，是低溫干餾煉油用煤的理想原料，應用前景廣闊[10]。

陜北三疊紀煤田子長礦區(qū)瓦窯堡組以高油煤為主，分布連續(xù)性好。5號、3號煤焦油產率平均值和中位數(shù)高于12%(圖1)，顯示煤的特高含油性優(yōu)勢。5號煤富油性更佳，其高油煤發(fā)育占比為91.28%，煤層厚度以中厚—厚層為主。3號煤焦油產率穩(wěn)定性更強，但煤層厚度較薄(表1)。

圖1 陜北三疊紀煤田主采煤層低溫干餾焦油產率(Tard特征對比圖)Figure 1 Northern Shaanxi Triassic coalfield main mineablecoal seam low temperature carbonization tar yield(Tard features comparison)

表1 陜北三疊紀煤田主采煤層低溫干餾焦油產率(Tard)對比表

2.1 5號煤層特高焦油產率煤分布特征

通過對開采5號煤層的礦井進行樣品采集分析，發(fā)現(xiàn)5號煤層厚度零線以內基本上都是富油煤，其中大部分為高油煤，多數(shù)集中在子長縣城周邊。研究區(qū)5號煤層發(fā)育面積約為249.4km2，高油煤發(fā)育面積227.67km2，占比91.28%；富油煤面積21.73km2，占比8.72%；含油煤只是零星發(fā)育(圖2)。

圖2 子長礦區(qū)5號煤層特高焦油產率煤分布圖Figure 2 Zichang mining area coal No.5 extra-hightar yield coal distributions

羊馬河井田、焦家溝煤礦東部、自備煤礦等區(qū)域的焦油產率達到16%以上，極值點位于焦家溝煤礦東部，達到18.7%。富油煤只是在個別礦井發(fā)育，主要分布于天任煤礦、永興煤礦、禾草溝一號煤礦。含油煤只在永興煤礦零星發(fā)育，極值點為6.2%(表2)。

表2 陜北三疊紀煤田5號煤層原煤低溫干餾焦油產率(Tard)數(shù)據(jù)表

2.2 3號煤層特高焦油產率煤分布特征

3號煤層原煤焦油產率為10.8%～18.6%，平均為13.7%，浮煤焦油產率為16.0%～16.8%，平均為16.4%，屬高油煤，是特高焦油產率煤。

3號煤相對于5號煤焦油產率總體較低，發(fā)育面積也有所下降。研究區(qū)內3號煤層發(fā)育面積為198.27km2，其中高油煤發(fā)育面積為134.79km2，占比68%；富油煤發(fā)育面積為63.48km2，占比32%(圖3)。

圖3 子長礦區(qū)3號煤層特高焦油產率煤分布圖Figure 3 Zichang mining area coal No.3 extra-hightar yield coal distributions

高油煤主要在礦區(qū)中東部發(fā)育，呈帶狀分布，自禾草溝一號煤礦北部向北，一直到前進煤礦，極值點出現(xiàn)在羊馬河井田為18.2%。富油煤主要在礦區(qū)的北部、西部和南部發(fā)育，其中南部貫屯煤礦總體較低，極值點也在貫屯煤礦為7.2%(表3)。

表3 陜北三疊紀煤田3號煤層原煤低溫干餾焦油產率(Tard)表

3 特高焦油產率煤富集主控因素分析

3.1 以低—中等變質程度的氣煤為主

煤化其實就是一個脫水、脫氫、脫氧、增碳的過程[11]。隨著煤化程度的由低到高，煤焦油產率也呈逐漸下降的趨勢[12]。這是由于隨著煤化度的提高煤中，有機質含量逐漸降低，揮發(fā)分、H/C、氧含量等都在下降[13]。研究區(qū)5號煤層鏡質組最大反射率為0.74%，3號煤層為0.76%，屬低-中變質程度(第II變質階段)的氣煤一氣肥煤范疇，以氣煤為主，少量氣肥煤。垂向上5號煤變質程度稍高[14]。

對比榆神礦區(qū)3號煤，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分與焦油產率基本上呈現(xiàn)正相關關系(圖4)。5號煤層原煤揮發(fā)分變化為37.28%～45.24%，平均值為42.07%；3號煤層原煤揮發(fā)分變化為36.73%～42.96%，平均值為40.9%。氫含量變化為5.12%～6.06%，綜合平均值5.46% ～5.73%。 氧含量變化在7.05%～10.96%，綜合平均值8.34% ～8.64%[15]。5號、3號均屬高揮發(fā)分、較高含氫、含氧煤，有機質含量較高，因此焦油產率相對較高。

圖4 揮發(fā)分與焦油產率關系對比圖Figure 4 Relationship between volatile matter content and tar yield

另外，研究區(qū)5號煤上部夾一層厚4～14m的腐泥煤[16]，這些夾層使得煤層具有較高的揮發(fā)分和焦油產率。

3.2 煤中活性組分較高

煤的焦油產率受煤中活性組分和礦物質含量影響，鏡質組和殼質組揮發(fā)分和氫含量都較高，加熱后易軟化分解，是產生煤焦油的主要來源，而且殼質組的揮發(fā)分產率和焦油產率高于鏡質組和惰質組[17]。

5號、3號煤層的顯微煤巖組成中有機含量平均值為91.6%～95.4%?；钚越M分(殼質組+鏡質組)平均含量變化為65.2%～77.9%，惰質組平均含量變化為13.8%～24.6%(表4)[18]。由此可見，5號、3號煤活性組分含量高，焦油產率也較高。

表4 5號、3號煤層顯微煤巖特征表

3.3 還原程度高成煤環(huán)境

5號、3號煤活性組分(殼質組+鏡質組)、有機含量、含氫、含氧量較高，最主要的原因是瓦窯堡組成煤環(huán)境還原程度高。

瓦窯堡組煤層主要發(fā)育在河流、三角洲和沼澤等環(huán)境中[19]。在煤層沉積的早期，成煤環(huán)境由河流向湖泊-三角洲逐漸過渡，富煤帶主要位于河流沼澤地帶，并逐漸向三角洲平原過渡。到成煤環(huán)境中期時，湖泊范圍周期性擴張，富煤帶主要形成于三角洲平原沼澤[20]。因此，瓦窯堡組煤層的沉積環(huán)境主要是陸相的湖泊、三角洲及沼澤，這些環(huán)境都是強還原環(huán)境，成煤物質草本植物、低等植物和浮游生物發(fā)育較好[21]，活性組分、有機含量偏高，最終形成特高焦油產率煤層。

4 結論

1)瓦窯堡組5號、3號原煤焦油產率平均值和中位數(shù)高于12%，其中，5號煤焦油產率平均為12.55%，高油煤發(fā)育面積占比為91.28%；3號煤焦油產率平均為13.7%，高油煤發(fā)育面積占比為68%，顯示煤的特高含油性優(yōu)勢，是特高焦油產率煤層。

2)5號、3號煤層鏡質組最大反射率為0.74%～0.76%，屬低—中變質程度(第II變質階段)的氣煤一氣肥煤范疇，具有高揮發(fā)分、較高含氫、含氧的特點，有機質含量較高，因此焦油產率相對較高。

3)5號、3號煤層的顯微煤巖組成中有機含量、活性組分(殼質組+鏡質組)平均含量高，加熱后易軟化分解，能夠產生煤焦油，焦油產率也較高。

4)5號、3號煤的沉積環(huán)境主要是陸相的湖泊、三角洲及沼澤等強還原環(huán)境，成煤物質發(fā)育較好，活性組分、有機含量偏高，最終形成特高焦油產率煤層。