東灘煤礦煤炭資源特征和商品煤煤質(zhì)特征研究

車 濤

(兗州煤業(yè)股份有限公司 選煤管理中心,山東 鄒城 273500 )

東灘煤礦位于山東省兗州煤田中部偏東，其為1座設(shè)計年產(chǎn)400萬t的特大型現(xiàn)代化礦井，于1989年12月正式建成投產(chǎn)，是兗州煤業(yè)股份有限公司在兗州礦區(qū)的六大主力礦井之一。以下對兗州礦區(qū)東灘煤礦的煤炭資源特征、煤質(zhì)煤巖特性、主要工藝性能及成焦特性進行全面的分析研究，以期對東灘煤的加工轉(zhuǎn)化利用提供指導。

1 煤炭資源特征

東灘煤礦主要含煤地層為石炭二疊紀山西組和太原組，主要可采煤層3號、16號上層及17號煤層，平均總厚度10.79 m[1]。目前主采煤層為3號煤，平均厚度為8.41 m，分為上(3s)、下(3x)該2個分層，上、下分層的平均厚度分別為5.38 m、3.22 m。主井深水平面-800 m，采用國際先進的綜采放頂方法從主采煤層合并層及上分層開采煤炭。東灘煤礦的相對位置如圖1所示。

圖1 東灘煤礦的相對位置圖

東灘煤礦3號煤層大致在第13勘探線以北，靠近興隆莊、鮑店井田的西部邊緣一帶為單一煤層，厚度4.40 m～10.54 m，平均7.96m。煤層厚度變化較小，屬穩(wěn)定煤層；含夾石0～3層，以中下部一層較為穩(wěn)定，一般厚0.3 m～0.5 m；中上部一層亦較穩(wěn)定，厚0.03 m；上部一層夾石時有時無，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3號煤層直接頂板以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，一般厚度0.22 m～23.28 m；直接底板以泥巖和粉砂巖為主，厚度0.10 m～5.80 m[2]。

東灘煤礦3煤層的煤炭資源特征詳見表1。由表1可知，東灘煤礦3號煤的平均灰分為13.82%，為低灰煤，浮煤的平均灰分含量僅5.81%，表明煤炭可選性較好；揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)高于37%，黏結(jié)指數(shù)(GR.I)平均為50左右；按照中國煤炭分類，3號煤為氣煤QM43；原煤和浮煤的全硫含量(St,d)均低于0.50%，成分硫以硫鐵礦硫和有機硫為主。原煤及浮煤的磷含量均較低，為特低磷煤。由于煤層厚度變化大以及斷層的存在，在實際生產(chǎn)過程中毛煤的灰分較高。

2 商品煤的煤質(zhì)特征

分別按照煤質(zhì)分析的國家標準測定方法測試東灘精煤中全水分、工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱量、全硫、形態(tài)硫、煤灰熔融性、煤灰成分、黏結(jié)指數(shù)、基氏流動度、膠質(zhì)層指數(shù)、鏡質(zhì)體反射率、顯微組分、砷、氯、氟、汞。

表1 東灘煤礦3號煤層的煤炭資源特征

2.1 煤巖特征

圖2 東灘洗精煤鏡質(zhì)體反射率分布直方圖

東灘煤中有機顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，殼質(zhì)組含量較低。鏡質(zhì)組的含量在60%左右，以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主。惰質(zhì)組的含量低于鏡質(zhì)組的含量，以半絲質(zhì)體為主，含有少量的絲質(zhì)體、粗粒體、微粒體和碎屑惰質(zhì)體。煤中的殼質(zhì)組主要為孢粉體和角質(zhì)體。煤中的礦物含量較低，主要礦物類別是黏土礦物和黃鐵礦，石英、方解石含量較低。

2.2 基本煤質(zhì)特征

東灘礦洗精煤的煤質(zhì)特征詳見表2。

表2 東灘礦洗精煤的煤質(zhì)特征

在煉焦工業(yè)中，水分含量影響裝爐煤的堆密度，進而影響焦炭的強度及其他性質(zhì)；煤中的水分含量減少時，以質(zhì)量為基準計算的煤中碳等有效成分增多，對提高焦爐的生產(chǎn)能力有利，同時可減少焦化過程中脫水所需的熱量，進而降低能耗。在中國煤炭編碼系統(tǒng)中，水分已作為分類參數(shù)之一，用以標明對煤用途的制約[5]。東灘精煤的全水分(Mt)含量低，按照煤炭行業(yè)標準MT/T 850-2000《煤的全水分分級》，為低全水分煤(LM)，對其用作煉焦配煤及動力用煤十分有利。

煉焦用煤對灰分有更嚴格的要求，因而焦炭中的灰分主要來源于煤中的灰分，焦炭灰分增加使焦炭的有效成分降低。按照國標GB/T 15224.1—2010《煤炭質(zhì)量分級 第1部分:灰分》，洗精煤(煉焦精煤)為中灰煤(MA)。

煤中硫是有害物質(zhì)，在煉鐵過程中會增加生鐵的含硫量，從而降低產(chǎn)品質(zhì)量[6]。東灘精煤的硫分(St,d)含量為0.58%，按照國標GB/T 15224.2—2010《煤炭質(zhì)量分級 第2部分:硫分》，其為低硫煤(LS)。

發(fā)熱量是評價煤質(zhì)最重要的指標之一。東灘精煤的發(fā)熱量(Qgr,d)大于31 MJ/kg。按照國標GB/T 15224.3—2010《煤炭質(zhì)量分級 第3部分:發(fā)熱量》，其洗精煤為特高發(fā)熱量煤(SHQ)。

煤灰是由煤中各種礦物質(zhì)在煤燃燒后殘余的各種金屬與非金屬的殘余物。煤灰成分及煤灰熔融溫度之間存在內(nèi)在聯(lián)系，且均取決于煤中礦物的種類及含量。根據(jù)煤灰成分可以大致推測出煤中礦物質(zhì)的組成，且可判斷煤灰熔融溫度的高低。東灘煤中黏土礦物以高嶺石型黏土礦物為主，SiO2及Al2O3含量高，其他氧化物含量相對較低。煤灰熔融溫度(軟化溫度ST)接近1 500 ℃，按照MT/T 853.1—2000《煤灰熔融性分級-軟化溫度分級》，東灘煤灰為高軟化溫度灰(HST)；煤灰熔融溫度(流動溫度FT)大于1 500 ℃，按照MT/T 853—2000《煤灰熔融性分級》中的煤灰流動溫度分級，東灘煤灰為高流動溫度灰(HFT)。

不同的灰成分對焦炭的性能特別是焦炭的熱態(tài)性能(CRI 和 CSR)有著不同的影響。灰成分中的堿性氧化物，如 K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、BaO、MnO 等是焦炭碳溶損反應(yīng)的正催化劑，對焦炭的熱態(tài)性能不利，其中尤以K2O 和Na2O 的催化性能最強，因此K2O+Na2O 常被稱為灰成分的堿含量?；页煞种械乃嵝匝趸?，如 SiO2、Al2O3、TiO2等是焦炭碳溶損反應(yīng)的負催化劑，對改善焦炭的熱態(tài)性能有利，但對高爐煉鐵不利[7]。為了綜合評價灰成分對焦炭熱態(tài)性能的影響，常采用灰成分催化指數(shù)MCI 來表示。

灰成分中堿含量(K2O與Na2O) 較低，對焦炭的熱態(tài)性能的改善有利；SiO2、Al2O3較低，對高爐煉鐵有利，可少用助熔劑(CaO)；而Fe2O3、CaO較高，對高爐煉鐵有利而對焦爐煉焦不利，不利于焦炭熱性能的提高。但由于 Fe2O3、CaO相對較高，使得灰分的催化指數(shù) MCI 稍高。

2.3 煤中微量元素含量

隨著人們環(huán)保意識的增強以及《商品煤質(zhì)量管理暫行辦法》的實施，對煤中微量元素的形成和控制日益重視。煤中有害微量元素主要包涵As、Cd、Cr、Hg、Pb、Se、F、Cl、P等元素，我國已對煤中有害元素含量進行了等級劃分[8]。

東灘煤中磷(Pd)為0.010%，按照GB/T 20475.1—2006《煤中有害元素含量分級 第1部分:磷》可劃為特低磷煤(P-1)；氯(Cld)含量在0.050%以下，按照GB/T 20475.2—2006《煤中有害元素含量分級 第2部分:氯》可劃為特低氯煤(Cl-1)。砷(Asd)含量為0g/g，按照GB/T 20475.3—2012《煤中有害元素含量分級 第3部分:砷》可劃為特低砷煤(As-1)；煤中汞(Hgd)含量在0.30 μg/g左右，按照按照GB/T 20475.4—2012《煤中有害元素含量分級 第4部分:汞》可劃為中汞煤(Hg-3)；煤中氟(Fd)含量在80g/g以下，按照MT/T 966—2005《煤中氟含量分級》可劃為特低氟煤(SLF)。

2.4 黏結(jié)特性

黏結(jié)指數(shù)是《中國煤炭分類》國家標準中確定煙煤工藝類別的首要指標之一。根據(jù)煤的黏結(jié)指數(shù)，可大致確定該煤的工業(yè)用途；利用煤的揮發(fā)分產(chǎn)率和黏結(jié)指數(shù)圖，可了解煤在煉焦配煤中的作用，對確定經(jīng)濟合理的配煤比及指導配煤具有實際意義[9]。按照煤炭行業(yè)標準MT/T 596—2008《煙煤黏結(jié)指數(shù)分級》，東灘精煤為中黏結(jié)煤。

膠質(zhì)層指數(shù)是判斷煙煤結(jié)焦性能的1項重要指標。膠質(zhì)層最大厚度Y值直接反映了煤的膠質(zhì)體的特性和數(shù)量，其為判斷煤的結(jié)焦性能好壞的標志之一，因此Y值被列為我國煙煤分類的1項工藝性能指標。東灘精煤的膠質(zhì)層最大厚度Y值在12 mm左右，在中國煉焦煤中處于中等水平。

煤的流動度表征煤在干餾時形成的膠質(zhì)體的黏度，可用以指導配煤和進行焦炭強度預(yù)測。東灘煤的最大流動度為20 ddpm，開始軟化溫度在400 ℃左右，最大流動溫度在430 ℃左右，固化溫度約為452 ℃，塑性溫度區(qū)間約為54 ℃。

煙煤黏結(jié)性來源為煤分子結(jié)構(gòu)中的非揮發(fā)性液相——氫化芳烴。當熱解產(chǎn)生的自由基與活性氫產(chǎn)生的時間一致，富氫物質(zhì)中氫能與自由基接觸、結(jié)合，兩者的量需要一致，即兩者的“時、空、量”相匹配時產(chǎn)生膠質(zhì)體。兗州礦區(qū)煤中側(cè)鏈多、含氧官能團多，尤其羥基氧基團含量較高，熱解時側(cè)鏈、含氧官能團斷裂后產(chǎn)生自由基，但供氫能力不足導致大量自由基交聯(lián)、產(chǎn)生的膠質(zhì)體少，此為造成黏結(jié)指數(shù)偏低的原因[10]。

3 40 kg焦爐成焦特性評價

近年來越來越多的生產(chǎn)和科研實踐表明，煉焦煤的黏結(jié)性等化學工藝指標并不能完全客觀反映其結(jié)焦性能，煉焦煤結(jié)焦性最直接和有效的表征手段仍是一定規(guī)模的煉焦試驗。目前，國內(nèi)大多數(shù)焦化生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)科研機構(gòu)利用40 kg焦爐試驗來評價單種煤及配煤的結(jié)焦性能，以達到較為科學地指導生產(chǎn)之目的[11-18]。

對東灘精煤按照Q/CY-MKZY-006-2012《煉焦煤煉焦試驗方法 40 kg試驗焦爐法》進行煉焦試驗，對制備的焦炭分布按照GB/T 2001—2013《焦炭工業(yè)分析測定方法》、GB/T 2286—2008《焦炭全硫含量的測定方法》、GB/T 2006—2008《焦炭機械強度的測定方法》、GB/T 4000—2008《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強度試驗方法》測試焦炭的質(zhì)量，結(jié)果見表3。

表3 東灘精煤制備焦炭特性分析

東灘精煤單獨煉焦時所得焦炭塊度較小、裂紋較多、氣孔較多、結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)輕、熔融較差。焦炭灰分(Ad=12.56%)較高，未達到國家冶金焦和鑄造焦標準，硫含量(St,d=0.38%)較低，符合國家冶金焦一級和鑄造焦特級標準，磷含量(Pd=0.013%)較低；其抗碎強度(M40=68.6%)和耐磨強度(M10=9.4%)均未達到國家冶金焦和鑄造焦標準。熱態(tài)強度(CRI=58.9%、CSR=21.7%)均未達到冶金焦和鑄造焦標準。由總體評價可知，東灘精煤單獨煉焦所得焦炭質(zhì)量較差，灰分偏高，冷、熱態(tài)強度均不能滿足國家冶金焦和鑄造焦標準，不宜單獨煉焦，可用于配煤煉焦。

東灘精煤低灰、低硫、高揮發(fā)分的特點對其在焦化中生產(chǎn)焦油和煤氣都有增高的優(yōu)點，同時還能降低焦炭的灰分和硫分，在配煤中可增加灰分、硫分相對較高的肥煤和焦煤的配入量，具有優(yōu)勢互補的作用。

東灘精煤焦炭的光學組織以各向同性組分和惰性組分較多，各向異性組分(粗粒鑲嵌組分、細粒鑲嵌組分、纖維狀組分、片狀組分等)較少，此為造成焦炭熱反應(yīng)性 CRI高、反應(yīng)后強度 CSR低的主要原因。

4 結(jié) 論

對兗州礦區(qū)東灘煤礦的煤炭資源特征和商品煤煤質(zhì)特征進行研究，并進行40 kg焦爐成焦特性實驗，結(jié)論如下:

(1)東灘煤礦3號煤(包括分叉煤層)形成于早二疊紀山西組，煤炭資源中的灰分及全硫含量均較低，煤種為低變質(zhì)氣煤；但由于煤層厚度變化大以及斷層的存在，實際生產(chǎn)過程中毛煤灰分較高。

(3)氣精煤單獨煉焦所得焦炭塊度較小、裂紋較多、氣孔較多、結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)輕、各向同性組分和惰性組分較多、各向異性組分較少、質(zhì)量較差、灰分偏高，冷、熱態(tài)強度均不能滿足國家冶金焦和鑄造焦標準，不宜單獨煉焦，可用于配煤煉焦。