神府礦區(qū)5-2煤層富油煤賦存特征及資源潛力評價

李華兵，姚 征，李 寧，高 駿，謝 青，王 強

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068)

富油煤是一種特殊的煤炭資源。依據(jù)《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(2014 修訂版)》中焦油產(chǎn)率的分級標(biāo)準(zhǔn)(葛金干餾條件下)，煤炭可分為高油煤(Tar,d>12%)、富油煤(Tar,d=7%～12%)和含油煤(Tar,d≤7%)，廣義的富油煤包括高油煤和富油煤[1]。本次研究主要是對廣義富油煤進(jìn)行資源評價。焦油產(chǎn)率較高的富油煤經(jīng)過低溫干餾，在隔絕空氣或惰性氣氛條件下加熱至600～800℃，經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)和物理變化，得到煤氣、煤焦油和半焦或焦炭等，是煤炭轉(zhuǎn)化和煤清潔利用的基礎(chǔ)[2]。煤炭從傳統(tǒng)的、單一的燃料向原料轉(zhuǎn)變，運用低溫干餾工藝生產(chǎn)半焦和低溫煤焦油，提高產(chǎn)品附加值和應(yīng)用效率，是煤化工替代石油化工的發(fā)展方向之一[3]。

影響煤焦油產(chǎn)率的主要因素包括成煤物質(zhì)、煤化程度、熱解溫度、煤熱解升溫速率和煤的活性組分。相對于腐植煤，腐泥煤富含殼質(zhì)組分，具有更高的揮發(fā)分產(chǎn)率和焦油產(chǎn)率[4-5]。隨著煤化程度的提高，煤中揮發(fā)分、H/C、氧含量等都呈下降趨勢[6-7]。原煤熱解焦油產(chǎn)率在600℃時達(dá)到最大值，熱解終溫的升高促使焦油發(fā)生二次裂解，使得焦油產(chǎn)率降低[8]?？焖偕郎?zé)峤獗嚷贌峤飧欣谔岣咻p質(zhì)氣相產(chǎn)物的產(chǎn)率，主要是提高了碳、氫轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)氣相烴類產(chǎn)物的效率[9]。陜北侏羅紀(jì)煤田煤質(zhì)優(yōu)良，原煤潔凈等級為Ⅲ級，低熱演化程度、高揮發(fā)分、高氫碳原子比的特點使其在煤炭直接液化利用方面具有較大的優(yōu)勢[10-11]。

神府礦區(qū)煤炭資源豐富，以往研究在富油煤分布范圍、資源潛力及開發(fā)前景等方面缺乏系統(tǒng)性，資源潛力不清，開發(fā)前景不明。在系統(tǒng)分析神府礦區(qū)5-2煤層富油煤賦存特征的基礎(chǔ)上，開展富油煤資源潛力評價，以綠色發(fā)展理念為導(dǎo)向，實現(xiàn)煤炭高效清潔利用，延長煤炭價值鏈，對加強生態(tài)文明建設(shè)、黃河中段生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)環(huán)境保護(hù)和陜北地區(qū)煤炭轉(zhuǎn)型具有重要的經(jīng)濟和社會意義[9,12]。

1 地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)背景

神府礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北邊緣，構(gòu)造單元處于鄂爾多斯地臺二級構(gòu)造單元伊(伊克昭盟)–陜(北)單斜東緣中部，西部為天環(huán)坳陷，北部為伊盟隆起，東部是晉西撓折帶。三疊紀(jì)中晚世，本區(qū)才逐漸與華北地區(qū)解體分離，成為獨立的內(nèi)陸沉積盆地——鄂爾多斯盆地的一部分，而在此之前，與華北地臺為一整體[13]。

礦區(qū)地層總體為向西緩傾的單斜，傾角1°～3°，坡降一般5‰～17‰，未發(fā)現(xiàn)落差大于30 m 斷層和明顯的褶皺構(gòu)造，也無巖漿活動，僅表現(xiàn)為一些寬緩的大小不等的波狀起伏。地殼大范圍的長期緩慢沉降，造成鄂爾多斯侏羅–白堊紀(jì)盆地的早期擴張及普遍充填，中侏羅統(tǒng)含煤巖系即形成于這一階段。

1.2 成煤沉積環(huán)境

鄂爾多斯盆地延安組主要是三角洲平原相和濱湖相沉積。神府礦區(qū)5-2煤層形成于覆水較深、還原程度高的濱湖、淺湖/湖泊邊緣三角洲以及沼澤環(huán)境中，煤化程度較低。草本植物、低等植物和浮游生物等成煤物質(zhì)發(fā)育，顯微組分中活性組分(殼質(zhì)組+鏡質(zhì)組)體積分?jǐn)?shù)為15%～25%，氫元素含量高，H/C原子比相對較高。煤中活性組分及氫元素含量是煤生烴物質(zhì)基礎(chǔ)[14]。B.P.Tissot 等[15]根據(jù)范氏圖推測，在成煤過程中殼質(zhì)組的熱演化途徑與Ⅱ型干酪根基本相同，Ⅱ型干酪根經(jīng)過熱演化生成石油，說明殼質(zhì)組有較強的生油潛力，是富油煤的生油母質(zhì)。

1.3 煤層及煤巖煤質(zhì)特征

神府礦區(qū)內(nèi)煤層分布范圍廣，全區(qū)均含煤，且煤層發(fā)育層數(shù)較多，自上而下約7 層，其中5-2煤層全區(qū)可采，大部分區(qū)域不含夾矸，局部地區(qū)含1～2層夾矸[16]。5-2煤層位于延安組的下部，可采厚度為1.35～7.85 m，平均5.61 m，屬于厚煤層，變異系數(shù)22%[16]，煤層厚度變化不大(圖1)。

圖1 神府礦區(qū)5-2 煤層厚度分布Fig.1 Thickness distribution of No.5-2 coal seam in Shenfu Mining Area

5-2煤層主要呈黑色，煤巖成分以暗煤、亮煤為主，夾鏡煤條帶或透鏡體，絲炭沿層面呈長條帶或透鏡體分布，厚1～3 mm，常見絲炭化植物葉片和莖干的薄片出現(xiàn)在鏡煤的上、下部位。5-2煤層屬于低水分、特低灰分、中高揮發(fā)分煤，原煤全水分平均為7.49%，灰分平均為7.87%，揮發(fā)分平均為34.92%[17]。

2 富油煤賦存特征

2.1 焦油產(chǎn)率特征

對神府礦區(qū)歷年鉆孔資料以及井下實地采樣測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到5-2煤層焦油產(chǎn)率。鉆孔數(shù)量755 個，井下采樣63 處，采集樣品163 件，覆蓋整個礦區(qū)，能夠代表神府礦區(qū)焦油產(chǎn)率的真實情況。統(tǒng)計結(jié)果表明：5-2煤層焦油產(chǎn)率介于 4.12%～17.58%，平均值9.81%，表明神府礦區(qū)5-2煤層整體上達(dá)到富油煤水平，部分地區(qū)的焦油產(chǎn)率超過12%，最高可達(dá)17.85%，已經(jīng)達(dá)到高油煤的標(biāo)準(zhǔn)。其中，焦油產(chǎn)率最低值在郭家灣井田，為4.12%，最大值為17.85%，位于紅柳林井田，兩者相差4 倍。

按照焦油產(chǎn)率分級，數(shù)據(jù)中焦油產(chǎn)率小于7%的含油煤(ET)樣品有23 個，7%～12%的富油煤(RT)樣品為694 個，大于12%的高油煤(HT)樣品為38 個，各級別焦油產(chǎn)率占比如圖2 所示。因此，神府礦區(qū)5-2煤層絕大部分焦油產(chǎn)率大于7%，屬于富油煤，表明神府礦區(qū)5-2煤層富油煤整體上發(fā)育良好[18]。

圖2 神府礦區(qū)5-2 煤層各焦油產(chǎn)率所占比例Fig.2 The tar-yield proportion of No.5-2 coal seam in Shenfu Mining Area

2.2 富油煤分布特征

對神府礦區(qū)各井田5-2煤層焦油產(chǎn)率情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1，并繪制焦油產(chǎn)率等值線圖(圖3)。通過對焦油產(chǎn)率數(shù)據(jù)研究分析，得到神府礦區(qū)5-2煤層富油煤的分布特征?？傮w而言，神府礦區(qū)富油煤賦存特征主要為焦油產(chǎn)率高、整體發(fā)育穩(wěn)定、局部存在差異性、面積廣、潛力巨大等特點。

表1 神府礦區(qū)各井田5-2 煤層焦油產(chǎn)率情況Table 1 The tar-yield proportion of 5-2 coal seam in Shenfu mining area

圖3 神府礦區(qū)5-2 煤層焦油產(chǎn)率分布Fig.3 The tar-yield distribution of No.5-2 coal seams in Shenfu Mining Area

1) 焦油產(chǎn)率高

神府礦區(qū)5-2煤層焦油產(chǎn)率介于4.12%～17.58%，平均值 9.81%，平均值不僅高出富油煤臨界值近3%，也大于陜西省境內(nèi)陜北和黃隴侏羅紀(jì)煤田高焦油產(chǎn)率平均值9.4%[19]。焦油產(chǎn)率小于7%的只占到3.05%，焦油產(chǎn)率大于7%約占97%，而焦油產(chǎn)率大于10%的鉆孔接近50%，表明神府礦區(qū)5-2煤層的焦油產(chǎn)率較高。

2) 發(fā)育穩(wěn)定

對神府礦區(qū)紅柳林井田、檸條塔井田、石窯店井田等焦油產(chǎn)率高值點進(jìn)行順層采樣，在直線長度為2 000 m 的范圍，每隔40 m 采集一個樣品進(jìn)行化驗測試，評價富油煤發(fā)育的穩(wěn)定性。通過計算煤焦油產(chǎn)率平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，并以變異系數(shù)為煤的富油性穩(wěn)定程度評價指標(biāo)，小于10%指示穩(wěn)定性等級優(yōu)、10%～12%指示穩(wěn)定性良、12%～15%指示穩(wěn)定性中、大于15%指示穩(wěn)定性差[20]。從表2 可以看出，富油煤發(fā)育穩(wěn)定性良好。

表2 富油煤發(fā)育穩(wěn)定性分析Table 2 Stability analysis for tar-rich coal of 5-2 coal seam

3) 發(fā)育面積廣

神府礦區(qū)面積約2 400 km2，5-2煤層達(dá)到可采厚度的面積約1 344.80 km2，富油煤和高油煤發(fā)育面積為1 295.45 km2，約占可采厚度發(fā)育面積的96%，其中高油煤面積約 8.66 km2，富油煤面積為1 286.79 km2，含油煤面積為49.35 km2。

4) 富油煤開發(fā)潛力大

神府礦區(qū)5-2煤層達(dá)到可采厚度的煤炭資源量約為4 918.01 Mt(截至2018 年底)，其中高油煤資源量為42.75 Mt，占比0.87%；富油煤資源量約為4 659.02 Mt，占比 94.73%；含油煤資源量為216.24 Mt，占比4.40%；高油煤和富油煤儲量之和達(dá)到4 701.77 Mt，占比95.60%，開發(fā)前景巨大。

5) 富油煤分布區(qū)域存在差異

從焦油產(chǎn)率等值線圖(圖3)可以看出，神府礦區(qū)富油煤分布南北存在差異，總體上南部區(qū)域焦油產(chǎn)率高、北部低。南部富油煤發(fā)育良好，尤其是西南部緊靠榆神礦區(qū)的紅柳林井田和檸條塔井田最高。北部區(qū)域焦油產(chǎn)率相對較低，大柳塔井田以北區(qū)域、郭家灣井田周邊區(qū)域以及三道溝井田的東北部等區(qū)域的焦油產(chǎn)率較低。這表明在陜北侏羅紀(jì)煤田腹地富油煤發(fā)育較好，而邊緣區(qū)域發(fā)育較差。

3 富油煤資源潛力評價

3.1 評價方法

富油煤作為一種特殊的煤炭資源，對其資源潛力評價屬于煤炭資源評價的范疇。煤炭資源評價采用地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)等為基礎(chǔ)的邊緣學(xué)科方法[21]。富油煤發(fā)育受多種因素影響，不能用單一的標(biāo)準(zhǔn)來評價，必須綜合各方面的因素。本次研究首先把富油煤資源潛力分為若干因素進(jìn)行綜合考量，再把這些因素細(xì)分，進(jìn)行層次分析[22]，具有較好的實用性和有效性。

3.2 評價參數(shù)

根據(jù)神府礦區(qū)5-2煤層富油煤賦存特征，把該區(qū)富油煤資源潛力的影響因素分為資源賦存、煤層賦存、開發(fā)技術(shù)和社會環(huán)境效益4 部分[23]。資源賦存包括煤炭焦油產(chǎn)率、資源量、煤層厚度等；煤層賦存情況包括煤層發(fā)育狀況、頂?shù)装鍘r性及穩(wěn)定程度等；開發(fā)技術(shù)主要是對富油煤開發(fā)能力進(jìn)行評價，一般大型企業(yè)聚集區(qū)，有利于發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢；社會環(huán)境效益是指資源開采過程中對區(qū)域煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型和黃河中段環(huán)境脆弱區(qū)的影響。

根據(jù)層次分析法，把資源賦存、煤層賦存、開發(fā)技術(shù)和社會環(huán)境效益4 個因素作為主要指標(biāo)，并細(xì)分為10 個評價參數(shù)，建立富油煤資源潛力評價體系[21](表3)?？紤]到神府礦區(qū)煤層賦存條件、開采技術(shù)和經(jīng)濟效益基本相同，而富油煤是主要評判標(biāo)準(zhǔn)，所以對資源賦存狀況賦值0.4 分，其余3 項各賦值0.2 分，按照評價參數(shù)進(jìn)行賦分并累加，得到每項影響因素的最終得分。

表3 富油煤資源潛力指標(biāo)等級劃分Table 3 Tar-rich coal resource potential index classification

3.3 評價結(jié)果

通過對神府礦區(qū)富油煤資源潛力評價各項指標(biāo)進(jìn)行分析，得到各井田的綜合評價結(jié)果(表4)。由表中可知，神府礦區(qū)5-2煤層富油煤資源開發(fā)潛力綜合得分介于71.7～85.5 分，平均77.34 分，屬于資源富集有利區(qū)。各井田煤層賦存條件相近，煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂?shù)装鍘r性多以砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，穩(wěn)定程度基本相同，煤層變異系數(shù)為20%～30%，相差不大。在開發(fā)技術(shù)和社會環(huán)境效益方面略有不同，但總體上較為相近。

表4 富油煤資源潛力評價結(jié)果Table 4 Results table of resource potential

由于煤質(zhì)、成煤環(huán)境和成煤物質(zhì)存在差異，不同井田焦油產(chǎn)率差別較大(表1)。另外，煤層厚度和資源量也呈現(xiàn)區(qū)域差異性。因此，研究區(qū)富油煤資源賦存條件方面相差較大。紅柳林井田、檸條塔井田、大柳塔井田、張家峁井田、石窯店井田等綜合評價得分在80 分以上，資源賦存得分均在30 分以上，富油煤發(fā)育良好、焦油產(chǎn)率高、煤層厚度大、剩余儲量巨大。

3.4 有利區(qū)劃分

根據(jù)本次富油煤資源潛力評價結(jié)果，對神府礦區(qū)5-2煤層富油煤資源有利區(qū)進(jìn)行劃分。紅柳林井田、檸條塔井田、大柳塔井田、張家峁井田、石窯店井田等各要素賦存條件達(dá)到優(yōu)質(zhì)級別，以10%焦油產(chǎn)率等值線和5 m 煤厚等值線將以上井田劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個有利區(qū)(面積約700 km2，富油煤儲量超過2 000 Mt)，即為下一步神府礦區(qū)5-2煤層富油煤勘探開發(fā)的最有利區(qū)域(圖4)。

圖4 神府礦區(qū)5-2 煤層富油煤資源有利區(qū)劃分Fig.4 Distribution of the resource favorable area for 5-2 coal seams

有利區(qū)Ⅰ主要包括紅柳林井田、檸條塔井田、張家峁井田，面積約 337.7 km2，煤層平均厚度5.31 m，焦油產(chǎn)率平均為10.05%。Ⅱ號有利區(qū)主要包括大柳塔井田、大海則井田、石窯店井田、青龍寺井田，面積約365.4 km2，煤層厚度平均為5.04 m，焦油產(chǎn)率平均為9.34%。選定的有利區(qū)煤層穩(wěn)定，資源潛力較大，國家能源集團(tuán)、陜西煤業(yè)化工集團(tuán)等大型企業(yè)聚集，技術(shù)力量較強，有利于推動富油煤轉(zhuǎn)化和高效利用。

4 結(jié)論

a.神府礦區(qū)5-2煤層焦油產(chǎn)率平均值為9.81%，整體上達(dá)到富油煤水平，部分地區(qū)已經(jīng)達(dá)到高油煤的標(biāo)準(zhǔn)。鉆孔數(shù)據(jù)和采集樣品中，富油煤和高油煤占比近97%，表明研究區(qū)富油煤整體上發(fā)育良好。

b.從焦油產(chǎn)率、變異系數(shù)、富油煤面積和儲量、差異性等數(shù)據(jù)來看，研究區(qū)富油煤賦存特征主要為焦油產(chǎn)率高、整體發(fā)育穩(wěn)定、局部存在差異性、面積廣、潛力巨大等特點。

c.采用層次分析法評價富油煤的資源潛力，把資源賦存、煤層賦存、開發(fā)技術(shù)和社會環(huán)境效益4 個因素作為主要指標(biāo)，對4 項指標(biāo)細(xì)分10 個評價參數(shù)后，建立富油煤資源潛力評價體系。經(jīng)分析，研究區(qū)富油煤資源開發(fā)潛力平均綜合得分77.34 分，屬于資源富集有利區(qū)。

d.根據(jù)資源潛力評價結(jié)果，將研究區(qū)共劃分為2 個富油煤資源有利區(qū)，其含煤面積約為700 km2，煤層厚度均大于5 m，焦油產(chǎn)率大于9%，富油煤儲量超過2 000 Mt。主要包括紅柳林井田、檸條塔井田、張家峁井田、大柳塔井田、大海則井田、石窯店井田、青龍寺井田。有利區(qū)面積廣、焦油產(chǎn)率高、資源潛力大，周邊大型煤炭企業(yè)較多，技術(shù)資金力量雄厚，在目前開采條件下已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為下一步富油煤勘探開發(fā)指明了方向。