神府礦區(qū)潔凈煤劃分及綠色開發(fā)建議

魏云迅 李聰聰 喬軍偉 杜芳鵬 塵福艷 譚富榮 雒 錚

(1.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，陜西省西安市，710199；2.陜西省地理空間信息工程技術研究中心，陜西省西安市，710054；3.中國礦業(yè)大學，江蘇省徐州市，221008)

煤炭是我國最具優(yōu)勢的能源資源，也是重要的工業(yè)原料。在相當一段時期，煤炭仍然是我國的基礎能源?！睹禾抗I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》描繪出集約、高效的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系的藍圖，安全綠色、清潔高效的開發(fā)與利用方式正逐漸完善[1]。

本文在分析神府礦區(qū)主采煤層煤巖、煤質(zhì)特征的基礎上，討論了灰分、揮發(fā)分、硫分、發(fā)熱量和有害微量元素的分布規(guī)律，依據(jù)最新煤炭資源潛力評價提出的煤炭潔凈等級劃分方案[2-5]，對礦區(qū)主要煤層的煤炭資源潔凈等級進行了劃分，梳理了前人關于煤炭開采對環(huán)境影響的研究[6-8]，提出了合理的綠色開發(fā)建議，對加快實現(xiàn)煤炭資源的清潔高效利用具有一定指導意義。

1 礦區(qū)概況

神府礦區(qū)是我國重要的煤炭資源和煤化工產(chǎn)業(yè)基地，煤炭資源豐富，開發(fā)程度高，煤類主要為低變質(zhì)的長焰煤、不黏煤，具有發(fā)熱量高、低灰、低硫和高揮發(fā)分等特點[9]。礦區(qū)位于陜西省最北端神木、府谷兩縣境內(nèi)，共劃分為2個開采區(qū)、12個井田、1個預留區(qū)。

神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，構造單元處于神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區(qū)的東勝-靖邊斜坡的東緣中部。含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，屬內(nèi)陸湖泊三角洲沉積[9]。區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，共含7層煤，其中4-2煤層不可采，1-2煤層零星可采，2-2和3-1煤層大部可采，3-2煤層局部可采，4-3和5-2煤層全區(qū)可采，各可采煤層單層厚度1.10～6.29 m，平均1.25～4.45 m，不含夾矸，屬穩(wěn)定性中厚層煤。

2 煤巖煤質(zhì)特征

2.1 煤巖特征

整理分析已有地質(zhì)勘查資料，結合前人研究成果[10-11]發(fā)現(xiàn)，神府礦區(qū)各煤層煤的鏡質(zhì)體平均最大反射率為0.51%～0.62%，屬于低階煙煤；各煤層宏觀煤巖組分以暗煤為主，亮煤次之，含少量鏡煤和絲炭，宏觀煤巖類型以半暗—半亮型煤為主。煤巖顯微組分體積分數(shù)88.5%～97.8%，以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，殼質(zhì)組含量較低；礦物體積分數(shù)0.2%～4.8%，以黏土類為主，其次為碳酸鹽類、硫化物類礦物。

2.2 煤質(zhì)特征

2.2.1 灰分(Ad)

神府礦區(qū)各煤層原煤灰分產(chǎn)率為1.47%～43.02%，平均為8.48%(N=2161)(N表示樣本數(shù)量，下同)，集中分布在5%～10%，主要為低灰分煤，低中灰煤、特低灰煤次之，各煤層間差異較小，僅郭家灣、檸條塔井田個別點的4-2、5-2煤層為中高灰煤，為30%～40%。浮選后，各煤層灰分產(chǎn)率均大幅下降，為1.02%～9.63%，平均為3.69%(N=2139)。

4-3和5-2煤層的原煤灰分等值線圖見圖1。對比發(fā)現(xiàn)其分布規(guī)律基本一致，即礦區(qū)東區(qū)北部及西區(qū)南部原煤灰分產(chǎn)率較低，但5-2煤層的原煤灰分產(chǎn)率在礦區(qū)中部有明顯富集區(qū)。

圖1 神府礦區(qū)主要可采煤層原煤灰分等值線圖

2.2.2 揮發(fā)分(Vdaf)

神府礦區(qū)各煤層原煤揮發(fā)分產(chǎn)率為20.79%～52.74%，平均為36.42%(N=2154)，集中分布在28%～50%，主要為中高揮發(fā)分、高揮發(fā)分煤，各煤層間差異較小。浮選后，各煤層揮發(fā)分產(chǎn)率未發(fā)生明顯變化，為24.62%～47.99%，平均為36.11%(N=2117)。

2.2.3 硫分(St,d)

神府礦區(qū)各煤層原煤全硫含量為0.05%～2.46%，平均為0.33%(N=2113)，其中絕大部分小于0.5%(N=1940)，為特低硫煤，僅2個樣品超過2.0%。浮煤全硫含量為0～0.65%，平均為0.23%(N=787)。礦區(qū)中部硫分含量相對較高，南部和北部低，如圖2所示。垂向上，硫分含量變化較小。形態(tài)硫分析表明，特低、低硫煤基本以有機硫為主、硫化鐵硫次之；中-高硫煤則以硫鐵礦硫為主、有機硫次之，易于浮選。

2.2.4 發(fā)熱量(Qgr,d)

礦區(qū)各煤層原煤干燥基高位發(fā)熱量(Qgr,d)為13.8～33.60 MJ/kg，平均為29.25 MJ/kg(N=1090)，屬高熱值煤。平面上，大體有從郭家灣井田向榆家梁井田增大的趨勢。

2.2.5 有害元素

煤中有害微量元素的研究是潔凈煤地質(zhì)研究的重要內(nèi)容，本文主要統(tǒng)計分析神府礦區(qū)各煤層的氟、氯、砷和鉛的干燥基含量。

(1)氟(F)。氟是煤中揮發(fā)性較強的有害元素，在煤的開采、加工利用及燃煤過程中釋放的氟易對環(huán)境造成巨大污染。礦區(qū)各煤層原煤氟含量測試數(shù)據(jù)顯示，氟含量為4～630 μg/g，平均為64.59 μg/g(N=920)，以特低氟煤為主，低氟煤次之。高氟煤(氟含量>200 μg/g)樣品點為30個，占比為3%，主要分布在沙溝岔及石窯店的5-2煤層中。各煤層原煤經(jīng)洗選后降為特低氟煤，表明其主要賦存在無機礦物中。

(2)氯(Cl)。礦區(qū)各煤層原煤氯含量為0.001%～0.224%，平均值為0.02%(N=929)，其中特低氯煤(氯含量≤0.05%)占比為91.9%，低氯煤(0.05%～0.15%)占比為7.8%，僅2個樣品點的氯含量大于0.15%，分布于檸條塔井田3-1煤層中。垂向上，下部煤層中氯含量高于中、上部煤層，因為氯在溫濕氣候的泥炭層中具有較強運移能力。浮選后，各煤層氯含量均有所增大，表明其主要賦存在有機礦物中。

圖2 神府礦區(qū)主要可采煤層硫分等值線圖

(3)砷(As)。砷作為Ⅰ類環(huán)境敏感元素，對生態(tài)環(huán)境和人體健康危害極大。礦區(qū)內(nèi)各煤層原煤砷含量為0～22 μg/g，平均為1.52 μg/g(N=869)，96.67%的樣品原煤砷含量≤4.0 μg/g，屬一級含砷煤；僅29個樣品的原煤砷含量大于4.0 μg/g，為二級含砷煤，零星分布于郭家灣、石窯店、榆家梁、三道溝井田。浮選后，各煤層砷含量明顯降低，表明其主要賦存在無機礦物中。

3 潔凈煤等級劃分

《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出要推進煤炭分質(zhì)分級梯級利用和煤炭清潔高效利用，而無論從煤炭的燃料還是原料角度出發(fā)，煤炭潔凈等級劃分都是基礎工作之一。根據(jù)唐書恒[12]等提出的煤炭潔凈等級評價體系，結合前人方案[3-5]，確定潔凈煤等級6級劃分方案，如表1所示，再綜合灰分、全硫、氟、氯、砷等與煤炭清潔利用相關的要素對神府礦區(qū)各主要煤層進行劃分，結果如表2所示。

表1 潔凈煤等級劃分方案

表2 神府礦區(qū)主要煤層潔凈等級劃分結果

通過對各煤層灰分、全硫、氟、氯、砷含量的統(tǒng)計，對照6級劃分方案，并采用“就高不就低”原則，神府礦區(qū)各主要煤層原煤潔凈等級為Ⅱ級，屬較好潔凈煤；浮選后大多達到Ⅰ級，僅5-2煤層受Cl含量影響其潔凈等級仍為Ⅱ級。但一般認為，煤中氯含量小于0.15%是安全的[13]。

4 綠色開發(fā)建議

神府礦區(qū)主要可采煤層潔凈等級較高，煤中有害元素富集度較低，適合采用地下氣化、直接液化等綠色開發(fā)技術。但目前由于煤炭開發(fā)產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀問題不可忽視。

4.1 主要地質(zhì)環(huán)境問題

煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)會產(chǎn)生一系列地質(zhì)環(huán)境問題，這引起眾多科研工作者的注意。錢鳴高、繆協(xié)興等[14-15]研究了綠色礦山建設技術；虎維岳[16]對深部煤炭開采的礦山地質(zhì)災害現(xiàn)狀進行了總結，提出了深部煤層資源地質(zhì)條件勘探、開采過程中地質(zhì)災害、礦井水害、瓦斯災害、熱害等方面需解決的關鍵問題；范立民2014年提出了“煤炭開采強度”的概念，研究了煤炭開采與地質(zhì)災害發(fā)育的關系，指出了適度開發(fā)的合理建議[6-7]；譚學玲等[17]基于2005-2016年12期MOD13Q1數(shù)據(jù)，采用像元二分法、線性回歸趨勢線法和地形面積差異修正系數(shù)等方法，研究榆神府礦區(qū)植被覆蓋度的時空分布特征和變化趨勢，并結合地形地貌、土地利用和采礦活動等數(shù)據(jù)分析其與植被覆蓋度變化的關系。

神府礦區(qū)作為榆神府地區(qū)最早開采的礦區(qū)及重要的能源化工基地，資源開發(fā)引發(fā)的環(huán)境問題較為突出。目前，礦區(qū)內(nèi)榆家梁、楊伙盤井田屬高強度開采區(qū)，其他井田多為中強度開采區(qū)，存在的地質(zhì)環(huán)境問題一方面表現(xiàn)為煤水矛盾突出、生態(tài)問題嚴重；另一方面表現(xiàn)為礦山地質(zhì)災害頻發(fā)[8]，以地面塌陷、地裂縫、礦震、地表水體縮減、地下水位下降、土地退化等為主[18]。

4.2 建議

2017年以來，“綠色煤炭資源”的研究不斷深入[19-22]，對煤炭地質(zhì)工作提出了新要求，同時也帶來了新機遇。建議在神府礦區(qū)煤炭資源開發(fā)過程中，加強對煤質(zhì)本身的研究，礦區(qū)主要煤層具有低灰、低硫、高揮發(fā)分、低有害元素的特點，適合氣化及直接液化[10，23]；加強對煤中金屬元素的研究以及煤中金屬元素測試技術和富集成礦機理的研究，青龍寺、郭家灣等井田個別樣品點的煤中鍺(Ge)、鎵(Ga)含量為10～26 μg/g，具有進一步研究的價值；加大綠色開采技術應用，通過IN-SAR等遙感技術加強對環(huán)境的影響監(jiān)測和評價。

5 結論

(1)神府礦區(qū)各煤層煤的鏡質(zhì)體平均最大反射率為0.51%～0.62%，屬于低階煙煤；宏觀煤巖組分以暗煤為主，亮煤次之，宏觀煤巖類型以半暗—半亮型煤為主。

(2)神府礦區(qū)各煤層原煤以低灰、中高揮發(fā)分、高熱值煤為主，煤中有害元素富集度低，原煤潔凈等級皆為Ⅱ級；浮選后潔凈等級多達到Ⅰ級。

(3)開發(fā)過程中，應加強對煤巖煤質(zhì)本身的研究及分類分級，加強對煤中金屬元素的研究，加大地下氣化、直接液化等綠色開采技術應用，建立對環(huán)境的影響監(jiān)測和評價體系。