河南省陜澠煤田煤巖特征及清潔利用潛勢探討

趙明坤，王海泉 ，許 軍，牛 然

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，鄭州 450002)

我國是煤炭生產(chǎn)、消費大國，煤炭消費占全國一次能源的70%[1]。煤炭工業(yè)粗放式開采和加工使礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境遭到破壞，我國80%的煤炭用于直接燃燒，增加了大氣污染。近幾年石油價格居高不下，我國加快能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整，在能源結(jié)構(gòu)和環(huán)保形式雙重壓力下，煤炭的清潔高效利用已然成了當前煤炭工業(yè)發(fā)展的重中之重[2-4]。因此嚴格控制煤炭開采及加工過程，提高煤炭質(zhì)量，建立清潔、安全、可持續(xù)的煤炭開采利用體系是今后煤炭工業(yè)發(fā)展方向[5-8]，受此影響，清潔煤技術(shù)發(fā)展較快[9]，雷仲敏等基于經(jīng)濟-能源-環(huán)境(3E)分析建立起了針對現(xiàn)有潔凈煤技術(shù)評價中存在問題宏觀的技術(shù)評價模式，采用費用一效益分析方法提出具有可比性的評價指標，建立起MODM多目標決策的評價模型[10]，任世華等提出了確定潔凈煤技術(shù)評價指標體系權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)Delphi法[11]，俞珠峰等采用生命周期理念LCA和3E(能源、環(huán)境、經(jīng)濟)方法形成CCTM模型，可對18項潔凈煤技術(shù)進行技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會綜合評價[12]。然而僅有少量學(xué)者對單個勘查區(qū)或礦井進行了評價[13-15]，河南省這方面工作相對滯后，本次通過對陜澠煤田各生產(chǎn)礦井進行煤質(zhì)采樣化驗、統(tǒng)計分析，以期對其清潔潛勢作出探討，以此體現(xiàn)煤質(zhì)清潔性評價工作對河南礦井生產(chǎn)及合理加工利用煤炭資源、保護環(huán)境、在保證經(jīng)濟效益的同時提高社會效益具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地層

陜澠煤田地層隸屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)的澠池確山小區(qū)。區(qū)內(nèi)除缺失震旦系、志留系、泥盆系下統(tǒng)及侏羅系下統(tǒng)的地層外，自中元古界至第四系都有不同程度的沉積。中元古界大面積出露于煤田東北部及西南部，寒武系和奧陶系中統(tǒng)主要出露于北西及北東部，西南部僅有零星出露，石炭系中、上統(tǒng)，二疊系主要出露在各井田和勘探區(qū)中淺部，三疊系主要出露于澠池向斜的核部和北翼，侏羅系中、上統(tǒng)、白堊系主要在義馬煤田出露。新近系、第四系多分布于本區(qū)東部。地層走向NE、傾向一般為140°,傾角為9°～12°。

區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系的本溪組(C2b)、二疊系的太原組(P1t)、山西組(P2s)、下石盒子組(P2x)、上石盒子組(P3sh)，總厚度520.20m，為一套連續(xù)沉積，頂部與與劉家溝組呈整合接觸，底部與馬家溝組呈平行不整合接觸。

1.2 構(gòu)造

陜澠煤田位于華北板塊南部的崤熊構(gòu)造區(qū)的西北段，東臨嵩箕構(gòu)造區(qū)，北近太行構(gòu)造區(qū)，屬板內(nèi)褶皺逆沖帶。

板緣構(gòu)造運動和板塊活化，對陜澠煤田含煤構(gòu)造的形成與改造，始終起控制作用。加里東期至印支期為板塊對接階段，華南、華北兩板塊的靠近—碰撞—對接，引起秦嶺洋的消減—退縮—閉合，導(dǎo)致板內(nèi)地殼的抬升—沉降—裂陷，促成煤田含煤建造的沉積—形成—改造；燕山期為板塊活化階段，華南板塊向北俯沖，華北板塊向南俯沖，板緣區(qū)秦嶺—大別褶皺成山，大規(guī)模花崗巖侵入。位于板內(nèi)的煤田地質(zhì)體則強烈形變，北西向走滑斷層、東西向推覆構(gòu)造、北東向張性斷裂等相繼產(chǎn)生，酸性巖漿巖順深大斷層侵入，含煤巖系遭到破壞；喜山期為斷塊掀斜階段，華南、華北板塊并入亞歐大板塊，東部板緣受到太平洋板塊的強烈俯沖，板內(nèi)東西向裂陷、滑動構(gòu)造發(fā)育，陜澠煤田內(nèi)含煤巖系的賦存深度及范圍受到控制。

主要褶皺構(gòu)造見圖1及表1。

①澠池向斜。位于義馬—觀音堂一線，延伸長度達50km，寬20余km。軸向近東西，軸面斜向南，為向東傾伏的不對稱向斜。兩翼由中、上元古界及寒武、奧陶、石炭、二疊系組成，核部由三疊、侏羅、白堊系組成。

②櫻桃山背斜：形成于燕山早期，軸向NE，南西端為硤石斷層所截。向北東傾伏，核部由寒武、奧陶系地層組成，兩翼由石炭、二疊系地層組成。

1.3 巖漿巖的發(fā)育概況

圖1 陜澠煤田構(gòu)造綱要示意圖Figure 1 Schematic diagram of Shaanxi Mian coalfield tectonic outline

表1 陜澠煤田主要構(gòu)造一覽表Table 1 Main structure of Shaanxi Mian coalfield

北部結(jié)晶程度較好，南部較差。侵入巖厚度變化趨勢和結(jié)晶程度的差異，說明其侵入方向為自西北而東南。侵入層位大體為北高南低，淺部多侵入于寒武、奧陶系，中、深部多侵入于石炭、二疊系。

②噴出巖。據(jù)區(qū)域資料，中元古界熊耳群中，發(fā)育巖漿噴發(fā)形成的巨厚火山熔巖及火山碎屑巖，說明中元古代發(fā)生過火山噴發(fā)事件；據(jù)仁村勘探區(qū)巖礦資料，太原組中賦存有火山凝灰質(zhì)砂巖數(shù)層，表明石炭紀煤田有巖漿噴發(fā)活動；據(jù)義馬煤田資料，義馬一帶三疊系上統(tǒng)譚莊組中局部夾兩層酸性噴出巖，下白堊統(tǒng)中賦存有凝灰質(zhì)砂巖、砂礫巖，代表了三疊紀、白堊紀煤田內(nèi)發(fā)生的兩次巖漿活動。

2 煤巖特征

2.1 物理性質(zhì)

根據(jù)綜合觀察，二1煤層為黑色，條痕棕黑色。具玻璃光澤。呈參差狀斷口，硬度2～2.5度，性脆，松軟。煤層因受構(gòu)造影響，原生構(gòu)造遭到破壞，層理不甚明顯，煤層組分混雜，多為碎粒煤和糜棱煤。煤層裂隙比較發(fā)育，常有次生粘土礦物和方解石呈脈狀充填，局部有少量黃鐵礦結(jié)核。煤的視密度1.35t/m3，真密度1.48t/m3，孔隙率在9%左右。

2.2 宏觀煤巖特征

二1煤宏觀煤巖類型屬光亮型—半光亮型，各礦區(qū)均以亮煤為主，鏡煤和絲炭含量很少，且多以條帶狀和極薄層出現(xiàn)，煤層頂?shù)装灏得涸黾?，煤層中黃鐵礦多以結(jié)核狀和細粒狀無規(guī)則散布，向西含量增加。

下石盒子組和上石盒子組下段所含煤層，由于成煤環(huán)境與太原組和山西組不同，故煤炭特征與物性迥然相異。煤巖多為半暗型和半亮型，以至暗淡型。

2.3 微觀煤巖特征

2.3.1 有機顯微組分

據(jù)鏡下觀察，二1煤層有機組分平均為90.63%(53)，其中鏡質(zhì)組65.52%，半鏡質(zhì)組12.73%，惰性組12.38%。鏡質(zhì)組約占有機組分的72%，半鏡質(zhì)組和惰性組含量基本相等。

鏡質(zhì)組多以無構(gòu)造均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體為主。在基質(zhì)鏡質(zhì)體中分布著不規(guī)則的條帶狀、團塊狀半鏡質(zhì)體。惰性組多為粗粒體和半絲質(zhì)體，微粒體和絲質(zhì)體次之，菌類體較少，在殼質(zhì)體中見少量樹脂體和角質(zhì)體以及個別小孢子體。

2.3.2 無機顯微組分

無機組分含量在9%左右。其中以粘土礦物為主，約占無機組分總量的68%，多呈條帶狀、透鏡狀分布于基質(zhì)體中。其次是黃鐵礦及白鐵礦，呈粒狀或團塊狀、球粒狀聚合體出現(xiàn)。碳酸鹽類方解石以脈狀于鏡質(zhì)體裂、孔隙中充填。

煤巖顯微組分定量分析與鏡下觀察結(jié)果表明，形成二1煤層的原始質(zhì)料，屬高等植物，按成因分類屬陸植煤。鏡煤反射率為1.33%～1.87%，應(yīng)為焦煤變質(zhì)階段。煤巖定量結(jié)果見表2。

3 煤質(zhì)分析

陜澠煤田煤質(zhì)分析見表3。

表2 二1煤層顯微煤巖組分定量結(jié)果表Table 2 Quantitative result of microscopic coal and rock composition in two1 coal seam

注：括號內(nèi)數(shù)字為化驗結(jié)果個數(shù)

表3 陜澠煤田主要煤層煤質(zhì)分析Table 3 Coal quality analysis of main coal seams in Shaanxi Mian coalfield

①灰分。河南二1煤灰分有西高東低之勢，富灰區(qū)主要集中在臨近中條古陸的澠池地區(qū)，形成一個灰分含量相對高值地帶，陜澠煤田灰分最高達47.33%，一般15%～25%，部分原煤灰分高達30%～35%，煤灰熔點，一般都大于1 400℃，屬于高熔點煤炭，即高熔灰分。

②硫分。二1煤富硫，不同煤類硫分含量不同，瘦煤最高，焦地一礦硫含量高達4.50%，焦煤次之，弱粘結(jié)煤最低。硫源主要是黃鐵礦，其次是有機硫。二1煤中黃鐵礦平均含量占全硫的50%～70%以上，次為有機硫，含量30%左右，硫酸一般含量只有2%～3%。

③揮發(fā)分和膠質(zhì)層厚度。它是煤分類的主要指標，并被用來初步確定煤的加工利用性質(zhì)。煤的揮發(fā)份產(chǎn)率與煤化程度有密切關(guān)系。煤化程度(即變質(zhì)程度)越低，揮發(fā)分越高，隨著煤化程度加深，揮發(fā)分逐漸降低。澠池一帶為20%以上，個別井田為23.88%。膠質(zhì)層厚度可達20mm，屬瘦、焦煤，以觀音堂為中心，向北逐步減少至15%，屬無煙或貧煤。陜澠煤田煤的揮發(fā)分隨埋深情況而變化，以澠池陳村24線埋深，揮發(fā)份變化見下表4。

表4 澠池礦區(qū)陳村井田24線埋深揮發(fā)份變化表Table 4 Variation of volatile matter at 24exploration line in Chencun minefield,Mianchi mining area

④發(fā)熱量。發(fā)熱量亦稱熱值，它是評價煤炭質(zhì)量，尤其是評價動力用煤的重要指標。發(fā)熱量主要與煤中的可燃元素含量和煤化程度有關(guān)，特別與煤的灰分有關(guān)，二1煤發(fā)熱量一般17.208～35.986MJ/kg，更常見為25.669～30.538MJ/kg。

4 清潔利用潛勢及方式

4.1 評價因子選取和等級劃分

考慮煤中有害元素的危害性，本次選取灰分、硫、汞、氯、鉻、鎘、砷、氟、硒、鉛、錳等11個指標作為煤炭資源潔凈潛勢評價因子。為了得到陜澠煤田的相關(guān)因子值，本次采用采樣和統(tǒng)計以往資料相結(jié)合的方法，以求各因子的平均值更貼近實際，本次在陜澠煤田各礦井采樣16個，采樣方法為：在井下工作面沿煤層由上至下用按照國家標準(GB/T 482—2008)采用連續(xù)刻槽法進行全層采樣。使用HK-8100系列ICP光譜儀對樣品進行測試，儀器精密度RSD≤1.50%；穩(wěn)定性：RSD≤2%，檢出限：PPb級。采樣化驗工作由河南省煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心完成。結(jié)果見表5。

表5 陜澠煤田煤中有害元素數(shù)據(jù)一覽表Table 5 List of harmful elements in coal in Shaanxi Mian coalfield

根據(jù)潛在污染程度，結(jié)合中國煤炭地質(zhì)總局“十五”重點科技項目“中國潔凈煤地質(zhì)研究”的相應(yīng)研究成果，本次將煤炭資源潔凈潛勢劃分為潔凈煤、較潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤四個等級[3]。四種等級各因子的濃度限值見表6。

表6 評價因子的四級濃度限值Table 6 Four level concentration limits of evaluation factors /mg·kg-1

4.2 評價方法

本次采用廣義對比加權(quán)標度指數(shù)法對陜澠煤田的煤炭資源清潔潛勢做出整體評價，衡量煤炭潔凈與否的主要依據(jù)是燃煤排放入大氣中污染物對環(huán)境的危害程度，而危害程度可用指數(shù)來表示[16]。污染物濃度成等比變化導(dǎo)致危害程度成等比變化，反映這種變化的分指數(shù)應(yīng)為標度分指數(shù)為Kj：

(1)

式中：Cj k為j元素的實測濃度值；Cj 0是j元素的背景濃度值；aj為元素相鄰兩級的重要性比值，aj=(Cj d/Cj 0)1/9。

與上式對應(yīng)的j因子的歸一化標度分指數(shù)為：

(2)

各因子權(quán)重Wj可由下式求得，如果Ij<0(即當Cj k

(3)

p為控制權(quán)值變化的可調(diào)參數(shù)，取1/2;

(4)

計算結(jié)果見表7、表8。

表7 廣義對比加權(quán)標度指數(shù)計算結(jié)果表Table 7 Results of generalized contrast weighted scale index

即：潔凈煤：I∈(-∞，0.258]，較潔凈煤：I∈(0.258，0.514]，較不潔凈煤：I∈(0.514，0.748]，不潔凈煤：I∈(0.748，∞)

陜澠煤田煤炭灰分、硫、氟、汞、硒等因子權(quán)重均大于0.6，歸一化后影響的影響因子均大于0.1，其煤炭資源清潔潛勢主要受這幾種元素影響。

根據(jù)計算得出的歸一化標度分指數(shù)(Ij)和評價因子權(quán)重Wj，根據(jù)公式4進行加權(quán)計算，可得出陜澠煤田的煤炭資源潔凈潛勢綜合指數(shù)(I)為0.751，為不潔凈煤。

4.3 利用方式

陜澠煤田二1煤主要為中灰中富硫、低磷焦煤，次為瘦煤，無煙煤和弱粘結(jié)煤。呈粉末狀，局部為塊狀。煤中礦物雜質(zhì)含量較多，洗選困難，據(jù)浮沉試驗，精煤回收率為30.19%～61.38%，灰分含量5.18%～8.33%，屬良—中等難選—低等難選煤類。結(jié)焦性能良好，抗碎性強，但耐磨性較差，氣孔率適中，其混煤熱值高，揮發(fā)分適中，是較好的動力煤燃料，在采用針對性的煤炭清潔技術(shù)較低灰分、硫、氟、汞、硒等有害元素的影響后，可以用于工業(yè)和民用燃料，亦可作煉焦配煤。

表8 陜澠煤田各因子的歸一化標度分指數(shù)及因子權(quán)重Table 8 Normalization scaling index and factor weight of each factor in Shaanxi Mian coalfield

5 結(jié)論

(1)受前期沉積環(huán)境及后期構(gòu)造改造影響，陜澠煤田中灰分、硫、氟、汞、硒等元素含量較高，為影響其清潔利用的主要因子。

(2)陜澠煤田煤炭資源的清潔潛勢較差，為不潔凈煤。在開發(fā)利用過程中，必須根據(jù)具體用途采用針對的潔凈煤技術(shù)，以達到煤炭資源清潔利用的目的。