穆棱組和城子河組煤層的煤質(zhì)特征及變質(zhì)規(guī)律

張學(xué)健，寧良云，周玉珠

(黑龍江省煤田地質(zhì)一○八勘探隊(duì)， 黑龍江 雞西 158100)

在核能還沒(méi)有普及的情況下，煤炭仍是我國(guó)目前的主要能源。東北地區(qū)是我國(guó)原材料工業(yè)基地，重工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有很高比重，能源消耗較大，煤炭需求量日益增加[1]。目前，我省一批國(guó)有大型煤礦已達(dá)服務(wù)年限相繼關(guān)閉，15萬(wàn)噸以下小煤礦亦相繼關(guān)閉。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國(guó)內(nèi)煤炭供需還將逐年加大。為合理利用合作煤礦煤炭資源，筆者對(duì)研究區(qū)內(nèi)的穆棱組和城子河組可采煤層的煤質(zhì)特征和煤的變質(zhì)規(guī)律進(jìn)行分析，以確定其工業(yè)用途。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

雞西盆地東西長(zhǎng)135 km，南北寬25 km，面積約3 375 km2[2]。盆地中部由于存在橫貫東西的平麻斷裂，將盆地劃分為北、南兩個(gè)凹陷區(qū)，南部條帶呈北東向，北部條帶由西部東西向變?yōu)闁|部的北東—北東東向[3]。研究區(qū)位于雞西煤田南部條帶中部，北距麻山—平陽(yáng)逆沖斷裂14 km，南距敦化—密山斷裂15 km，具體位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造綱要Fig. 1 Regional structural outline of study area

研究區(qū)主要含煤地層為穆棱組(K1m)和城子河組(K1c)。穆棱組地層總厚為800～1 100 m，含煤總層數(shù)為12層，煤層總厚度為7.95 m，含煤系數(shù)0.74%，其中,可采煤層4層，屬薄煤層。城子河組含煤地層總厚度為400～900 m，含煤總層數(shù)達(dá)13層。煤層總厚度為9.36 m，含煤系數(shù)1.95%，其中，可采煤層4層，屬薄-中厚煤層。雞西地區(qū)現(xiàn)開(kāi)采煤礦大部分開(kāi)采城子河組煤層[4]。

2 煤的物理性質(zhì)與煤巖特征

2.1 煤的物理性質(zhì)

研究區(qū)煤炭資源均為煙煤，具有瀝青光澤-玻璃光澤，局部夾強(qiáng)玻璃光澤，線(xiàn)理狀及寬條帶狀的結(jié)構(gòu)鏡煤；斷口呈階梯狀、參差狀、少量鏡煤呈貝殼狀及眼球狀；顏色及條痕均為黑色；可采煤層視密度平均值為1.28～1.49 t/m3；電阻率為60～180 Ω·m。未見(jiàn)碎粒及糜棱結(jié)構(gòu)，煤巖堅(jiān)硬，手捏不易碎。研究區(qū)采取的可采煤巖樣品共41個(gè)，原生結(jié)構(gòu)37個(gè)，碎裂結(jié)構(gòu)4個(gè)，裂隙相對(duì)發(fā)育，每5 cm發(fā)育5～26條,基本不充填或較少，煤層孔隙度介于5.405%～6.790%之間，平均6.037%。

2.2 煤巖特征

2.2.1 宏觀(guān)煤巖

煤的宏觀(guān)煤巖組分以亮煤為主，暗煤次之。鏡煤多呈薄層狀、不規(guī)則條帶狀、線(xiàn)理狀及透鏡狀?yuàn)A于亮煤之間，性脆，內(nèi)生裂隙發(fā)育。暗煤光澤暗淡，為均一狀結(jié)構(gòu)，以薄層狀、不規(guī)則條帶狀及透鏡狀?yuàn)A于亮煤和鏡煤之間。宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以半亮型為主，其次為半暗型。

2.2.2 顯微煤巖

研究區(qū)內(nèi)的顯微煤巖組分包括有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分[5-6]，其主要可采煤層顯微煤巖組分含量見(jiàn)表1。其中，w1為有機(jī)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w2為無(wú)機(jī)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由表1可知，有機(jī)組分以鏡質(zhì)組為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77.28%～85.83%，主要為均質(zhì)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體，其次為團(tuán)塊鏡質(zhì)體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體及少量的碎屑鏡質(zhì)體、團(tuán)塊半鏡質(zhì)體和結(jié)構(gòu)半鏡質(zhì)體；惰質(zhì)組主要為絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體，其次為惰質(zhì)體或碎屑惰質(zhì)體，少見(jiàn)菌類(lèi)體，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.12%～19.76%；殼質(zhì)組主要為小孢子體，其次為角質(zhì)體和樹(shù)脂體，少見(jiàn)大孢子體和木栓質(zhì)體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.96%～15.83%。無(wú)機(jī)組分主要為粘土礦物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于9.10%～17.60%之間，為棕色-黑棕色-黑棕色細(xì)粒狀聚集體及黑色細(xì)粒狀粘土；氧化物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.70%～7.50%，為石英；碳酸鹽礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～0.80%，主要為方解石，其次為菱鐵礦；硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～1.50%，為黃鐵礦。少見(jiàn)其他成分為熱變煤粒、顯微煤巖組分等。

表1 顯微鏡煤巖組分

顯微煤巖類(lèi)型：2號(hào)煤層以微鏡惰煤為主含有少量微亮煤，3上號(hào)煤層以微鏡惰煤為主含有少量微亮煤，3號(hào)煤層以微鏡惰煤為主含有少量微亮煤和微三合煤，4號(hào)煤層為微鏡惰煤，12號(hào)煤層以微鏡惰煤為主含有少量微亮煤和微三合煤，13號(hào)煤層為微鏡惰煤、微亮煤和微三合煤，14號(hào)煤層為微亮煤。

3 煤的化學(xué)性質(zhì)

3.1 工業(yè)分析

對(duì)研究區(qū)內(nèi)煤芯煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果如表2所示。

分析表2和表3可知，研究區(qū)穆棱組(2、3上、3和4號(hào)煤層)平均水分為2.36%～2.75%，城子河組主要可采煤層(12、13和14號(hào)煤層)平均水分為1.18%～1.49%，穆棱組平均灰分為21.22%～31.10%，屬中灰煤-高灰煤。城子河組主要可采煤層平均灰分為19.69%～24.28%，屬低灰-中灰煤。穆棱組主要可采煤層煤的揮發(fā)分產(chǎn)率平均為37.89%～38.76%，屬高揮發(fā)分煤。城子河組主要可采煤層煤的揮發(fā)分產(chǎn)率平均為35.39%～36.83%，屬中高揮發(fā)分煤?？刹擅簩悠骄喝騱(St,d)為0.33%～0.40%，以有機(jī)硫?yàn)橹鳎鶠樘氐土蛎?。穆棱組主要可采煤層原煤平均發(fā)熱量Qgr,d在23.10～26.65 MJ/kg，屬中發(fā)熱量-中高發(fā)熱量煤，城子河組主要可采煤層原煤平均發(fā)熱量Qgr,d在26.23～28.14 MJ/kg，屬中高發(fā)熱量-高發(fā)熱量煤。根據(jù)數(shù)據(jù)分析：穆棱組可采煤層變質(zhì)程度和原煤發(fā)熱量均低于城子河組可采煤層，穆棱組可采煤層灰分高于城子河組可采煤層。

研究區(qū)主要可采煤層視密度值在1.28～1.49 t/m3之間，煤層視密度隨著煤層灰分增加而變大，反之亦然。

表2 可采煤層煤質(zhì)工業(yè)分析

3.2 元素分析

主要可采煤層煤芯煤樣元素分析結(jié)果見(jiàn)表3，稀散無(wú)素、有害元素及各種形態(tài)硫含量如表4所示。

元素分析成果表中，穆棱組可采煤層粘結(jié)指數(shù)分?jǐn)?shù)w(GRI)平均為26.7%～50.8%，城子河組可采煤層粘結(jié)指數(shù)分?jǐn)?shù)w(GRI)平均為63.6%～79.6%；穆棱組可采煤層碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Cdaf)為81.44%～83.11%，城子河組可采煤層碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Cdaf)為84.04%～84.47%；穆棱組可采煤層氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Hdaf)為5.59%～5.69%，城子河組可采煤層氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Hdaf)為5.55%～5.66%；穆棱組可采煤層碳與氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值γ為14.86～15.13，城子河組可采煤層碳與氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值γ為15.13～15.73。

穆棱組可采煤層粘結(jié)指數(shù)分?jǐn)?shù)、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和碳與氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值均小于城子河組可采煤層，而氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于城子河組可采煤層。

表3 可采煤層煤芯煤樣的元素分析

表4 可采煤層煤芯煤樣煤質(zhì)綜合分析

由表4可見(jiàn)，穆棱組和城子河組可采煤層平均原煤全硫w(St,d) 0.33%～0.40%，以有機(jī)硫?yàn)橹?，均為特低硫煤；原煤中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.023%～0.095%,屬低磷分-高磷分煤；可采煤層氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.005%～0.009%之間，均屬特低氯煤；可采煤層砷的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.79～1.34 μg/g，不超過(guò)4.00 μg/g，均為一級(jí)含砷煤,沒(méi)有達(dá)到有害程度；穆棱組和城子河組煤中稀有元素鍺質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Gead)在3.45～4.79 μg/g之間，鎵質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Gaad)在5.38～7.94 μg/g之間,鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Uad)在0.000 2～0.001 5 μg/g之間， 鍺、鎵、鈾的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都很低，均達(dá)不到工業(yè)品位。

3.3 灰分分析

穆棱組與城子河組可采煤層煤灰分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表5所示。由表5可知，研究區(qū)穆棱組的灰分成分中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.49%～66.45%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.91%～24.66%；城子河組煤灰成分中，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.29%～63.83%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.82%～30.70%。穆棱組可采煤層的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于城子河組可采煤層；穆棱組可采煤層的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)則低于城子河組可采煤層。

表5 可采煤層煤灰所含成分

4 煤的變質(zhì)規(guī)律與工業(yè)用途

4.1 煤的成分分析

根據(jù)以上煤質(zhì)資料研究分析，研究區(qū)煤的平均水分、平均灰分、揮發(fā)分產(chǎn)率和氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨煤的埋藏深度加深而逐漸減小。煤的原煤平均發(fā)熱量、粘結(jié)指數(shù)分?jǐn)?shù)、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和γ均隨煤的埋藏深度加深而逐漸而變大。研究區(qū)城子河組含煤地層早于穆棱組含煤地層，城子河組煤層埋深較深變質(zhì)程度相對(duì)較高，煤的變質(zhì)規(guī)律符合雞西煤田的一般規(guī)律。

4.2 煤的工藝性能與用途評(píng)價(jià)

研究區(qū)穆棱組可采煤層原煤發(fā)熱量平均為22.59～25.83 MJ/kg，城子河組可采煤層原煤發(fā)熱量平均為25.09～27.02 MJ/kg；穆棱組和城子河組的煙煤有一定的粘結(jié)性，穆棱組粘結(jié)指數(shù)為26.70%～50.80%，膠質(zhì)層最大厚度為9.4～10.3 mm。城子河組粘結(jié)指數(shù)為63.60%～79.60%，膠質(zhì)層最大厚度為11.03～14.63 mm。

根據(jù)《中國(guó)煤炭分類(lèi)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T5751—2009)劃分，穆棱組可采煤層煤類(lèi)主要為長(zhǎng)焰煤和氣煤，另有少量1/3焦煤；城子河組可采煤層煤類(lèi)主要為1/3焦煤和氣煤，另有少量弱粘煤。

研究區(qū)穆棱組和城子河組主要可采煤層水分平均為1.18%～2.75%，灰分平均為19.69%～31.10%，為中灰煤和高灰煤；揮發(fā)分產(chǎn)率平均為35.39%～38.76%，為高揮發(fā)分煤和中高揮發(fā)分煤；全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.33%～0.40%，屬特低硫煤；磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.023%～0.095%,屬低-高磷分煤。其發(fā)熱量平均為23.10～28.14 MJ/kg, 屬中-高發(fā)熱量煤。與鄰近平崗礦煤的工業(yè)用途類(lèi)比，該區(qū)煤的最佳用途：l/3焦煤和氣煤可用作煉焦用煤和煉焦配煤；長(zhǎng)焰煤和弱粘煤可作為動(dòng)力用煤，也可作為煉油、氣化和低溫干餾的原料；氣煤還可用來(lái)煉油、氣化、生產(chǎn)氮肥或作動(dòng)力用煤。本區(qū)各層煤中高磷分煤和中磷分煤須與其他特低磷分煤混和后可作為煉焦配煤。選煤方法可采用兩段兩產(chǎn)品重介旋流器分選工藝，一段低密度分選選出精煤和中間產(chǎn)品，二段高密度分選選出中煤和矸石。

5 結(jié) 論

(1)雞西煤田合作煤礦穆棱組和城子河組煙煤以亮煤為主，顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組為主，顯微煤巖類(lèi)型以微鏡惰煤為主。煤質(zhì)為低灰-高灰煤、中高-高揮發(fā)分煤、特低硫煤、低磷-高磷分煤、特低氯煤。

(2)根據(jù)研究區(qū)煤的工業(yè)分析結(jié)果和工業(yè)用途，煤的發(fā)熱量為中低-特高發(fā)熱量煤，煤類(lèi)以氣煤、長(zhǎng)焰煤、1/3焦煤為主和少量弱粘煤，可用作煉焦用煤、煉焦配煤和動(dòng)力用煤，其中，氣煤還可用來(lái)煉油、氣化、生產(chǎn)氮肥或作動(dòng)力用煤。