我國(guó)高硫煤資源勘查工作思路探討

秦云虎， 楊 柳， 吳 蒙， 吳國(guó)強(qiáng)， 朱士飛， 毛禮鑫， 王雙美， 張 靜

(1.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院，江蘇徐州 221006;2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局煤系礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221006; 3.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038)

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭資源作為我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料，為保障國(guó)家能源安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。在石油能源逐漸枯竭，低硫煤資源分布有限的背景下，開發(fā)利用高硫煤是解決能源安全的重要途徑之一[1-3]。然而，高硫煤燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的SO2等有害排放物，造成大氣嚴(yán)重污染，為此國(guó)家出臺(tái)了限產(chǎn)和停產(chǎn)高硫煤的政策措施[4-6]。在現(xiàn)行規(guī)范煤炭工業(yè)指標(biāo)中將含硫量指標(biāo)定為≤3.0%[7]。我國(guó)山東、山西、寧夏、貴州、四川等省的部分生產(chǎn)礦區(qū)隨著低硫煤層開采資源日漸緊張，開發(fā)利用下部太原組或龍?zhí)督M煤層的需求越來(lái)越強(qiáng)，如果能夠開采下組煤層將省去了重新建井成本，也能夠大大延長(zhǎng)礦山壽命[6-8]。同時(shí)，隨著煤炭勘查技術(shù)手段、煤質(zhì)測(cè)試方法、煤質(zhì)評(píng)價(jià)方法、煤炭洗選及綜合利用方法的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，早期的科研成果已不能完全滿足現(xiàn)階段高硫煤清潔利用的需求。本文分析了我國(guó)高硫煤產(chǎn)業(yè)背景和技術(shù)政策、開發(fā)利用現(xiàn)狀、評(píng)價(jià)高硫煤的技術(shù)方法、發(fā)展建議及方向，以期為高硫煤的勘探開發(fā)提供一定的借鑒意義。

1 國(guó)內(nèi)政策、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

高硫煤是指含硫量大于3%的煤。現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)煤中硫分等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 15224.2—2010)對(duì)高硫煤的定義仍延續(xù)之前3%的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并將中硫煤和低中硫煤合并為中硫煤(1.01%3.0%的高硫煤不予資源儲(chǔ)量評(píng)審。對(duì)硫分大于2%的中高硫煤也要求經(jīng)過洗選后銷售。

我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量是世界煤炭?jī)?chǔ)量的十分之一以上，但是，我國(guó)煤炭總儲(chǔ)量中有三分之一的煤炭屬含硫量較高的高硫煤，如此豐富的高硫煤資源如何開發(fā)利用值得廣大學(xué)者深入思考。現(xiàn)階段，煤炭清潔利用技術(shù)日趨成熟，煤質(zhì)評(píng)價(jià)方法不斷完善，煤層開采技術(shù)逐漸革新，給高硫煤的綜合利用帶來(lái)很大契機(jī)，珍惜利用高硫煤資源和執(zhí)行嚴(yán)格的環(huán)保政策是完全可以兼顧的。

2 高硫煤資源分布與成因

我國(guó)煤層中硫的平面分布規(guī)律呈現(xiàn)“南高北低”的特征[5]。華北地區(qū)石炭二疊系煤層中硫分在剖面上表現(xiàn)出“上低下高”[7]。山西組煤層以低硫煤和特低硫煤為主，太原組主要煤層含硫從北向南呈現(xiàn)特低硫-低硫-中硫-中高硫-高硫的規(guī)律性變化[6-8]。華南地區(qū)貴州、重慶、四川龍?zhí)督M高硫煤所占比例最高[6]。高硫煤主要分布于北方晚石炭世，南方早二疊世和南方晚二疊世聚煤區(qū)(圖1)，煤炭資源儲(chǔ)量分別占全國(guó)煤炭資源總量的26%和5%[5-6]。其中，華南賦煤區(qū)的浙江、湖北、廣西、貴州等省煤中全硫的平均含量均接近或高于3.00%，華北賦煤區(qū)的山西、山東、河北、河南等省高硫煤所占比例為1.56%～7.34%，東北賦煤區(qū)的遼寧、吉林、黑龍江高硫煤的比例相對(duì)較低。截至到2018年全國(guó)保有煤炭資源儲(chǔ)量為1.95×1012t，2 000 m以內(nèi)總煤炭資源儲(chǔ)量為5.9×1012t[7]。按照高硫煤炭資源儲(chǔ)量占總煤炭資源儲(chǔ)量的9.00%[8]，可計(jì)算得出，我國(guó)高硫煤的保有煤炭資源儲(chǔ)量為1.755×1011t，2 000 m以內(nèi)高硫煤的煤炭資源儲(chǔ)量為5.31×1011t，探獲煤炭資源儲(chǔ)量為1.818×1011t，預(yù)測(cè)資源儲(chǔ)量為3.492×1011t。據(jù)2019年國(guó)家能源集團(tuán)委托中國(guó)煤炭地質(zhì)總局承擔(dān)的“國(guó)家大型煤炭基地開發(fā)潛力研究”提供的資料不完全統(tǒng)計(jì)[9]，表明南方主要產(chǎn)煤的貴州、四川和云南高硫煤炭資源量分別為2.82×109t、3.16×109t和3.97×108t。

圖1 中國(guó)高硫煤資源分布Figure 1 Sulfur high coal resources distribution in China注：地理底圖來(lái)源于自然資源部，審圖號(hào)：GS(2016)1579號(hào)

劉大錳等[10]指出鄂爾多斯盆地煤中硫分主要受聚煤古地理環(huán)境影響，包括海水介質(zhì)中硫酸鹽的濃度和pH值。代世峰等[11]對(duì)烏達(dá)礦區(qū)高硫煤層的成因機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)低硫煤層中硫來(lái)源于原始植物，中-高硫煤中硫來(lái)自原始植物、侵入泥炭沼澤中海水的硫酸鹽濃度。一般認(rèn)為，高硫煤泥炭化過程中煤層頂板沉積以及海水硫酸鹽的侵入給煤中硫的聚集提供了硫源，并且硫酸鹽還原細(xì)菌作為轉(zhuǎn)換媒介將環(huán)境中的硫聚集于煤層中[4-5,12]。凝膠化作用和還原性水介質(zhì)環(huán)境有利于煤中硫的富集[11]。趙福平等[13]發(fā)現(xiàn)成煤早期海水的浸泡及后期滲流是海相高硫煤形成的重要條件，聚煤作用早期微生物對(duì)硫酸鹽的還原作用是煤中硫聚集的主要因素[14]。王勝建等[15]認(rèn)為煤中硫的聚集受海水影響較大，古氣候環(huán)境潮濕的瀉湖相泥炭沼澤環(huán)境形成的煤層硫分普遍較高。李碧等[15]指出海進(jìn)期的煤層硫分普遍高于海退期，煤層中硫的聚集受成煤同生階段和早期成巖階段沉積微相共同控制[16-17]。華北地區(qū)晚古生代煤層中硫分含量的差異主要受泥炭沼澤演化過程和成煤之后海水的直接或間接影響[3-6,18-19]。

3 高硫煤清潔利用方向

我國(guó)大部分高硫煤以無(wú)機(jī)硫?yàn)橹?，同時(shí)含有不同比例的有機(jī)硫。因此對(duì)高硫煤的清潔利用應(yīng)該綜合考慮兩類硫的比例及黃鐵礦的分布情況，分析脫硫可選性，制定合理的降硫?qū)Σ?。目前高硫煤脫硫技術(shù)分為物理脫硫法[20]，化學(xué)脫硫法[21]，生物脫硫法[22]、直接液化法[23]、煤炭氣化法[24]、煤制烯烴法[25]和煤炭地下氣化[26]。我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量所含無(wú)機(jī)硫(黃鐵礦硫)較高，決定了物理脫硫法成為高硫煤脫硫的首選[27-28]。物理脫硫法是以礦物表面的潤(rùn)濕性、可選性和磁性除去煤中無(wú)機(jī)硫的方法?；瘜W(xué)脫硫法是利用化學(xué)試劑將煤中的硫分轉(zhuǎn)化為可溶物，進(jìn)而脫除有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫的方法。生物脫硫法是利用微生物產(chǎn)生的酶分解有機(jī)硫化物，生物還原作用產(chǎn)生硫化物或H2S后，再經(jīng)生物氧化生成單質(zhì)硫而去除的方法。煤炭氣化法指在特定的設(shè)備內(nèi)，適合的溫度和壓力條件下使煤中有機(jī)質(zhì)與氣化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)去除硫的方法。直接液化法是將低煤化度的高硫煤在使用鐵質(zhì)催化劑的情況下，煤中硫分可以作為一種助催化劑促進(jìn)煤炭液化。煤炭地下氣化是清潔利用高硫煤的一種潛在途徑。該方法受廣大學(xué)者廣泛關(guān)注，中為能源鄂爾多斯唐家會(huì)礦區(qū)煤炭地下氣化技術(shù)工業(yè)化示范項(xiàng)目已成功投產(chǎn)，該項(xiàng)目首次實(shí)施“實(shí)時(shí)”地下氣化爐工藝監(jiān)控系統(tǒng)，首次實(shí)施“安全可控”地下點(diǎn)火和供氧系統(tǒng)，首次實(shí)施“多通道、多功能”注入井和產(chǎn)品井系統(tǒng)，首次實(shí)施“連續(xù)生產(chǎn)”高溫產(chǎn)品井系統(tǒng)，首次實(shí)施“實(shí)時(shí)”地下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。煤基甲醇制汽油是建設(shè)一個(gè)以高硫煤為原材料，制取甲醇，再由甲醇合成汽油的煤制油工程。這些技術(shù)的不斷完善和革新，都標(biāo)志著高硫煤的清潔利用可以逐步實(shí)現(xiàn)(表1)。

潞安化工集團(tuán)有限公司建成的潞安高硫煤清潔利用油化電熱一體化示范項(xiàng)目，以自產(chǎn)高硫煤為原料，采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)集成耦合，通過生產(chǎn)高端蠟、無(wú)芳溶劑、特種燃料、高檔潤(rùn)滑油、專屬化學(xué)品等五大類高端精細(xì)化學(xué)品及配套115MW余熱發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了煤炭的清潔高效利用和高硫煤的變廢為寶，延伸了山西省乃至全國(guó)的煤炭開采利用的生命周期。

表1 高硫煤清潔利用途徑

4 典型礦區(qū)高硫煤精準(zhǔn)勘查實(shí)例

寧夏任家莊礦區(qū)地質(zhì)勘探報(bào)告最早于20世紀(jì)70年代提交，40多年來(lái)很少補(bǔ)充勘探報(bào)告，當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件與現(xiàn)今相比有很大差距，如鉆探質(zhì)量差、測(cè)試手段單一、煤層分層簡(jiǎn)單或者缺失薄煤層資料，都導(dǎo)致了煤層、煤質(zhì)評(píng)價(jià)出現(xiàn)較大偏差，進(jìn)而限制了煤層的有效開采，造成資源浪費(fèi)。加之成煤環(huán)境影響，研究區(qū)石炭二疊系太原組煤層大部分為高硫煤[3-7,17,29]。同時(shí)，北方大部分生產(chǎn)礦區(qū)隨著山西組煤層開采資源日漸緊張，開發(fā)利用下部太原組煤層的需求越來(lái)越強(qiáng)。通過收集整理舊的鉆孔資料繪制任家莊煤礦9號(hào)煤層硫分等值線圖和可采煤層分布圖，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)硫分介于1.51%～4.09%，平均值為3.15%，可采煤層主要分布在煤礦的中東部、北部范圍[18,30]?？傮w上，煤層中硫分含量從北向南表現(xiàn)出“先減小后增加”的趨勢(shì)(圖2)。

針對(duì)上述問題，結(jié)合任家莊礦區(qū)以往的勘探資料，發(fā)現(xiàn)1977年任家莊煤礦鉆井布點(diǎn)存在密度稀疏不均，局部地區(qū)布點(diǎn)密度十分稀疏，例如最北端只有J-141、J-5和J-71三口鉆孔，中東部的J-24、J-25、J-13、J-2和J-16鉆孔，難以較為全面的表征研究區(qū)煤層硫分含量分布。因此，2019年中國(guó)煤炭地質(zhì)總局一七三勘探隊(duì)承接寧夏寧魯煤電有限責(zé)任公司任家莊煤礦的儲(chǔ)量核實(shí)項(xiàng)目，首先補(bǔ)充鉆井，特別是礦區(qū)鉆井密度稀疏的地區(qū)，分別在最北端增加B306、B308，中東部增加B608、B206、B94、B83和東北部的B15，B61，增大了研究區(qū)鉆孔布點(diǎn)網(wǎng)格密度，有利于全面研究煤中硫的平面分布規(guī)律(圖3)。

其次，1977年鉆井取心率低，多處于45%～60%，隨著鉆井技術(shù)的提高，2019年鉆井取心率均大于70%，多處于80%以上(圖4)。

再次，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的更新?lián)Q代，測(cè)試方法和精度較1977年有很大提高，對(duì)任家莊煤礦9號(hào)煤層刻槽采樣，包括煤層頂?shù)装迥鄮r、砂巖和煤矸石。在煤層精細(xì)劃分的基礎(chǔ)上，然后化驗(yàn)測(cè)試，分析礦區(qū)煤巖煤質(zhì)特征，硫分垂向變化，形態(tài)硫特征、顯微組分和成因機(jī)制等[4,18,30]。

最后，分析任家莊煤礦太原組煤層測(cè)井曲線形態(tài)及煤層頂?shù)装鍘r性組合特征，初步判識(shí)煤中硫分含量，結(jié)合測(cè)井參數(shù)與煤中硫分含量建立多元線性擬合模型。

基于以上定性和定量方法初步實(shí)現(xiàn)了高硫煤層中劃分出硫分含量≤3.0%的煤層，進(jìn)而繪制任家莊煤礦9號(hào)煤層硫分等值線圖和可采煤層分布圖(圖5)，在結(jié)合配煤、型煤、焦化用煤和煤炭氣化等建議[25-26]，經(jīng)過審批，成功釋放近8 000萬(wàn)t可采煤炭資源，占該礦資源儲(chǔ)量的24.88%，大大延緩了該礦區(qū)的開采壽命和建井成本。

圖2 任家莊煤礦9#煤層硫分等值線圖和可采煤層分布示意圖(根據(jù)前人資料繪制)Figure 2 Renjiazhuang coalmine coal No.9 sulfur contents isogram and mineable coal seam distributions sketch(based on previous data)

圖3 1977年和2019年鉆井位置分布Figure 3 Boreholes layout in 1977 and 2019

圖4 1977年和2019年鉆井巖心取心率示意圖Figure 4 Schematic diagram of borehole core recoveryin 1977 and 2019

5 建議

綜合分析以往的勘探資料發(fā)現(xiàn)，早期鉆井取心率低，極大地限制了煤層勘查的精細(xì)程度?？傮w來(lái)看，通過現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)手段和評(píng)價(jià)方法，可以從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)“解放”高硫煤資源量的研究(圖6)：

1)高硫煤資源的分布特征及現(xiàn)階段的煤礦開采、建井情況，判斷高硫煤層是否存在“解放”資源的潛力。

高硫煤資源分布需要考慮礦區(qū)鉆孔布點(diǎn)密度、取心率和分層采樣程度。鉆井布點(diǎn)密度集中、煤樣取心率高和分層采樣細(xì)致可以較充分地反映礦區(qū)高硫煤平面和垂向分布特征。取心率的提高， 現(xiàn)階段取心率均值在75%以上，最高可達(dá)96%，使得資料的可靠性提高，極大彌補(bǔ)了早期打丟煤層的缺陷，也為煤質(zhì)分析提供基礎(chǔ)。其次，分層結(jié)果極大影響煤質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，在樣品采集后，煤質(zhì)分析的精準(zhǔn)測(cè)試，能夠提高煤層勘查精細(xì)程度。最后，全硫及形態(tài)硫的同時(shí)測(cè)試可以增加分層開采的可信度，為判識(shí)高硫煤層是否存在可采煤層奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2)高硫煤層精細(xì)分層的方法，如何劃分全硫含量≤3.0%和>3.0%的賦存區(qū)域和煤分層，是當(dāng)前亟需解決的重要問題。

加強(qiáng)高硫煤層的精細(xì)分層和樣品采集，進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、全硫、形態(tài)硫和顯微組分等測(cè)試，對(duì)高硫煤層中硫的分布規(guī)律、煤相分析、沉積環(huán)境等展開研究。研究全硫含量≤3.0%和>3.0%的煤層測(cè)井曲線形態(tài)特征、巖性組合特征和沉積環(huán)境，結(jié)合

圖5 任家莊煤礦9#煤層硫分等值線圖和可采煤層分布(根據(jù)本研究繪制)Figure 5 Renjiazhuang coalmine coal No.9 sulfur contents isogram and mineable coal seam distributions(based on this study)

圖6 高硫煤判識(shí)步驟流程Figure 6 Sulfur high coal identification procedures

地球物理測(cè)井運(yùn)用數(shù)據(jù)處理方法，建立煤層中硫的預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而全面反映礦區(qū)可采煤層和高硫煤層區(qū)域。

3)高硫煤層精細(xì)評(píng)價(jià)方法，如何系統(tǒng)采集煤樣，探討煤質(zhì)、煤中硫的形態(tài)和賦存特征，進(jìn)行煤層對(duì)比，劃分可采煤層有利區(qū)，尋找精細(xì)評(píng)價(jià)和滿足實(shí)際需求的最佳平衡點(diǎn)。系統(tǒng)采集煤樣是建立在測(cè)試準(zhǔn)確、取心率高和鉆孔布點(diǎn)密度合適的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高硫煤的分層研究，開展煤質(zhì)與地球物理測(cè)井研究、煤中硫的測(cè)井響應(yīng)特征研究，結(jié)合測(cè)井曲線形態(tài)、巖性組合特征和數(shù)據(jù)處理方法劃分可采煤層和高硫煤層。通過煤層對(duì)比、煤中硫的賦存形態(tài)研究，可采煤層有利區(qū)，結(jié)合煤炭地下氣化、配煤、型煤和煉焦用煤等方法開采利用高硫煤，進(jìn)而為生產(chǎn)礦井解決可開采出全硫含量小于3%的資源或通過潔凈煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)清潔利用的煤炭資源，“解放”高硫煤中被早期評(píng)價(jià)技術(shù)“禁錮”的煤炭資源，可以大大提高我國(guó)的能源安全保障程度。

6 結(jié)論

1)截至2018年我國(guó)高硫煤的保有煤炭資源儲(chǔ)量為1.755×1011t，2 000 m以內(nèi)高硫煤的煤炭資源儲(chǔ)量為5.31×1011t。煤中硫的聚集受成煤植物、細(xì)菌、pH值和水動(dòng)力條件等聚煤環(huán)境的影響。

2)煤中有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫所占比例決定了高硫煤清潔利用途徑。無(wú)機(jī)硫脫硫技術(shù)較成熟，有機(jī)硫脫硫技術(shù)尚待進(jìn)一步研究。

3)通過技術(shù)手段的不斷改進(jìn)，解放高硫煤中可采資源和執(zhí)行嚴(yán)格的環(huán)保政策是完全可以兼顧的，高硫煤分布與開采工藝、精細(xì)分層和評(píng)價(jià)方法是現(xiàn)階段釋放高硫煤層中可采資源量的科學(xué)技術(shù)難題。