山西省河?xùn)|煤田安平勘查區(qū)煤炭資源潔凈度評(píng)價(jià)

王曉帥，唐躍剛，康浩，楊承偉，葉愷

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083)

0 引言

中國目前仍然是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，2017年中國煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)量分別占世界煤炭生產(chǎn)總量和消費(fèi)總量的45.6%和50.7%[1]。2016年中國煤炭消費(fèi)量和生產(chǎn)量分別占國內(nèi)能源消費(fèi)和生產(chǎn)總量的62.0%和69.6%[2]。截止2017年底，中國煤炭的儲(chǔ)采比為39年[1]，盡管煤炭在多元化的能源結(jié)構(gòu)中比重逐年下降，但我國能源資源的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀決定了在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)煤炭在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的主體地位不會(huì)改變。在可以預(yù)見的未來幾十年內(nèi)，煤炭仍然是我國的主體能源。煤炭作為主體能源推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，其大量利用也會(huì)帶來一系列環(huán)境問題，如煤中的黃鐵礦等硫化物，燃燒過程會(huì)產(chǎn)生SO2，造成酸雨問題[3-4]；燃煤排放細(xì)顆粒物貢獻(xiàn)了空氣中部分PM2.5[5-8]、煤炭消費(fèi)量與煙氣粉塵排放量存在長期均衡關(guān)系[9]、煤中的微量元素在燃煤過程排放導(dǎo)致的地方病[10-11]等。對(duì)煤炭資源的潔凈程度進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)及等級(jí)區(qū)域的劃分，是潔凈煤地質(zhì)的主要研究內(nèi)容之一[12]，也是控制煤炭利用帶來的環(huán)境問題需要做的基礎(chǔ)工作之一。煤炭資源潔凈度評(píng)價(jià)，是對(duì)煤炭資源的可潔凈潛勢(shì)做出評(píng)估，是以實(shí)現(xiàn)合理開采和潔凈利用煤炭資源為目標(biāo)，從源頭上控制煤源污染的重要手段。

目前，煤炭資源質(zhì)量和潔凈評(píng)價(jià)有幾種不同的方案。袁三畏根據(jù)煤類、灰分、硫分、發(fā)熱量、可選性五項(xiàng)指標(biāo)，將煤炭劃分優(yōu)等質(zhì)量煤、中等質(zhì)量煤、低等質(zhì)量煤三個(gè)等級(jí)[13]；中國煤炭地質(zhì)總局針對(duì)全國煤炭資源，將煤的潔凈等級(jí)劃分為：潔凈潛勢(shì)好、潔凈潛勢(shì)較好、潔凈潛勢(shì)中等、潔凈潛勢(shì)較差、潔凈潛勢(shì)差五個(gè)等級(jí)[14-15]；王文峰等提出煤中有害元素潛在污染綜合指數(shù)概念，并據(jù)此劃分出潔凈煤、次潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤四個(gè)等級(jí)[16-17]；唐書恒等針對(duì)資料相對(duì)齊全地區(qū)的煤炭資源，將煤的潔凈等級(jí)劃分為：潔凈煤、較潔凈煤、較不潔凈煤、不潔凈煤四個(gè)等級(jí)[14]；楊淑婷、唐躍剛等總結(jié)前人潔凈煤等級(jí)劃分方案，并根據(jù)最新的國家標(biāo)準(zhǔn)和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將煤的潔凈等級(jí)劃分為六個(gè)等級(jí)，分別為特好潔凈煤、好潔凈煤、較好潔凈煤、中等潔凈煤、較差潔凈煤、差潔凈煤六個(gè)等級(jí)，并應(yīng)用于山西省煤炭資源評(píng)價(jià)中[15,18]。朱士飛，秦云虎建立了煤炭資源潔凈等級(jí)五級(jí)分級(jí)方案，根據(jù)硫分、灰分的不同，將煤的潔凈等級(jí)分為好潔凈煤、較好潔凈煤、中等潔凈煤、較差潔凈煤、差潔凈煤五級(jí)，并對(duì)云南省保有資源量進(jìn)行了潔凈潛勢(shì)評(píng)價(jià)[19]。Tang等對(duì)比煤炭洗選前后特征，提出了潔凈度(cleanability)的概念，并給出潔凈度計(jì)算公式，根據(jù)潔凈度數(shù)值將煤炭資源潔凈潛勢(shì)劃分為五級(jí)[20]。該方法是以煤的有害物質(zhì)的脫除率為基礎(chǔ)，對(duì)比煤炭洗選前后的有害物質(zhì)脫除情況，綜合評(píng)價(jià)煤炭的可潔凈性，更能準(zhǔn)確地反應(yīng)煤炭的潔凈潛勢(shì)。因此，本文章采用該方法對(duì)河?xùn)|煤田安平詳查區(qū)的全區(qū)可采煤層的煤炭資源進(jìn)行潔凈度評(píng)價(jià)，并通過地質(zhì)塊段法[21]計(jì)算不同潔凈度等級(jí)煤炭資源的儲(chǔ)量。

1 安平勘查區(qū)概況

山西省是中國的產(chǎn)煤大省，煤炭產(chǎn)業(yè)也是山西省的支柱性行業(yè)[22-24]。經(jīng)過多年持續(xù)高強(qiáng)度開采，山西省煤炭資源儲(chǔ)量越來越少，高質(zhì)量的煤炭資源也越來越少。對(duì)安平詳查區(qū)的煤炭資源進(jìn)行潔凈度評(píng)價(jià)，可以為高質(zhì)量煤炭資源的圈定、煤炭資源的分質(zhì)分級(jí)利用提供科學(xué)依據(jù)。

安平勘查區(qū)處于山西省西南部(圖1)，具體位于臨汾市吉縣縣城正南方，北起吉縣柏山寺鄉(xiāng)西頭村，南至鄉(xiāng)寧縣昌寧鎮(zhèn)下寬井村，西起吉縣柏山寺鄉(xiāng)西掌村，東至吉縣中垛鄉(xiāng)南坪村?？辈閰^(qū)面積約為63.72km2?？辈閰^(qū)鉆孔原則上垂直于地層走向呈直線布置，共6條勘查線，普查和詳查施工鉆孔共15個(gè)，個(gè)別鉆孔受地形影響及施工條件所限進(jìn)行了適當(dāng)位移動(dòng)，位移最大的鉆孔為B0102孔，位移148.59m，雖與實(shí)施方案中設(shè)計(jì)的孔位不一致， 但小于孔距(1 500m)的10%，不影響數(shù)據(jù)的使用。勘查區(qū)總體為一個(gè)向斜構(gòu)造，兩翼地層傾角為2°～11°，基本對(duì)稱，自勘查區(qū)北部延伸至西南。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層，未發(fā)現(xiàn)有陷落柱和巖漿巖，根據(jù)DZ/T0215-2002《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》[21]， 勘查區(qū)構(gòu)造屬簡單類型?？辈閰^(qū)煤層發(fā)育較好，其中2號(hào)和10號(hào)煤層為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層[25]。本勘查區(qū)潔凈度評(píng)價(jià)工作，針對(duì)2號(hào)和10號(hào)煤層展開。

圖1 安平勘查區(qū)位置Figure 1 The location of Anping general exploration areas

2號(hào)煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，底板垂深848.95～1 173.08m，平均1 055.09m，煤層厚度2.63～5.19m，平均厚度4.20m，含0～3層泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)較簡單，為全區(qū)穩(wěn)定的可采煤層。10號(hào)煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組下部，底板垂深892.63～1 221.40m，平均1 098.90m，煤層厚度1.95～4.55m，平均厚度2.97m。含夾矸0～2層，結(jié)構(gòu)簡單，總體厚度變化不大，為全區(qū)穩(wěn)定的可采煤層[25]。

2 評(píng)價(jià)方法

首先收集安平詳查區(qū)地質(zhì)報(bào)告，并提取鉆孔數(shù)據(jù)及煤層煤質(zhì)數(shù)據(jù)(包括灰分、硫分、浮煤產(chǎn)率、視密度等)。根據(jù)潔凈度公式[20]，計(jì)算各煤層在不同鉆孔點(diǎn)處的潔凈度數(shù)值。

C=∑TnRn

(1)

C：潔凈度；

n：指標(biāo)名稱(有害元素和灰分)；

Tn：系數(shù)，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)效益、 脫除難易程度等綜合確定；

Rn：指標(biāo)的理論脫除率(%)

W原：原煤質(zhì)量；

W精：精煤質(zhì)量；

α原：原煤中的指標(biāo)含量(%)；

α精：精煤中的指標(biāo)含量(%)；

λ：理論精煤回收率(%)；

綜合考慮灰分、硫分及其他指標(biāo)，如有害微量元素，對(duì)煤炭質(zhì)量好壞的影響程度，公式(1)簡化為C=RAd+10RS(RAd和RS分別為洗選過程灰分的脫除率和硫的脫除率)，并根據(jù)C值將煤炭潔凈度等級(jí)劃分為五級(jí)，見表1。

表1 潔凈度等級(jí)表[20]Table 1 Cleanability classification scheme

本文采用簡化后的潔凈度計(jì)算公式，進(jìn)行各煤層鉆孔點(diǎn)處的潔凈度數(shù)值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 安平勘查區(qū)煤炭資源潔凈度Table 2 The cleanability of coal resources in Anping general exploration area

*null-鉆孔煤質(zhì)參數(shù)不全，無法進(jìn)行潔凈度計(jì)算。

根據(jù)表2中的潔凈度數(shù)據(jù)，對(duì)2號(hào)和10號(hào)煤層進(jìn)行潔凈度分級(jí)，并利用MAPGIS軟件繪制不同潔凈度煤炭資源分布圖。總結(jié)歸納不同潔凈度煤炭資源分布規(guī)律，并結(jié)合勘查區(qū)地質(zhì)背景，分析影響不同潔凈度煤炭資源分布的地質(zhì)原因。

基于不同潔凈度煤炭資源分布圖，采用地質(zhì)塊段法[21]，估算各潔凈度等級(jí)煤炭資源量。安平詳查區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單類型，各煤層厚度較穩(wěn)定，含夾矸不超過3層，煤層結(jié)構(gòu)均為簡單-較簡單，煤層傾角不超過15°[25]，故采用煤層的偽厚度和水平投影面積估算資源量，公式如下[21]。

Q=S×M×D

式中：Q為各塊段資源量(t)；S為各塊段水平面積(m2)；M為塊段平均煤層厚度(m)；D為各塊段煤層平均視密度(t/m3)。

3 結(jié)果與討論

3.1 安平勘查區(qū)2號(hào)煤層

安平勘查區(qū)2號(hào)煤層，潔凈度范圍3.79～9.77，包含一般、較好、好三類潔凈度等級(jí)煤炭資源，區(qū)內(nèi)沒有差和較差潔凈度煤炭分布，各類煤炭估算資源量見表3，各類潔凈度等級(jí)煤炭分布見圖2。

安平勘查區(qū)2號(hào)煤層，總體上發(fā)育較好和好潔凈度煤炭資源， 估算儲(chǔ)量分別為18 294.73萬t和10 091.46萬t，分別占比61.44%和33.89%，一般潔凈度煤炭資源極少分布，占比4.67%，沒有鉆孔發(fā)現(xiàn)差和較差潔凈度等級(jí)的煤炭資源。

表3 安平勘查區(qū)2號(hào)煤層煤炭資源量Table 3 The predicted reserve of No.2 coal seam in Anping general exploration area

安平勘查區(qū)2號(hào)煤層，中等潔凈度煤炭資源在安平勘查區(qū)南部B0301鉆孔附近極少分布，以較好潔凈度煤炭資源為主，分布在南部、中部及中北部，好潔凈度煤炭資源主要分布在勘查區(qū)最北部B1701鉆孔附近、中偏南部B0702和B0504等鉆孔附近，在最南部B0102鉆孔極少分布。

3.2 安平勘查區(qū)10號(hào)煤層

安平勘查區(qū)10號(hào)煤層，潔凈度范圍4.25～9.06，包含一般、較好、好三類潔凈度等級(jí)煤炭資源，區(qū)內(nèi)沒有差和較差潔凈度煤炭分布，各類煤炭估算資源量見表4，各類潔凈度等級(jí)煤炭分布見圖3。

圖2 安平勘查區(qū)2號(hào)煤層潔凈度煤炭資源分布Figure 2 The distribution of different cleanability coal resources of No.2 coal seam in Anping exploration area

表4 安平勘查區(qū)10號(hào)煤層煤炭資源量Table 4 The predicted reserve of No.10 coal seam in Anping general exploration area

安平勘查區(qū)10號(hào)煤層，總體上發(fā)育一般和較好潔凈度煤炭資源，估算資源量分別為20 574.74萬t和4 434.41萬t，分別占比80.72%和17.40%，好潔凈度煤炭資源極少分布，占比1.89%，沒有鉆孔發(fā)現(xiàn)差和較差潔凈度等級(jí)的煤炭資源。

安平勘查區(qū)10號(hào)煤層，中等潔凈度煤炭資源在安平勘查區(qū)中部偏南B1301鉆孔附近和中部偏北B0504、B0303和B0503附近分布，以較好潔凈度煤炭資源為主，分布在勘查區(qū)的大部分區(qū)域，好潔凈度煤炭資源主要分布在勘查區(qū)最北部、中偏南部B0701附近極少分布。

3.3 討論

本文中采用的潔凈度評(píng)價(jià)方法，潔凈度數(shù)值主要取決于洗選前后原煤和浮煤中灰分產(chǎn)率和硫分含量[20]。灰分產(chǎn)率和煤中礦物質(zhì)存在一定的關(guān)系[26-28]。影響煤中礦物質(zhì)的地質(zhì)因素主要包括：成煤母質(zhì)、沉積環(huán)境、火山碎屑的侵入、熱液作用、風(fēng)化氧化等[27-28]。影響煤中硫含量的地質(zhì)因素包括：沉積環(huán)境尤其是海水的影響、成煤時(shí)代、物源區(qū)距離、成煤植物、細(xì)菌活動(dòng)、海底火山及熱液等[29-33]，這些因素間接的影響煤的潔凈度。

本次評(píng)價(jià)，安平勘查區(qū)全區(qū)可采煤層，共評(píng)價(jià)估算得資源量約為55 265.865萬t，煤炭資源包含一般、較好和好潔凈度等級(jí)的三類煤炭資源，以較好潔凈度等級(jí)煤炭資源為主，約占總資源量的70.33%，各類煤炭資源百分比具體見表5。

安平勘查區(qū)不發(fā)育巖漿巖、陷落柱及斷層[25]，所以它們對(duì)不同潔凈度煤炭資源分布的影響是需要進(jìn)一步研究分析的。勘查區(qū)早三疊世地層發(fā)育多個(gè)褶皺，均形成于成煤期后[25]，沿褶皺軸向，分布不同潔凈度的煤炭資源，與軸向同一位置的褶皺兩翼，分布相同潔凈度的煤炭資源，因此，褶皺構(gòu)造對(duì)不同潔凈度煤炭資源分布的影響是不明顯的。2號(hào)煤層和10號(hào)煤層分別屬于二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，兩煤層均包括一般、較好、好三類潔凈度等級(jí)煤炭資源，但不同潔凈度煤炭資源分布規(guī)律及儲(chǔ)量有所不同。從分布面積上看，2號(hào)煤層以較好潔凈度和好潔凈度煤炭資源為主，少量分布一般潔凈度煤炭資源；10號(hào)煤層以中等潔凈度和一般潔凈度煤炭資源為主，少量分布好潔凈度煤炭資源。從儲(chǔ)量來看，2號(hào)煤層一般潔凈度等級(jí)煤炭資源量少于10號(hào)煤層，較好和好潔凈度等級(jí)煤炭資源量的和多于10號(hào)煤層。安平勘查區(qū)山西組主要形成于淺水三角洲平原環(huán)境，太原組主要形成障壁島、三角洲平原和濱外陸棚等環(huán)境[25]，故該勘查區(qū)2號(hào)煤層沉積環(huán)境偏陸相，10號(hào)煤層沉積環(huán)境偏海陸過渡相[25，34]。

圖3 安平勘查區(qū)10號(hào)煤層潔凈度煤炭資源分布Figure 3 The distribution of different cleanability coal resources of No.10 coal seam in Anping exploration area

表5 安平勘查區(qū)可采煤層煤炭資源量Table 5 The predicted reserve of minable coal seams in Anping general exploration area

總體而言2號(hào)煤層煤炭資源潔凈度等級(jí)優(yōu)于10號(hào)煤層潔凈度等級(jí)，兩層煤沉積環(huán)境不同，表明成煤環(huán)境對(duì)煤的潔凈度有明顯的影響，且陸相煤的潔凈度優(yōu)于海陸過渡相煤。成煤環(huán)境對(duì)煤炭資源潔凈度有明顯的影響。

4 結(jié)論

安平勘查區(qū)共評(píng)價(jià)估算得資源量55 265.865萬t，潔凈度等級(jí)包含一般、較好和好等三類，其中以較好潔凈度等級(jí)煤炭資源為主，兩層煤好和較好潔凈度煤炭資源都大于80%。褶皺構(gòu)造對(duì)煤的潔凈度影響是不明顯的；成煤的沉積環(huán)境對(duì)煤的潔凈度有明顯的影響，且陸相煤的潔凈度優(yōu)于海陸過渡相煤。巖漿巖、陷落柱及斷層等對(duì)不同潔凈度等級(jí)煤炭資源分布規(guī)律的影響是需要進(jìn)一步研究的。

潔凈度可以較準(zhǔn)確地反映煤在洗選過程中的潔凈潛勢(shì)，即浮煤相對(duì)于原煤灰分和硫的脫除程度，但并不能準(zhǔn)確地反映洗選后浮煤的實(shí)際質(zhì)量好壞。另外，本文采用的潔凈度數(shù)值計(jì)算方法，沒考慮煤中有害微量元素在洗選前后的變化情況。這兩點(diǎn)是本文的不足之處，也是潔凈度計(jì)算方法需要進(jìn)一步優(yōu)化的地方。

致謝

感謝山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院的工作人員對(duì)資料收集工作的幫助與支持！感謝各位評(píng)審專家對(duì)此文章的審閱！