陳小軍 惠 鵬 李鵬飛 張 林 劉海濤 張榮榮

(1.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司地質(zhì)研究院分公司，陜西省西安市，710065；2.陜西省煤層氣工程技術(shù)研究中心，陜西省西安市，710065)

煤質(zhì)特征對煤炭資源開發(fā)和利用起著決定性作用，成煤環(huán)境和后期改造等因素使得各區(qū)域煤層的形成具有不同的煤質(zhì)特征。由于成煤物質(zhì)基本相似，沉積環(huán)境變化不大，且變質(zhì)程度相近，爾林兔三號井田各煤層無論在煤巖特征還是在工藝性質(zhì)上差異都較小。因此，本文通過大量鉆孔資料和樣品測試數(shù)據(jù)，對3#煤層灰分和硫分等重要煤質(zhì)指標的分析來探討該井田的煤巖和煤質(zhì)特征，為煤炭資源的合理開發(fā)利用提供重要的指導參考。

1 地質(zhì)概況

爾林兔三號井田位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)爾林兔勘查區(qū)西部，構(gòu)造單元處于鄂爾多斯臺向斜寬緩的東翼—陜北斜坡上，地層總體為走向北東、傾向北西、傾角小于1°的單斜構(gòu)造。井田內(nèi)煤炭資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，開采技術(shù)條件優(yōu)越，具有良好的勘探條件和開發(fā)前景。本區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，按沉積旋回和巖煤組合特征，延安組自上而下劃分為1～5#5個煤巖組，其中3#煤組為單一煤層(3-1煤)。根據(jù)鉆孔揭露，井田內(nèi)共含可采煤層9層，其中1-2、2-2、3-1、4-3、5-2、5-3為主要的可采煤層。

圖1 3#煤分布范圍及厚度等值線

3#煤位于延安組第三段頂部，資源量可采厚度為2.25(R9-1孔)～4.44 m(R5-1孔)，平均厚度為3.84 m。煤層厚度變化不大，除R9-1孔厚度為2.25 m外，其他見煤點煤層厚度均大于3.50 m，屬厚煤層。該煤層可采面積107.53 km2，面積可采系數(shù)100%，資源總量達5.3億t，為全區(qū)可采的穩(wěn)定型煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，大部分不含夾矸，個別鉆孔含1層夾矸，僅SK14-2鉆孔含2層夾矸，頂、底板均以粉砂巖為主。3#煤分布范圍及厚度等值線如圖1所示。

2 樣品采集與測試

本次研究利用的煤巖煤質(zhì)數(shù)據(jù)為區(qū)內(nèi)勘查鉆孔3#煤層樣品的檢測結(jié)果，樣品由陜西省煤田地質(zhì)局綜合試驗室進行檢測，所有樣品的分析測試都遵循現(xiàn)行國家標準，煤的鏡質(zhì)體反射率依據(jù)《煤的鏡質(zhì)體反射率顯微鏡測定方法》(GB/T 6948-2008)、顯微組分定量依據(jù)《煤的顯微組分組和礦物測定方法》(GB/T 8899-2013)、煤的工業(yè)分析依據(jù)《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212-2008)、全硫依據(jù)《煤中全硫的測定方法》(GB/T 214-2007)、各種硫依據(jù)《煤中各種形態(tài)硫的測定方法》(GB/T 215-2003)、煤灰成分依據(jù)《煤灰成分分析方法》(GB/T1574-2007)、煤灰熔融性依據(jù)《煤灰熔融性的測定方法》(GB/T 219-1996)。

3 煤巖特征

3.1 宏觀煤巖特征

3#煤層以黑色為主，多為強、弱不同的玻璃光澤，可見金剛光澤；條痕多為黑色、灰黑色；以參差狀斷口為主，次為棱角狀、階梯狀斷口；結(jié)構(gòu)以中、細條帶狀為主，次為線理狀結(jié)構(gòu)、寬條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造；煤塊度較差，受力易成為碎塊狀和粉末狀。內(nèi)生裂隙常見于鏡煤和亮煤中，外生裂隙以各種角度與煤層層理面相交且間距較寬，內(nèi)、外生裂隙常被方解石充填，煤中含黃鐵礦結(jié)核。根據(jù)樣品測試結(jié)果，3#煤的視密度在1.27～1.33 t/m3之間，平均視密度為1.30 t/m3。

宏觀煤巖組分由鏡煤、亮煤、暗煤和絲炭組成，且以亮煤和暗煤為主。宏觀煤巖類型以半亮型和半暗型煤為主，可見鏡煤透鏡體及絲炭細條帶，偶爾還可見到黃鐵礦薄膜和結(jié)核。

3.2 顯微煤巖特征

3#煤層有機顯微組分總量在95.7%～98.7%之間，以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組占比例最少。鏡質(zhì)組分以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，含少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體及碎屑鏡質(zhì)體；惰質(zhì)組以絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體及它們的碎片體為主，含少量碎屑惰質(zhì)體、微粒體及粗粒體；殼質(zhì)組分以小孢子體為主，樹皮體次之，含少量樹脂體和角質(zhì)體。

無機顯微組分含量較低，平均值為2.8%，以碳酸鹽礦物為主，其次為粘土類和硫化物。碳酸鹽類的方解石呈脈狀充填裂隙、塊狀體形態(tài)、充填細胞胞腔；粘土礦物主要呈團塊狀、充填細胞胞腔、微粒聚合體形態(tài)，可見微層狀粘土礦物；硫化物類的黃鐵礦主要呈脈狀充填裂隙，也可見充填細胞胞腔黃鐵礦和星點狀黃鐵礦。3#煤層煤巖顯微組分成果表見表1。

表1 3#煤層煤巖顯微組分成果表

注：文中平均值后括號里的數(shù)字表示樣品個數(shù)，下同

煤巖樣測試表明，本區(qū)3#煤層鏡質(zhì)組最大反射率平均值為0.598%，煤化程度屬Ⅰ階段，即低變質(zhì)程度煙煤。

4 煤的化學性質(zhì)

4.1 工業(yè)分析

3#煤層工業(yè)分析成果見表2。

表2 3#煤層工業(yè)分析成果

由表2可以看出，原煤水分在3.87%～8.57%之間，平均值為6.52%；浮煤水分在3.18%～8.52%之間，平均值為5.73%，基本反映了低變質(zhì)階段煙煤水分變化的規(guī)律。原煤灰分在2.92%～16.72%之間，平均值為7.15%，屬特低灰煤，其中特低灰分樣點占總樣點的81.1%，低灰煤占18.9%，3#煤層原煤灰分分級如圖2所示。原煤干燥無灰基揮發(fā)分在31.62%～41.34%之間，平均值為36.39%；浮煤干燥無灰基揮發(fā)分在31.76%～40.12%之間，平均值為35.31%，均屬中高揮發(fā)分煤。

4.2 元素分析

3#煤層元素分析成果見表3。

表33#煤層元素分析成果表%

類別CdafHdafNdafOdaf原煤80.13～83.344.28～5.340.64～1.2610.58～13.57平均值81.26(28)5.10(28)0.87(7)12.63(7)浮煤80.25～82.734.28～5.360.82～1.1310.70～15.00平均值81.48(28)5.12(28)1.01(7)12.20(7)

由表3可以看出，3#煤層中碳元素含量占主導地位且較為穩(wěn)定，次為氧和氫元素，氮元素含量則相對較少，原煤和浮煤中各元素含量相差不大。

圖2 3#煤層原煤灰分分級圖

4.3 有害元素分析

硫、磷、砷、氟、氯是煤中的有害元素，在煤炭開采、儲運、洗選、加工和燃燒過程中都可能與水接觸，而使煤中有害元素發(fā)生淋溶，并運移至水體、土壤和大氣中，對環(huán)境造成危害。3#煤層硫分及有害元素含量測試成果見表4。

由表4可以看出，3#煤層原煤硫分在0.23%～1.30%之間，平均值為0.48%，屬特低硫煤(SLS)，其中特低硫樣點占總樣點的64.8%，低硫煤占35.2%，3#煤層原煤硫分分級如圖3所示。原煤硫化物成分以硫化鐵硫為主，有機硫次之，少量硫酸鹽硫。原煤磷含量在0.001%～0.040%之間，平均值為0.014%，屬低磷煤；原煤砷含量在0～6 μg/g之間，平均值為1 μg/g，為一級含砷煤；原煤氯含量在0.001%～0.070%之間，平均值為0.030%，屬特低氯煤；原煤氟含量在38～102 μg/g之間，平均值為81 μg/g，屬低氟煤。

表4 3#煤層硫分及有害元素含量測試成果

圖3 3#煤層原煤硫分分級圖

4.4 其他伴生元素

對3#煤層樣品中的鍺、鎵及放射性元素測試結(jié)果顯示，原煤鍺含量為1～3 μg/g，平均含量為2 μg/g；原煤鎵含量為1～14 μg/g，平均含量為5 μg/g；原煤鈾含量為2～14 μg/g，平均含量為6 μg/g；原煤釷含量為5～13 μg/g，平均含量為8 μg/g；原煤釩含量為4～35 μg/g，平均含量為20 μg/g。根據(jù)礦產(chǎn)勘查相關(guān)評判標準，煤層中伴生元素的平均含量均達不到工業(yè)最低品位的要求，故均無開采利用價值。

5 煤的工藝性能

5.1 發(fā)熱量

3#煤層原煤發(fā)熱量Qgr,d在26.84～33.16 MJ/kg之間，平均為30.50 MJ/kg；浮煤發(fā)熱量Qgr,d在30.76～33.96 MJ/kg之間，平均為32.56 MJ/kg，均屬高發(fā)熱量煤。

5.2 黏結(jié)性和結(jié)渣性

3#煤層浮煤黏結(jié)指數(shù)僅在鉆孔ZK11-5為6，其它46個樣品值在0～5之間，依據(jù)《煙煤黏結(jié)指數(shù)分級標準》(MT/T596-2008)，該煤層不具黏結(jié)能力。結(jié)渣性測試結(jié)果顯示，各樣品在不同鼓風強度下結(jié)渣率均在40%以下，且大部分都小于20%，屬弱結(jié)渣煤。

5.3 熱穩(wěn)定性和低溫干餾

3#煤層熱穩(wěn)定性測試值在81.6%～92.0%之間，平均為88.2%，屬高熱穩(wěn)定性煤。原煤焦油產(chǎn)率為8.0%～12.5%，平均為10.1%，屬于中含油煤；半焦產(chǎn)率綜合平均值在70.4%～73.9%之間。

5.4 對CO2反應性

測試結(jié)果表明，當溫度為950℃時，煤對CO2還原率值在24.03%～49.50%，平均為33.56%，3#煤層屬于弱還原性煤，即化學反應性較差的煤。

5.5 煤灰成分以及灰熔融性

3#煤層煤灰成分以SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3為主，MgO、SO3含量較少，TiO2、K2O、Na2O平均含量均小于1%，屬“高硅鋁型”煤灰，3#煤層煤灰成分測定成果見表5。

測試結(jié)果顯示，3#煤層煤灰的軟化溫度(ST)在1080℃～1320℃之間，平均為1207℃，屬較低軟化溫度灰；流動溫度(FT)在1100℃～1360℃之間，平均為1242℃，屬于較低流動溫度灰。此外，灰熔融性與煤灰成分密切相關(guān)，通常用施特諾系數(shù)K來表示灰分的熔融性，可以看出Al2O3和SiO2含量越高灰熔融性越高，而Fe2O3、CaO、MgO含量越高灰熔融性則越低。經(jīng)計算3#煤層的平均K值為2.07(注：K<1為易熔融性灰，K>5為難熔融性灰)，表明灰熔融性較低。

表53#煤層煤灰成分測定成果表%

SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3K2ONa2OTiO29.68～59.1726.47(32)4.25～21.999.10(32)4.15～33.5217.06(32)9.07～28.7418.23(32)1.32～12.845.67(32)0.48～2.541.48(32)0.34～1.340.70(32)0.45～1.610.98(32)0.34～1.340.70(32)

6 煤的可選性

根據(jù)3#煤層浮沉試驗數(shù)據(jù)，按照《煤炭可選性評定方法》(GB/T 16417-2011)，結(jié)合其特低灰分的特征，擬定浮煤灰分為4.00%，采用“分選密度±0.1含量法”評價煤炭的可選性。試驗結(jié)果表明，該煤層可選性等級為易選。

泥化試驗是研究煤和矸石在水浸擾下形成煤泥和泥漿的程度，研究煤粉和巖粉的渾濁對浮煤產(chǎn)率和質(zhì)量的影響，為選煤廠設(shè)計處理煤泥水工藝提供可靠資料，本次采取矸石泥化試驗樣5個，經(jīng)測試泥化比在0.74%～1.32%之間，屬低～中泥化程度，3#煤層泥化試驗成果見表6。

表6 3#煤層泥化試驗成果表

7 煤類及工業(yè)用途評價

根據(jù)《中國煤炭分類》(GB5751-2009)以浮煤干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率和浮煤粘結(jié)指數(shù)進行分類，爾林兔三號井田3#煤層以不粘煤為主、含有少量的長焰煤。

煤的宏觀煤巖類型以半亮型和半暗型煤為主，煤巖組分以亮煤和暗煤為主，有機顯微組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，無機顯微組分含量較低，以碳酸鹽礦物為主。煤的化學性質(zhì)以特低灰、特低硫、中高揮發(fā)分、低磷、低氟、特低氯為特征，具有高發(fā)熱量、無黏結(jié)性、弱結(jié)渣性、高熱穩(wěn)定性、中含油、化學反應性較差和易洗選等工藝性能。煤灰以SiO2和Al2O3為主，以較低軟化溫度灰和較低流動溫度灰為特征。

因此，該類煤是很好的化工用煤和動力用煤，可制作活性炭、水煤漿等，廣泛應用于冶金，是高耗能工業(yè)(電石、碳化硅、鐵合金等產(chǎn)品)的理想原料，同時也是煉鋼工業(yè)高爐噴吹的理想原料。